RU2127007C1 - Magnetic-field sensing bipolar transistor - Google Patents

Abstract

FIELD: magnetic-field measurement technology. SUBSTANCE: transistor has epitaxial layer of second polarity of conductivity formed on semiconductor plate of first polarity of conductivity and provided with two collector regions of second polarity of conductivity with base region of first polarity of conductivity and emitter region of second polarity of conductivity in-between, as well as contacts for mentioned regions. Collector regions are located in epitaxial layer at depth exceeding that of base region location; collector-region contacts are placed in cuts made in epitaxial layer and insulated on sides by near-wall dielectric; emitter and base regions have common boundary in vertical plane on side of collector contacts. Bottom of collector regions may be located in semiconductor plate. Size of each collector region, as viewed from top, can be determined by external size of near-wall dielectric of respective contact. EFFECT: improved magnetic sensitivity and selectivity of transistor with reduced initial zero drift, hence, improved precision of signal conversion. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть применено для измерения магнитных полей в виде датчика в магнитоуправляемых схемах электронной автоматики или в качестве чувствительного элемента в интегральных магнитоуправляемых схемах. The invention relates to semiconductor magnetically sensitive devices and can be used to measure magnetic fields in the form of a sensor in magnetically controlled electronic circuits or as a sensitive element in integrated magnetically controlled circuits.

Известен магниточувствительный биполярный транзистор, в котором для увеличения магниточувствительности использовался заглубленный коллектор [1]. Увеличение магниточувствительности достигается за счет использования вместо одного заглубленного общего коллектора, двух разделенных заглубленных коллекторов. A magnetically sensitive bipolar transistor is known in which a recessed collector was used to increase the magnetosensitivity [1]. An increase in magnetosensitivity is achieved by using instead of one buried common collector, two separated buried collectors.

Наиболее близким по технической сущности является магнитотранзистор выполненный на основе двухколлекторного биполярного n-p-n транзистора описанный в работе [2]. В конструкции биполярного магнитотранзистора коллекторные области выполнены на основе n⁺ -типа диффузионных скрытых слоев. Область базы p-типа сформирована в эпитаксиальной пленке n-типа проводимости и располагается между n⁺ областями двух измерительных коллекторов, в области базы выполнена область эмиттера n⁺-типа проводимости. При подаче смещающих напряжений на электроды магнитотранзистора, а именно эмиттер, базу, коллектора, в присутствии внешнего магнитного поля возникает полезный сигнал в виде разности токов измерительных коллекторов. Недостатком прототипа является то, что конструкция магниточувствительного элемента не позволяет исключить инжекцию электронов эмиттером в горизонтальном направлении. При этом горизонтальная составляющая тока эмиттера незначительно изменяется при воздействии внешнего магнитного поля и, соответственно, вносит малый вклад в общую магниточувствительность элемента. К существенному недостатку данной конструкции можно отнести нарушение симметрии расположения измерительных коллекторов на основе n⁺ скрытого слоя относительно центра эмиттера, что обуславливает наличие высокой величины начального разбаланса токов коллекторов в отсутствии измеряемой величины. Причем данная величина сильно зависит от смещения оси симметрии в сторону любого из коллекторов и ее изменение составляет более 7% при смещении оси симметрии на 1 мкм. Это все снижает прецизионность датчика, а так же требует дополнительных методов или схемных решений для уменьшения начального смещения.The closest in technical essence is a magnetotransistor made on the basis of a two-collector bipolar npn transistor described in [2]. In the design of the bipolar magnetotransistor, the collector regions are made on the basis of the n ⁺ type of diffusion hidden layers. The p-type base region is formed in an n-type epitaxial film and is located between n ⁺ regions of two measuring collectors; the emitter region of the n ⁺ -type conductivity is made in the base region. When biasing voltages are applied to the electrodes of the magnetotransistor, namely the emitter, base, collector, in the presence of an external magnetic field, a useful signal appears in the form of the difference in the currents of the measuring collectors. The disadvantage of the prototype is that the design of the magnetically sensitive element does not allow to exclude the injection of electrons by the emitter in the horizontal direction. In this case, the horizontal component of the emitter current changes slightly when exposed to an external magnetic field and, accordingly, makes a small contribution to the overall magnetosensitivity of the element. A significant drawback of this design is the violation of the symmetry of the location of the measuring collectors based on the n ⁺ hidden layer relative to the center of the emitter, which leads to the presence of a high value of the initial unbalance of the collector currents in the absence of a measured value. Moreover, this value strongly depends on the displacement of the axis of symmetry towards any of the collectors and its change is more than 7% when the axis of symmetry is displaced by 1 μm. This all reduces the precision of the sensor, and also requires additional methods or circuit solutions to reduce the initial bias.

