МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1999 года по МПК H01L29/82 

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

Известен магниточувствительный биполярный транзистор, в котором для увеличения магниточувствительности использовался заглубленный коллектор [1]. Увеличение магниточувствительности достигается за счет использования вместо одного заглубленного общего коллектора, двух разделенных заглубленных коллекторов.

Наиболее близким по технической сущности является магнитотранзистор выполненный на основе двухколлекторного биполярного n-p-n транзистора описанный в работе [2]. В конструкции биполярного магнитотранзистора коллекторные области выполнены на основе n⁺ -типа диффузионных скрытых слоев. Область базы p-типа сформирована в эпитаксиальной пленке n-типа проводимости и располагается между n⁺ областями двух измерительных коллекторов, в области базы выполнена область эмиттера n⁺-типа проводимости. При подаче смещающих напряжений на электроды магнитотранзистора, а именно эмиттер, базу, коллектора, в присутствии внешнего магнитного поля возникает полезный сигнал в виде разности токов измерительных коллекторов. Недостатком прототипа является то, что конструкция магниточувствительного элемента не позволяет исключить инжекцию электронов эмиттером в горизонтальном направлении. При этом горизонтальная составляющая тока эмиттера незначительно изменяется при воздействии внешнего магнитного поля и, соответственно, вносит малый вклад в общую магниточувствительность элемента. К существенному недостатку данной конструкции можно отнести нарушение симметрии расположения измерительных коллекторов на основе n⁺ скрытого слоя относительно центра эмиттера, что обуславливает наличие высокой величины начального разбаланса токов коллекторов в отсутствии измеряемой величины. Причем данная величина сильно зависит от смещения оси симметрии в сторону любого из коллекторов и ее изменение составляет более 7% при смещении оси симметрии на 1 мкм. Это все снижает прецизионность датчика, а так же требует дополнительных методов или схемных решений для уменьшения начального смещения.

Техническим результатом изобретения является повышение магниточувствительности и избирательности магнитотранзистора при одновременном уменьшении начального смещения нуля, и как следствие повышение прецизионности преобразования сигнала.

Технический результат изобретения достигается тем, что в магниточувствительном биполярном транзисторе, содержащем сформированный на полупроводниковой пластине первого типа проводимости эпитаксиальный слой второго типа проводимости с двумя областями коллекторов второго типа проводимости, между которыми расположены область базы первого типа проводимости и область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к упомянутым областям, области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине превышающей глубину расположения области базы, контакты к областям коллекторов расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах и изолированы по бокам пристеночным диэлектриком, а области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам.

Дно каждой области коллектора может быть расположено как в эпитаксиальном слое, так и в полупроводниковой пластине.

Размер каждой области коллектора в плане может быть определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта.

Повышение магниточувствительности и избирательности биполярного транзистора достигается тем, что области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине превышающей глубину расположения области базы, а пристеночный диэлектрик изолирующий по бокам контакты к областям коллекторов позволяет исключить инжекцию электронов эмиттером в горизонтальном направлении и "сфокусировать" ее в вертикальном направлении, что обеспечивает перераспределение между измерительными коллекторами практически всех носителей заряда, инжектированных эмиттером при воздействии внешнего магнитного поля направленного параллельно поверхности кристалла и перпендикулярно поперечному сечению структуры.

Предложенное конструктивное решение обеспечивает уменьшение начального разбаланса коллекторных токов в отсутствии магнитного поля. Это достигается тем, что области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам, при этом размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта.

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

Разрез структуры предлагаемого магниточувствительного биполярного транзистора приведен на фиг.1, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - эпитаксиальная пленка, 3 - изолирующие области, выполненные в виде пристеночного диэлектрика, 4 - контакт к области эмиттера, 5 - контакт к области базы, 6 - базовая область, 7 - область эмиттера, 8а, 8б - область первого и второго коллекторов соответственно, 9 - контакты к коллекторам. 10 - изолирующий диэлектрик, 11 - области разделительной диффузии.

На полупроводниковой пластине p-типа проводимости 1 с эпитаксиальной пленкой n-типа проводимости 2 в изолированной, разделительной диффузией 11 и диэлектриком 10, меза - области расположены области измерительных коллекторов 8а, 8б с контактами 9 между которыми расположены области эмиттера 7 и базы 6, а также имеются контакты к этим областям 4 и 5 (фиг.1). Области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам 9. Эта граница изолирована по бокам пристеночным диэлектриком 3. Области коллекторов 8а, 8б расположены в эпитаксиальном слое 2 на глубине превышающей глубину расположения области базы 6, контакты к областям коллекторов 9 расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах. Области коллекторов 8а, 8б имеют омический контакт с эпитаксиальной пленкой 2. Размер каждой области коллектора 8а, 8б в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика 3 соответствующего контакта.

На фиг. 2 показан вариант электрической схемы включения биполярного магнитотранзистора. Эмиттер магнитотранзистора (Э) заземлен, положительное напряжение от источника питания (E_п) подается на нагрузочные резисторы (R1, R2), подсоединенные к коллекторам магнитотранзистора (K1, K2). В качестве нагрузочных сопротивлений R1, R2 могут использоваться как внешние отдельные резисторы так и, например, МОП транзисторы или резисторы, выполненные на одном кристалле с магнитотранзистором.

Положительное напряжение (Eб), прикладываемое к базовому электроду (Б), обеспечивает прямое смещение перехода эмиттер - база. Выходное напряжение измеряется непосредственно между коллекторными выводами с помощью вольтметра (U).

Предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор работает следующим образом.

В отсутствии магнитного поля электроны, инжектированные эмиттером 7 в базовую область 6 (фиг. 1), под действием тянущего электрического поля в базовой области, диффундируют к коллекторным областям 8а, 8б и экстрагируются ими практически в равной степени, что обусловлено их симметричным расположением относительно центра области эмиттера. Причем инжекция электронов в горизонтальном направлении в области базы практически отсутствует ввиду наличия расположенного по вертикальной границе областей эмиттера и базы изолирующего слоя 3. В результате, через нагрузочные резисторы R1 и R2 (фиг. 2) протекают практически равные токи, которые создают на них одинаковые падения напряжения и, следовательно, вольтметр регистрирует нулевую разность потенциалов.

При включении магнитного поля, направленного параллельно поверхности кристалла и перпендикулярно поперечному сечению структуры, изображенной на фиг. 1. , потоки электронов инжектированные эмиттером, перераспределяются между коллекторными областями в результате отклонения носителей заряда в эпитаксиальной пленке под действием силы Лоренца. В результате, токи коллекторов получают одинаковое приращение тока противоположных знаков. Причем, знак и величина самого приращения тока для каждого из коллекторов определяются направлением и величиной вектора индукции магнитного поля, соответственно. Это приводит к увеличению падения напряжения на одном и уменьшению на другом нагрузочном резисторе R1 и R2, а результирующая разность потенциалов регистрируется вольтметром U (фиг. 2).

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке p-типа проводимости с эпитаксиальной пленкой n-типа проводимости имеющей толщину 2 мкм, с использованием планарной технологии с комбинированной локальной изоляцией. Область базы выполнена с помощью имплантации бора с последующим термическим отжигом, при этом ее глубина составила 0,3 мкм. Область эмиттера выполнена диффузией примеси n-типа из слоя поликремния. Для этого был конформно осажден слой поликремния толщиной 0,2 мкм, проведена имплантация этого слоя мышьяком до концентрации примеси 10²¹ см^-3 и осажден на всю поверхность из газовой фазы низкотемпературный слой оксида кремния. После проведения фотолитографии и анизотропного плазмохимического травления на всю толщину с маской фоторезиста, осажденных слоев окисла кремния и поликремния были сформированы первый уровень разводки и контакт к эмиттеру магниточувствительного биполярного транзистора.

Аналогичным образом формируется разводка второго уровня и поликремниевые контакты к базовой области магнитотранзистора. В этом случае второй слой поликремния легировался ионами бора до концентрации примеси 10¹⁹ см^-3. Затем с помощью анизотропного плазмохимического травления монокремния эпитаксиальной пленки на глубину 0,5 мкм сформированы канавки в кремнии для создания заглубленных n⁺ коллекторных областей магниточувствительного биполярного транзистора. После чего конформно осаждался слой оксида кремния и проводилось его плазмохимическое анизотропное травление. В результате чего данный слой оксида кремния удалялся со всех горизонтальных и оставался на вертикальных поверхностях структуры, формируя боковую диэлектрическую изоляцию областей эмиттера и базы. Затем проводилась имплантация фосфора с последующей разгонкой примеси на глубину 0.4 мкм.

Аналогичным образом формируется и магнитотранзистор, у которого донные части областей коллекторов частично расположены в полупроводниковой пластине, а также магнитотранзистор, у которого размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. При этом технический эффект, достигаемый в данной изобретении, сохраняется в полном объеме.

Затем создавались контактные окна к поликремниевым проводникам и алюминиевая разводка, включая контакты к коллекторам магниточувствительного биполярного транзистора.

Измеренная величина относительной магниточувствительности по току изготовленного магниточувствительного биполярного транзистора, определяемая как отношение разности токов коллекторов, возникающей при воздействии внешнего магнитного поля величиной 1 Tл, к сумме токов коллекторов, составила 10-12% при напряжении питания 5 В. Разбаланс токов коллекторов в отсутствии магнитного поля составил менее 0,3%. Таким образом, предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор по сравнению с известными имеет в 3 раза большее значение относительной магниточувствительности по току и более чем в 20 раз меньшую величину начального разбаланса коллекторных токов, что позволяет его использовать в качестве чувствительного элемента в прецизионных магниточувствительных устройствах.

Источники информации:
1. V. Zieren. A new silicon micro-transducer for the measurement of the magnitude and direction of a magnetic-field vector. IEEE IEDM 80, 1980, p. 669-672.

2. S. Kordic, V. Zieren , S.Middelhoek. A magnetic-field- sensitive multicollector transistor with low offset. IEEE IEDM 83, 1983., p. 631-634. - прототип.

Использование: для измерения магнитных полей в виде датчика в магнитоуправляемых схемах электронной автоматики или в качестве чувствительного элемента в интегральных магнитоуправляемых схемах. Сущность изобретения: магниточувствительный биполярный транзистор содержит сформированный на полупроводниковой пластине первого типа проводимости эпитаксиальный слой второго типа проводимости с двумя областями коллекторов второго типа проводимости, между которыми расположены область базы первого типа проводимости и область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к упомянутым областям. Области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине, превышающей глубину расположения области базы, контакты к областям коллекторов расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах и изолированы по бокам пристеночным диэлектриком, а области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам. Дно областей коллекторов может быть расположено в полупроводниковой пластине, размер каждой области коллектора в плане может быть определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. Техническим результатом изобретения является повышение магниточувствительности и избирательности магнитотранзистора при одновременном уменьшении начального смещения нуля и, как следствие, повышение прецизионности преобразования сигнала. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Магниточувствительный биполярный транзистор, содержащий сформированный на полупроводниковой пластине первого типа проводимости эпитаксиальный слой второго типа проводимости с двумя областями коллекторов второго типа проводимости, между которыми расположены область базы первого типа проводимости и область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к упомянутым областям, отличающийся тем, что области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине, превышающей глубину расположения области базы, контакты к областям коллекторов расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах и изолированы по бокам пристеночным диэлектриком, а области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что дно каждой области коллектора расположено в полупроводниковой пластине. 3. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта.