СЕНСОР ВЕКТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1998 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 вектора магнитного поля, использующих в качестве элемента чувствительного к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла, биполярный двухколлекторный магнитотранзистор [1]. Основным недостатком этих сенсоров является их низкая чувствительность к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла, по сравнению с чувствительностью к двум компонентам вектора магнитного поля, параллельным поверхности кристалла. К тому же в этих сенсорах имеет место перекрестная чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности является сенсор вектора магнитного поля, описанный в работе [2]. Сенсор состоит из двух биполярных магнитотранзисторов, интегрированных в четырехколлекторный магнитотранзистор, и двухстокового МОП магнитотранзистора. Четырехколлекторный биполярный магнитотранзистор чувствителен к двум компонентам вектора магнитного поля, параллельным поверхности кристалла, а двухстоковый МОП магнитотранзистор чувствителен к перпендикулярной компоненте. По сравнению с другими сенсорами вектора магнитного поля представленный сенсор имеет достаточно высокую чувствительность к перпендикулярной компоненте вектора магнитного поля. Использование двухстокового МОП магнитотранзистора позволяет практически избавиться от перекрестной чувствительности. Недостатком этой конструкции является то, что взаиморасположение эмиттера и коллекторов биполярного магнитотранзистора и токовых областей МОП магнитотранзистора, а также их размеры определяются несколькими фотошаблонами и в процессе изготовления происходит рассовмещение их друг относительно друга, что приводит к асимметрии структуры и, следовательно, к наличию ненулевой разности выходных токов при отсутствии магнитного поля (начальный разбаланс токов). Это приводит к снижению прецизионности сенсора.

Использование предлагаемого технического решения позволит увеличить прецизионность сенсора вектора магнитного поля. Для этого необходимо, прежде всего, уменьшить начальный разбаланс токов. Существенный вклад в величину начального разбаланса токов вносит несимметричность структуры, полученная в процессе изготовления сенсоров. Для решения задачи снижения разности выходных токов магниточувствительного элемента, связанной с несимметричностью структуры, полученной из-за рассовмещения топологических слоев при формировании магниточувствительной структуры, предлагается конструкция, содержащая в полупроводниковой пластине второго типа проводимости область первого типа проводимости, в которой сформирована область базы второго типа проводимости, в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов МОП магнитотранзистора и области коллекторов, эмиттера и контакта к базе четырехколлекторного биполярного магнитотранзистора, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, край которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора МОП магнитотранзистора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями. При этом взаиморасположение эмиттера и коллекторов биполярного магнитотранзистора и токовых областей МОП магнитотранзистора определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга. Таким образом удается избежать возникновения начального разбаланса токов в процессе изготовления сенсоров, связанного с рассовмещением топологических слоев друг относительно друга.

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

Один из возможных вариантов топологии предлагаемого сенсора вектора магнитного поля приведен на чертеже, где 1 - полупроводниковая пластина второго типа проводимости, 2 - диффузионная область первого типа проводимости, 3 - диэлектрическая изоляция, 4,5 - подконтактные области токовых контактов n-МОП магнитотранзистора, 6 - электрод затвора, 7 - подзатворный диэлектрик, 8 - низкоомная область второго типа проводимости, 9 - токовые контакты, 10 - боковая диэлектрическая изоляция, 11,12 - окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов n-МОП магнитотранзистора, 13 - край участка диэлектрической изоляции, 14 - маскирующий окисел, 15 - область эмиттера, 16, 21, 22 - окна в электроде затвора к областям эмиттера, подконтактным областям коллекторных контактов и подконтактным областям боковых контактов, 17 - область базы второго типа проводимости, 18, 19, 20 - подконтактные области контактов к базе и коллекторам.

