RU2097873C1

RU2097873C1 - Double-drain mos magnetotransistor

Info

Publication number: RU2097873C1
Application number: RU96107574A
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: 1996-04-11
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1997-11-27

Abstract

FIELD: semiconductor magnetically sensitive devices such as digital transducers or sensing elements of integrated circuits for measuring magnetic fields. SUBSTANCE: double-drain MOS magnetotransistor is essentially structure built on semiconductor plate of first polarity of conductivity that has diffusion region of second polarity of conductivity and is surrounded by insulation with three regions for current contacts of first polarity of conductivity formed inside, contacts to them, and gate electrode. Gate electrode has cuts with regions for current contacts formed under them, their size being not less than that of cuts; side insulation formed over perimeter of gate electrode cuts has its edges aligned with those of contact cuts for these regions; low-resistance region of second polarity of conductivity is provided between external edge of gate electrode and its nearest edge of insulation section and has its width not smaller than distance between these edges. Magnetotransistor body depends only on configuration of gate electrode irrespective of degree of precision of process equipment and accuracy of alignment of configuration layers. EFFECT: reduced output signal at zero magnetic field. 2 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 magnetically integrated integrated circuits.

Известны конструкции сенсоров магнитного поля, чувствительных к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла: элемент Холла [1] биполярный двухколлекторный магнитотранзистор [2]
Основным недостатком этих сенсоров является их низкая чувствительность.Known designs of magnetic field sensors sensitive to the component of the magnetic field vector perpendicular to the crystal surface: Hall element [1] bipolar two-collector magnetotransistor [2]
The main disadvantage of these sensors is their low sensitivity.

Наиболее близким по технической сущности является двухстоковый МОП магнитотранзистор, описанный в работе [3] По сравнению с другими сенсорами магнитного поля, которые используются для измерения перпендикулярной компоненты вектора магнитного поля, представленный двухстоковый МОП магнитотранзистор имеет достаточно высокую чувствительность. The closest in technical essence is the two-line MOS magnetotransistor described in [3] Compared with other magnetic field sensors that are used to measure the perpendicular component of the magnetic field vector, the two-line MOS magnetotransistor has a fairly high sensitivity.

Недостатком этой конструкции является то, что рабочая область магнитотранзистора определяется двумя фотошаблонами и в процессе изготовления происходит рассовмещение их друг относительно друга, что приводит к асимметрии структуры и, следовательно, к наличию нулевой разности токов стоков при отсутствии магнитного поля. Это приводит к снижению прецизионности сенсора. The disadvantage of this design is that the working area of the magnetotransistor is determined by two photomasks and during the manufacturing process they are disassembled relative to each other, which leads to an asymmetry of the structure and, therefore, to the presence of a zero difference in drain currents in the absence of a magnetic field. This leads to a decrease in the precision of the sensor.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения задачи снижения разности токов стоков двухстокового МОП магниточувствительного элемента, связанной с несимметричностью структуры, полученной из-за 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 три подконтактные области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора. В электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых 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 двухстокового МОП магнитотранзистора определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга. The essence of the invention lies in the fact that to solve the problem of reducing the drain current difference of a two-line MOS magnetically sensitive element associated with the asymmetry of the structure obtained due to misregistration of the topological layers during the formation of the magnetically sensitive structure, a structure is proposed that contains a region of the second type of conductivity in the semiconductor wafer of the first type of conductivity surrounded by dielectric insulation, inside which are formed three contact areas of the current contacts of the first about the type of conductivity, contacts to them and the gate electrode. Windows are made in the gate electrode, under which the contact areas of current contacts are formed, having dimensions not less than the sizes of the windows, lateral dielectric insulation is located around the perimeter of the windows 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 not less than the distance between these edges. In this case, the body of a two-line MOS magnetotransistor is determined only by the configuration of the gate electrode, regardless of the precision of the process equipment and the accuracy of combining the topological layers with respect to each other.

