杨莹
（赛卓电子科技有限公司，上海，200233）
摘要：传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术，被广泛地应用于国民经济的各个领域，霍尔式磁效应传感器是其中应用非常广泛的一类。与一般模拟集成电路的版图设计相比，霍尔式磁效应传感器芯片的版图需要有一些特殊考虑。本论文讨论了霍尔元件的电磁特性以及环境温度、外界应力和半导体一致性等因素对霍尔元件电磁特性的影响，并重点从芯片版图设计方面介绍了如何通过优化集成电路的版图来提高霍尔元件的性能，扩展芯片的工作温度范围，并提高芯片的可靠性。 关键词：霍尔效应；传感器；版图设计
The Integrated Circuit layout design method of the Hall Effect sensor
YANG Ying
（Semiment Technology Inc.,Shanghai200233,China）
Abstract：As the three pillar technologies of the modern information society,sensor technology is widely used in var-ious fields of the national economy.Hall-Effect sensor is one of those sensors which is most widely used.The layout design of the Hall-Effect sensor requires some special considerations compared to the layout design of other normal analog integrated circuit.This paper discusses the electromagnetic characteristics of Hall components and the effects of ambient temperature,external stress and semiconductor uniformity on the electromagnetic characteristics of Hall components,and focuses on how to optimize the Hall IC by optimizing the layout design.The layout design improves the performance of the Hall IC,expands the operating temperature range of the chip,and improves the reliability of the chip.
防盗追踪Key words：Hall Effect;Sensor;Layout Design
1技术背景
传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一，在工业、农业、航天军工和科学等领域，传感器技术都得到了广泛的应用。磁效应传感器采用半导体材料制作，可以将各种与磁场相关的物理量转变为电信号，这种半导体磁传感器有两大优点：其一，传感器制造技术可以与微电子技术兼容，可以低成本大批量生产；其二，与其他传感器相比，磁传感器不受使用环境中的背景光源、尘埃、油污、
盐雾及其他化学气氛影响，同时具有体积小、重量轻、耐震动、抗冲击和寿命长的特点。霍尔式磁效应传感器芯片是发展最早、最成熟、应用最广泛、产量最大的磁传感器分支，霍尔器件还具有结构简单、性能优良、空间分辨率高和工作频率高等优点[1]。
霍尔元件建立了霍尔电压V H、电流I和磁场B 之间的关系，通过电流I把磁场转化为霍尔电压V H。但霍尔电压V H有下面几个特点[2]：
1）幅度通常很细小，不适宜直接输出，需要放大处理后才可以输出，而放大器电路本身存在的失调电压是V H的几倍，所以放大霍尔信号的放大器从电路到版图都需要非常仔细的设计，尽量减小失调电压。
2）霍尔元件的物理版图形状、尺寸以及接触孔的大小都对霍尔电压V H有影响。
3）V H对半导体制造、封装和实际使用环境的应力非常敏感，需要从电路设计、芯片的版图设计和其他方面进行优化，尽量减小外界应力对霍尔传感器参数的影响。
4）V H有很明显的非线性温度系数，需要从电路设计和版图设计两个方面进行补偿。
条码检测根据传感器输出类型不同，可以将传感器分为“线性输出型”和“开关输出型”两个大类，前者为模拟量输出，用于各种磁场或者电流的测量；后者的输出为高和低两个数字量，用作位置检测装置，常用于直
流无刷电机和各种汽车位置传感器。这两个品类的霍尔传感器芯片都希望如下特性：
1）较高的灵敏度；
2）片与片之间良好的灵敏度一致性；
3）宽温度工作范围，-40°到150°，甚至要求-55°到160°；