Техническим результатом изобретения является повышение магниточувствительности и избирательности магнитотранзистора при одновременном уменьшении начального смещения нуля, и как следствие повышение прецизионности преобразования сигнала. The technical result of the invention is to increase the magnetosensitivity and selectivity of the magnetotransistor while reducing the initial zero bias, and as a result, increasing the precision of the signal conversion.

Технический результат изобретения достигается тем, что в магниточувствительном биполярном транзисторе, содержащем сформированный на полупроводниковой пластине первого типа проводимости эпитаксиальный слой второго типа проводимости с двумя областями коллекторов второго типа проводимости, между которыми расположены область базы первого типа проводимости и область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к упомянутым областям, области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине превышающей глубину расположения области базы, контакты к областям коллекторов расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах и изолированы по бокам пристеночным диэлектриком, а области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам. The technical result of the invention is achieved in that in a magnetically sensitive bipolar transistor containing an epitaxial layer of the second conductivity type formed on a semiconductor wafer of the first type of conductivity with two regions of collectors of the second conductivity type, between which are located a base region of the first conductivity type and an emitter region of the second conductivity type, and contacts to the mentioned areas, the collector areas are located in the epitaxial layer at a depth exceeding the location depth t he area base, collector contacts to the regions located in the epitaxial layer formed in the windows on the sides and isolated parietal dielectric, and the emitter region and the base are in a vertical plane from the common boundary to the collectors contacts.

Дно каждой области коллектора может быть расположено как в эпитаксиальном слое, так и в полупроводниковой пластине. The bottom of each collector region can be located both in the epitaxial layer and in the semiconductor wafer.

Размер каждой области коллектора в плане может быть определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. The size of each collector region in the plan can be determined by the external size of the wall dielectric of the corresponding contact.

Повышение магниточувствительности и избирательности биполярного транзистора достигается тем, что области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине превышающей глубину расположения области базы, а пристеночный диэлектрик изолирующий по бокам контакты к областям коллекторов позволяет исключить инжекцию электронов эмиттером в горизонтальном направлении и "сфокусировать" ее в вертикальном направлении, что обеспечивает перераспределение между измерительными коллекторами практически всех носителей заряда, инжектированных эмиттером при воздействии внешнего магнитного поля направленного параллельно поверхности кристалла и перпендикулярно поперечному сечению структуры. An increase in the magnetosensitivity and selectivity of the bipolar transistor is achieved by the fact that the collector regions are located in the epitaxial layer at a depth exceeding the depth of the base region, and the wall insulator insulating the contacts on the sides to the collector regions eliminates the injection of electrons by the emitter in the horizontal direction and “focuses” it in the vertical direction that provides redistribution between the measuring collectors of almost all charge carriers, injecting emitter when exposed to an external magnetic field directed parallel to the surface of the crystal and perpendicular to the cross section of the structure.

Предложенное конструктивное решение обеспечивает уменьшение начального разбаланса коллекторных токов в отсутствии магнитного поля. Это достигается тем, что области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам, при этом размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. The proposed constructive solution provides a decrease in the initial imbalance of collector currents in the absence of a magnetic field. This is achieved by the fact that the emitter and base regions have a common border in the vertical plane from the side of the contacts to the collectors, while the size of each collector region in plan is determined by the external size of the wall dielectric of the corresponding contact.

Для определенности будем считать первый тип проводимости дырочным, второй электронным. For definiteness, we will consider the first type of conductivity as hole-type, and the second as electronic.

Разрез структуры предлагаемого магниточувствительного биполярного транзистора приведен на фиг.1, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - эпитаксиальная пленка, 3 - изолирующие области, выполненные в виде пристеночного диэлектрика, 4 - контакт к области эмиттера, 5 - контакт к области базы, 6 - базовая область, 7 - область эмиттера, 8а, 8б - область первого и второго коллекторов соответственно, 9 - контакты к коллекторам. 10 - изолирующий диэлектрик, 11 - области разделительной диффузии. A section of the structure of the proposed magnetosensitive bipolar transistor is shown in Fig. 1, where 1 is a semiconductor substrate, 2 is an epitaxial film, 3 is an insulating region made in the form of a wall dielectric, 4 is a contact to the emitter region, 5 is a contact to the base region, 6 is base region, 7 — emitter region, 8a, 8b — region of the first and second collectors, respectively, 9 — contacts to collectors. 10 - insulating dielectric, 11 - region of separation diffusion.

