KR0149768B1 - Separated drift field magnetotransistor with the p+ ring around the emitter - Google Patents
Separated drift field magnetotransistor with the p+ ring around the emitterInfo
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Abstract
1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야: 자기 센서용으로 사용가능한 트랜지스터에 관한 것이다.1. FIELD OF THE INVENTION The invention described in the claims relates to a transistor usable for a magnetic sensor.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제: 센서소자로서 비교적 높은 민감도를 가지는 트랜지스터를 제공하기 위함이다.2. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a transistor having a relatively high sensitivity as a sensor element.
3. 발명의 해결방법의 요지: 에미터 인젝션 모듈레이션 기능을 가지도록 분리된 전계를 갖는 트랜지스터의 구조는; 에미터 영역과, 기판으로서의 베이스 영역과, 상기 기판에 대해 수직 방향으로 자장이 인가될 시 상기 컬렉터 전극들을 통해 홀 효과에 기인되는 전류를 생성하는 제2도전형의 컬렉터 영역과, 상기 에미터 영역과 상기 베이스 영역간의 전위 장벽을 증대시키기 위해, 상기 컬렉터 영역과 이격되어 상기 에미터 영역의 주위에 접촉적으로 형성된 고농도의 제1도전형의 전위장벽 링영역을 포함한다.3. Summary of the Invention The structure of the transistor having a separate electric field to have an emitter injection modulation function; An emitter region, a base region as a substrate, a collector region of a second conductivity type which generates a current due to a Hall effect through the collector electrodes when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate, and the emitter region And a high concentration of the first conductivity type potential barrier ring region spaced apart from the collector region and in contact with the emitter region to increase the potential barrier between the base region and the base region.
4. 발명의 중요한 용도: 자기 센서를 필요로 하는 분야에 적합하게 사용된다.4. Significant Uses of the Invention: Suitable for applications requiring magnetic sensors.
Description
제1도는 일반적인 홀 효과를 설명하기 위해 제시된 대표적 도면.1 is a representative diagram presented to illustrate a general Hall effect.
제2도는 종래의 자기 센서중 자기 트랜지스터의 평면 구조도.2 is a planar structure diagram of a magnetic transistor in a conventional magnetic sensor.
제3도는 본 발명에 따른 자기 트랜지스터의 평면 구조도.3 is a plan view of a magnetic transistor according to the present invention.
제4도는 제3도에 따른 자기 트랜지스터의 수평 전압대 홀 전압에 대한 관계를 보여주는 그래프도.4 is a graph showing the relationship between the horizontal voltage and the hall voltage of the magnetic transistor according to FIG.
제5도는 제3도에 따른 자기 트랜지스터의 수평 전압대 상대 민감도에 대한 관계를 보여주는 그래프, 및5 is a graph showing the relationship between the horizontal voltage and the relative sensitivity of the magnetic transistor according to FIG.
제6도는 제3도에 따른 자기 트랜지스터의 민감효과를 보여주는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the sensitive effect of the magnetic transistor according to FIG.
본 발명은 반도체 자기 센서에 관한 것으로, 특히 캐리어 인젝션 모듈레이션을 이용한 자기 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor magnetic sensor, and more particularly to a magnetic transistor using carrier injection modulation.
일반적으로, 자기 센서(magnetic field sessor)는 자기 테이프나 디스크의 정보독출, 자기 디스크의 형상판독 등은 물론, 무접점 스위치나 선형 혹은 각 변위 검출 등의 분야에 이용되며, 일렉트로 메카닉스의 발전과 더불어 날로 그 수요가 증대되고 있다. 특히, 각종 자동 제어 시스템에서 이용되는 자기 센서는 초소형화, 고 신뢰도화 등의 특성을 가지고 있어야 하는데, 전형적으로, 재료의 투자율(permeability)이 1 보다 큰 물질(ferro-)을 사용하는 경우와 투자율이 대략 1정도인 물질(dia-)을 사용하는 경우로 대별될 수 있다. 초기의 자기 센서들은 강자성체물질을 이용하였으나, 반도체 제조기술 특히 평면설계기술(layout 또는 planar technology)의 급격한 발전에 따라 반도체 소자가 고유하게 가지는 홀효과를 이용하여 집적화된 칩상에서 자기 센서를 제작하는 방향으로 추진되어 오고 있다. 즉, 제1도에 도시된 바와 같이, x방향으로 전류가 흐르고 z방향으로 자장(B)이 걸려있는 N형 반도체 소자를 고려해보면, v의 속도로 운동하고 있는 전자들(e)이 로렌쯔힘(전계 Ey)에 의해 y방향으로 디플렉션(deflection)된다. 홀효과에 관하여 잘 알려진 방정식 qv x B=qEy(여기서 q는 전자의 전하량을 나타냄)에서, 전계값을 이용하여 제1도의 반도체 소자의 양단에서 홀전압(Vh)을 구할 수 있다. 여기서, 결국 홀전압은 자계(B)에 비례하므로, 자계의 세기를 검출하는 센서로서 이용되는 것이다. 