从1960年开始在半导体工艺中使用MOS工艺,到CMOS和BiCMOS工艺的蓬勃发展,集成电路逐渐具备反应速度快、驱动能力强、功耗低、集成度较高的特点。传感器作为计算机产业的基石,将外部环境翻译成计算机能够识别的机器语言,实现自然界与计算机的互动。随着第五代移动通信、飞机、汽车产业的发展以及新材料的开发,基于CMOS工艺的霍尔传感器将在原有数十亿美元的基础上迎来新的春天。为了实现对三维空间磁场的精准探测,可以将水平和垂直霍尔器件集成在同一个芯片内。为搞清楚不同参数对霍尔传感器性能的影响,分别对十字形水平霍尔传感器、五电极和三电极垂直霍尔传感器进行研究,从而为整个三维器件的实现打下基础。考虑到十字形水平霍尔器件的电流相关灵敏度与几何因子相关度很高,因此研究了不同尺寸参数和长宽比对器件电流灵敏度和失调的影响,并且基于GLOBALFOUNDRIES 0.18μm BCDliterM工艺进行芯片设计与流片,通过流片实测可以发现,十字形水平霍尔器件表现出很好的重复性、一致性以及较小的失调,电流相关灵敏度最高能够达到125 V/AT。对于垂直型霍尔传感器而言,由于现代CMOS工艺中高掺杂和浅有源区的特征与器件的高灵敏度、低失调的要求相悖,因此研究中首先借助有限元分析软件COMSOL将复杂问题简单化。COMSOL中可以通过构建合适的二维、三维器件模型,初步预测霍尔传感器的性能,然后选取部分代表性参数进行芯片设计与流片,将流片实测结果与仿真结果比较,进一步修改模型参数,优化器件几何参数、工艺参数与结构。在仿真中,当有源区深度为7 μm,有源区掺杂浓度为1.619×1016cm-3,且P型覆盖层厚度为2.5 μm时五电极垂直霍尔器件的电流相关灵敏度可以达到107 V/AT。此外基于标准工艺设计的五电极霍尔器件灵敏度也能达到16.8 V/AT。从Stop因子变化曲线可以发现,增加有源区的深度能够提高整个Stop因子曲线,不存在无限逼近某一数值的现象,因此增加有源区深度对于提高五电极垂直霍尔器件整体性能是一个行之有效的方法。对三电极垂直霍尔器件主要研究了探测电极、P型覆盖层以及有源区深度对其电流相关灵敏度的影响。主要借助COMSOL分析内部电流密度分布,确定各个参数对器件性能造成影响的原因。借助Stop因子可发现,当有源区深度为7 μm时,Stop因子由3.168 V/AT提高到6.859 V/AT,并且增加有源区深度只能无限接近不存在探测电极时的7.440 V/AT的水平。因此对于三电极垂直霍尔器件,更需要有源区和P型覆盖层的协同作用,才能够有效地增加器件的电流相关灵敏度。论文的主要创新点如下:1、利用了有限元分析软件COMSOL在修改器件模型参数以及提取输出性能参数的方便性,对器件上、下表面电压进行提取,从而对垂直型霍尔器件性能进行有力地预测,借助软件迭代部分代替流片迭代,降低研发成本与时间。2、扣除电流、磁场、以及磁场为0时垂直霍尔器件表面电压的影响,定义了Stop因子,不仅可以宏观的分析结构、工艺参数对器件电流灵敏度的影响,还可以借助Stop因子区分不同参数在改变器件性能中发挥作用的程度,从而在不同条件下,更有目的性地挑选改善器件性能的方法。3、重点分析了器件内部电流密度分布曲线,根据电流密度分布曲线可以清晰地分析探测电极、P型覆盖层以及有源区的深度对器件电流相关灵敏度造成影响的原因。