В предлагаемой конструкции двухстокового МОП магнитотранзистора взаимное расположение подконтактных областей токовых контактов, контактные окна к ним, край низкоомной области второго типа проводимости, а следовательно, тело двухстокового МОП магнитотранзистора определяются только конфигурацией одного топологического слоя, а именно, слоя электрода затвора. Рассовмещение остальных топологических слоев относительно электрода затвора не сказывается на геометрии тела двухстокового МОП магнитотранзистора и поэтому не привносит дополнительную ассимметрию в расположение друг относительно друга вышеперечисленных областей, а следовательно, не является источником разности токов стоков, вызванной рассовмещением топологических слоев в процессе изготовления магниточувствительного элемента. In the proposed design of a two-line MOS magnetotransistor, the relative position of the contact areas of the 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 two-line MOS magnetotransistor, 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 body geometry of the two-line MOS magnetotransistor and therefore does not introduce additional asymmetry in the arrangement of the above regions relative to each other, and therefore is not a source of the drain current difference caused by misregistration of the topological layers during the manufacturing of the magnetically sensitive element.

Для определенности (в дальнейшем) будем считать первый тип проводимости электронным, второй дырочным. For definiteness (hereinafter) we will consider the first type of conductivity to be electronic, the second to hole.

Один из возможных вариантов топологии элемента предлагаемого двухстокового магнитотранзистора приведен на фиг.1, где: 1 полупроводниковая пластина первого типа проводимости; 2 диффузионная область второго типа проводимости; 3 диэлектрическая изоляция; 4 и 5 подконтактные области токовых контактов; 6 электрод затвора; 7 подзатворный диэлектрик; 8 - низкоомная область второго типа проводимости (омический контакт к карману); 9 токовые контакты; 10 боковая диэлектрическая изоляция; 11 и 12 окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов; 13 край участка диэлектрической изоляции; 14 маскирующий окисел. One of the possible topologies of the element of the proposed two-drain magnetotransistor is shown in figure 1, where: 1 semiconductor wafer of the first type of conductivity; 2 diffusion region of the second type of conductivity; 3 dielectric insulation; 4 and 5 contact areas of current contacts; 6 shutter electrode; 7 gate dielectric; 8 - low-resistance region of the second type of conductivity (ohmic contact to the pocket); 9 current contacts; 10 lateral dielectric insulation; 11 and 12 of the window in the gate electrode to the contact areas of the current contacts; 13 edge of the dielectric insulation section; 14 masking oxide.

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

На фиг. 2 показан один из вариантов электрической схемы включения двухстокового п-МОП магнитотранзистора. Подконтактная область токового контакта 4 (фиг.1), соединена с низкоомной областью второго типа проводимости 8 и зеземлена, а на подконтактные области токовых контактов 5 через нагрузочные резисторы R₁ R₂ подается положительное напряжение от источника питания E, на затвор 6 через резистивный делитель подается положительное напряжение, выше порогового напряжения. Резисторы R_n1, R_n2, R₁ и R₂ подбираются таким образом, чтобы напряжение на стоках магнитотранзистора было близко к половине напряжения питания, а рабочая точка магнитотранзистора находилась в пологой области вольт-амперной характеристики. Со стоковых контактов снимают выходной сигнал в виде разности напряжений (U_out).In FIG. 2 shows one of the variants of the electric circuit for switching on a two-line p-MOS magnetotransistor. The contact area of the current contact 4 (Fig. 1) is connected to the low-resistance region of the second type of conductivity 8 and is grounded, and a positive voltage is supplied from the power supply E to the contact areas of the current contacts 5 through the load resistors R ₁ R ₂ to the gate 6 through a resistive divider positive voltage is applied, above the threshold voltage. Resistors R _n1 , R _n2 , R ₁ and R _{2 are} selected so that the voltage at the drains of the magnetotransistor is close to half the supply voltage, and the operating point of the magnetotransistor is in a shallow region of the current-voltage characteristic. The output signal is removed from the drain contacts in the form of a voltage difference (U _out ).

Рассмотрим принцип работы элемента двухстокового п-МОП магнитотранзистора. При подаче на электрод затвора 6 положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение) на поверхности кремния второго типа проводимости 2, под подзатворным диэлектриком 7 индуцируется тонкий, проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4 и 5 через канал течет ток электронов. В отсутствие магнитного поля токи стоков равны, так как структура симметрична и номиналы нагрузочных резисторов одинаковы. Следовательно падение напряжений на резисторах равны и разность напряжений на стоковых контактах равна нулю. При возникновении магнитного поля, перпендикулярного поверхности кристалла, на электроны, двигающиеся под действием электрического поля от истока 4 к стокам 5, действует сила Лоренца, отклоняющая их к одному или другому стоку в зависимости от направления вектора магнитной индукции. В результате чего ток одного стока увеличивается, а другого уменьшается, что приводит к изменению падения напряжений на резисторах и возникновению разности напряжений на стоках, которая пропорциональна величине вектора магнитной индукции. Consider the principle of operation of an element of a two-line p-MOS magnetotransistor. When a positive voltage (greater than the threshold voltage) is applied to the gate electrode 6 on the silicon surface of the second type of conductivity 2, a thin, conductive channel of the first type of conductivity is induced under the gate dielectric 7. When a positive voltage is applied between the current contacts 4 and 5, an electron current flows through the channel. In the absence of a magnetic field, the sink currents are equal, since the structure is symmetrical and the ratings of the load resistors are the same. Therefore, the voltage drop across the resistors is equal and the voltage difference across the drain contacts is 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 sinks 5 are affected by the Lorentz force, which deflects them to one or another sink, depending on the direction of the magnetic induction vector. As a result, the current of one drain increases and the other decreases, which leads to a change in the voltage drop across the resistors and the appearance of a voltage difference across the sinks, which is 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 традиционной конструкции и предложенной конструкции. Диффузионный карман p-типа формировался путем ионной имплантации примеси соответствующего типа с последующим отжигом на глубину 5-7 мкм. Низкоомные области n- и p-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. Измерения показали, что разность токов стоков при отсутствии магнитного поля у двухстоковых п-МОП магнитотранзисторов предложенной конструкции в 2-4 раза ниже, чем у двухстоковых п-МОП магнитотранзисторов традиционной конструкции. Использование предложенной конструкции сенсора позволит увеличить прецизионность двухстоковых МОП магнитотранзисторов и магниточувствительных схем на их основе. A device was manufactured on a silicon substrate of n-type conductivity according to planar CMOS technology with local isolation with silicon oxide of a traditional design and the proposed design. A 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. The low-resistance n- and p-type regions were also formed by ion-doping the corresponding types of impurities, followed by 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 a gate electrode was formed based on polycrystalline silicon and is located on the gate silicon oxide. Measurements showed that the difference between the drain currents in the absence of a magnetic field for two-line p-MOS magnetotransistors of the proposed design is 2-4 times lower than for two-line p-MOS magnetotransistors of a traditional design. Using the proposed sensor design will increase the precision of the two-line MOS magnetotransistors and magnetosensitive circuits based on them.

Литература
1. A. Yagi and S.Sato, "Magnetic and electrical properties of n-channel MOS Hol-effect device", Jpn. J.Appl. Phys. 1976. v.15. p. 655-661.Literature
1. A. Yagi and S. Sato, "Magnetic and electrical properties of n-channel MOS Hol-effect device", Jpn. J. Appl. Phys. 1976.v.15. p. 655-661.

2. Trujillo H. Nagy A. "Influence of topology on the responce of lateral magnetotransistоrs", Sensors and Actuatоrs, A 45 (1994), p. 179-182. 2. Trujillo H. Nagy A. "Influence of topology on the responce of lateral magnetotransistors", Sensors and Actuators, A 45 (1994), p. 179-182.

3. Misra D. Vismanathan T.R. and Heasell E.L. A novel high gain MOS magnetic field sensor. Sensor and Actuators, 9 (1986), p.213-221, прототип. 3. Misra D. Vismanathan T.R. and Heasell E.L. A novel high gain MOS magnetic field sensor. Sensor and Actuators, 9 (1986), p. 213-221, prototype.

Claims

A two-drain MOS magnetotransistor containing in the semiconductor wafer of the first conductivity type a region of the second conductivity type surrounded by dielectric insulation, inside which three contact areas of current contacts of the first conductivity type are formed, contacts to them and a gate electrode, characterized in that windows are made in the gate electrode, under which the contact areas of current contacts are formed, having dimensions not less than the sizes of the windows, lateral dielectric insulation is located around the perimeter of the windows I, 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 section, a low-resistance region of the second type of conductivity is made with a width not less than the distance between these edges.