이러한 반도체 자기센서는 전술한 강자성체 자기 센서에 비하여 훨씬 저렴한 가격과 우수한 특성이 있음이 이미 입증되었으며, 자계에 대한 민감도(sensirivity)를 향상시키기 위한 기술이 개발되어 왔다.In general, magnetic field sensors are used for fields such as reading magnetic tapes and disks, reading shapes of magnetic disks, as well as contactless switches, linear or angular displacement detection, and the like. In addition, the demand is increasing day by day. In particular, magnetic sensors used in various automatic control systems should have characteristics such as miniaturization and high reliability. Typically, a material having a permeability greater than 1 and a permeability are used. This can be roughly classified into the case of using a material (dia-) of about 1 degree. Early magnetic sensors used ferromagnetic materials, but due to the rapid development of semiconductor manufacturing technology, especially layout or planar technology, the direction of fabricating magnetic sensors on integrated chips using the Hall effect inherent in semiconductor devices Has been promoted. That is, as shown in FIG. 1, considering the N-type semiconductor device in which current flows in the x direction and the magnetic field B is hung in the z direction, electrons e moving at the speed of v are Lorentz force. It is deflected in the y direction by (field Ey). In the well known equation qv x B = qEy (where q represents the amount of electron charge), the Hall voltage Vh can be obtained at both ends of the semiconductor device of FIG. 1 using the electric field value. Here, since the hall voltage is proportional to the magnetic field B, it is used as a sensor for detecting the strength of the magnetic field. Such semiconductor magnetic sensors have already been proved to have a much lower price and superior characteristics than the above-described ferromagnetic magnetic sensors, and techniques for improving sensitivity to magnetic fields have been developed.
특히, 실리콘을 이용한 자기센서는 잘 알려진 집적회로의 공정을 이용함으로서 센서의 극소화가 가능하고 그에 따른 신호처리 회로도 센서부와 함께 집적화할 수 있기 때문에 1980년대 이후로 많은 연구가 집중되고 있는 분야이다. 이중에서 바이폴라 트랜지스터의 구조를 갖는 자기 트랜지스터(magneto-transistor)는 자기 센서의 가장 중요한 특성중의 하나인 민감도 면에서 볼 때 가장 우수한 특성을 나타내는 것으로 알려졌다.In particular, the magnetic sensor using silicon is a field that has been concentrated since the 1980s because it is possible to minimize the sensor by using a well-known integrated circuit process and the signal processing circuit can be integrated with the sensor unit. Among them, a magneto-transistor having a bipolar transistor structure is known to have the best characteristics in terms of sensitivity, which is one of the most important characteristics of a magnetic sensor.
이러한 자기 트랜지스터의 제안된 동작원리로는 캐리어 디플렉션(carrier deflection)모델과 에미터 인젝션 모듈레이션(emitter injection modulation)등이 있는데, 여기서, 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 이용하는 것이 민감도 면에서 다소 유리한 것으로 나타난다. 그렇지만 이와 같은 일반적인 자기 트랜지스터의 구조에 있어서는 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 크게 기대할 수는 없으므로, 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 보다 극대화 하기 위해서는 에미터 내에서의 전계와, 트랜지스터 작용을 일으키는 에미터-베이스 간의 전계가 서로 분리된 구조를 가지는 것이 필요한 것으로 알려지고 있다.Proposed principles of operation of such magnetic transistors include a carrier deflection model and emitter injection modulation, where the use of emitter injection modulation effects appear to be somewhat advantageous in terms of sensitivity. However, in the structure of the general magnetic transistor, the effect of emitter injection modulation cannot be expected greatly. Therefore, in order to maximize the effect of emitter injection modulation, the electric field between the emitter and the emitter-base causing the transistor action is maximized. It is known that it is necessary to have structures separated from each other.
이러한 분리된 전계를 갖는 자기 트랜지스터(Separated Drift Field Magneto-transistor)는 본원 출원인에 의해 선 출원된 대한민국 특허 출원번호 91-22105의 제목 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 이용한 자기센서 소자하에도 개시되어 있는데, 이는 제2도에 도시된 구조가 대표적이다.Such a separated drift field magneto-transistor is also disclosed under a magnetic sensor element utilizing the title emitter injection modulation effect of Korean Patent Application No. 91-22105, filed previously by the applicant. The structure shown in FIG. 2 is representative.
제2도를 참조하면, 그 구조는 두개의 전극(UEE, DEE)을 가지는 에미터(E)와, 상기 에미터의 양측에 위치하며 각각의 컬렉터 전극(LCE) 및 (RCE)을 가지는 좌우측의 컬렉터(LC) 및 (RC)와 상기 좌측 및 우측 컬렉터의 위쪽과 아래쪽에 각각 위치하고 상기 에미터의 좌우측에 각각 두개씩 구비된 네개의 베이스 전극들(ULB, URB, DLB, DRB)을 가지는 베이스와, 이들을 집적하기 위해 형성된 상기 베이스인 반도체 기판을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 컬렉터들의 형태를 아래쪽의 베이스(DLB, DRB)쪽으로 향하면서 폭이 좁아지도록 한 것은 홀 효과를 보다 증대하기 위한 것이다.Referring to FIG. 2, the structure includes an emitter E having two electrodes UEE and DEE, and a left and right side positioned at both sides of the emitter and having respective collector electrodes LCE and RCE. A base having four base electrodes ULB, URB, DLB, and DRB located at the top and bottom of the collectors LC and RC and the left and right collectors, respectively; It comprises a semiconductor substrate which is the base formed to integrate them. Here, the narrower widths of the collectors toward the lower bases DLB and DRB are to further increase the hall effect.
제2도에서, 윗쪽의 에미터 전극(UEE)에는 에미터 공급전압 Vcc이 인가되고, 아래쪽의 에미터 전극(DEE)은 접지와 연결되어 있다. 상기 베이스가 밀러격자 지수(100)이라는 방향을 가진 P 형의 실리콘 기판이라면, 상기 에미터(E) 및 컬렉터(LC, RC)는 N형의 웰로 되며, 상기 에미터 전극(UEE, DEE)및 컬렉터 전극(LCE, RCE)들은 N+형의 얕은 확산영역으로 이루어지고, 상기 베이스 전극들(ULB,URB,DLB,DRB)은 P+형의 확산 영역으로 이루어진다. 또한, 에미터, 컬렉터 및 베이스의 사이즈 또는 이들 요소들간의 거리 및 간격은 최대의 민감도를 얻을 수 있도록 보다 개선된 구조를 가지고 있다.In FIG. 2, the emitter supply voltage Vcc is applied to the upper emitter electrode UEE, and the lower emitter electrode DEE is connected to ground. If the base is a P-type silicon substrate having a Miller lattice index (100) direction, the emitter (E) and collector (LC, RC) is an N-type well, the emitter electrodes (UEE, DEE) and The collector electrodes LCE and RCE are formed of a shallow diffusion region of N + type, and the base electrodes ULB, ULB, DLB, and DRB are formed of a diffusion region of P + type. In addition, the size of the emitter, collector and base, or the distance and spacing between these elements, has a more advanced structure to achieve maximum sensitivity.
이와 같이, 제2도에 도시된 종래의 자기 트랜지스터는 인젝션 모듈레이션 모델에 따르는 기존의 소자가 베이스를 활성영역으로 사용한 것과는 달리 에미터를 활성영역으로 사용하여 상대적 민감도를 개선한 것이었다. 즉, 에미터내에 두개의 전극을 사용하여 홀전압을 발생시키는 전류를 조절하고, 에미터 양측에 각각 두개씩의 베이스 전극을 사용하여 에미터-베이스간의 바이어스가 에미터내의 전압차와 관계없이 일정하게 유지되도록 하였다. 또한, 컬렉터의 형태를 사다리꼴로 변형하여 베이스간내의 전압차에 기인하여 베이스-컬렉터간에 국부적으로 발생되는 과도한 역바이어스를 억제시킨, 보다 진보된 형태의 것이었다.As described above, the conventional magnetic transistor illustrated in FIG. 2 improves the relative sensitivity by using an emitter as the active region, unlike the conventional device according to the injection modulation model using the base as the active region. That is, two electrodes are used in the emitter to adjust the current to generate the hall voltage, and two base electrodes are used on both sides of the emitter so that the bias between the emitter and the base is constant regardless of the voltage difference in the emitter. It was kept. In addition, the shape of the collector was trapezoidally modified to suppress excessive reverse bias locally generated between the base and the collector due to the voltage difference between the bases.
그렇지만, 제2도에 도시된 바와 같은 종래의 자기 트랜지스터는 에미터 인젝션 모듈레이션 효과에 의해 비교적 우수한 민감도를 가지고는 있지만, 에미터와 베이스 사이의 전위장벽을 넘어서는 전자들에 대해서는 홀 효과를 기대할 수 없게 된다. 즉, 제2도내의 구성을 가지는 소자 표면에 수직한 방향으로 자장이 인가되면, 에미터 내에서 수평 전계에 의한 전자들의 운동은 로렌쯔 힘에 의해 에미터의 측벽쪽으로 휘어지게 되고 이에 따라 좌,우측 에미터-베이스 간의 바이어스가 변화하여, 양쪽 컬렉터 전류의 차로 나타나는 에미터 인젝션 모듈레이션 효과가 나타나게 된다. 즉, 에미터가 하나의 홀(Hall)소자처럼 동작하게 된다. 이때 에미터와 베이스는 순방향의 상태이므로 에미터의 한쪽으로 휘어진 전자들이 에미터 영역 내에 모여 있지 못하고 전위장벽은 뛰어넘을 경우에는 전자가 순방향으로 이동해 버리므로 모여있는 전자만에 의한 홀 전압이 유기되게 되는 것이다.However, although the conventional magnetic transistor as shown in FIG. 2 has a relatively good sensitivity due to the emitter injection modulation effect, the Hall effect cannot be expected for electrons beyond the potential barrier between the emitter and the base. do. That is, when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the surface of the device having the configuration in FIG. 2, the movement of electrons by the horizontal electric field in the emitter is bent toward the sidewall of the emitter by the Lorentz force, and thus the left and the right The bias between the emitter and base changes, resulting in the effect of emitter injection modulation, which appears as a difference in both collector currents. That is, the emitter behaves like a single Hall element. At this time, since the emitter and the base are in the forward direction, when the electrons bent to one side of the emitter do not gather in the emitter region and the potential barrier is exceeded, the electrons move in the forward direction so that the hall voltage by only the collected electrons is induced. Will be.
여기서, 전위 장벽을 뛰어넘는 현상은 수평 전계의 증가에 따라 비례적으로 증가한다. 따라서, 소자의 구조를 최적화함에 의해 이러한 현상이 억제된다면 소자의 민감도는 더욱 향상될 것으로 암시된다.Here, the phenomenon of crossing the potential barrier increases in proportion to the increase in the horizontal electric field. Therefore, if this phenomenon is suppressed by optimizing the structure of the device, it is implied that the sensitivity of the device will be further improved.
상기한 바와 같이, 종래의 자기 트랜지스터는 비교적 낮은 홀 전압의 유기에 의한 상대 민감도를 가지고 있었으므로, 고도의 민감도를 요구하는 자기센서에는 사용상의 제약이 뒤따르는 문제점이 있었다.As described above, since the conventional magnetic transistor has a relative sensitivity due to the induction of a relatively low hall voltage, there is a problem in that a magnetic sensor requiring a high sensitivity has a limitation in use.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 자기 트랜지스터의 문제점을 충분히 해소할 수 있는 구조를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure that can sufficiently solve the problems of the conventional magnetic transistor described above.
본 발명의 다른 목적은 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 확실히 증대시킬 수 있는 자기 트랜지스터를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a magnetic transistor capable of reliably increasing the effect of emitter injection modulation.
본 발명의 또 다른 목적은 비교적 높은 민감도를 요구하는 자기 센서 소자로서 충분히 동작할 수 있는 자기 트랜지스터를 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a magnetic transistor capable of sufficiently operating as a magnetic sensor element requiring a relatively high sensitivity.
상기한 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 따르는 자기 트랜지스터는, 제1도전형의 기판상에 형성되고, 상기 기판에 대해 수평방향으로 제1바이어스 전압을 제공받는 제1,2 양단 전극들을 구비한 제2도전형의 에미터 영역과; 상기 에미터 영역의 상기 제1,2 양단전극들에 각기 대칭적으로 배열된 제1,2,3 및 4 베이스 전극들을 구비하며, 상기 베이스 전극들의 쌍전극들을 통해 상기 제1 바이어스 전압과는 다른 제2 바이어스 전압을 제공 받는 상기 기판으로서의 베이스 영역과; 상기 베이스 전극들의 상기 쌍전극들사이에 위치되고, 상기 에미터 영역에 각기 대칭적으로 배치된 컬렉터 전극들을 구비하며, 상기 기판에 대해 수직 방향으로 자장이 인가될 시 상기 컬렉터 전극들을 통해 홀 효과에 기인되는 전류를 생성하는 제2도전형의 컬렉터 영역과; 상기 에미터 영역과 상기 베이스 영역간의 전위 장벽을 증대시키기 위해, 상기 컬렉터 영역과 이격되어 상기 에미터 영역의 주위에 접촉적으로 형성된 고농도의 제1도전형의 전위장벽 링영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, a magnetic transistor according to the present invention is formed on a substrate of a first conductivity type, and has first and second opposite electrodes provided with a first bias voltage in a horizontal direction with respect to the substrate. An emitter region of two conductivity type; First, second, third, and fourth base electrodes arranged symmetrically on the first and second ends of the emitter region, respectively, and different from the first bias voltage through the bielectrodes of the base electrodes. A base region as the substrate, receiving a second bias voltage; A plurality of collector electrodes positioned between the bi-electrodes of the base electrodes and arranged symmetrically in the emitter region, and having a Hall effect through the collector electrodes when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate. A collector region of the second conductivity type for generating a resulting current; To increase the potential barrier between the emitter region and the base region, a high concentration of the first conductive type potential barrier ring region spaced apart from the collector region in contact with the emitter region, characterized in that it comprises a do.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성 타입등과 같은 많은 특정사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 자명하다할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 공정에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in the following description, there are many specific details such as a specific circuit configuration type, etc., which are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention may be practiced without these specific details. It will be obvious to those of ordinary skill in Esau. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known function or process may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 특히 본 발명의 실시예에서는 에미터 주위에 링을 가지는 자기 트랜지스터의 경우를 예시하였으나, 유사소자에 동일한 방법으로 적용이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허 청구 범윔뿐 만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. In particular, in the embodiment of the present invention, the case of the magnetic transistor having a ring around the emitter is illustrated, but the same method can be applied to similar elements. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the following claims, but also by the equivalents of the claims.
