ДВУХСТОКОВЫЙ МОП-МАГНИТОТРАНЗИСТОР Российский патент 1997 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть применено для измерения магнитных полей в виде дискретного датчика или в качестве чувствительного элемента в составе интегральных магнитоуправляемых схем.

Известны конструкции сенсоров магнитного поля, чувствительных к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла: элемент Холла [1] биполярный двухколлекторный магнитотранзистор [2]
Основным недостатком этих сенсоров является их низкая чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности является двухстоковый МОП магнитотранзистор, описанный в работе [3] По сравнению с другими сенсорами магнитного поля, которые используются для измерения перпендикулярной компоненты вектора магнитного поля, представленный двухстоковый МОП магнитотранзистор имеет достаточно высокую чувствительность.

Недостатком этой конструкции является то, что рабочая область магнитотранзистора определяется двумя фотошаблонами и в процессе изготовления происходит рассовмещение их друг относительно друга, что приводит к асимметрии структуры и, следовательно, к наличию нулевой разности токов стоков при отсутствии магнитного поля. Это приводит к снижению прецизионности сенсора.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения задачи снижения разности токов стоков двухстокового МОП магниточувствительного элемента, связанной с несимметричностью структуры, полученной из-за рассовмещения топологических слоев при формировании магниточувствительной структуры, предлагается конструкция, содержащая в полупроводниковой пластине первого типа проводимости область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы три подконтактные области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора. В электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов, имеющие размеры, не менее размеров окон, по периметру окон в электроде затвора расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями. При этом тело двухстокового МОП магнитотранзистора определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга.

В предлагаемой конструкции двухстокового МОП магнитотранзистора взаимное расположение подконтактных областей токовых контактов, контактные окна к ним, край низкоомной области второго типа проводимости, а следовательно, тело двухстокового МОП магнитотранзистора определяются только конфигурацией одного топологического слоя, а именно, слоя электрода затвора. Рассовмещение остальных топологических слоев относительно электрода затвора не сказывается на геометрии тела двухстокового МОП магнитотранзистора и поэтому не привносит дополнительную ассимметрию в расположение друг относительно друга вышеперечисленных областей, а следовательно, не является источником разности токов стоков, вызванной рассовмещением топологических слоев в процессе изготовления магниточувствительного элемента.

Для определенности (в дальнейшем) будем считать первый тип проводимости электронным, второй дырочным.

Один из возможных вариантов топологии элемента предлагаемого двухстокового магнитотранзистора приведен на фиг.1, где: 1 полупроводниковая пластина первого типа проводимости; 2 диффузионная область второго типа проводимости; 3 диэлектрическая изоляция; 4 и 5 подконтактные области токовых контактов; 6 электрод затвора; 7 подзатворный диэлектрик; 8 - низкоомная область второго типа проводимости (омический контакт к карману); 9 токовые контакты; 10 боковая диэлектрическая изоляция; 11 и 12 окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов; 13 край участка диэлектрической изоляции; 14 маскирующий окисел.

В полупроводниковой пластине первого типа проводимости 1, выполнена область второго типа проводимости 2, окруженная диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы две подконтактных области токовых 4 и 5 контактов первого типа проводимости, контакты к ним 9 и электрод затвора 6, расположенный на подзатворном диэлектрике 7. В электроде затвора 6 выполнены окна 11 и 12 под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов, имеющие размеры, не менее размеров окон в электроде затворе, по периметру окон выполнена боковая диэлектрическая изоляция 10, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора 6 и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции 3 выполнена низкоомная область второго типа проводимости 8 шириной, не менее расстояния между этими краями.