В полупроводниковой пластине второго типа проводимости 1, выполнена область первого типа проводимости 2 и четыре подконтактные области коллекторных контактов 19, 20 первого типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы четыре подконтактных области контактов к базе 18 второго типа проводимости и область эмиттера 15 первого типа проводимости. Рядом находится область второго типа проводимости (подложка) 1, окруженная диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы две подконтактных области токовых 4, 5 контактов первого типа проводимости. Над этими областями сформирован электрод зазора 6, расположенный на подзатворном диэлектрике 7. В электроде затвора 6 выполнены окна 11, 12, 21, 22, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов n-МОП магнитотранзистора 4, 5, и области эмиттера 15, контактов к базе 18, коллекторных контактов 19, 20 биполярного четырехколлекторного магнитотранзистора, имеющие размеры, не менее размеров окон в электроде затвора, по периметру окон выполнена боковая диэлектрическая изоляция 10, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора n-МОП магнитотранзистора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции 3 выполнена низкоомная область второго типа проводимости 8 шириной, не менее расстояния между этими краями.

Рассмотрим принцип работы сенсора вектора магнитного поля. Двухстоковый n-МОП магнитотранзистор работает следующим образом. При подаче на электрод затвора 6 положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение) на поверхности кремния второго типа проводимости 1, под подзатворным диэлектриком 7 индуцируется тонкий, проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4,5 через канал течет ток электронов. В отсутствии магнитного поля токи стоков равны, так как структура симметрична. 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. Разность токов стоков пропорциональна величине перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Биполярный четырехколлекторный n-p-n магнитотранзистор работает следующим образом. На контакты к коллектору 19, 20 подается положительное напряжение относительно эмиттера 15. На контакты к базе 18 относительно эмиттера 15 подается положительное напряжение выше 0,7 В, благодаря чему из эмиттера в базу 17 начинают инжектироваться электроны, которые частично рекомбинируют в базе, а частично, пролетая через базу, попадают в область коллектора 2, перераспределяясь между четырьмя контактными областями к коллектору 19, 20. В отсутствии магнитного поля токи коллекторов равны, так как структура симметрична. Под действием магнитного поля, параллельного поверхности кристалла, под действием силы Лоренца происходит перераспределение токов коллекторов в области коллектора 2. По величине изменения токов коллекторов сенсора определяют величину индукции и направление вектора магнитного поля.

Предлагаемый сенсор вектора магнитного поля может быть изготовлен по стандартной n-карманной КМОП технологии интегральных схем с добавлением одной фотолитографии. Одновременно с сенсором на одном кристалле может быть получена схема обработки сигнала. Поэтому на базе предлагаемого сенсора могут быть реализованы высокопрецизионные магниточувствительные схемы, которые могут быть использованы в дефектоскопах магнитных материалов, для измерения магнитного поля Земли и др.

Источники информации
1. S. Kordic and P.J.A. Munter, "Three-dimensional magnetic-field sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 6, June 1988, pp. 771-779.

2. Durgamadhad Misra and Bingda Wang, "Elimination of cross sensitivity in a three-dimensional magnetic sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41, April 1994, pp. 622-624. - прототип.

Использование: полупроводниковые магниточувствительные устройства, может быть применено для измерения магнитных полей в виде дискретного датчика или в качестве чувствительного элемента в составе интегральных магнитоуправляемых схем. Техническим результатом изобретения является уменьшение величины выходного сигнала при нулевом магнитном поле. Сущность изобретения: сенсор вектора магнитного поля представляет собой структуру, состоящую из двух биполярных n-p-n магнитотранзисторов, интегрированных в четырехколлекторный биполярный магнитотранзистор, и двухстокового МОП магнитотранзистора. В электроде затвора МОП магнитотранзистора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов МОП магнитотранзистора, области коллекторов, эмиттера и контакта к базе четырехколлекторного биполярного магнитотранзистора, 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 МОП магнитотранзистора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями. При этом тело сенсора вектора магнитного поля определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга. 1 ил.

Сенсор вектора магнитного поля, состоящий из двух биполярных n-p-n магнитотранзисторов, интегрированных в четырехколлекторный биполярный магнитотранзистор, и двухстокового МОП магнитотранзистора, отличающийся тем, что в электроде затвора МОП магнитотранзистора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов МОП магнитотранзистора и области коллекторов, эмиттера и контакта к базе четырехколлекторного биполярного магнитотранзистора, имеющие размеры не менее размеров окон, причем по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора МОП магнитотранзистора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями.