RU2055422C1

RU2055422C1 - Integral hall gate

Info

Publication number: RU2055422C1
Application number: RU94018291A
Authority: RU
Inventors: В.В. Амеличев; А.И. Галушков; И.М. Романов; Ю.А. Чаплыгин
Original assignee: Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 1996-02-27
Also published as: RU94018291A

Abstract

FIELD: measuring of magnetic fields. SUBSTANCE: gate is designed as structure, which is generated on semiconductor plate with first type of conductivity. It contains diffusion area of second type of conductivity. Said area is embraced by dielectric insulation and contains under contacts two Hall-type areas and two areas for current contacts with first type of conductivity. In addition diffusion area with second type of conductivity has contacts and gate electrode. Gate electrode has holes under which areas under contacts for current and Hall-type contacts are generated. Size of generated areas is greater than size of holes. Along perimeter of holes gate electrode has side dielectric insulation which boundaries are same as boundaries of contact holes to said areas. Low-resistance area with second type of conductivity is generated between outer edge of gate electrode and the edge of dielectric insulation which is closer to it. Width of low-resistance area is greater than space between said edges. Body of Hall gate is defined as shape of gate electrode and is independent of precision of equipment and precision of matching topological layers with respect to one another. EFFECT: simplified design. 3 dwg

Description

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. The invention relates to semiconductor magnetically sensitive devices and can be used to measure magnetic fields in the form of a discrete sensor or as a sensitive element in the composition of magnetically integrated integrated circuits.

Известна конструкция элемента Холла, полученная по КМОП-технологии на основе диффузионного кармана, применяемого для формирования n- или р- МОП-транзистора [1] и имеющая два токовых и два холловских контакта. Достоинство данной конструкции состоит в том, что для снижения влияния поверхностных явлений, в частности уменьшения влияния мигрирующего заряда в окисле на нестабильность остаточного напряжения во времени, применяется тонкий приповерхностный слой р- или n-типа. The known design of the Hall element obtained by the CMOS technology based on a diffusion pocket used to form an n- or p-MOS transistor [1] and having two current and two Hall contacts. The advantage of this design is that in order to reduce the influence of surface phenomena, in particular, to reduce the influence of a migrating charge in the oxide on the instability of the residual stress over time, a thin p-or n-type surface layer is used.

Однако данная конструкция имеет низкое значение относительной магниточувствительности по току питания (около 100 В/(А Т) и высокое значение остаточного напряжения (U_б), называемого напряжением смещения нуля (напряжение неэквипотенциальности в отсутствие внешнего магнитного поля).However, this design has a low value of relative magnetosensitivity for the supply current (about 100 V / (A T) and a high value of the residual voltage (U _b ), called the zero bias voltage (nonequipotentiality voltage in the absence of an external magnetic field).

Известна конструкция элемента Холла на основе инверсионного слоя канала МОП-транзистора [2] в которой функцию холловской пластинки выполняет тонкий (порядка 10 нм) инверсионный канал МОП-транзистора. Достоинством данной конструкции является то, что она легко вписывается в КМОП-технологию изготовления ИС. A known design of the Hall element based on the inversion layer of the channel of the MOS transistor [2] in which the function of the Hall plate is performed by a thin (of the order of 10 nm) inversion channel of the MOS transistor. The advantage of this design is that it easily fits into the CMOS technology for manufacturing ICs.

Данная конструкция также не лишена наличия остаточного напряжения U_о, причина возникновения которого в основном связана с неэквипотенциальным расположением областей холловских контактов.This design is also not without the presence of residual voltage U _о , the cause of which is mainly associated with a nonequipotential arrangement of the areas of Hall contacts.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является элемент Холла, полученный на основе n-МОП-транзистора [3] который представляет собой широкий, длинноканальный МОП-транзистор, имеющий помимо обычных областей стока, истока (выполняющих функции токовых контактов) и электрода затвора два холловских контакта электронного типа проводимости, расположенных вдоль индуцируемого затвором инверсионного канала на определенном расстоянии от истока. Относительная магниточувствительность по току питания данной конструкции составляет величину, близкую к 1000 В/(А Т), что является довольно высоким показателем для датчиков Холла, полученных на основе кремния. Так как данная конструкция не позволяет выполнять подконтактные области холловских контактов симметрично относительно друг друга и относительно подконтактных областей токовых контактов, то это обуславливает наличие высокой величины U_о, составляющей приблизительно 2% от величины выходного сигнала, что снижает прецизионность датчика и выход годных. Наличие U_о требует дополнительных методов или схемных решений для его устранения.The closest in technical essence to the invention is a Hall element obtained on the basis of an n-MOS transistor [3] which is a wide, long-channel MOS transistor having, in addition to the usual areas of drain, a source (acting as current contacts) and a gate electrode, two Hall contact of the electronic type of conductivity located along the inversion channel induced by the gate at a certain distance from the source. The relative magnetosensitivity for the current supply of this design is close to 1000 V / (A T), which is a rather high indicator for silicon sensors based on silicon. Since this design does not allow the contact areas of the Hall contacts to be symmetrically relative to each other and relative to the contact areas of the current contacts, this leads to the presence of a high value of U _о , which is approximately 2% of the output signal, which reduces the precision of the sensor and the usability. The presence of U _о requires additional methods or circuit solutions for its elimination.

Для решения задачи снижения величины остаточного напряжения для интегрального элемента Холла, связанного с неэквипотенциальным расположением подконтактных областей холловсикх контактов, вследствие 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 две подконтактные области холловских и две подконтактные области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора. To solve the problem of reducing the residual voltage for the Hall integral element related to the nonequipotential arrangement of the contact areas of the Hall contacts, due to the misregistration of the topological layers during the formation of the magnetically sensitive structure, a structure is proposed that contains a region of the second conductivity type in the semiconductor wafer surrounded by dielectric insulation, inside of which two contact areas of the Hall and two contact areas are formed e field current contacts of the first conductivity type contacts thereto and a gate electrode.

Уменьшение величины остаточного напряжения достигается тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых и холловских 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 элемента Холла определяется только конфигурацией электрода затвора независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев относительно друг друга. Reducing the residual voltage is achieved by the fact that windows are made in the gate electrode, under which the contact areas of current and Hall contacts are formed, having dimensions not less than window sizes, lateral dielectric insulation is located around the window perimeter in the gate electrode, the edges of which coincide with the edges of the contact windows to these areas, and between the outer edge of the gate electrode and the adjacent edge of the dielectric insulation portion, a low-resistance region of the second type of conductivity is made with a width of enee distance between the edges. In this case, the body of the Hall element is determined only by the configuration of the gate electrode, regardless of the precision of the process equipment and the accuracy of combining topological layers with respect to each other.

Основными источниками остаточного напряжения в интегральных датчиках Холла являются неточность совмещения, флуктуации параметров материалов, пьезорезистивные и термоэлектрические эффекты. Однако основной вклад в интегральную величину остаточного напряжения вносит неточность совмещения топологических слоев относительно друг друга, вызывающая асимметрию в расположении областей элемента Холла, что обусловливает появление напряжение смещения нуля. The main sources of residual voltage in integrated Hall sensors are the inaccuracy of alignment, fluctuations in the parameters of materials, piezoresistive and thermoelectric effects. However, the main contribution to the integral value of the residual stress is made by the inaccuracy of combining topological layers relative to each other, causing asymmetry in the arrangement of the areas of the Hall element, which causes the appearance of a bias voltage of zero.

В предлагаемой конструкции элемента Холла взаимное расположение подконтактных областей холовских и токовых контактов, контактные окна к ним, край низкоомной области второго типа проводимости, а следовательно, тело элемента Холла определяются только конфигурацией одного топологического слоя, а именно слоя электрода затвора. Рассовмещение остальных топологических слоев относительно электрода затвора не сказывается на геометрии тела элемента Холла и поэтому не привносит дополнительную асимметрию в расположении относительно друг друга выше перечисленных областей, а следовательно, не является источником остаточного напряжения. Это позволяет исключить величину остаточного напряжения, вызванную рассовмещением топологических слоев в процессе изготовления магниточувствительного элемента, а следовательно, уменьшить его интегральную величину. In the proposed design of the Hall element, the relative position of the contact areas of the Hall and current contacts, the contact windows to them, the edge of the low-resistance region of the second type of conductivity, and therefore the body of the Hall element are determined only by the configuration of one topological layer, namely, the gate electrode layer. The misalignment of the remaining topological layers relative to the gate electrode does not affect the geometry of the body of the Hall element and therefore does not introduce additional asymmetry in the arrangement relative to each other above the above areas and, therefore, is not a source of residual voltage. This makes it possible to exclude the value of the residual stress caused by the misregistration of the topological layers during the manufacturing of the magnetically sensitive element, and, consequently, to reduce its integral value.

Для определенности в дальнейшем считают первый тип проводимости электронным, второй дырочным. For definiteness, in the future, the first type of conductivity is considered to be electronic, and the second is hole type.

Один из возможных вариантов структуры предлагаемого элемента Холла, поперечное сечение, приведен на фиг.1; вариант топологии элемента Холла на фиг. 2, где 1 полупроводниковая пластина первого типа проводимости, 2 диффузионная область второго типа проводимости, 3 изолирующая область, 4,5 подконтактные области токовых контактов, 6, 7 подконтактные области первого и второго холловских контактов, 8 электрод затвора, 9 подзатворный диэлектрик, 10 омический контакт к карману (низкоомная область второго типа проводимости), 11 токопроводящие контакты, 12 боковая диэлектрическая изоляция, 13, 15 окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов, 14,16 окна в электроде затвора к подконтактным областям холловских контактов. Вариант электрической схемы включения магниточувствительного элемента приведен на фиг.3, где Е источник питания; R нагрузочный резистор; ЕХ элемент Холла; 4 исток, 5 сток холловского МОП-транзистора; 6,7 холловские контактны; 8 электрод затвора; ОУ операционный усилитель. One possible structure of the proposed Hall element, a cross section is shown in figure 1; a variant of the topology of the Hall element in FIG. 2, where 1 is a semiconductor wafer of the first type of conductivity, 2 is a diffusion region of the second type of conductivity, 3 is an insulating region, 4.5 are contact areas of current contacts, 6, 7 are contact areas of the first and second Hall contacts, 8 gate electrode, 9 gate dielectric, 10 ohmic contact to the pocket (low-resistance region of the second type of conductivity), 11 conductive contacts, 12 lateral dielectric insulation, 13, 15 windows in the gate electrode to the contact areas of the current contacts, 14.16 windows in the gate electrode to the subcontact tnym areas of Hall contacts. A variant of the electrical circuit for activating the magnetically sensitive element is shown in figure 3, where E is the power source; R terminating resistor; EX Hall element; 4 source, 5 drain of the Hall MOS transistor; 6.7 Hall contacts; 8 shutter electrode; Op-amp operational amplifier.

В полупроводниковой пластине 1 (фиг.1) первого типа проводимости выполнена область 2 второго типа проводимости, окруженная диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы две подконтактные области холловских 6, 7 и две подконтактные области токовых 4, 5 контактов первого типа проводимости, контакты 11 к ним и электрод 8 затвора, расположенный на подзатворном диэлектрике 9. В электроде 8 затвора выполнены окна 13, 14, 15, 16 (фиг.2), под которыми сформированы подконтактные области токовых и холловских контактов, имеющие размеры не менее размеров окон в электроде затворе. По периметру окон выполнена боковая диэлектрическая изоляция 12 (фиг.1), края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода 8 затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции 3 выполнена низкоомная область 10 второго типа проводимости шириной не менее расстояния между этими краями. In the semiconductor wafer 1 (Fig. 1) of the first conductivity type, a region 2 of the second conductivity type is made, surrounded by a dielectric insulation 3, inside which two contact areas of the Hall 6, 7 and two contact areas of the current 4, 5 contacts of the first type of conductivity are formed, contacts 11 to it and the gate electrode 8 located on the gate dielectric 9. In the gate electrode 8 there are windows 13, 14, 15, 16 (Fig. 2), under which the contact areas of current and Hall contacts are formed, having dimensions of at least size a window in the gate electrode. Along the perimeter of the windows, lateral dielectric insulation 12 is made (Fig. 1), the edges of which coincide with the edges of the contact windows to these areas, and between the outer edge of the gate electrode 8 and the adjacent edge of the dielectric insulation section 3, a low-resistance region 10 of the second type of conductivity is not wide less distance between these edges.

На фиг.3 показан один из вариантов электрической схемы включения элемента Холла, выполненного на основе n-МОП-транзистора. Подконтактная область 4 токового контакта (фиг.1 и 2) соединена с низкоомной областью 10 второго типа проводимости и заземлена, а на подконтактную область 5 токового контакта, соединенную с электродом 8 затвора, через нагрузочный резистор R подается положительное напряжение от источника питания Е, обеспечивающее номинальное значение тока, протекающего через элемент Холла. С холловских контактов 6, 7 выходной сигнал поступает на входы регистрирующего вольтметра или на входы операционного усилителя ОУ (внешнего или выполненного на одном кристалле с элементом Холла). Figure 3 shows one of the variants of the electrical circuit of the inclusion of the Hall element, made on the basis of an n-MOS transistor. The contact area 4 of the current contact (FIGS. 1 and 2) is connected to the low-resistance area 10 of the second type of conductivity and is grounded, and a positive voltage is supplied from the power supply E to the contact area 5 of the current contact connected to the gate electrode 8, which provides the nominal value of the current flowing through the Hall element. From the Hall contacts 6, 7, the output signal is supplied to the inputs of the recording voltmeter or to the inputs of the op-amp operational amplifier (external or made on the same chip with the Hall element).

Рассмотрим принцип работы элемента Холла, выполненного на основе n-МОП-транзистора с индуцируемым каналом. При подаче на электрод 8 затвора положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение n-МОП-транзистора) на поверхности кремния второго типа проводимости под подзатворным диэлектриком 9 индуцируется тонкий проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4, 5 через канал течет ток электронов. В отсутствие магнитного поля происходит одинаковое падение напряжения на плечах четырехрезистивного моста 4-6-5 и 4-7-5, так как геометрические размеры элемента Холла жестко определяются конфигурацией электрода затвора, под которым возникает токопроводящий канал, и, следовательно, потенциалы на холловских контактах 6 и 7 (фиг.3) равны, а дифференциальный сигнал между ними равен нулю. При возникновении магнитного поля, перпендикулярного поверхности кристалла, на электроны, двигающиеся под действием электрического поля от истока 4 к стоку 5, действует сила Лоренца, отклоняющая их к одному или другому холловскому контакту в зависимости от направления вектора магнитной индукции. В результате между холловскими контактами 6 и 7 возникает напряжение Холла, прямо пропорциональное величине вектора магнитной индукции. Consider the principle of operation of the Hall element, made on the basis of an n-MOS transistor with an induced channel. When a positive voltage (higher than the threshold voltage of the n-MOS transistor) is applied to the gate electrode 8 on the silicon surface of the second type of conductivity, a thin conductive channel of the first type of conductivity is induced under the gate dielectric 9. When a positive voltage is applied between the current contacts 4, 5, an electron current flows through the channel. In the absence of a magnetic field, the same voltage drop occurs on the shoulders of the four-resistive bridge 4-6-5 and 4-7-5, since the geometric dimensions of the Hall element are rigidly determined by the configuration of the gate electrode, under which a conductive channel appears, and, therefore, the potentials on the Hall contacts 6 and 7 (figure 3) are equal, and the differential signal between them is equal to zero. When a magnetic field arises perpendicular to the surface of the crystal, the electrons moving under the influence of an electric field from source 4 to drain 5 are affected by the Lorentz force, which deflects them to one or another Hall contact, depending on the direction of the magnetic induction vector. As a result, a Hall voltage arises between the Hall contacts 6 and 7, which is directly proportional to the magnitude of the magnetic induction vector.

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке n-типа проводимости по планарной КМОП-технологии с локальной изоляцией окислом кремния. Диффузионный карман р-типа формировался путем ионной имплантации примеси соответствующего типа с последующим отжигом на глубину 5-7 мкм. Низкоомные области n- и р-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. Остаточное напряжение U_о составило 0,5-1% от величины полезного сигнала. Это в 2-4 раза меньше, чем в прототипе при той же относительной магниточувствительности по току, что позволяет использовать данную конструкцию в качестве малопотребляющего прецизионного магниточувствительного элемента и изготавливать ее в составе КМОП ИС.An instrument was fabricated on an n-type silicon substrate using a planar CMOS technology with local isolation with silicon oxide. The p-type diffusion pocket was formed by ion implantation of an impurity of the corresponding type, followed by annealing to a depth of 5-7 μm. Low-resistance n- and p-type regions were also formed by ion-doping of the corresponding types of impurities with subsequent annealing to a depth of 1-1.5 μm and had an impurity concentration not less than an order of magnitude higher than the impurity concentration in the pocket region, and the gate electrode was formed on the basis of polycrystalline silicon and is located on the gate silicon oxide. The residual voltage U _about was 0.5-1% of the value of the useful signal. This is 2-4 times less than in the prototype with the same relative magnetosensitivity for current, which allows you to use this design as a low-power precision magnetosensitive element and to produce it as part of CMOS ICs.

Claims

HALL INTEGRAL ELEMENT, comprising in the semiconductor wafer of the first type of conductivity a region of the second type of conductivity surrounded by dielectric insulation, inside which two contact areas of the Hall and two contact areas of the current contacts of the first type of conductivity are formed, their contacts and the gate electrode, characterized in that in the electrode windows are made under the shutter, under which the contact areas of current and Hall contacts are formed, having dimensions not less than the size of the windows, along the perimeter of the windows lateral dielectric insulation is laid, the edges of which coincide with the edges of the contact windows to these areas, and a low-resistance region of the second conductivity type with a width not less than the distance between these edges is made between the outer edge of the gate electrode and the adjacent edge of the dielectric insulation section.