제3도에는 본 발명에 따른 자기 트랜지스터의 평면 구조도가 도시된다. 제3도를 참조하면, 피(P)형의 기판으로서 이루어진 베이스 영역의 상부에는 제1,2,3, 및 4 베이스 전극들(10,11,12,13)이 고농도의 피형으로 도핑된다. 실질적으로, 상기 제1,2,3,4 베이스 전극들은 금속으로된 전극이 형성되는 영역이지만 본 발명에서는 편의상 전극들이라 칭하였다. 또한, 상기 피형과는 반대의 도전형인 엔(N)형은 에미터 영역(20) 및 컬렉터 영역(30,31)을 만들며, 상기 에미터 영역(20)의 양단에는 상기 엔형보다 고농도의 엔형이 도핑되어 에미터 전극들(300,301)이 형성되고, 상기 컬렉터 영역(30,31)에는 상기 고농도의 엔형(N+)이 또한 도핑되어 컬렉터 전극들(200,201)이 형성된다. 상기 에미터 영역(20)과 상기 기판인 베이스 영역간의 전위장벽을 증대시키기 위하여 전위 장벽 링 영역(100)은 상기 컬렉터 영역(30,31)과는 이격되고 상기 에미터 영역(20)의 주위에 면접촉으로 형성된다. 상기 링 영역(100)은 상기 베이스 전극들(10-13)과 마찬가지로 상기 고농도의 피형(P+)으로 도핑된다.3 shows a planar structural diagram of a magnetic transistor according to the present invention. Referring to FIG. 3, first, second, third, and fourth base electrodes 10, 11, 12, and 13 are doped in a high concentration on the base region formed as a P-type substrate. Substantially, the first, second, third and fourth base electrodes are regions where metal electrodes are formed, but are referred to as electrodes for convenience in the present invention. In addition, the N-type, which is a conductivity type opposite to the blood type, forms the emitter region 20 and the collector regions 30 and 31, and a higher concentration of the N-type is formed at both ends of the emitter region 20 than the N-type. The doped emitter electrodes 300 and 301 are formed, and the high concentration N-type N + is also doped in the collector regions 30 and 31 to form the collector electrodes 200 and 201. In order to increase the potential barrier between the emitter region 20 and the base region which is the substrate, the dislocation barrier ring region 100 is spaced apart from the collector regions 30 and 31 and around the emitter region 20. It is formed by surface contact. Like the base electrodes 10-13, the ring region 100 is doped into the high concentration P +.
수평전계의 형성을 위해 상기 자기 트랜지스터의 상기 에미터 전극(300)과 전극(301)간에는 그라운드(GND)에 대해 제1 바이어스 전압(Vlat)이 걸려지도록 구성되며, 상기 수평 전계와 분리된 또 다른 전계의 형성을 위해 상기 베이스 전극들의 쌍전극(10,11)과 쌍전극(12,13)간에는 상기 그라운드(GND)보다 순방향 바이어스(Vf)만큼 높은 전압에 대해 제2 바이어스 전압(Valt + Vf)이 걸려 진다.In order to form a horizontal electric field, the first bias voltage Vlat is applied to the ground GND between the emitter electrode 300 and the electrode 301 of the magnetic transistor, and is separated from the horizontal electric field. The second bias voltage Valt + Vf is applied between the bipolar electrodes 10 and 11 and the bipolar electrodes 12 and 13 of the base electrodes to a voltage higher by the forward bias Vf than the ground GND to form an electric field. It takes
이러한 구조에서, 역 바이어스된 컬렉터 전극들(200,201)사이에는 출력 전류가 생성되는데 이것이 바로 전위장벽이 증대되어 에미터 인젝션 모듈레이션 기능이 보다 최적화되어 나타나는 홀전류이다.In this structure, an output current is generated between the reverse biased collector electrodes 200, 201, which is the hall current that appears to be more optimized because the potential barrier is increased and the emitter injection modulation function is more optimized.
제3도의 평면구조를 A-A' 및 B-B' 영역으로 절단하여 보면 상기 제3도의 하단에 도시된 바와 같은 단면구조가 나타나는데, 여기서는 동일한 참조번호를 부여함에 의해 이해가 편리하도록 되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 제2도에 따른 종래의 기술에서 언급된 바와 같이 상기 콜렉터 영역(30,31)은 상기 링(100)에 대해 비스듬히 형성하면 보다 좋은 효과가 기대된다.When the planar structure of FIG. 3 is cut into regions A-A 'and B-B', a cross-sectional structure as shown at the bottom of FIG. 3 is shown, and it can be understood that the same reference numerals are used for easy understanding. Here, as mentioned in the prior art according to FIG. 2, the collector regions 30 and 31 are expected to have a better effect when formed at an angle to the ring 100.
상기한 제3도의 구조를 가지는 자기 트랜지스터를 표준 씨모오스(CMOS)공정으로 제작할 수 있음은 본 분야의 통상의 지식을 가진자라면 쉽게 이해될 것이지만, 이하에서 설명하기로 한다.It can be easily understood by those skilled in the art that the magnetic transistor having the structure of FIG. 3 can be manufactured by a standard CMOS process, but will be described below.
먼저, 기판에 N웰(에미터 및 컬렉터 영역이 됨)을 형성하기 위하여 P형의 실리콘 기판에 제1포토 레지스트 패턴을 사용하여 1017/cm2의 도우즈량으로 이온주입 및 확산시킨 다음, 제2 및 제3 포토 레지스트 패턴을 사용하여 얕은 깊이의 P+ 및 N+ 영역(베이스 전극과 링 영역(100)은 P+이고, 컬렉터 전극 및 에미터 전극은 N+가 됨)을 형성하고, 전극과의 컨택형성과 금속 배선 패턴을 형성하기 위하여 제4 및 제5 포토 레지스트 패턴을 사용한다. 여기서, 상기 에미터 및 컬렉터를 형성하는 N웰은 4미크론(micrometer)정도의 깊이로 하고, 에미터전극, 컬렉터전극 및 베이스 등은 2미크론 정도의 얕은 졍션을 이루게 하는 것이 좋다. 또한, 에미터의 길이(L)와 폭(W)에 대한 설계는 최적의 홀전압을 얻기 위해 본 실시예에서는 M/L = 18/24 = 0.75로 하였다. 이론적으로, 상기 자기 트랜지스터의 상대 민감도는 홀 전압에 따라 지수함수적인 비례관계를 가지지만, 전위장벽을 넘어서는 전자들의 이동이 약간은 있으므로 실제에 있어서는 감소한다. 그렇지만 본 발명에서는 상기 고농도의 P형 링을 가짐에 의해 거의 지수함수적으로 비례하는 민감도를 가지게 한 것이다.First, in order to form an N well (which becomes an emitter and a collector region) on a substrate, ion implantation and diffusion are carried out at a dose of 10 17 / cm 2 using a first photoresist pattern on a P-type silicon substrate. Forming shallow P + and N + regions (base electrode and ring region 100 are P +, collector electrode and emitter electrode are N +) using second and third photoresist patterns, and forming contact with electrodes Fourth and fifth photoresist patterns are used to form a metallization pattern. Herein, the N wells forming the emitter and the collector may have a depth of about 4 micrometers, and the emitter electrode, the collector electrode, and the base may have a shallow caption of about 2 microns. In addition, the design of the length (L) and the width (W) of the emitter was M / L = 18/24 = 0.75 in this embodiment in order to obtain the optimum Hall voltage. Theoretically, the relative sensitivity of the magnetic transistor has an exponential proportionality depending on the Hall voltage, but decreases in practice as there is a slight movement of electrons beyond the potential barrier. However, in the present invention, by having the high concentration of the P-type ring to have a sensitivity which is almost exponentially proportional.
이러한 공정에서는 마스크 설계시에 각 영역간의 가하학적인 인자가 적절히 고려되어야 하는데, 본 실시예에서는 소자의 크기를 가로 76μM 세로 48μM, 에미터는 18x24, 그리고 상기 에미터의 주위에 이루어진 링은 상기 에미터를 충분히 에워싸는 두께로 하였다. 또한, 에미터 전극은 18x12, 베이스는 20x12, 컬렉터는 넓은 폭을 7, 좁은 폭을 5로 하고 길이를 20으로 하고, 컬렉터 전극은 13x20으로 하였다. 또한 에미터와 컬렉터간의 간격은 9, 컬렉터와 베이스간의 간격은 6μM으로 하였다.In this process, the masking factor between the regions must be properly taken into consideration when designing the mask. In this embodiment, the device size is 76 μM wide by 48 μM, the emitter is 18x24, and the ring formed around the emitter is the emitter. It was made into the thickness enough to surround. The emitter electrode was 18x12, the base was 20x12, the collector was 7 in wide width, the narrow width was 5, the length was 20, and the collector electrode was 13x20. The distance between the emitter and the collector was 9 and the distance between the collector and the base was 6 μM.
그러면, 상기한 바와 같이 구성된 자기 트랜지스터의 동작을 설명한다. 제3도에서, 두개의 에미터 전극 300,301 간에 인가되는 Vla를 12V로 인가하여 에미터 영역 20에 수평전계를 발생시키고, 베이스 쌍전극 10,11 및 12,13간에 인가되는 Vla+Vf를 12V+소자의 에미터 베이스간 전압으로 인가하여 베이스 영역에도 상기 전계와 평행으로 수평전계를 발생시킨다. 이렇게 함에 의해, 에미터-베이스간의 전계를 향상 일정하게 유지시키는 것이다. 즉, 에미터 내의 전계와, 트랜지스터 작용을 일으키는 에미터-베이스 간의 전계는 서로 분리되어 독립적으로 조절이 가능해 진 상태로 둠에 의해 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 가지게 하는 것이다. 이 상태에서 소자에 수직방향(z방향)으로 자장 Bz를 인가하면, N형의 에미터내에서 전자들은 홀효과에 의하여 소자의 오른쪽으로 디플렉션되어진다. 이 경우에 에미터 베이스간 전위장벽을 넘지 못하는 전자들은 에미터 영역과 컬렉터 영역의 접합면 주위에 모여있으며, 상기 전위장벽 이상의 에너지를 가지는 전자들은 베이스로 주입된다. 따라서, 상기 접합면 주위에 모여있는 전자들만에 의해, 에미터의 측면 왼쪽에서 오른쪽으로 향하는 홀전계가 발생되고, 이 홀전계는 상기 디플렉션되는 전자들에 의해 유기되는 홀전류에 대응되는 세기를 가진다. 상기 접합면 주위에 전자들이 보다 많이 모여 있도록 하기 위해, 상기 에미터 주위에 형성된 P+ 링 100은 에미터와 베이스 간의 전위 장벽을 높여준다. 따라서, 증가된 전위 장벽은 로렌쯔 힘에 의해 휘어진 전자들을 에미터 내의 피엔 접합면 부근에 모여 있도록 해준다. 이에 따라 에미터를 가로 질러 발생하는 홀 전압의 크기는 증가하게 된다. 이는 양쪽 컬렉터 전류의 차에 의해 나타나는 소자의 민감도를 증대시키는 요인이 된다.Next, the operation of the magnetic transistor configured as described above will be described. In FIG. 3, Vla applied between two emitter electrodes 300,301 is applied to 12V to generate a horizontal electric field in emitter region 20, and Vla + Vf applied between base bi-electrodes 10,11, 12,13 is a 12V + element. By applying the emitter-to-base voltage of, the base field also generates a horizontal electric field in parallel with the electric field. By doing so, the electric field between the emitter and the base is improved and kept constant. In other words, the electric field in the emitter and the field between the emitter and the base causing the transistor action are separated from each other and allowed to be independently controlled to have an emitter injection modulation effect. In this state, when the magnetic field Bz is applied to the device in the vertical direction (z direction), electrons in the N-type emitter are deflected to the right side of the device by the Hall effect. In this case, electrons that do not cross the potential barrier between the emitter bases are collected around the junction between the emitter region and the collector region, and electrons having energy above the potential barrier are injected into the base. Therefore, only electrons gathered around the junction surface generate a hole field from the left side to the right side of the emitter, the hole field having an intensity corresponding to the hall current induced by the deflected electrons. Have In order to gather more electrons around the junction, the P + ring 100 formed around the emitter raises the potential barrier between the emitter and the base. Thus, the increased potential barrier allows electrons bent by the Lorentz force to gather near the Pien junction in the emitter. This increases the magnitude of the Hall voltage across the emitter. This is a factor to increase the sensitivity of the device caused by the difference in both collector currents.
본 실시예에서는 에미터 영역내에 직접 유기되는 홀 전압을 직접 측정하기 위하여 제3도에 나타난 것처럼 홀 전압 측정용 전극H1, H2, 401,402을 추가 제작하였다. 영구자석을 이용하여 0.3 테스라(tesla)의 자장을 인가하고 에미터 내에 유기되는 홀 전압을 측정한 결과는 제4도에 나타나 있다. 제4도를 참조하면, 수평 전압의 증가에 따라 홀 전압이 선형적으로 증가하고 있으며 최대 60mV까지의 홀 전압이 실제로 나타나고 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 에미터가 하나의 홀 소자처럼 동작하고 있음이 증명된다.In this embodiment, in order to directly measure the hole voltage directly induced in the emitter region, electrodes H 1 , H 2 , 401 and 402 for measuring hole voltage were further manufactured. Figure 4 shows the results of measuring the Hall voltage induced in the emitter by applying a magnetic field of 0.3 tesla using the permanent magnet. Referring to FIG. 4, it can be seen that as the horizontal voltage increases, the hall voltage increases linearly, and the hall voltage up to 60 mV actually appears. Here, it is proved that the emitter is operating like one Hall element.
상기한 바와 같이, 제작된 소자의 민감도에 대한 측정결과는 제5도에 나타나 있다. 일반적으로, 분리된 전계를 갖는 자기 트랜지스터의 민감도는 하기의 식As described above, the measurement result for the sensitivity of the fabricated device is shown in FIG. In general, the sensitivity of a magnetic transistor having a separate electric field is given by the equation
과 같이 표시되며, 이때 △Ic(B)는 자장이 인가되었을 때의 양쪽 컬렉터 전류 차를, Ic(0)는 자장이 없을 때의 총 컬렉터 전류를 나타낸다.Where? Ic (B) represents the difference between both collector currents when the magnetic field is applied, and Ic (0) represents the total collector current without the magnetic field.
제5도에서, 수평 전계가 작은 영역에서는, 총 컬렉터 전류가 변화하지 않는 상태에서, 양쪽 컬렉터 전류차가 수평 전압 증가에 따라 증가하므로 민감도도 증가하는 것을 알 수 있고, 반면, 수평 전계가 큰 영역에서는 총 컬렉터 전류가 수평전계 증가에 따라 함께 증가하여 소자의 민감도는 완만하게 증가하거나 부분적으로 감소되는 영역도 생기는 것을 알 수 있다. 이와 같은 수평 전계 증가에 따른 총 컬렉터 전류의 증가 현상은 전자들이 운동 에너지의 증가에 의해 에미터-베이스 간의 전위 장벽을 뛰어 넘는 현상때문이므로, 소자구조의 최적화는 민감도와 직결되는 요인임을 볼 수 있다.In FIG. 5, in the region where the horizontal electric field is small, in the state where the total collector current does not change, it can be seen that the sensitivity increases because both collector current differences increase as the horizontal voltage increases, whereas in the region where the horizontal electric field is large, It can be seen that the total collector current increases with increasing horizontal field, resulting in areas where the device's sensitivity gradually increases or decreases partially. The increase in the total collector current due to the increase in the horizontal electric field is due to the phenomenon that electrons exceed the potential barrier between the emitter and the base due to the increase in the kinetic energy. Therefore, the optimization of the device structure is directly related to the sensitivity. .
제6도에는 P+링을 가지는 본 실시예의 경우와, 가지지 않는 종래 소자의 경우를 동일 조건에서 동작시키고 그때의 민감도를 비교한 결과가 나타나 있다. 제6도에서, 그래프 600은 본 실시예의 것이고, 그래프 601은 종래의 것이다. 수평전압이 0.8V일 때 전위장벽 링 즉, 피형 링이 없는 소자는 0.7%/T의 민감도를 , 피형 링이 있는 소자는 99.0%/T의 민감도를 각각 나타내었다.FIG. 6 shows the result of comparing the sensitivity of the present embodiment with the P + ring and the conventional device without the P + ring under the same conditions. In FIG. 6, graph 600 is of the present embodiment, and graph 601 is conventional. When the horizontal voltage is 0.8V, the potential barrier ring, that is, the device without the ring is 0.7% / T, and the device with the ring is 99.0% / T, respectively.
따라서, 본실시예에 따른 자기 트랜지스터는 종래의 소자에 비해 최대로 약 140배 정도의 민감도를 가지는 것을 알 수 있게 된다. 이와 같은 매우 큰 민감도의 향상은 상기에서 설명한 바와 같이 피형 링에 의한 전위 장벽의 증가에 의한 것이며, 이에 의해 분리된 전계를 갖는 자기 트랜지스터의 에미터 인젝션 모듈레이션 효과가 증대되고 있음을 실험적으로 나타내고 있다.Therefore, it can be seen that the magnetic transistor according to the present embodiment has a sensitivity of about 140 times at maximum compared to the conventional device. This very large improvement in sensitivity is due to the increase in the potential barrier caused by the ring, as described above, and it is experimentally shown that the effect of emitter injection modulation on the magnetic transistor having the separated electric field is increased.
그러므로, 에미터 주위에 형성된 전위장벽 링은 에미터와 베이스 사이의 전위 장벽을 증가시켜 에미터 내에 유기되는 홀 전압을 증가시키고, 이에 따른 양쪽 컬렉터 전류의 차를 증가시켜 소자의 민감도를 증대 시킴을 알 수 있다.Therefore, the potential barrier ring formed around the emitter increases the potential barrier between the emitter and the base, increasing the Hall voltage induced in the emitter and thus increasing the sensitivity of the device by increasing the difference in both collector currents. Able to know.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전위장벽 링의 채용에 의해 에미터 인젝션 모듈레이션 효과를 증대시켜 홀 소자의 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있으므로, 비교적 높은 민감도를 요구하는 자기 센서소자로서 산업상 사용할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention as described above, it is possible to improve the characteristics of the Hall element by increasing the emitter injection modulation effect by employing the potential barrier ring, so that it can be used industrially as a magnetic sensor element requiring a relatively high sensitivity. There is an advantage to this.
상기한 본 발명은 도면을 중심으로 예를들어 한정되었지만, 그 동일한 것은 본 발명은 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 변화와 변형이 가능함이 본 분야의 숙련된 자에게 있어 명백할 것이다. 예를들어, 상기 에미터 영역을 사다리 꼴 형태로 제작하여 홀 효과를 더욱 높일 수 있음은 물론이고, 또한, 홀 전압을 크게 요구하지 않는 곳에서는 에미터를 활성영역으로 하지 않고 베이스를 활성화 영역으로 하여도 충분히 동작이 가능할 것이다.Although the present invention described above is limited to, for example, the drawings, the same will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the emitter region can be formed in a trapezoidal shape to further increase the hall effect, and also, in a place where a large Hall voltage is not required, the base is used as the active region without the emitter as the active region. It will be possible to operate enough.
Claims (5)
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Applications Claiming Priority (1)
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