На полупроводниковой пластине p-типа проводимости 1 с эпитаксиальной пленкой n-типа проводимости 2 в изолированной, разделительной диффузией 11 и диэлектриком 10, меза - области расположены области измерительных коллекторов 8а, 8б с контактами 9 между которыми расположены области эмиттера 7 и базы 6, а также имеются контакты к этим областям 4 и 5 (фиг.1). Области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам 9. Эта граница изолирована по бокам пристеночным диэлектриком 3. Области коллекторов 8а, 8б расположены в эпитаксиальном слое 2 на глубине превышающей глубину расположения области базы 6, контакты к областям коллекторов 9 расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах. Области коллекторов 8а, 8б имеют омический контакт с эпитаксиальной пленкой 2. Размер каждой области коллектора 8а, 8б в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика 3 соответствующего контакта. On a semiconductor wafer of p-type conductivity 1 with an epitaxial film of n-type conductivity 2 in an isolated, separation diffusion 11 and dielectric 10, mesa - regions are the regions of the measuring collectors 8a, 8b with contacts 9 between which are located the areas of the emitter 7 and base 6, and there are also contacts to these areas 4 and 5 (figure 1). The emitter and base regions have a common boundary in the vertical plane from the side of the contacts to the collectors 9. This boundary is insulated on the sides by a wall insulator 3. The collector regions 8a, 8b are located in the epitaxial layer 2 at a depth exceeding the depth of the base region 6, the contacts to the collector regions 9 located in the windows formed in the epitaxial layer. The collector regions 8a, 8b have ohmic contact with the epitaxial film 2. The size of each collector region 8a, 8b in plan is determined by the external dimension of the wall dielectric 3 of the corresponding contact.

На фиг. 2 показан вариант электрической схемы включения биполярного магнитотранзистора. Эмиттер магнитотранзистора (Э) заземлен, положительное напряжение от источника питания (E_п) подается на нагрузочные резисторы (R1, R2), подсоединенные к коллекторам магнитотранзистора (K1, K2). В качестве нагрузочных сопротивлений R1, R2 могут использоваться как внешние отдельные резисторы так и, например, МОП транзисторы или резисторы, выполненные на одном кристалле с магнитотранзистором.In FIG. 2 shows a variant of an electric circuit for switching on a bipolar magnetotransistor. The emitter of the magnetotransistor (E) is grounded, the positive voltage from the power source (E _p ) is supplied to the load resistors (R1, R2) connected to the collectors of the magnetotransistor (K1, K2). As load resistances R1, R2 can be used as external separate resistors and, for example, MOS transistors or resistors made on the same chip with a magnetotransistor.

Положительное напряжение (Eб), прикладываемое к базовому электроду (Б), обеспечивает прямое смещение перехода эмиттер - база. Выходное напряжение измеряется непосредственно между коллекторными выводами с помощью вольтметра (U). Positive voltage (Eb) applied to the base electrode (B) provides a direct bias of the emitter-base junction. The output voltage is measured directly between the collector terminals using a voltmeter (U).

Предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор работает следующим образом. The proposed magnetosensitive bipolar transistor operates as follows.

В отсутствии магнитного поля электроны, инжектированные эмиттером 7 в базовую область 6 (фиг. 1), под действием тянущего электрического поля в базовой области, диффундируют к коллекторным областям 8а, 8б и экстрагируются ими практически в равной степени, что обусловлено их симметричным расположением относительно центра области эмиттера. Причем инжекция электронов в горизонтальном направлении в области базы практически отсутствует ввиду наличия расположенного по вертикальной границе областей эмиттера и базы изолирующего слоя 3. В результате, через нагрузочные резисторы R1 и R2 (фиг. 2) протекают практически равные токи, которые создают на них одинаковые падения напряжения и, следовательно, вольтметр регистрирует нулевую разность потенциалов. In the absence of a magnetic field, the electrons injected by the emitter 7 into the base region 6 (Fig. 1), under the action of a pulling electric field in the base region, diffuse to the collector regions 8a, 8b and are extracted by them almost equally, due to their symmetrical arrangement with respect to the center emitter area. Moreover, the injection of electrons in the horizontal direction in the base region is practically absent due to the presence of an insulating layer 3 located on the vertical boundary of the emitter and base regions of the base. As a result, almost equal currents flow through the load resistors R1 and R2 (Fig. 2), which create the same drops on them voltage and, therefore, a voltmeter registers a zero potential difference.

При включении магнитного поля, направленного параллельно поверхности кристалла и перпендикулярно поперечному сечению структуры, изображенной на фиг. 1. , потоки электронов инжектированные эмиттером, перераспределяются между коллекторными областями в результате отклонения носителей заряда в эпитаксиальной пленке под действием силы Лоренца. В результате, токи коллекторов получают одинаковое приращение тока противоположных знаков. Причем, знак и величина самого приращения тока для каждого из коллекторов определяются направлением и величиной вектора индукции магнитного поля, соответственно. Это приводит к увеличению падения напряжения на одном и уменьшению на другом нагрузочном резисторе R1 и R2, а результирующая разность потенциалов регистрируется вольтметром U (фиг. 2). When a magnetic field is turned on, which is parallel to the crystal surface and perpendicular to the cross section of the structure depicted in FIG. 1., the electron fluxes injected by the emitter are redistributed between the collector regions as a result of deflection of charge carriers in the epitaxial film under the action of the Lorentz force. As a result, collector currents receive the same current increment of opposite signs. Moreover, the sign and magnitude of the current increment for each of the collectors are determined by the direction and magnitude of the magnetic field induction vector, respectively. This leads to an increase in the voltage drop on one and a decrease on the other load resistor R1 and R2, and the resulting potential difference is recorded by the voltmeter U (Fig. 2).

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке p-типа проводимости с эпитаксиальной пленкой n-типа проводимости имеющей толщину 2 мкм, с использованием планарной технологии с комбинированной локальной изоляцией. Область базы выполнена с помощью имплантации бора с последующим термическим отжигом, при этом ее глубина составила 0,3 мкм. Область эмиттера выполнена диффузией примеси n-типа из слоя поликремния. Для этого был конформно осажден слой поликремния толщиной 0,2 мкм, проведена имплантация этого слоя мышьяком до концентрации примеси 10²¹ см^-3 и осажден на всю поверхность из газовой фазы низкотемпературный слой оксида кремния. После проведения фотолитографии и анизотропного плазмохимического травления на всю толщину с маской фоторезиста, осажденных слоев окисла кремния и поликремния были сформированы первый уровень разводки и контакт к эмиттеру магниточувствительного биполярного транзистора.A device was fabricated on a p-type silicon substrate with an n-type epitaxial film having a thickness of 2 μm, using planar technology with combined local insulation. The base area was made using boron implantation followed by thermal annealing, while its depth was 0.3 μm. The emitter region is made by diffusion of an n-type impurity from a polysilicon layer. To do this, a 0.2 µm thick polysilicon layer was conformally deposited, this layer was implanted with arsenic to an impurity concentration of 10 ²¹ cm ^-3, and a low-temperature layer of silicon oxide was deposited on the entire surface from the gas phase. After conducting photolithography and anisotropic plasma-chemical etching to the entire thickness with a photoresist mask, deposited layers of silicon oxide and polysilicon, the first level of wiring and contact to the emitter of a magnetically sensitive bipolar transistor were formed.

Аналогичным образом формируется разводка второго уровня и поликремниевые контакты к базовой области магнитотранзистора. В этом случае второй слой поликремния легировался ионами бора до концентрации примеси 10¹⁹ см^-3. Затем с помощью анизотропного плазмохимического травления монокремния эпитаксиальной пленки на глубину 0,5 мкм сформированы канавки в кремнии для создания заглубленных n⁺ коллекторных областей магниточувствительного биполярного транзистора. После чего конформно осаждался слой оксида кремния и проводилось его плазмохимическое анизотропное травление. В результате чего данный слой оксида кремния удалялся со всех горизонтальных и оставался на вертикальных поверхностях структуры, формируя боковую диэлектрическую изоляцию областей эмиттера и базы. Затем проводилась имплантация фосфора с последующей разгонкой примеси на глубину 0.4 мкм.In a similar way, the wiring of the second level and polysilicon contacts to the base region of the magnetotransistor are formed. In this case, the second polysilicon layer was doped with boron ions to an impurity concentration of 10 ¹⁹ cm ^–3 . Then, using anisotropic plasma-chemical etching of monosilicon epitaxial film to a depth of 0.5 μm, grooves in silicon are formed to create buried n ⁺ collector regions of the magnetically sensitive bipolar transistor. Then, a silicon oxide layer was conformally deposited and its plasma-chemical anisotropic etching was carried out. As a result, this silicon oxide layer was removed from all horizontal and remained on the vertical surfaces of the structure, forming lateral dielectric isolation of the emitter and base regions. Then, phosphorus was implanted, followed by distillation of the impurity to a depth of 0.4 μm.

Аналогичным образом формируется и магнитотранзистор, у которого донные части областей коллекторов частично расположены в полупроводниковой пластине, а также магнитотранзистор, у которого размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. При этом технический эффект, достигаемый в данной изобретении, сохраняется в полном объеме. A magnetotransistor is formed in a similar way, in which the bottom parts of the collector regions are partially located in the semiconductor wafer, as well as a magnetotransistor, in which the size of each collector region in plan is determined by the external size of the wall dielectric of the corresponding contact. In this case, the technical effect achieved in the present invention is retained in full.

Затем создавались контактные окна к поликремниевым проводникам и алюминиевая разводка, включая контакты к коллекторам магниточувствительного биполярного транзистора. Then contact windows for polysilicon conductors and aluminum wiring were created, including contacts to the collectors of the magnetically sensitive bipolar transistor.

Измеренная величина относительной магниточувствительности по току изготовленного магниточувствительного биполярного транзистора, определяемая как отношение разности токов коллекторов, возникающей при воздействии внешнего магнитного поля величиной 1 Tл, к сумме токов коллекторов, составила 10-12% при напряжении питания 5 В. Разбаланс токов коллекторов в отсутствии магнитного поля составил менее 0,3%. Таким образом, предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор по сравнению с известными имеет в 3 раза большее значение относительной магниточувствительности по току и более чем в 20 раз меньшую величину начального разбаланса коллекторных токов, что позволяет его использовать в качестве чувствительного элемента в прецизионных магниточувствительных устройствах. The measured value of the relative magnetic current sensitivity of the manufactured magnetically sensitive bipolar transistor, defined as the ratio of the difference of the collector currents arising from an external magnetic field of 1 T to the sum of the collector currents, was 10-12% at a supply voltage of 5 V. Unbalance of the collector currents in the absence of magnetic fields amounted to less than 0.3%. Thus, the proposed magnetosensitive bipolar transistor, compared with the known ones, has a 3 times larger value of the relative magnetosensitivity in current and more than 20 times smaller than the initial unbalance of the collector currents, which allows it to be used as a sensitive element in precision magnetosensitive devices.

Источники информации:
1. V. Zieren. A new silicon micro-transducer for the measurement of the magnitude and direction of a magnetic-field vector. IEEE IEDM 80, 1980, p. 669-672.Sources of information:
1. V. Zieren. A new silicon micro-transducer for the measurement of the magnitude and direction of a magnetic-field vector. IEEE IEDM 80, 1980, p. 669-672.

2. S. Kordic, V. Zieren , S.Middelhoek. A magnetic-field- sensitive multicollector transistor with low offset. IEEE IEDM 83, 1983., p. 631-634. - прототип. 2. S. Kordic, V. Zieren, S. Middelhoek. A magnetic-field- sensitive multicollector transistor with low offset. IEEE IEDM 83, 1983., p. 631-634. - prototype.

Claims (3)

1. Магниточувствительный биполярный транзистор, содержащий сформированный на полупроводниковой пластине первого типа проводимости эпитаксиальный слой второго типа проводимости с двумя областями коллекторов второго типа проводимости, между которыми расположены область базы первого типа проводимости и область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к упомянутым областям, отличающийся тем, что области коллекторов расположены в эпитаксиальном слое на глубине, превышающей глубину расположения области базы, контакты к областям коллекторов расположены в сформированных в эпитаксиальном слое окнах и изолированы по бокам пристеночным диэлектриком, а области эмиттера и базы имеют в вертикальной плоскости общую границу со стороны контактов к коллекторам. 1. Magnetosensitive bipolar transistor containing an epitaxial layer of the second conductivity type formed on a semiconductor wafer of the first type of conductivity with two regions of collectors of the second type of conductivity, between which are located the base region of the first type of conductivity and the emitter region of the second conductivity type, and the contacts to the said regions, characterized in that the collector regions are located in the epitaxial layer at a depth exceeding the depth of the base region, contacts to the regions llektorov located in the formed in the epitaxial layer and insulated windows on the sides of parietal dielectric, and the emitter region and the base are in a vertical plane from the common boundary to the collectors contacts. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что дно каждой области коллектора расположено в полупроводниковой пластине. 2. The transistor according to claim 1, characterized in that the bottom of each region of the collector is located in a semiconductor wafer. 3. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что размер каждой области коллектора в плане определен внешним размером пристеночного диэлектрика соответствующего контакта. 3. The transistor according to claim 1, characterized in that the size of each collector region in the plan is determined by the external size of the wall dielectric of the corresponding contact.

Images