интегральный элемент холла

Формула изобретения

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ХОЛЛА, содержащий в полупроводниковой пластине первого типа проводимости область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы две подконтактных области холловских и две подконтактных области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора, отличающийся тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых и холловских контактов, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон 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 с шириной не менее расстояния между этими краями.

Описание изобретения к патенту

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.

Известна конструкция элемента Холла, полученная по КМОП-технологии на основе диффузионного кармана, применяемого для формирования n- или р- МОП-транзистора [1] и имеющая два токовых и два холловских контакта. Достоинство данной конструкции состоит в том, что для снижения влияния поверхностных явлений, в частности уменьшения влияния мигрирующего заряда в окисле на нестабильность остаточного напряжения во времени, применяется тонкий приповерхностный слой р- или n-типа.

Однако данная конструкция имеет низкое значение относительной магниточувствительности по току питания (около 100 В/(А Т) и высокое значение остаточного напряжения (U_б), называемого напряжением смещения нуля (напряжение неэквипотенциальности в отсутствие внешнего магнитного поля).

Известна конструкция элемента Холла на основе инверсионного слоя канала МОП-транзистора [2] в которой функцию холловской пластинки выполняет тонкий (порядка 10 нм) инверсионный канал МОП-транзистора. Достоинством данной конструкции является то, что она легко вписывается в КМОП-технологию изготовления ИС.

Данная конструкция также не лишена наличия остаточного напряжения U_о, причина возникновения которого в основном связана с неэквипотенциальным расположением областей холловских контактов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является элемент Холла, полученный на основе n-МОП-транзистора [3] который представляет собой широкий, длинноканальный МОП-транзистор, имеющий помимо обычных областей стока, истока (выполняющих функции токовых контактов) и электрода затвора два холловских контакта электронного типа проводимости, расположенных вдоль индуцируемого затвором инверсионного канала на определенном расстоянии от истока. Относительная магниточувствительность по току питания данной конструкции составляет величину, близкую к 1000 В/(А Т), что является довольно высоким показателем для датчиков Холла, полученных на основе кремния. Так как данная конструкция не позволяет выполнять подконтактные области холловских контактов симметрично относительно друг друга и относительно подконтактных областей токовых контактов, то это обуславливает наличие высокой величины U_о, составляющей приблизительно 2% от величины выходного сигнала, что снижает прецизионность датчика и выход годных. Наличие U_о требует дополнительных методов или схемных решений для его устранения.

Для решения задачи снижения величины остаточного напряжения для интегрального элемента Холла, связанного с неэквипотенциальным расположением подконтактных областей холловсикх контактов, вследствие рассовмещения топологических слоев при формировании магниточувствительной структуры предлагается конструкция, содержащая в полупроводниковой пластине первого типа проводимости область второго типа проводимости, окруженную диэлектрической изоляцией, внутри которой сформированы две подконтактные области холловских и две подконтактные области токовых контактов первого типа проводимости, контакты к ним и электрод затвора.

Уменьшение величины остаточного напряжения достигается тем, что в электроде затвора выполнены окна, под которыми сформированы подконтактные области токовых и холловских контактов, имеющие размеры не менее размеров окон, по периметру окон в электроде затвора расположена боковая диэлектрическая изоляция, края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции выполнена низкоомная область второго типа проводимости шириной не менее расстояния между этими краями. При этом тело элемента Холла определяется только конфигурацией электрода затвора независимо от прецизионности технологического оборудования и точности совмещения топологических слоев относительно друг друга.

Основными источниками остаточного напряжения в интегральных датчиках Холла являются неточность совмещения, флуктуации параметров материалов, пьезорезистивные и термоэлектрические эффекты. Однако основной вклад в интегральную величину остаточного напряжения вносит неточность совмещения топологических слоев относительно друг друга, вызывающая асимметрию в расположении областей элемента Холла, что обусловливает появление напряжение смещения нуля.

В предлагаемой конструкции элемента Холла взаимное расположение подконтактных областей холовских и токовых контактов, контактные окна к ним, край низкоомной области второго типа проводимости, а следовательно, тело элемента Холла определяются только конфигурацией одного топологического слоя, а именно слоя электрода затвора. Рассовмещение остальных топологических слоев относительно электрода затвора не сказывается на геометрии тела элемента Холла и поэтому не привносит дополнительную асимметрию в расположении относительно друг друга выше перечисленных областей, а следовательно, не является источником остаточного напряжения. Это позволяет исключить величину остаточного напряжения, вызванную рассовмещением топологических слоев в процессе изготовления магниточувствительного элемента, а следовательно, уменьшить его интегральную величину.

Для определенности в дальнейшем считают первый тип проводимости электронным, второй дырочным.

Один из возможных вариантов структуры предлагаемого элемента Холла, поперечное сечение, приведен на фиг.1; вариант топологии элемента Холла на фиг. 2, где 1 полупроводниковая пластина первого типа проводимости, 2 диффузионная область второго типа проводимости, 3 изолирующая область, 4,5 подконтактные области токовых контактов, 6, 7 подконтактные области первого и второго холловских контактов, 8 электрод затвора, 9 подзатворный диэлектрик, 10 омический контакт к карману (низкоомная область второго типа проводимости), 11 токопроводящие контакты, 12 боковая диэлектрическая изоляция, 13, 15 окна в электроде затвора к подконтактным областям токовых контактов, 14,16 окна в электроде затвора к подконтактным областям холловских контактов. Вариант электрической схемы включения магниточувствительного элемента приведен на фиг.3, где Е источник питания; R нагрузочный резистор; ЕХ элемент Холла; 4 исток, 5 сток холловского МОП-транзистора; 6,7 холловские контактны; 8 электрод затвора; ОУ операционный усилитель.

В полупроводниковой пластине 1 (фиг.1) первого типа проводимости выполнена область 2 второго типа проводимости, окруженная диэлектрической изоляцией 3, внутри которой сформированы две подконтактные области холловских 6, 7 и две подконтактные области токовых 4, 5 контактов первого типа проводимости, контакты 11 к ним и электрод 8 затвора, расположенный на подзатворном диэлектрике 9. В электроде 8 затвора выполнены окна 13, 14, 15, 16 (фиг.2), под которыми сформированы подконтактные области токовых и холловских контактов, имеющие размеры не менее размеров окон в электроде затворе. По периметру окон выполнена боковая диэлектрическая изоляция 12 (фиг.1), края которой совпадают с краями контактных окон к данным областям, а между внешним краем электрода 8 затвора и близлежащим к нему краем участка диэлектрической изоляции 3 выполнена низкоомная область 10 второго типа проводимости шириной не менее расстояния между этими краями.

На фиг.3 показан один из вариантов электрической схемы включения элемента Холла, выполненного на основе n-МОП-транзистора. Подконтактная область 4 токового контакта (фиг.1 и 2) соединена с низкоомной областью 10 второго типа проводимости и заземлена, а на подконтактную область 5 токового контакта, соединенную с электродом 8 затвора, через нагрузочный резистор R подается положительное напряжение от источника питания Е, обеспечивающее номинальное значение тока, протекающего через элемент Холла. С холловских контактов 6, 7 выходной сигнал поступает на входы регистрирующего вольтметра или на входы операционного усилителя ОУ (внешнего или выполненного на одном кристалле с элементом Холла).

Рассмотрим принцип работы элемента Холла, выполненного на основе n-МОП-транзистора с индуцируемым каналом. При подаче на электрод 8 затвора положительного напряжения (большего, чем пороговое напряжение n-МОП-транзистора) на поверхности кремния второго типа проводимости под подзатворным диэлектриком 9 индуцируется тонкий проводящий канал первого типа проводимости. При подаче положительного напряжения между токовыми контактами 4, 5 через канал течет ток электронов. В отсутствие магнитного поля происходит одинаковое падение напряжения на плечах четырехрезистивного моста 4-6-5 и 4-7-5, так как геометрические размеры элемента Холла жестко определяются конфигурацией электрода затвора, под которым возникает токопроводящий канал, и, следовательно, потенциалы на холловских контактах 6 и 7 (фиг.3) равны, а дифференциальный сигнал между ними равен нулю. При возникновении магнитного поля, перпендикулярного поверхности кристалла, на электроны, двигающиеся под действием электрического поля от истока 4 к стоку 5, действует сила Лоренца, отклоняющая их к одному или другому холловскому контакту в зависимости от направления вектора магнитной индукции. В результате между холловскими контактами 6 и 7 возникает напряжение Холла, прямо пропорциональное величине вектора магнитной индукции.

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке n-типа проводимости по планарной КМОП-технологии с локальной изоляцией окислом кремния. Диффузионный карман р-типа формировался путем ионной имплантации примеси соответствующего типа с последующим отжигом на глубину 5-7 мкм. Низкоомные области n- и р-типа сформированы также путем ионного легирования соответствующих типов примесей с последующим отжигом на глубину 1-1,5 мкм и имели концентрацию примеси не менее чем на порядок превышающую концентрацию примеси в области кармана, а электрод затвора был сформирован на основе поликристаллического кремния и расположен на подзатворном окисле кремния. Остаточное напряжение U_о составило 0,5-1% от величины полезного сигнала. Это в 2-4 раза меньше, чем в прототипе при той же относительной магниточувствительности по току, что позволяет использовать данную конструкцию в качестве малопотребляющего прецизионного магниточувствительного элемента и изготавливать ее в составе КМОП ИС.