4）抗中子和空间粒子辐射能力。
本论文将从芯片物理版图布局的角度介绍如何在相同的电路设计条件下得到较高的霍尔灵敏度；通过合理的版图布局布线，减小半导体制造过程中、封装过程中和传感器实际装配过程中产生的应力对芯片一致性的影响；以及应用于航天军工领域的霍尔器件抗辐照加固方法。
2霍尔元件的版图设计
霍尔元件有恒流、恒压两种供电方式，其中恒流供电方式产生的霍尔感应电压虽然与环境温度关系不是很大，但与霍尔元件的物理厚度有关，在现有的工艺条件下，霍尔元件的厚度不可能做到每一片都非常精确地控制，因此不做修调就不能形成高合格率、多批次可重复和高精度的霍尔传感器芯片[6]。所以现在大多数霍尔传感器芯片都采用恒压供电方式，其霍尔电压V H的表达式为：
V
H
闪蒸塔=1
qnd
IB=μ
n
W
L
BV=K
H
BV（1）其中：
V H：霍尔电压；
q：电子电量；
n：载流子浓度；
d：霍尔元件厚度；
I：工作电流；
B：磁场强度；
μn：载流子迁移率；
W：霍尔元件宽度；
L：霍尔元件长度；
V：霍尔供电电压；
K H：霍尔元件灵敏度。
木胶粉
由上述（1）式可以看出，霍尔电压V H的产生已
图1霍尔元件模块示意图
经与霍尔元件的厚度无关，只与霍尔元件载流子迁移率有关。而恒压供电的霍尔元件的灵敏度将随着温度的变化而显著变化，所以霍尔元件采用恒压供电的集成电路内都需要合适的温度补偿，使芯片可以在很宽的工作温度范围内灵敏度保持不变或者变化很小。开关输出型霍尔的温度补偿一般采用电阻进行补偿，此电阻的半导体材料与霍尔元件的材料相同，而具有相同的载流子迁移率，可以比较好的消除迁移率温度系数对霍尔传感器芯片灵敏度的温度系数的影响[4]。
霍尔元件本身有一定的失调电压，且这个失调电压与与应力和环境温度直接相关，但没有固定的关系，所以减小应力和环境温度对霍尔元件的特性影响是霍尔传感器芯片版图设计的重要任务，具体需要做到下面几个方面[3]
（结合图1）：1）单个霍尔元件须具有90°旋转对称特性。这种图形的霍尔元件可以消除不等位电势对器件性能的影响。
2）四个完全相同的霍尔元件并联组合成一个霍尔元件模块，且呈90度旋转对齐。由于作用于霍尔元件上的磁场方向是一样的，在四个完全相同的霍尔元件产生的失调电压应该是大小相等，极性相反的信号，这样不等位电势（失调电压）将被很好的抵消。
3）每个霍尔元件采用恒压供电方式，且流过霍尔元件的电流呈90度旋转组合，电流沿对角线流入中心点。
4）每个霍尔元件的周围有尺寸完全相同的保护环，保护环的版图层次与霍尔元件的版图层次一样（如果是双极Bipolar 工艺，一般为N 型外延层；如果是MOS 工艺，
则为N 型阱层）。5）霍尔元件的边缘与接触孔的间距L ENC 要大于等于接触孔的直径，以减小扩散工艺的波动对霍尔元件特性产生的影响。
6）相邻两个接触孔间距要大于等于5倍的接触孔直径。在图一中，接触孔的直径为10um ，L ENC =12um ，两个接触孔之间的间距为60um 。
7）温度补偿电阻要尽量接近霍尔元件模块，且版图层次与霍尔元件的版图层次要相同，以得到相同温度系数的迁移率。
8）为了消除半导体的表面效应，在N 型的霍尔元件上面再覆盖一层深度略浅的P 型注入层。浅注入层将减小霍尔元件的厚度，使霍尔元件的灵敏度略微提高；更重要的是，加入P 型注入层后，使霍尔电流通道远离硅的表面，在氧化层与霍尔元件之间充当了一个静电屏蔽层，这个静电屏蔽层将有效降低表面效应的影响，增加霍尔元件的可靠性。
3霍尔传感器芯片的整体版图设计
版图的设计在集成电路的设计中是很重要的一
部分，而且也是和半导体工艺结合最紧密的部分。版图设计一般至少要遵循以下原则：
1）版图设计应确保与功能电路设计对应；2）各个元器件的设计满足电路性能的要求；3）
在满足版图设计规则的前提下，布局尽量紧凑，降低成本；
4）按封装外观规则，合理排列内部压焊点；5）抗静电、抗栓锁和电磁兼容的设计考虑。霍尔传感器芯片的版图设计除了要考虑上述原则外，还有一些特殊考量，下面结合图2进行介绍。pva抛光轮
3.1减小压焊点开孔应力
半导体硅材料存在压阻效应，它是产生霍尔元件失调电压的一个重要原因。研究表明在一个正方形的集成电路芯片上，压力梯度最小的区域是芯片的中央。因此从版图设计上考虑，要将霍尔元件模块至于芯片的中央，且要远离压焊点。
压焊点是半导体工艺的最后一步，其将保护芯片的钝化层刻蚀开100um左右宽度的正方形孔，供封装时打线。由于钝化层较厚，压焊点的位置如果不对称，则会产生比较大的应力；另外再封装时，打线也会产生比较大的应力。
在图2所示的版图布局图中：
1）霍尔元件模块在整个芯片的正中；
2）版图上增加了一个虚拟压焊点，此压焊点只是为了平衡压焊点工艺步骤中产生的应力；
3）4个压焊点组成的图形中心点与霍尔元件模块的图形中心点重合。
3.2减小放大器的失调电压
