RU2122258C1 - Magnetic-field vector sensor - Google Patents
Magnetic-field vector sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2122258C1 RU2122258C1 RU97103072/25A RU97103072A RU2122258C1 RU 2122258 C1 RU2122258 C1 RU 2122258C1 RU 97103072/25 A RU97103072/25 A RU 97103072/25A RU 97103072 A RU97103072 A RU 97103072A RU 2122258 C1 RU2122258 C1 RU 2122258C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- mos
- magnetotransistor
- collector
- gate electrode
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
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 вектора магнитного поля, использующих в качестве элемента чувствительного к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла, биполярный двухколлекторный магнитотранзистор [1]. Основным недостатком этих сенсоров является их низкая чувствительность к компоненте вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла, по сравнению с чувствительностью к двум компонентам вектора магнитного поля, параллельным поверхности кристалла. К тому же в этих сенсорах имеет место перекрестная чувствительность. Known designs of magnetic field vector sensors, using a bipolar two-collector magnetotransistor as an element of a magnetic field vector sensitive to the component of the magnetic field perpendicular to the crystal surface [1]. The main disadvantage of these sensors is their low sensitivity to the component of the magnetic field vector perpendicular to the surface of the crystal, compared with sensitivity to the two components of the magnetic field vector parallel to the surface of the crystal. In addition, cross-sensitivity occurs in these sensors.
Наиболее близким по технической сущности является сенсор вектора магнитного поля, описанный в работе [2]. Сенсор состоит из двух биполярных магнитотранзисторов, интегрированных в четырехколлекторный магнитотранзистор, и двухстокового МОП магнитотранзистора. Четырехколлекторный биполярный магнитотранзистор чувствителен к двум компонентам вектора магнитного поля, параллельным поверхности кристалла, а двухстоковый МОП магнитотранзистор чувствителен к перпендикулярной компоненте. По сравнению с другими сенсорами вектора магнитного поля представленный сенсор имеет достаточно высокую чувствительность к перпендикулярной компоненте вектора магнитного поля. Использование двухстокового МОП магнитотранзистора позволяет практически избавиться от перекрестной чувствительности. Недостатком этой конструкции является то, что взаиморасположение эмиттера и коллекторов биполярного магнитотранзистора и токовых областей МОП магнитотранзистора, а также их размеры определяются несколькими фотошаблонами и в процессе изготовления происходит рассовмещение их друг относительно друга, что приводит к асимметрии структуры и, следовательно, к наличию ненулевой разности выходных токов при отсутствии магнитного поля (начальный разбаланс токов). Это приводит к снижению прецизионности сенсора. The closest in technical essence is the sensor of the magnetic field vector described in [2]. The sensor consists of two bipolar magnetotransistors integrated in a four-collector magnetotransistor, and a two-line MOS magnetotransistor. The four-collector bipolar magnetotransistor is sensitive to two components of the magnetic field vector parallel to the surface of the crystal, and the two-line MOS magnetotransistor is sensitive to the perpendicular component. Compared with other sensors of the magnetic field vector, the presented sensor has a rather high sensitivity to the perpendicular component of the magnetic field vector. The use of a two-line MOS magnetotransistor allows you to practically get rid of cross sensitivity. The disadvantage of this design is that the relative positions of the emitter and collectors of the bipolar magnetotransistor and the current regions of the MOS magnetotransistor, as well as their sizes are determined by several photo masks and during the manufacturing process they are misaligned relative to each other, which leads to asymmetry of the structure and, therefore, to the presence of a nonzero difference output currents in the absence of a magnetic field (initial current imbalance). This leads to a decrease in the precision of the sensor.
Использование предлагаемого технического решения позволит увеличить прецизионность сенсора вектора магнитного поля. Для этого необходимо, прежде всего, уменьшить начальный разбаланс токов. Существенный вклад в величину начального разбаланса токов вносит несимметричность структуры, полученная в процессе изготовления сенсоров. Для решения задачи снижения разности выходных токов магниточувствительного элемента, связанной с несимметричностью структуры, полученной из-за рассовмещения топологических слоев при формировании магниточувствительной структуры, предлагается конструкция, содержащая в полупроводниковой пластине второго типа проводимости область первого типа проводимости, в которой сформирована область базы второго типа проводимости, в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов МОП магнитотранзистора и области коллекторов, эмиттера и контакта к базе четырехколлекторного биполярного магнитотранзистора, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, край которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора МОП магнитотранзистора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной, не менее расстояния между этими краями. При этом взаиморасположение эмиттера и коллекторов биполярного магнитотранзистора и токовых областей МОП магнитотранзистора определяется только конфигурацией электрода затвора, независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев друг относительно друга. Таким образом удается избежать возникновения начального разбаланса токов в процессе изготовления сенсоров, связанного с рассовмещением топологических слоев друг относительно друга. Using the proposed technical solution will increase the precision of the magnetic field vector sensor. For this, it is necessary, first of all, to reduce the initial imbalance of currents. A significant contribution to the magnitude of the initial current imbalance is made by the asymmetry of the structure obtained in the process of manufacturing sensors. To solve the problem of reducing the difference in the output currents of the 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, we propose a structure containing a region of the first conductivity type in a semiconductor wafer of the second type of conductivity, in which a base region of the second conductivity type is formed , windows are made in the gate electrode, under which the contact areas of the current contacts of the MOS magnets are formed a transistor and collector regions, an emitter and a contact to the base of a four-collector bipolar magnetotransistor, having dimensions not less than window sizes, lateral dielectric insulation is located around the window perimeter, the edge of which coincides with the edges of the contact windows to these areas, and between the outer edge of the gate electrode of the MOS magnetotransistor and nearby a low-resistance region of the second type of conductivity with a width of at least the distance between these edges is made to it by the edge of the dielectric insulation section. In this case, the relative position of the emitter and the collectors of the bipolar magnetotransistor and the current areas of the 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. Thus, it is possible to avoid the occurrence of an initial imbalance of currents in the process of manufacturing sensors associated with the misregistration of topological layers relative to each other.
Для определенности, в дальнейшем, будем считать первый тип проводимости электронным, второй - дырочным. For definiteness, in what follows, we will consider the first type of conductivity to be electronic, and the second to hole.
Один из возможных вариантов топологии предлагаемого сенсора вектора магнитного поля приведен на чертеже, где 1 - полупроводниковая пластина второго типа проводимости, 2 - диффузионная область первого типа проводимости, 3 - диэлектрическая изоляция, 4,5 - подконтактные области токовых контактов n-МОП магнитотранзистора, 6 - электрод затвора, 7 - подзатворный диэлектрик, 8 - низкоомная область второго типа проводимости, 9 - токовые контакты, 10 - боковая диэлектрическая изоляция, 11,12 - окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов n-МОП магнитотранзистора, 13 - край участка диэлектрической изоляции, 14 - маскирующий окисел, 15 - область эмиттера, 16, 21, 22 - окна в электроде затвора к областям эмиттера, подконтактным областям коллекторных контактов и подконтактным областям боковых контактов, 17 - область базы второго типа проводимости, 18, 19, 20 - подконтактные области контактов к базе и коллекторам. One of the possible topologies of the proposed magnetic field vector sensor is shown in the drawing, where 1 is a semiconductor wafer of the second type of conductivity, 2 is the diffusion region of the first type of conductivity, 3 is dielectric insulation, 4,5 are the contact areas of the current contacts of the n-MOS magnetotransistor, 6 - gate electrode, 7 - gate dielectric, 8 - low-resistance region of the second type of conductivity, 9 - current contacts, 10 - lateral dielectric insulation, 11,12 - windows in the gate electrode to the contact areas of the current contact in the n-MOS magnetotransistor, 13 is the edge of the dielectric isolation section, 14 is masking oxide, 15 is the emitter region, 16, 21, 22 are the windows in the gate electrode to the emitter regions, the contact areas of the collector contacts and the contact areas of the side contacts, 17 is the region bases of the second type of conductivity, 18, 19, 20 — contact areas of contacts to the base and collectors.
В полупроводниковой пластине второго типа проводимости 1, выполнена область первого типа проводимости 2 и четыре подконтактные области коллекторных контактов 19, 20 первого типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы четыре подконтактных области контактов к базе 18 второго типа проводимости и область эмиттера 15 первого типа проводимости. Рядом находится область второго типа проводимости (подложка) 1, окруженная диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы две подконтактных области токовых 4, 5 контактов первого типа проводимости. Над этими областями сформирован электрод зазора 6, расположенный на подзатворном диэлектрике 7. В электроде затвора 6 выполнены окна 11, 12, 21, 22, под которыми сформированы подконтактные области токовых контактов n-МОП магнитотранзистора 4, 5, и области эмиттера 15, контактов к базе 18, коллекторных контактов 19, 20 биполярного четырехколлекторного магнитотранзистора, имеющие размеры, не менее размеров окон в электроде затвора, по периметру окон выполнена боковая диэлектрическая изоляция 10, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора n-МОП магнитотранзистора 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 second type of conductivity 1, a region of the first type of conductivity 2 and four contact areas of the collector contacts 19, 20 of the first type of conductivity are surrounded by dielectric insulation 3, inside which four contact areas of the contacts to the base 18 of the second type of conductivity and the emitter region 15 of the first type of conductivity. Nearby is a region of the second type of conductivity (substrate) 1, surrounded by a dielectric insulation 3, inside which two contact areas of current 4, 5 contacts of the first type of conductivity are formed. A gap electrode 6 located on the gate dielectric 7 is formed above these regions. Windows 11, 12, 21, 22 are made in the gate electrode 6, under which the contact regions of the current contacts of the n-MOS magnetotransistor 4, 5, and the emitter region 15, the contacts to base 18, collector contacts 19, 20 of a bipolar four-collector magnetotransistor having dimensions not less than the sizes of the windows in the gate electrode, lateral dielectric insulation 10 is made along the perimeter of the windows, the edges of which coincide with the edges of the contact windows to the data on areas, and between the outer edge of the gate electrode of the n-MOS magnetotransistor and the adjacent edge of the dielectric insulation portion 3, a low-resistance region of the second conductivity type 8 is made with a width of at least at least the distance between these edges.
Рассмотрим принцип работы сенсора вектора магнитного поля. Двухстоковый n-МОП магнитотранзистор работает следующим образом. При подаче на электрод затвора 6 положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение) на поверхности кремния второго типа проводимости 1, под подзатворным диэлектриком 7 индуцируется тонкий, проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4,5 через канал течет ток электронов. В отсутствии магнитного поля токи стоков равны, так как структура симметрична. 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. Разность токов стоков пропорциональна величине перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Биполярный четырехколлекторный n-p-n магнитотранзистор работает следующим образом. На контакты к коллектору 19, 20 подается положительное напряжение относительно эмиттера 15. На контакты к базе 18 относительно эмиттера 15 подается положительное напряжение выше 0,7 В, благодаря чему из эмиттера в базу 17 начинают инжектироваться электроны, которые частично рекомбинируют в базе, а частично, пролетая через базу, попадают в область коллектора 2, перераспределяясь между четырьмя контактными областями к коллектору 19, 20. В отсутствии магнитного поля токи коллекторов равны, так как структура симметрична. Под действием магнитного поля, параллельного поверхности кристалла, под действием силы Лоренца происходит перераспределение токов коллекторов в области коллектора 2. По величине изменения токов коллекторов сенсора определяют величину индукции и направление вектора магнитного поля. Consider the principle of operation of the magnetic field vector sensor. Two-string n-MOS magnetotransistor operates as follows. When a positive voltage (higher than the threshold voltage) is applied to the gate electrode 6 on the silicon surface of the second type of conductivity 1, a thin, conductive channel of the first type of conductivity is induced under the gate insulator 7. When a positive voltage is applied between current contacts 4,5, an electron current flows through the channel. In the absence of a magnetic field, the sink currents are equal, since the structure is symmetrical. 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. The difference of the drain currents is proportional to the value of the perpendicular component of the magnetic induction vector. A bipolar four-collector n-p-n magnetotransistor operates as follows. A positive voltage relative to the emitter 15 is applied to the contacts to the collector 19, 20. A positive voltage above 0.7 V is applied to the contacts to the base 18 relative to the emitter 15, due to which electrons are injected from the emitter into the base 17, which partially recombine in the base and partially flying through the base, they fall into the area of collector 2, redistributed between the four contact areas to the collector 19, 20. In the absence of a magnetic field, the collector currents are equal, since the structure is symmetrical. Under the action of a magnetic field parallel to the surface of the crystal, under the action of the Lorentz force, the currents of the collectors are redistributed in the region of the collector 2. The magnitude of the change in the currents of the collectors of the sensor determines the magnitude of the induction and the direction of the magnetic field vector.
