[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2122258C1 - Magnetic-field vector sensor - Google Patents

Magnetic-field vector sensor Download PDF

Info

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
Application number
RU97103072/25A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97103072A (en
Inventor
А.И. Галушков
И.М. Романов
Ю.А. Чаплыгин
Original Assignee
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский государственный институт электронной техники (технический университет) filed Critical Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority to RU97103072/25A priority Critical patent/RU2122258C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2122258C1 publication Critical patent/RU2122258C1/en
Publication of RU97103072A publication Critical patent/RU97103072A/en

Links

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: magnetic- field sensing semiconductor devices such as digital sensors or sensing elements of magnetic- field controlled integrated circuits. SUBSTANCE: sensor is, essentially, structure of two bipolar n-p-n magnetic transistors integrated into four-collector bipolar magnetic transistor and double-drain MOS magnetic transistor. Electrode of MOS magnetic transistor gate is provided with ports giving access to contact regions of MOS transistor current contacts, collector and emitter regions, and region of contact for base of four-collector bipolar magnetic transistor, their sizes being not less than those of ports; side insulation over perimeter of ports in gate electrode has its edges aligned with those of respective contact ports; low-resistance region of second polarity of conductivity is made between external edge of MOS transistor gate electrode and closest edge of insulation section, its width being not less than distance between these edges. Sensor body depends only on configuration of gate electrode irrespective of precision of process equipment and accuracy of relative alignment of configuration layers. EFFECT: reduced output signal at zero magnetic field. 1 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 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)

Сенсор вектора магнитного поля, состоящий из двух биполярных n-p-n магнитотранзисторов, интегрированных в четырехколлекторный биполярный магнитотранзистор, и двухстокового МОП магнитотранзистора, отличающийся тем, что в электроде затвора МОП магнитотранзистора 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, причем по периметру окон расположена боковая диэлектрическая изоляция, края 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. A magnetic field vector sensor consisting of two bipolar npn magnetotransistors integrated in a four-collector bipolar magnetotransistor and a two-line MOS magnetotransistor, characterized in that windows are formed in the gate electrode of the MOS magnetotransistor, under which are formed contact areas of the magnetotransistor contacts and MOS contact to the base of the four-collector bipolar magnetotransistor, having dimensions not less than the size of the windows, and along the perimeter of the windows put lateral dielectric isolation, the edges of which coincide with the edges of the contact holes to these areas, and not less than the distance between the edges between the outer edge of the gate electrode of MOS magnetotransistor thereto and surrounding the edge portion of the dielectric isolation region is made low-impedance of the second conductivity type in width.
RU97103072/25A 1997-02-28 1997-02-28 Magnetic-field vector sensor RU2122258C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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