如上文所述，霍尔元件的感应电压非常小，所以希望放大器的输入失调电压尽量的小。放大器输入级的设计直接影响失调电压的大小。影响差分输入级版图匹配的因素主要包括晶体管的大小、形状和摆放位置。总的来说，较大的晶体管尺寸将有助于减小各种随机工艺引起的误差而获得更好的匹配；掺杂浓度的变化梯度会引起晶体管的失配，而机械压力的梯度则会引起载流子迁移率的变化而导致晶体管的失配等[5]。为了克服这些误差，在霍尔传感器芯片的版图中，差分输入级必须采用最严格的方法来实现晶体管的匹配。并且如图二所示，其摆放位置须在霍尔元件模块的中心线上。
由于双极型器件的失调电压比MOS器件小很多，霍尔传感器芯片的放大器一般为开环放大器，差分输入级一般为NPN三极管，以得到较小的失调电压；开环放大器的放大倍数一般与电阻成比例关系，所以电阻的版图设计也是关键一环。对于给定的工艺参数（结深、杂质浓度分布等），电阻的精确度主要取决于光刻的精度及版图的几何形状，为了减小光刻工艺偏差对电阻阻值的影响，不论是扩散电阻还是多晶硅电阻的设计，在版图面积允许的条件下，应尽量增加电阻的设计宽度（一般为工艺最小尺寸的10-20倍）；同时为了减小电阻中电流的不均匀，一般采用有限长度的长条形电阻图形（电阻的方块数在5-10）；由于每个电阻调都必须通过点击接触孔与别的器件相连，接触孔的引入不可避免的
会带来接触电阻造成的阻值误差，为了把这个误差控制在较小的范围内，在版图设计时除了满足设计规则要求外，要尽可能放大电极接触孔面积或者增加接触孔的个数。
3.3考虑霍尔元件模块的热分布
霍尔传感器芯片的输出级需要有一定的驱动能力，
所以输出管的尺寸较大。当负载电流较大时，输
出管的温度会显著升高，在芯片内形成热源点。恒压
供电的霍尔元件产生的感应电压和霍尔元件的失调
电压都与温度有关系，所以输出管的发热会影响整
个霍尔传感器芯片的性能[7]。
在实际的版图设计中，要综合考虑成本和封装
要求等因素，功率输出级的位置摆放不可能使霍尔
元件模块区域的温度均匀相等，但是如图2所示，
要尽量使输出级远离霍尔元件模块，更重要的是要图2霍尔传感器芯片版图布局图
图4版图优化后的霍尔传感器芯片测试数据数据
图3普通霍尔传感器芯片测试数据数据
使温度补偿电阻与霍尔元件模块的温度梯度尽量相同。
4实验结果
根据上文对霍尔元件及霍尔传感器整体版图的设计和优化，得到如下实验数据：
理论上，当供电电源为5V ，外界磁场信号为0Gs 时，霍尔传感器输出为二分之一电源电压，即2.5V ，如图3和图4所示，普通霍尔传感器芯片的失调电压全温下变化范围在32mV 至102mV ；而版图优化后的霍尔传感器芯片的失调电压全温下变化范围在8mV 至23mV ，相较普通霍尔传感器芯片有明显改善。
当外界产生300Gs 磁场信号时，普通霍尔传感器的灵敏度温漂为56%左右，且最高零度在17.6uV/Gs 左右；而版图优化后的霍尔传感器的灵敏度温漂为13%左右，其最高灵敏度在18.7uV/Gs 左右，相较普通霍尔传感器芯片有明显改善。
5总结
本论文介绍了磁效应霍尔传感器芯片的版图设
逆变器制作计要点，从芯片物理版图布局的角度介绍了如何在相同的电路设计条件下得到较高的霍尔灵敏度；通
过合理的版图布局布线，减小霍尔元件的失调电压、放大器的失调电压，提高芯片的一致性和温度工作
范围，提高整个传感器芯片的性
能和可靠性
。
参考文献
[1]涂有瑞。半导体磁场传感器的过去和未来，传感器世界，2003年07期，Pages ：1-10.
[2]MichaelJ.Thorn.A monolithic linear hall effect integrated circuit,IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.SC-10pp.226-229,Dec.1980.[3]W.Versnel.Analysis of a circu-lar Hall Plate with equal finite con-tact,Solid-State Electron.24,pp 63-68,1981.
[4]宋青，权伟龙。开关型霍尔传
感器的原理与工程实现，物理实验，第23卷，第7期，
pp6-9，2005.[5]侯文，蒋玲。关于差分放大器的几点讨论。现代电子技术，第14期总第229期.pp 13-16,2006.[6]P.J.Munter.A low offset spinning-current Hall plate,Sensors and actuators,vols.A21-A23,pp 743-746,1990.
[7]S.Bellekom et al.Offset reduction of Hall plates in three different crystal planes.Sensors and Actuators A66,pp 23-28,1998.
作者简介
杨莹，版图工程师，赛卓电子科技（上海）有限公司。
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