МАГНИТОУПРАВЛЯЕМАЯ ЛОГИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 1997 года по МПК H01L27/20 

Изобретение относится к микроэлектронике, а точнее магнитоуправляемым интегральным схемам и может быть применено для создания ячеек памяти и в сенсорных устройствах управления.

Известны магнитоуправляемые логические ячейки, принцип действия которых основан на изменении выходного сигнала под действием внешнего магнитного поля. Они представляют собой устройства, содержащие в одном полупроводниковом кристалле преобразователь магнитного поля в электрический сигнал и электронное устройство обработки сигнала. При этом наиболее распространенным преобразователем магнитного поля в электрический сигнал является элемент Холла, принцип действия которого основан на возникновении ЭПС между двумя контактами на противоположных сторонах прямоугольного полупроводникового образца, помещенного в магнитное поле при протекании электрического тока через два контакта, расположенных на других сторонах полупроводника. В магнитоуправляемой логической ячейке ЭДС, формируемая элементом Холла, поступает на вход интегральной схемы, вследствие чего на выходе которой в зависимости от напряженности магнитного поля возникает сигнал, соответствующий логическому нулю или логической единице. Магнитоуправляемую ячейку с элементом Холла изготавливают обычно из кремния по стандартной эпитаксиально-планарной технологии (Маллер Р. Кеймине Т. Элементы интегральных схем. М. Мир, 1989, с. 66-68; Патент США N 3.816.766, кл. H 01 V 5/00 от 11 июня 1974).

Общим недостатком существующих магнитоуправляемых логических ячеек является их недостаточная магнитная чувствительность и высокое энергопотребление. Первое приводит к тому, что возможность функционирования логической ячейки в слабых магнитных полях (порядка единицы мили Тесла) реализуется лишь при усложнении ее управляющего электронного устройства за счет, прежде всего, добавления усилительных каскадов. Второе связано с большой величиной электрического тока, протекающего через элемент Холла в режиме ожидания магнитного сигнала. Этот недостаток также существенно ограничивает практическое использование магнитоуправляемых логических ячеек.

Указанные недостатки прямо связаны с величиной электросопротивления элемента Холла. В данном изобретении предлагается конструкция магнитоуправляемой логической ячейки, обеспечивающая увеличение электросопротивления элемента Холла и, как следствие, увеличение магниточувствительности и снижение энергопотребления.

Техническая задача изобретения повышение чувствительности и уменьшение энергопотребления магнитоуправляемых логических ячеек.

Задача достигается тем, что магнитоуправляемая логическая ячейка содержит скрытую в полупроводниковой подложке диэлектрическую область, изолирующую область, размещенную по периметру скрытой диэлектрической области и примыкающую к ней и к поверхности полупроводниковой подложки, четыре сильнолегированных области, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости полупроводниковой подложки, расположенные попарно симметрично относительно друг другу у противоположных сторон области полупроводника, отделенные от подложки скрытой диэлектрической и изолирующей областями, и прилегающие к скрытой диэлектрической и изолирующей областями и четыре проводящих контакта к сильнолегированным областям.

На фиг. 1 приведена топологическая схема магнитоуправляемой ячейки; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 электрическая схема магнитоуправляемой ячейки.

Магнитоуправляемая логическая ячейка содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости 1 (например из монокристаллического кремния), восемь легированных областей второго типа проводимости 2-9, скрытую диэлектрическую область 10 (например, из диоксида, нитрида или оксинитрида кремния), изолирующую область 11 (например, из диоксида кремния или образованную р-n переходом), расположенную по периметру скрытой диэлектрической области 10 и примыкающую к поверхности полупроводниковой подложки 1, область первого типа проводимости 12, отделенную от полупроводниковой подложки 1 скрытой диэлектрической областью 10 и изолирующей областью 11, четыре сильнолегированных области первого типа проводимости - 13-16, расположенные попарно симметрично внутри области первого типа проводимости 12 посередине каждой из ее сторон и примыкающие к области скрытого диэлектрика 10 и изолирующей области 11, диэлектрическую пленку 17 на поверхности полупроводниковой подложки 1 (например, из диоксида кремния), проводящие контактные области 18-25 к легированным областям 2-9 второго типа проводимости и контактные области 26-29 к сильнолегированным областям 13-16 первого типа проводимости, расположенные на поверхности полупроводниковой подложки 1 и диэлектрической пленки 17, четыре проводящие области 30-33 и токопроводящие шины 34-37 и 38-41 на поверхности диэлектрической пленки 17 (контактные области, проводящие области, токопроводящие шины изготовлены, например, из алюминия).

Легированные области второго типа проводимости 2, 5, 6 и 9 являются истоками, а легированные области второго типа проводимости 3, 4, 7 и 9 являются стоками четырех полевых транзисторов, соответственно. Проводящие области 30-33 являются затворами этих транзисторов. Область 12, отделенная от полупроводниковой подложки 1 скрытой диэлектрической 10 и полупроводниковой 11 областями, образует элемент Холла, а сильнолегированные области первого типа проводимости 13-16 и контактные области 26-29 являются контактной системой элемента Холла. Шина питания 34 соединена через контакт 18 с истоком 2 первого транзистора, через контакт 21 с истоком 5 второго транзистора и с помощью шины 39 с контактом 28 к элементу Холла. Шина питания 35 соединена с истоком 6 (через контакта 22) и затвором 32 третьего транзистора, истоком 9 (через контакт 25) и затвором 33 четвертого транзистора и с помощью шины 38 с контактом 29 к элементу Холла, противолежащим контакту 28. Шина выхода 36 соединяет затвор 30 первого транзистора, сток 4 второго транзистора и сток 8 четвертого транзистора (через контакт 24) с контактом 26 к элементу Холла (через шину 40). Шина выхода 37 соединяет затвор 31 второго транзистора, исток 3 первого транзистора (через контакт 19) и (через контакт 23) сток 7 третьего транзистора (через шину 41) с контактом 27 к элементу Холла, противолежащим контакту 26.

Магнитоуправляемая логическая ячейка состоит из элемента Холла (ЭХ) в качестве управляющего элемента и симметричного триггера с непосредственной связью в качестве схемы управления, включающей четыре транзистора. При этом транзисторы Т3 и Т4 используются в качестве резисторов нагрузки транзисторов Т1 и Т2.

Магнитоуправляемая логическая ячейка работает следующим образом.

В исходном состоянии транзистор Т1 открыт, а транзистор Т2 закрыт. На выходе 37 имеется потенциал (сигнал) высокого уровня, на выходе 36 потенциал низкого уровня. Через контакт 28-29 ЭХ протекает электрический ток (ток в режиме ожидания). Потенциал на контактах 26-27 ЭХ (в отсутствии магнитного поля) отсутствует. При воздействии магнитного поля на выходе ЭХ (контакты 26-27) возникает ЭДС Холла, которая изменяет потенциал затвора транзистора Т1. Если индукция внешнего магнитного поля В превышает некоторое пороговое значение В_пор, транзистор Т1 закрывается, вследствие чего открывается транзистор Т2 и изменяется сигнал на выходе ячейки. При уменьшении индукции внешнего поля до значений, меньше B_пор, транзистор Т1 открывается, транзистор Т2 закрывается и сигнал на выходе ячейки смещается до первоначального значения.

Преимущества предлагаемой магнитоуправляемой ячейки заключается в повышении магниточувствительности (примерно в 10 раз) и уменьшении энергопотребления (не выше чем в 2 раза).

Областями применения магнитоуправляемых логических ячеек являются системы памяти, системы зажигания автомобильных двигателей, робототехника, бесконтактная клавиатура ЭВМ и телефонных аппаратов, устройства управления бесколлекторным электроприводом, системы навигации и др.

Использование: микроэлектроника, магнитоуправляемые интегральные схемы, ячейки памяти. Сущность изобретения: магнитоуправляемая логическая ячейка содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости, восемь легированных областей второго типа проводимости, попарно образующих стоковые и истоковые области четырех полевых транзисторов, диэлектрическую пленку на поверхности подложки с отверстиями над каждой стоковой и истоковой областями, восемь проводящих контактных областей, расположенных над стоковыми и истоковыми областями на их поверхности и поверхности диэлектрической пленки, четыре проводящих затворных области, каждая из которых расположена на поверхности диэлектрической пленки между стоковой и истоковой областями каждого транзистора, четыре токопроводящих шины, размещенные на поверхности диэлектрической пленки, первая из которых примыкает к истоковым областям первого и второго транзисторов и является шиной питания, вторая примыкает к истоковым и затворным областям третьего и четвертого транзисторов и является шиной питания, третья примыкает к затворной области первого транзистора и стоковым областям второго и четвертого транзисторов и является шиной выхода, четвертая примыкает к затворной области второго транзистора, истоковым областям первого и третьего транзистора и является шиной выхода, скрытую в подложке диэлектрическую область, изолирующую область, размещенную по периметру скрытой диэлектрической области и примыкающую к ней и к диэлектрической пленке, четыре сильнолегированных области первого типа проводимости, примыкающие к изолирующей области и скрытой диэлектрической области и расположенные попарной симметрично относительно друг друга у противоположных сторон области первого типа проводимости, образованной скрытой диэлектрической областью и изолирующей областью, четыре проводящих контакта к сильнолегированным областям первого типа проводимости, и соединенных токопроводящими дорожками с шинами питания и шинами выхода таким образом, что первая дорожка примыкает к шине питания и контакту к одной из сильнолегированных областей первого типа проводимости, вторая примыкает к другой шине питания и к противолежащему контакту к другой сильнолегированной области первого типа проводимости, третья прилегает к шине выхода и к контакту второй пары сильнолегированных областей первого типа проводимости, четвертая примыкает к противолежащему контакту второй пары сильнолегированных областей и к другой шине выхода. 3 ил.

Магнитоуправляемая логическая ячейка, содержащая датчик Холла и полупроводниковую подложку первого типа проводимости, восемь легированных областей второго типа проводимости, попарно образующих стоковые и истоковые области четырех полевых транзисторов, диэлектрическую пленку на поверхности подложки с отверстиями над каждой стоковой и истоковой областями, восемь проводящих контактных областей, расположенных над стоковыми и истоковыми областями на их поверхности и поверхности диэлектрической пленки, четыре проводящих затворных области, каждая из которых расположена на поверхности диэлектрической пленки между стоковой и истоковой областями каждого транзистора, четыре токопроводящие шины, размещенные на поверхности диэлектрической пленки, первая из которых примыкает к истоковым областям первого и второго транзисторов и является шиной питания, вторая к истоковым затворным областям третьего и четвертого транзисторов и является шиной питания, третья к затворной области первого транзистора, стоковым областям второго и четвертого транзисторов и является шиной выхода, четвертая к затворной области второго транзистора, стоковым областям первого и третьего транзисторов и является шиной выхода, отличающаяся тем, что датчик Холла представляет собой область подложки первого типа проводимости, отделенную от подложки скрытой в ней диэлектрической областью и изолирующей областью, расположенной по периметру скрытой диэлектрической области и примыкающей к ней и к диэлектрической пленке, причем датчик Холла содержит четыре сильнолегированные области первого типа проводимости, примыкающие к изолирующей области и скрытой диэлектрической области, расположенные попарно симметрично относительно друг друга у противоположных сторон датчика Холла, и четыре проводящих контакта к сильнолегированным областям первого типа проводимости, соединенных токоподводящими дорожками с шинами питания и шинами выхода так, что первая дорожка примыкает к шине питания и одному из контактов датчика Холла, вторая к другой шине питания и к противолежащему контакту датчика Холла, третья к шине выхода и одному из контактов второй пары контактов датчика Холла, четвертая к противолежащему контакту второй пары контактов датчика Холла и другой шине выхода.