Предлагаемый сенсор вектора магнитного поля может быть изготовлен по стандартной n-карманной КМОП технологии интегральных схем с добавлением одной фотолитографии. Одновременно с сенсором на одном кристалле может быть получена схема обработки сигнала. Поэтому на базе предлагаемого сенсора могут быть реализованы высокопрецизионные магниточувствительные схемы, которые могут быть использованы в дефектоскопах магнитных материалов, для измерения магнитного поля Земли и др. The proposed magnetic field vector sensor can be manufactured using standard n-pocket CMOS integrated circuit technology with the addition of a single photolithography. Simultaneously with the sensor on one chip, a signal processing circuit can be obtained. Therefore, on the basis of the proposed sensor, high-precision magnetically sensitive circuits can be implemented that can be used in flaw detectors of magnetic materials to measure the magnetic field of the Earth, etc.
Источники информации
1. S. Kordic and P.J.A. Munter, "Three-dimensional magnetic-field sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 6, June 1988, pp. 771-779.Sources of information
1. S. Kordic and PJA Munter, "Three-dimensional magnetic-field sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 6, June 1988, pp. 771-779.
2. Durgamadhad Misra and Bingda Wang, "Elimination of cross sensitivity in a three-dimensional magnetic sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41, April 1994, pp. 622-624. - прототип. 2. Durgamadhad Misra and Bingda Wang, "Elimination of cross sensitivity in a three-dimensional magnetic sensors", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41, April 1994, pp. 622-624. - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97103072/25A RU2122258C1 (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Magnetic-field vector sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97103072/25A RU2122258C1 (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Magnetic-field vector sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2122258C1 true RU2122258C1 (en) | 1998-11-20 |
RU97103072A RU97103072A (en) | 1999-03-10 |
Family
ID=20190346
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97103072/25A RU2122258C1 (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Magnetic-field vector sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2122258C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6577476B1 (en) | 2002-03-28 | 2003-06-10 | International Business Machines Corporation | Flux guide structure for a spin valve transistor which includes a slider body semiconductor layer |
-
1997
- 1997-02-28 RU RU97103072/25A patent/RU2122258C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Durgamadnad Misra and Bingda Wang, Elimination of cross sensitivity in a three-dimensional magnetic sensors. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 41, N 4, April 1994, p.p.622-624. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6577476B1 (en) | 2002-03-28 | 2003-06-10 | International Business Machines Corporation | Flux guide structure for a spin valve transistor which includes a slider body semiconductor layer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR940001298B1 (en) | Hall element | |
US5528067A (en) | Magnetic field detection | |
JP4417107B2 (en) | Magnetic sensor | |
US4100563A (en) | Semiconductor magnetic transducers | |
JPH0728058B2 (en) | Hall element that can be integrated in an integrated circuit | |
US10062836B2 (en) | Magnetic sensor and method of manufacturing the same | |
US3829883A (en) | Magnetic field detector employing plural drain igfet | |
US3448353A (en) | Mos field effect transistor hall effect devices | |
US4660065A (en) | Hall effect device with surface potential shielding layer | |
US5428242A (en) | Semiconductor devices with shielding for resistance elements | |
JPH06267026A (en) | Manufacture of semiconductor magnetic-field detecting magnetic head and semiconductor magnetic-field detecting magnetic head manufactured by said method | |
US5920090A (en) | Switched magnetic field sensitive field effect transistor device | |
Popovic | Hall devices for magnetic sensor microsystems | |
RU2122258C1 (en) | Magnetic-field vector sensor | |
US10451657B2 (en) | Current sensing system and current sensing method | |
JPH0311669A (en) | Magnetic transistor | |
US7199434B2 (en) | Magnetic field effect transistor, latch and method | |
RU2515377C1 (en) | Orthogonal magnetotransistor converter | |
TW201836180A (en) | Semiconductor device | |
RU2097873C1 (en) | Double-drain mos magnetotransistor | |
RU2055422C1 (en) | Integral hall gate | |
JP3588926B2 (en) | Semiconductor magnetic sensor | |
RU2127007C1 (en) | Magnetic-field sensing bipolar transistor | |
KR940008231B1 (en) | Divided drain type magnetic sensor | |
Lai et al. | A novel integrated 3-D DMOS magnetic vector sensor based on BCD technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050301 |