На фиг. 2 показан один из вариантов электрической схемы включения двухстокового п-МОП магнитотранзистора. Подконтактная область токового контакта 4 (фиг.1), соединена с низкоомной областью второго типа проводимости 8 и зеземлена, а на подконтактные области токовых контактов 5 через нагрузочные резисторы R₁ R₂ подается положительное напряжение от источника питания E, на затвор 6 через резистивный делитель подается положительное напряжение, выше порогового напряжения. Резисторы R_n1, R_n2, R₁ и R₂ подбираются таким образом, чтобы напряжение на стоках магнитотранзистора было близко к половине напряжения питания, а рабочая точка магнитотранзистора находилась в пологой области вольт-амперной характеристики. Со стоковых контактов снимают выходной сигнал в виде разности напряжений (U_out).

Рассмотрим принцип работы элемента двухстокового п-МОП магнитотранзистора. При подаче на электрод затвора 6 положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение) на поверхности кремния второго типа проводимости 2, под подзатворным диэлектриком 7 индуцируется тонкий, проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4 и 5 через канал течет ток электронов. В отсутствие магнитного поля токи стоков равны, так как структура симметрична и номиналы нагрузочных резисторов одинаковы. Следовательно падение напряжений на резисторах равны и разность напряжений на стоковых контактах равна нулю. При возникновении магнитного поля, перпендикулярного поверхности кристалла, на электроны, двигающиеся под действием электрического поля от истока 4 к стокам 5, действует сила Лоренца, отклоняющая их к одному или другому стоку в зависимости от направления вектора магнитной индукции. В результате чего ток одного стока увеличивается, а другого уменьшается, что приводит к изменению падения напряжений на резисторах и возникновению разности напряжений на стоках, которая пропорциональна величине вектора магнитной индукции.

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке n-типа проводимости по планарной КМОП-технологии с локальной изоляцией окислом кремния традиционной конструкции и предложенной конструкции. Диффузионный карман p-типа формировался путем ионной имплантации примеси соответствующего типа с последующим отжигом на глубину 5-7 мкм. Низкоомные области n- и p-типа сформированы также путем ионного легирования соответствующих типов примесей с последующим отжигом на глубину 1 1,5 мкм, и имели концентрацию примеси, не менее, чем на порядок превышающую концентрацию примеси в области кармана, а электрод затвора был сформирован на основе поликристаллического кремния и расположен на подзатворном окисле кремния. Измерения показали, что разность токов стоков при отсутствии магнитного поля у двухстоковых п-МОП магнитотранзисторов предложенной конструкции в 2-4 раза ниже, чем у двухстоковых п-МОП магнитотранзисторов традиционной конструкции. Использование предложенной конструкции сенсора позволит увеличить прецизионность двухстоковых МОП магнитотранзисторов и магниточувствительных схем на их основе.

Литература
1. A. Yagi and S.Sato, "Magnetic and electrical properties of n-channel MOS Hol-effect device", Jpn. J.Appl. Phys. 1976. v.15. p. 655-661.

2. Trujillo H. Nagy A. "Influence of topology on the responce of lateral magnetotransistоrs", Sensors and Actuatоrs, A 45 (1994), p. 179-182.

3. Misra D. Vismanathan T.R. and Heasell E.L. A novel high gain MOS magnetic field sensor. Sensor and Actuators, 9 (1986), p.213-221, прототип.

Использование: полупроводниковые магниточувствительные устройства, в частности измерение магнитных полей в виде дискретного датчика или в качестве чувствительного элемента в составе интегральных магнитоуправляемых схем. Сущность изобретения: двухстоковый МОП магнитотранзистор представляет собой структуру, выполненную на полупроводниковой пластине первого типа проводимости, содержащей диффузионную область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы три подконтактные области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора. Уменьшение величины выходного сигнала при нулевом магнитном поле достигается тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон в электроде затвора расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости с шириной, не менее расстояния между этими краями. При этом тело двухстокового МОП магнитотранзистора определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга. 2 ил.

Двухстоковый МОП-магнитотранзистор, содержащий в полупроводниковой пластине первого типа проводимости область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы три подконтактных области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора, отличающийся тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями.