ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01L29/82 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Это датчики величины и направления магнитного поля, способные производить преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал, которые находят все большее применение в интегральной электронике и микросистемной технике благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники.

Полупроводниковыми магниточувствительными элементами служат: магниторезисторы, магнитодиоды, датчики Холла, магнитотранзисторы магнитотиристоры и некоторые другие /1/. При воздействии магнитного поля изменяется сопротивление датчика (эффект Гаусса) или появляется электродвижущая сила (эффект Холла) или изменяется протекающий ток.

Перспективными элементами являются двухколлекторные биполярные магниточувствительные транзисторы (БМТ), которые отличаются простотой изготовления и высокой чувствительностью и избирательностью к магнитному полю. Подробно БМТ описан в /2/. Магниточувствительность БМТ обусловлена отклонением в магнитном поле под действием силы Лоренца потоков инжектируемых носителей тока из эмиттера при пролете их через базу к коллектору. Для увеличения магниточувствительности разрабатываются новые конструкции БМТ, в которых используются физические эффекты: эффект Холла, перераспределение потока носителей заряда под действием силы Лоренца, гальваномагнитные эффекты, рекомбинация носителей тока в объеме и на поверхности прибора, кулоновское взаимодействие носителей противоположных знаков, диффузионный и дрейфовый механизмы протекания тока. В результате действия вышеперечисленных эффектов происходит отклонение потоков носителей заряда в объеме и на поверхности кристалла от их симметричного распределения, создается изменение тока коллекторов при воздействии магнитного поля и повышение чувствительности транзистора.

В патенте США на полупроводниковый магнитный преобразователь рассмотрен вертикальный двухколлекторный биполярный магниточувствительный транзистор, в котором под действием силы Лоренца перераспределяется ток инжектируемых из эмиттера носителей заряда в базе транзистора при их движении к коллекторам /3/. Ввиду того что носители проходят через тонкую базу и распределяются между близко расположенными коллекторами, токи рабочих коллекторов различаются незначительно. Относительная чувствительность по току Ic к магнитному полю В, определяемая по формуле S_R=(dIc/dB)/Ic [T^-1], не превышает 5%.

Переход от вертикальной структуры транзистора к горизонтальной обеспечил получение значительно более высокой чувствительности /4/. Этот прибор состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Между эмиттером и коллекторами выбрано большое расстояние, а в базе на поверхности кристалла имеется высокая скорость рекомбинации носителей заряда. В этой конструкции наблюдается малый коэффициент передачи тока от эмиттера до коллекторов и невысокие значения тока рабочих коллекторов. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей тока к двум коллекторам текут в противоположных направлениях и под действием силы Лоренца один поток прижимается к поверхности, а другой поток отодвигается от поверхности. Малая величина тока коллектора Ic в магнитном поле В сильно изменяется, например, наблюдается относительная чувствительность по току S_R=4 T^-1.

В патенте США предлагается высокочувствительный датчик магнитного поля с отклонением под действием магнитного поля потоков двух типов носителей заряда, которые протекают в базовой и эмиттерной областях за счет создания двойных контактов к базе и к эмиттеру /5/. Под двумя коллекторами на переходе база-эмиттер возникает Холловское напряжение разного знака и по экспоненте растет ток одного коллектора и уменьшается другого, что позволяет получить более высокую чувствительность.

В патенте США датчик магнитного поля в виде латерального биполярного двухколлекторного транзистора, чувствительного к магнитному полю, формируется в кармане на поверхности кремниевой подложки другого по сравнению с карманом типа проводимости /6/. Электроды расположены на поверхности кармана в следующем порядке: в середине эмиттер, слева и справа коллекторы, далее слева и справа контакты к базе. На p - n-переход между подложкой и карманом с помощью дополнительных контактов к подложке подается обратное смещение, что должно обеспечить изоляцию транзистора от других элементов интегральной схемы. Относительная чувствительность датчика составляет примерно 100% Тл^-1. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модулируемая инжекция в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного pn - перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле.

В патенте США предложен датчик магнитного поля с латеральным биполярным транзистором, сформированным в кармане, и с двойным контактом к коллектору для повышения чувствительности и снижения шумов /7/.

В работе /8/ описан биполярный латеральный магниточувствительный транзистор, в котором при слабом легировании периферийной области эмиттера за счет эффекта Холла возникает модуляция инжекции из эмиттера. При низком уровне инжекции модуляция создает повышение магниточувствительности, а при высоком уровне инжекции носители изменяют сопротивление базы, что повышает чувствительность за счет магнитоконцентрационного эффекта.

В патенте США добавлены два коллекторных электрода и три базовых контакта, создающих тянущее поле в базе /9/. Эта структура, кроме увеличения чувствительности, позволяет совместить транзистор с датчиком Холла и получить два вида магниточувствительности. При малом уровне инжекции в соответствии с эффектом Холла полезный сигнал формируется за счет основных носителей заряда, а при большом уровне инжекции полезный сигнал определяется воздействием силы Лоренца на ток неосновных носителей.

В патенте США расположение трех коллекторов и четырех базовых контактов обеспечивает формирование потока электронов для повышения чувствительности /10/.

Патент РФ применяет тянущее поле в базе магнитотранзистора с эпитаксиальным карманом /11/. Для уменьшения экстракции неосновных носителей заряда в подложку, выполняющую функцию третьего коллектора, на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом формируется скрытый слой, соединенный с базовым электродом сильнолегированной вертикальной областью. В такой конструкции увеличивается ток коллекторов под действием электрического поля в базе, однако чувствительность не увеличивается.

В патентах США несколько коллекторных электродов располагаются вокруг эмиттера, что позволяет определить направление действия магнитного поля /12, 13/.

В патенте РФ из биполярных магниточувствительных транзисторов формируется интегральная матрица, позволяющая измерять распределение магнитного поля в пространстве /14/.

В патенте США на поверхность латерального биполярного транзистора, сформированного в кармане наносят концентраторы магнитного поля /15/. Такие же концентраторы, но на обратной стороне прибора вводятся в патенте /16/.

Патент РФ основан на применении технологического способа локального окисления к формированию биполярного магниточувствительного транзистора /17/. Введение локального окисла повышает воспроизводимость расположения элементов прибора.

Патент РФ основан на применении технологических способов самосовмещения и самоформирования к формированию биполярного магниточувствительного транзистора с механизмом чувствительности, основанным на перераспределении под действием силы Лоренца потоков носителей заряда в коллекторе /18/. Известно, что магнитотранзисторы с перераспределением под действием силы Лоренца носителей заряда в коллекторе имеют низкую чувствительность.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент на изобретение, в котором предлагается полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю, в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку, глубокий карман, расположенные внутри кармана области контактов к базе, эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы, расположенные вне кармана первый и второй контакты к подложке, диффузионные области контактов к базе расположены ближе к эмиттеру, чем рабочие коллекторы, размеры областей контактов к базе более или равны ширине и глубине кармана, а контакты к базе и контакты к подложке подключаются к одному источнику питания /19/.

Основной недостаток этого прибора состоит в том, что вместе с инжектированными электронами в подложку проникают дырки, которые создают взаимодействие элементов в интегральной схеме. Транзисторы имеют относительно большой начальный разбаланс токов коллекторов. Применение их в составе интегральных схем затруднено из-за разбаланса токов и влияния токов подложки на соседние элементы интегральной схемы.

Цель изобретения - уменьшение влияния токов подложки полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю на соседние элементы интегральной схемы и уменьшение погрешности измерений из-за начального разбаланса токов коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.

Суть изобретения состоит во введении в подложку кармана, в котором формируется базовый слой с эмиттером и измерительными коллекторами и введения режима работы с электрическим соединением между контактами к эмиттеру и контактами к подложке. Такая структура и режим работы позволяют направить поток инжектированных из эмиттера носителей заряда в сторону контактов к карману, а инжектированных из контакта к базе носителей заряда в сторону контактов к подложке. Ток эмиттера после инжекции разделяется на составляющую, протекающую в измерительные коллекторы, и на составляющую, протекающую в карман. Ток базы разделяется на составляющую, протекающую в эмиттер и на составляющую, протекающую в подложку.

Инжектированные из эмиттера носители заряда в кармане становятся основными носителями, а инжектированные из контакта к базе носители заряда другого знака становятся основными носителями заряда в подложке. Инжектированные в подложку носители заряда являются основными и практически не влияют на соседние элементы интегральной схемы.

Распределение потоков электронов и дырок, которое имеет симметричный вид без магнитного поля, изменяется на ассиметричное расположение потоков при воздействии магнитного поля, направленного вдоль электродов. В областях перекрытия потоков происходит рекомбинация носителей заряда, которая зависит от изменения положения потоков в магнитном поле, т.е. проявляется концентрационно-рекомбинационная чувствительность полупроводникового магнитного преобразователя к воздействию магнитного поля. Изменение рекомбинации определяет изменение дырочных токов базы и электронных токов эмиттера при воздействии магнитного поля. Изменение токов базы и эмиттера приводит к изменению токов измерительных коллекторов. Таким образом, при биполярном характере протекания тока происходит преобразование магнитного поля в изменение тока полупроводникового магнитного преобразователя.

Напряжение смещения задает рабочий режим с током коллектора во много раз меньшим тока эмиттера. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков и их рекомбинацию, что определяет преобразования за счет модуляции концентрации и объемной рекомбинации. Воздействие силы Лоренца на токи эмиттер-карман, база-подложка создает изменение токов измерительных коллекторов, сравнимое с их величиной без магнитного поля, т.е. высокую чувствительность преобразования и снижение влияния начального разбаланса токов коллекторов.

На фиг.1 представлено поперечное сечение структуры полупроводникового магнитного преобразователя. Топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2. Условное обозначение полупроводникового магнитного преобразователя и схема его включения дана на фиг.3. Распределение потоков электронов между эмиттером и контактами к карману и линий тока между эмиттером и измерительными коллекторами показаны на фиг.4. Распределение потоков дырок между контактами к базе и к подложке и линий тока дырок между контактами к базе, эмиттером и контактами к подложке показаны на фиг.5. Зависимость токов измерительных коллекторов и относительной по току магнитной чувствительности от напряжения смещения базы для конкретного прибора дана на фиг.6.

Полупроводниковый магнитный преобразователь состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); глубокого диффузионного кармана второго типа проводимости (4), служащего p - n-переходной изоляцией от остальной схемы; диффузионного базового слоя первого типа проводимости (5), сформированного в кармане (4) и глубиной менее глубины (4); левого (6) и правого (7) омических контактов к базовому слою (5); эмиттера (8) второго типа проводимости, расположенного в центре кармана (5) на главной поверхности кристалла; левого (9) и правого (10) измерительных коллекторов второго типа проводимости, расположенных в базовом слое (5); левого (11) и правого (12) омических контактов к карману (4); левого (13) и правого (14) омических контактов к подложке (1); областей легирования поверхности подложки (15) (Фиг.1).

На фиг.2 представлена топология планарной структуры полупроводникового магнитного преобразователя, где прибор состоит из монокристаллической подложки (1); левого (13) и правого (14) омических контактов к ней; глубокого диффузионного кармана (4); левого (11) и правого (12) омических контактов к карману (4); диффузионной базовой области (5); левого (6) и правого (7) омических контактов к базовой области (5); эмиттера (8), левого (9) и правого (10) измерительных коллекторов транзистора, расположенных в базовой области (5).

Поперечное сечение на фиг.1 и топология на фиг.2 показывают структуру латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, сформированного в базовом слое с расположением контактов к базе между эмиттером и рабочими коллекторами, легировании контактов к базе на всю глубину и ширину базового слоя, область кармана, в которой располагается базовый слой и контакты к карману.

Схема включения напряжения прибора выполнена так, что на области контактов к базе Б1, Б2 и к карману КК подается напряжение смещения базы Ub; на измерительные коллекторы К1 и К2 подключаются напряжения Uc от источника питания через нагрузку; на эмиттер Э и подложку П задается потенциал Ue для создания напряжения смещения базы Ube, при котором протекает ток носителей заряда одного знака из базового контакта в эмиттер и подложку и создается поток носителей заряда другого знака за счет инжекции из эмиттера в базу, в карман и экстракции ностелей заряда в измерительные коллекторы (Фиг.3).

На фиг.4 приведено распределение в сечении полупроводникового магнитного преобразователя с эмиттером Э, базовыми контактами Б1, Б2, измерительными коллекторами K1, K2, контактами к карману КК, контактами к подложке П плотности потоков электронов j^-, А/см², обозначенной областями разной плотности и линий тока между измерительными коллекторами K1, K2 и эмиттером Э при воздействии магнитного поля В=1 Тл. На чертеже видно, что инжектированные из эмиттера электроны проходят к измерительным коллекторам сложный путь через базовую область в карман, далее обратно из кармана в базовую область и измерительные коллекторы.

На фиг.5 приведено распределение в сечении полупроводникового магнитного преобразователя с эмиттером Э, базовыми контактами Б1, Б2, измерительными коллекторами K1, K2, контактами к карману КК, контактами к подложке П плотности потоков дырок j⁺, А/см², обозначенной областями разной плотности и линий тока между контактами к базе Б1, Б2 и контактами к подложке П при воздействии магнитного поля В=1 Тл. На чертеже видно, что дырки из базовых контактов проходят сложный путь через базовую область в направлении эмиттера, далее вместе с потоком электронов в карман, а из кармана в подложку и к контактам к подложке.

На фиг.6 дана зависимость токов измерительных коллекторов Ic1, Ic2, токов эмиттера Ie (1), кармана Iw (2), базы Ib (3), подложки Is (4), а также относительной по току магнитной чувствительности Sr от напряжения смещения базы Ube для конкретного прибора. Измерение чувствительности проводилось в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией В=1 Тл, направленной вдоль поверхности транзистора перпендикулярно поперечному сечению прибора (фиг.4). В зависимости от напряжения смещения относительная магнитная чувствительность принимает различные значения и зависит от схемы включения. Токи первого коллектора Ic1 (5) и второго коллектора Ic2 (6) прибора, находящегося в магнитном поле, отличаются от совпадающих токов первого Ic1-0 (7) и второго Ic2-0 (8) коллекторов без поля. Относительная по току магнитная чувствительность Sr определена по формуле при двух режимах работы:

S_R(9)=[(Ic1-Ic1-0)-(Ic2-Ic2-0)]/[(Ic1-0+Ic2-0)*B] при Ub=Uw=Us, Ue=0

S_R(10) при Ub=Uw, Us=Ue=0

В отсутствии магнитного поля носители, инжектируемые из эмиттера, поровну распределяются между измерительными коллекторами и формируют равные токи рабочих коллекторов Ic1 и Ic2. Ток эмиттера складывается из токов подложки, кармана, базы и измерительных коллекторов.

Под действием магнитного поля на носители, инжектируемые из эмиттера, действует сила Лоренца, которая отклоняет поток носителей к одной стороне прибора относительно середины эмиттера, а поток носителей другого знака отклоняется в противоположную сторону, что вызывает несимметричное распределение носителей тока в базе. Асимметричное распределение потоков носителей, экстрагируемых измерительными коллекторами, вызывает асимметрию токов этих коллекторов. В итоге разность падений напряжения на равных сопротивлениях нагрузки в цепи измерительных коллекторов является функцией величины магнитного поля, приложенного к прибору.

Схема подачи напряжения на прибор с введением электрического соединения между контактами к базе и контактами к карману, показанная на фиг.3, обеспечивает отсутствие напряжения смещения на p - n-переходе подложка-карман и внешнего электрического поля в кармане. В отсутствии внешнего электрического поля в подложке около кармана данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через базу, переход база-карман, через карман в сторону подложки. В базе, кармане и подложке происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в карман и в подложку, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией зарядов носителей тока разного знака. Таким образом, практически исключается зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.

Особенность данного прибора в части распределения областей с различной плотностью тока иллюстрируется приведенными на фиг.4, 5 распределениями потоков электронов и дырок в базе, кармане и подложке при приложении магнитного поля. Как видно на этих фигурах, интенсивная рекомбинация проходит по оси симметрии вдоль распространения инжектированного потока электронов. Поток электронов уменьшается по мере удаления от эмиттера за счет рекомбинации и растекания после выхода в карман на потоки, идущие к измерительным коллекторам и контактам к подложке.

Для определенности считаем, что подложка - кремниевая и имеет р-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки, далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости базового слоя, подлегирования базы и контактов к базе, к подложке. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману, эмиттера и измерительных коллекторов. Для обеспечения соединения прибора с внешней электрической схемой на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка.

На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и контакты к карману подается положительное напряжение смещение относительно эмиттера, а на подложку одинаковое напряжение с эмиттером. На выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через элементы нагрузки.

Протекание дырочного тока от базы к эмиттеру создает инжекцию электронного тока из эмиттера. Часть потока инжектированных электронов рекомбинирует с дырками в кармане, другая часть проходит в карман и рекомбинирует с дырками, которые приходят в карман из базового контакта для компенсации электрического заряда электронов. Еще одна часть электронного тока доходит до измерительных коллекторов и экстрагируется в них, создавая ток нагрузки. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю.

В магнитном поле, направленном вдоль оси эмиттера, под действием силы Лоренца потоки носителей тока электронов и дырок, текущие в одном направлении испытывают отклонение в противоположные стороны. Потоки дырок, идущих из двух контактов к базе в сторону подложки, отклоняются, например, направо, а поток электронов, идущий из эмиттера в сторону подложки между двух потоков дырок из контактов к базе, отклоняется влево. Под действием магнитного поля происходит усиление перемешивания потока электронов с левым потоком дырок и ослабление перемешивания потока электронов с правым потоком дырок, что приводит к усилению рекомбинации слева и ослаблению рекомбинации справа. Возникает ассиметрия потоков электронов, соответственно, ток рабочего коллектора слева уменьшается, а ток правого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.

Прибор обладает новым качеством - разделение инжектированного потока электронов в кармане и дырок в подложке от токов измерительных коллекторов. Воздействие силы Лоренца на большие токи эмиттера, базы создает их большое изменение и связанное с этим изменение токов измерительных коллекторов намного большее, чем их начальный разбаланс и изменение в магнитном поле. Вместе с повышением чувствительности снижается погрешность измерения из-за разбаланса тока измерительных коллеторов и влияние инжекционных токов на другие элементы интегральной схемы.

Источники информации

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника / Учебник. Изд. ДМК Пресс, 2001.

2. Балтес Г.П., Попович Р.С. Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля // ТИИЭР, т.74. 1986. №8. С.60-90.

3. Патент США 3389230.

4. Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А. Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами // ФТП, 1978, т.12, №1, стр.48-50.

5. Патент США 4100563.

6. Патент США 4700211.

7. Патент США 5179429.

8. R.S.Popovic, H.P.Baltes. Dual-collector magnetotransistor optimized with respect to injection modulation// Sensor and Actuators. Vol.4, 1983, pp.155-163.

9. Патент США 4939563.

10. Патент США 5099298.

11. Патент РФ 2127007 С1.

12. Патент США 5323050.

13. Патент США 5393678.

14. Патент РФ 2008748 С1.

15. Патент США 4607271.

16. Патент США 6180419 В1.

17. Патент РФ 2055419 С1.

18. Патент РФ 2127007 С1.

19. Патент РФ 2239916 - прототип.

Использование: изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Техническим результатом изобретения является уменьшение влияния токов подложки полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю, на соседние элементы интегральной схемы и уменьшение погрешности измерений из-за начального разбаланса токов коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора. Сущность изобретения: полупроводниковый магнитный преобразователь содержит кремниевую монокристаллическую подложку, базовую область на поверхности подложки, имеющую малую концентрацию примеси, сильнолегированные области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов, с глубиной меньше глубины базовой области и расположенные внутри базовой области области сильнолегированных контактов к базе. Базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, в котором так же, как в подложке, имеются сильнолегированные контакты, а контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала. 6 ил.

Полупроводниковый магнитный преобразователь, содержащий кремниевую монокристаллическую подложку, базовую область на поверхности подложки, имеющую малую концентрацию примеси, сильнолегированные области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов, с глубиной меньше глубины базовой области, и расположенные внутри базовой области области сильнолегированных контактов к базе, отличающийся тем, что базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, в котором так же, как в подложке, имеются сильнолегированные контакты, а контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала.