автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Кремниевые магниточувствительные элементы и интегральные схемы на основе КМОП конструктивно-технологического базиса

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ аЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ . (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. N _ "7

ГАЛУШКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

КРЕМНИЕВЫЕ МАГНЙТОЧУВСТВЯТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ КШП КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника и нанозлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995 г.

^ '!.. /Г уУ '

!

У

а> I

• .v.

. -У/ . ж '

Работа выполнена б Московском Государственном институте электронной техники

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Чаплыгин Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Мурыгин 8.И., кандидат технических наук, Миронов В.П.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт Микроэлектроники и информационно-измерительной техники

Защита диссертации состоится "_"_1995 г. на

заседании диссертационного совета Д.053.02.02 Московского Государственного института электронной техники по адресу: 103489, г.Москва, К-489, МГИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ.

Автореферат разослан "_" _ 1995 г.

Учений секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доценг-у1«'^ -В. м. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Интенсивное развитие информационно-измгритель-ных и контрольно-измерительных систем, средств автоматизации управления, робототехники требует опережающего развития различных типов датчиков. Значительный прогресс в области развития технологий интегральных схем (ИС), а такде широкое использование достижений микроэлектроники в смежных областях привело к возможности изготовления различных сенсоров физических величин с использованием высоконадежных технологий микроэлектроники, что позволило реализовать миниатюрные, надежные, прецизионные, недорогие микроэлектронные сенсоры. Интегральные сенсоры отличаются улучшенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками, расширенными функциональными возможностями, что позволяет улучшить параметры измерительно-информационных и измерительно-управляющих систем.

Традиционные магнигочувствительные датчики на основе эффекта Холла и объемные интегральные элементы Холла в настоящее время являются хорошо изученными и отработанными. С другой стороны, магнитотранзистори, МОП (металл-отеид кремния-полупроводник) элементы Холла со сверхтонкой активной областью, совместимые с КШП технологией формирования ИС, . представляются наиболее интересным объектом исследований в плане как изучения физических эффектов, совершенствования конструкций, технологии формирования, так и перспектив применения.

На значения чувствительности магнитотранзисторов, в частности МОП двухстоковых магнитотранзисторов, оказывают сильное влияние геометрические параметры их топологии, .л также физико-т хно-логические параметры. На данный момент отсутствуют доступные раз-

работчикам отечественные программы, позволяющие проводить расчет параметров МОП магниточувствктельных элементов, оптимизацию их геометрии и режимов работы с целью получения максимальных значений магниточувствительности. Известные зарубежные модели ШП маг-нитотранзистора, позволяют проводить оптимизацию традиционных конструкций данного класса сенсоров. В связи с совершенствованием конструкций ШП сенсоров необходимо расширение возможности вариации отдельных параметров их геометрии (ширина истоковой области, ширина и длина разделителя стоковых областей) и режимов работы.

В связи с вышеизложенным, актуальной является задача комплексного подхода при разработке компонентной базы, конструктивно-технологических решений для формирования магниточувствительных элементов и схем в едином технологическом цикле с изготовлением КМОП ИС. '

Цель диссертационной работы заключалась в разработке конструкций и методов формирования кремниевых магнитотранзисторных структур и магниточувствительных схем на основе КМОП технологии ИС и их комплексном исследовании.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе заключается в следующем:

1. Проведен анализ и показана перспективность использования методов самоформирования при разработке конструкций и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков магнитного поля для повышения их точностных характеристик.

2. Разработана и подтвервдена экспериментальными результатами физико-математическая модель двухстокового МОП магнитотранэис-тора, обобщающая его работу в крутой и пологой областях вольг-ам-перных характеристик (ВАХ), а также учитывающая особенности конструкции и технологии формирования магнитотранзистора.

3. Установлены качественные и количественные закономерности поведения магниточувствительности разработанных и изготовленных сенсоров от изменения рекима работы и температуры, выявлены основные факторы, влияющее на электрофизические параметры сенсоров:

- показано, что КМОП сенсор обладает высокой избирательностью к составляющей магнитного поля перпендикулярной поверхности кристалла и имеет большие значения магнигочувствительности (4,4 В/Тл) при низких токах потребления (менее 100 мкА) и микромощном режиме работа (0,9 мВт);

- установлено, что биполярный магнитотранэистор имеет наибольшее предельное разрешение по магнитному пол» (2 мкТл/(Гц)1/г на центральной частоте 1 кГц) из исследованных сенсоров, и является перспективным для использования в магнитометрах со сверхпро-

%

водящими усилительными трансформаторами магнитного потока для измерения слабых магнитных полей (менее 0,1 мТд).

4. Показана возможность интегрального сочетания разработанных магнитотранзисторов с элементами схем усиления и обработки сигнала на одном кристалле, для создания микромощных магниточувс-твительных ИС, имевших высокую избирательную чувствительность к нормальной или тангенциальной составляющей магнитного поля, относительно поверхности кристалла.

5. Разработан конструктивно-технологический базис создания комплекта микромощных КМОП магниточувствительных ИС с линейным, пороговым и частотным выходом и расширенными функциональными возможностями эа счет использования управляющих входов, позволяющих производить настройку магниточувствительных ИС (МЧ ИС) для работы в различных диапазонах магнитных поллЧ.

6. Разработана оригинальная технология нормирования сам совмещенных ВиКМОП структур для СБИС, в рамках которой показана воз-

- а -

ыожность реализации различных магнитотранзисторных структур.

Практическая ценность. '

1. Разработаны конструкции сенсоров на основе биполярного двухколлекторного транзистора, чувствительного к составляющей магнитного поля параллельной поверхности кристалла, МОП элемент." Холла, двухстокового МОП магнитотранзистора и КМОП структуры, чувствительных к составляющей магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла, позволяющие реализовать самосовмещение отдельных областей.

2. На' основе разработанной модели создана программа двумерного численного расчета на ПЭВМ характеристик двухстокового МОТ магнитотранзистора, которая позволяет:

- адекватно учитывать влияние конструктивных и технологических параметров МОП сенсора на величину его магниточувствительнос-

ти;

- рассчитывать значения магниточувствительности сенсора для крутой и пологой областей БАХ;

- проводить расчеты в диалоговом режиме и графически представлять двухмерное изображение распределения эквипотенциальных и токовых линий для моделируемой области МОП магнитотранзистора.

3. На основе результатов численного эксперимента проведена оптимизация параметров конструкции МОП магнитотранзистора и его релима работы, что позволяло получить максимальные значения маг-ниточувствителыюсти сенсора.

4. Получен ряд качественных и количественных результатов исследования зависимостей параметров разработанных магниготргш-зистсрннх структур от режима работ« и тснперлтури.

5. Рчг;гг/,отал технологический маршрут анчлого-нифромд км'Ш Ж! для к-лгиоШ'ШЛ макроимени/. МЧ НО с пороговым. . лжк-йиим и

частотным типом выходного сигнала.

6. Разработан и изготовлен комплект микротоковых магкито-чувствигельных ШОП ИС, и проведены исследования параметров интегральных преобразователей магнитного поля. Использование разработанных чувствительных элементов и управляющих входов позволило повысить универсальность и функциональную гибкость МЧ ИС.

7. Разработана и изготовлена самосовмеденяая БикШП транзисторная структура для СБИС, проведены исследования ее параметров. Показана возможность реализации МОП и биполярного магнитотранзис-торов в БиКЮП базисе.

Реализация результатов работы. Разработанные магниточувстви-тельные биполярные транзисторы были использованы при построении магниточувствительной матрицы в магнитном дефектоскопе, что позволило:

- измерять тангенциальную составляющую магнитного поля;

- на порядок увеличить относительную магниточувствителыюсть матрицы;

- повысить разрешающую способность магнитных дефектоскопов.

разработанные в рамках диссертационной рзботы КМОП ИС с линейным выходом использованы Центральным НИИ измерительной аппаратуры (г.Саратов) для создания установок измерения магнитного пот в магнитных периодических фокусирующих системах (М1ИС) и тесла-метров типа "Маяк", что позволило получить высокие значения маг-ниточувствительности (выше 20 Б/Тл) при малом токе потребления (не более 0,5 мА).

На защиту "выносятся:

1, Оригинальные конструкции сенсоров магнитного пол л па со--нове двухстокового МОП магниготранзистора, МОП элемента "злла, ШОП структуры, биполярного двухколлекторного транзистора и оно.-

собы их формирования о улучшенными точностными параметрами в КМОП технологическом базисе.

2. Физико-математическая модель и результаты оптимизации параметров конструкции МОП магнитотранзистора для получения максимальной чувствительности.

3. Технологический маршрут формирования аналого-цифровых магниточувствительных схем в • базисе КМОП ИС.

4. Магнигочувствительные микромощные КМОП ИС с пороговым, линейным и частотным типом выходного сигнала и расширенными функциональными возможностями.

5. Результаты экспериментальных исследований характеристик разработанных магниточувствительных элементов и схем, и основные закономерности изменения их электрофизических параметров.

6. Самосовмещенная БиКМОП структура для СБИС и конструкции магниточувствительных элементов, реализуемых на основе БиКМОП технологии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-ой Республиканской научно-технической конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (Севастополь, 1990 г.), 7-ой отраслевой конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС" (Махачкала, 1990 г.), 4-ой научно-технической конференции по электронным датчикам "СЕНСОР-91" (Ленинград, 1991 г.), Международной конференции "СЕНСОР-ТЕХНО-03" (Санкт-Петербург, 1еэз г.), Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994 г.)', Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1964 г.), Всероссийской научно-технической кон-

ференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1994 г., 1995 г.), Международной конференции "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" (Москва, 1995 г.)

Публикации. Основные результаты работы отражены в тринадцати статьях, двух патентах на изобретение и представлены двенадцатью докладами на Международных, Всероссийских и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем работы, Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, списка литературы из 141 наименования, и 4 приложений на 21 странице. Она содержит 161 страницу основного текста, 91 рисунок на 12В страницах и б таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность работы, указаны цель и объект изучения работы, охарактеризованы ее научная новизна и практическая значимость, дана краткая аннотация работы по главам.

В первой главе работы проведен анализ современных технологий изготовления и основных направлений конструктивно-технологической оптимизации интегральных магнигочувствительяых структур и КС на их основе. Показано, что на современном этапе все шире используются традиционные и усовершенствованные технологии изготовления ИС для формирования МЧ ИС. Использование традиционной КМОП технологии ИС для изготовления иагниточувствительньк элементов и МЧ ИС, позволяет получать высокие п сазатели качества (Еысокая чувствительность, малая потребляемая мощное.минимальные е аче-ния смещения нуля,' функциональная гибкость), совершенствовать

конструкции Ш КС и расширить области применения микроэлектронных сенсоров.

При разработке технологических маршрутов и конструкций маг-ниточувствительных структур возрастает роль использования высокоэффективных моделей, позволяющих учитывать параметры физической структуры сенсоров, а также оптимизировать их топологию и режим работы, с целью получения высоких значений магниточувствитель-ности.

Подчеркнута необходимость разработки новых конструкций сенсоров, которые позволяют значительно уменьшить разброс электрофизических и точностных параметров (смещение нуля, чувствительность) сенсоров.

Во второй главе рассмотрены новые аспекты и особенности использования методов самоформирования и процессов самосовмещения при изготовлении магнитотранзисторных структур. Проведено сравнение схем самоформирования различных конструкций МОП магнитотранзисторных структур.

Разброс геометрических размеров областей измерительных стоков для традиционной конструкции МОП магнитотранзистора обусловлен наличием линейных и угловых рассовмещений топологических слоев друг относительно друга, которые при изготовлении сенсоров носят чисто случайный характер от пластины к пластине, и для . различных партий пластин. Это в конечном счете вносит основной вклад в возникновение сменяя нуля МОП магнитотранзисторов, которое, появляется уже в процессе их формирования.

Эффект смещения нуля МОП чувствительного элемента соответствует наличию разности токов Д10 первого и второго стоков в отсутствии магнитногу поля, обусловленную наличием разных граничных условий для носителей заряда в канале, различием в сопротивлении

л

активных измерительных областей стоков и т.д., что вызвано асимметричностью структуры привнесенной в процессе изготовления. Если эту разность определять как:

¿Но* 1с2о- Icio. (1)

то полезный сигнал ыаштэтраиэистора при воздействия перпендикулярной составляющей магнитного поля величиной В будет определяться, с учетом выражения (1), следу»®»! образом: ДЬшх.(В)- Ic2(B) - Ici (В)- (1с2о + Л1с(В)/2>-

-dclo " й1с(В)/2>- âl0 + Д1с(В). (2)

Ввиду того, что значение ÛIQ от сенсора к сенсору может хаметь разнуп величину я даже знак, то легко вздеть на (2), что это приводит к разним значенная шхедяого сигнала Д1ЕЦх. (В) для различных сенсоров при одном я тем ле впачеюш ввегвего 15агкятно~ го поля. Это называет неоОходагость использования, после изготовления сенсора, трудоемкой индивидуальной калибровки каждого элемента путем применена внеаяах пассивна подстроечшх элементов или создания ачтившх дорогоетояпзи.схем компенсация смешения нуля. Особенно критотеа данный параметр сенсора пря измерении иашх ыагнитянх полей, когда значение полезного сигнала становятся сравнимым с величиной спешна нуля, ¡отгороз к тому зге иетет изменяться во времени я зависеть от температуры.

Показано, что с пожкзэЭ саиооотмсщешга областей иагня-тотранзистора удается на порядок уменьшить вклад в величину сие-гднкя нуля сенсора процессов топологического рассовыесешл • при дтэграфпи, по сравнения с традгарюшжмя конструкция®! ИОП сеисо-рюз.

Третья глава посвящена коаструг-чв«> технологической разработке магнеточувствдаелышх элементов на ос^лве двухстоковог . МОП магяитсиравзистора. КШП структуры, МОТ элемента Холла и биполяр-

ного двухколлекторного транзистора, реализуемых в ШОП технологическом цикле изготовления КС. Рассматривается физико-математическая модель двухстокового МОП магнитотранзистора.

Необходимость уточнения известных моделей для разработанной конструкции МОП магнитотраизистора и разработки программы численного моделирования вызваны тем, что:

- на данный момент отсутствуют доступные разработчикам отечественные программы, дозволяющие проводить расчет параметров МОП магниточувствигельных элементов.

- существующие известные работы, относящиеся к моделированию МОП магнитотранзисторов, позволяют проводить оптимизацию только существующих конструкций данного класса сенсоров.

Модельное представление области канала, рассматриваемой конструкции сенсора (в плоскости топологии), представлено на, рис.1. Следует отметить, что между стоками И, 02 имеется .изолирующая область прямоугольной формы (на рис.1 она выделена штриховкой).

В модели используются следующие допущения:

1) Магнитное поле считается стационарным, вектор магнитной индукции направленным перпендикулярно плоскости, в которой протекает ток.

2) Температурный градиент и ток неосновных носителей заряда в инверсионном слое принимаются равными нулю.

3) Отсутствует рекомбинация носителей заряда в области инверсионного слоя МОП сенсора (К(ч>,Г|,р)=0) и предполагается Вп/8ио.

Для расчета р&збагаяса токов двух стоков ют магнитотраиэие-тср:: с юодлсм л-этша проводимости, с учетом магнитного поля г.^^а^ггя 'л;.:?<-мн усилений <:

Рис 1.

У- ширина канала; длина канала; ширина потоковой области; Ы|, Ш^- ширина и длина разделителя стоковых областей соответственно ; 01, 02- омические контакты к областям первого и второго стоков соответственно.

- уравнение Пуассона преобразованное для .ЧОП структуры в приближении полностью обедненной области пространственного заряда (3);

- уравнение для плотности тока электронов в проводящем канале МОП сенсора (4);

- уравнение непрерывности (5).

0л(ф)-С!3+Сох[(?(х,у)+гФв-иБ)]+1/2ез1£оа Ма(<р(х,у)-1!ь+гФв)

(3)

.!„ -С1/(1+(Ип* В)2) ССч цп п Е + я Эп егас! п) + + Ил* В X (Ч |1п' П Е + д.0п вга! п)], (4)

с11у Лп-0. (5)

где Оп(<?5- поверхностная плотность заряда электронов в канале МОП магнитотранэистора, Оз - поверхностней плотность заряда на границе раздела БЬЭЮг. ф(х,у)~ поверхностный потенциал в канале МОП магнитотранзистора, Сох- емкость подзатворного окисла на единицу площади, Фв- разность.потенциалов между квазиуровнем Ферми в объеме полупроводника и собственным квазиуровнем Ферми, иг- потенциал на затворе, На- объемная концентрация примеси, ц- заряд электрона, ез!, е0- диэлектрическая постоянная кремния и диэлектрическая проницаемость вакуума, 1)ь- напряжение смещения подложки относительно истока, 0П~ коэффициент диффузии электронов, цп*- холловская подвижность электронов, п- плотность электронов, Е- напряженность электрического поля.

Данная система уравнений решается с учетом граничных условий (6-3).

На электродах Ws.D1.D2: 0п-0п(9)1 где Уа- заданный потенциал.

Для пологой области ВАХ ток насыщения стоков Ох и Иг определяется из уравнения:

^пу(Х.У)« Оп(Ф) v0. (6,с

где у0- дрейфовая скорость насыщения.

На границах, обозначенных цифрами б, 2, предполагается равней нулю Лпу (условие непротекания тока):

* 0 (7)

На границах, обозначенных цифрами 3, 3', 5, Б':

Лгж-О (8)

Численное реиение задачи производится на прямоугольной кьа-экрагшиериой сетке. Развеете»! сх«,и строится на основе интег-

ро-интерполяционного метода (или метода баланса), Решение нелинейных разностных уравнений производится с помол»» итерационного алгоритма, использующего предположение о малости магнитного поля (|В|<1 Гл).

На основе анализа результатов численного эксперимента и с учетом существующих ограничений на минимальный размер элементов, обусловленный разрешающей способностью литографического оборудования и прецизионностью процессов, используемых при изготовлении интегральных сенсоров, определены оптимальные параметры топологии и режим работы сенсора: длина канала L-100 мкм, ширина канала W-50 мкм, ширина истоковой области WS»10 мкм, длнна DLi=4 мкм и ширина Wi=4 мкм разделителя стоковых областей, напряжение на затворе Ug=5 В, напряжения на измерительных стоках Udi»Ud2-5 В. При этом значение относительной магнлточувствительности Sri составило 5 Х/Тл.

В данной главе представлена разработанная конструкция и структурная схема технологии формирования магниточувствительного биполярного двухколлекторного транзистора чувствительного к составляющей магнитного поля параллельной поверхности кристалла, конструкция магнитотранзистора позволяет исключить рассовмещение элементов структуры друг относительно друга в процессе'его формирования. Изготовление магнитотранзистора не требует дополнительных технологических операций относительно технологического' цикла КМОП ИС и его формирование полностью совместимо с изготовлением разработанного п-МОП магнитотранзистора.

Приведена оригинальная конструкция МОП элемента Холла, которая позволяет исключить величину ост-ночного напряжения, вызываемую рассовмецением топологических слоев в ., оцеесе изготог'ения магниточувствительного элемента, а следовательно уменьшите его

интегральную величину и повысить прецизионность преобразования. Проведенная оценка относите.»авой чувствительности по току потребления разработанного сенсора показала, что она выше в 1,3 раза,. чем у аналогичных интегральных МОП элементов Холла и в 850 раз'' выше по сравнению с элементами Холла на основе антимонида индия и > составляет 850 8/(А-Тл). .

В рамках разработанной структурной схемы технологии изготовления интегральных магниточувствигельных элементов и ИС на их основе реализуются:

1) разработанные конструкции сенсоров магнитного поля на основе МОП магнитотраизистора, МОП элемента Холла, биполярного маг-нитогранзистора и -КШП структуры;

2) высокоомные поликремниевые резисторы (номинал от 1 кОм до 400 кОм, точность отношения до 0,4 Z);

■ 3) МОП конденсаторы (удельная емкость 0,4 фф/мкм2);

4) КЮП транзисторы с повышенными напряжениями пробоя (более 15 8).

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальной отработки критичных операций технологического маршрута формирования интегральных магниточувствигельных элементов и схем'по аналого-цифровой КШП технологии ИС.

Экспериментальные исследования параметров элементной базы и отработка технологического маршрута формирования аналого-цифровых МЧ ИС, позволили провести оптимизацию процесса плазмо-химического травления (ПХТ) поликремния, что позволило свести к минимуму селективность ПХТ р- к п+-типу поликремния (скорости травления отличаются не более чем на 87.). при сохранении селективности ПХТ поликремния к нихеледащому слою оксида кремния (более 10) и уменьшить расброс ухода размеров элементов, Формируемых на основе сдоя

поликремния р-типа (резисторы) и п+-тша поликремния (затворы МОП транзисторов), по пластине и партии пластин в целом.

Экспериментальные исследования характеристик магниточувстви-тельных структур, позволили выявить основные закономерности изменения их магниточувствительности в зависимости от параметров конструкции и режимов работы.

Анализ результатов экспериментальных исследований зависимости относительной магниточувствительности МОП двухстокового магни-тотранзистора (Srj) от напряжений на затворе (U3) и стоках (Uc) показал, что максимальные значения данного параметра при заданном напряжении на затворе, получаются при работе магнитотранзистора в пологой области ВАХ. Причем значение данного параметра при фиксированном напряжении и3 увеличивается с ростом ис при работе в крутой области ВАХ. При U3-Uc«5 В значение Sri сенсора составило 5 Х/Тл.

Паразитная чувствительность данной структуры, а именно чувствительность к составляющей магнитного поля параллельной поверхности кристалла, составила не более 0,01 Z/Тл, что составляет менее 0,2 У. от значения магниточувствительности к составляющей магнитного поля перпендикулярной поверхности кристалла.

Конструкция КМОП сенсора позволяет реализовать микромощный режим работы, так при напряжении питания 9 В ток потребления • составляет не более 100 мкЛ. Также данный сенсор остается работоспособным при снижении напряжения питания до 4 В, но при этом его абсолютная чувствительность снижается с 4,4 В/Тл до 1,0 8/Тл, а ток потребления до 10 мкА. В тоже время КМОП сенсор имеет абсолютную магниточувствителькость в 3-3,5 ржа большую, чем у известной структуры при той же потребляемой мощности.

Результаты экспериментальных исследований разработанных МОП

и КЮП сенсоров магнитного поля показывают, что они имеют высокую относительную магниточувствительность при малом уровне потребляемой мощности (табл.1),

Магниточувствительный элемент на основе биполярного транзистора может использоваться в качестве сенсора чувствительного к составляющей магнитного поля, параллельной поверхности кристалла (табл.1). Получены экспериментальные зависимости чувствительности от режима работы магнитотранзистора. "Выявлено, что зависимость абсолютной магниточувствительности (Эа) сенсора от тока базы имеет выраженный максимум, причем максимально® значение 5а достигается в области активного режима работы, не достигая области насыщения ВАХ при включении магнитотранзистора в схеме с общим эмиттером. При увеличении номинала нагрузочных коллекторных сопротивлений с 10 до 30 кОм, максимальное значение магниточувствитель-ности достигается при меньших значениях тока базы, при этом само значение практически не изменяется. .

Показано, что коэффициент эффективности магнитотранзистора, который равен отношений .Ба к общему току потребления сенсора, в 2,1 раза больше при работе магнитотранзистора в нормальном активном режиме, по сравнению с рдамом работы в области насыщения при одинаковом значении За.

Результаты исследований п-МОП элемента Холла показали, что он имеет более высокую относительную магниточувствительность по току потребления по сравнению с традиционными объемными и известными МОП элементами Холла, однако уступает сенсорам на основе КМОП структуры (табл.1).

Для оценки возможности использования разработанных конструкций магнитотранзисторов в качестве чувствительных элементов в-магнитометрах слабых полей с высокотемпературными (77 К) сверх-

Л

Таблица 1

Основные параметры разработанных сенсоров магнитного поля.

Параметры

Тип магнито-чувствительного элемента V В/Тл; Оп.мА) В ТКЧ Эа, 7./°С избирательность сенсора по направлению магнитного поля

Вт-Тл

МОТ магяито-транзистор 0.5 (ОД) 560 -0,33 нормальная компонента

МОП элемент Холла 0,08 (0.12) 204 -0,3 нормальная компонента

КМОП сенсор 4,4 (0,1) 4,4-Ю3 -0,35 нормальная компонента

Биполярный магнитотран- эистор 1,7 (0,8) 235 -0,48 тангенциальная компонента

Примечания:

За - абсолютная магииточувствительность сенсора; Зрад - относительная магииточувствительность сенсора по потребляемой мощности; ¡п - ток потребления;

ТКЧ Зл - температурный коэффициент абсолютной чурсшпульпости}

проводящими усилительными трансформаторами магнитного погаса, были проведены исследования чувствительности и предельной разрешающей способности этих структур при температуре жидкого азота 7? К,

Результаты экспериментальных исследований показали, что предельное разрешение по магнитному полю биполярного ыагнитотран-зистора в 3 и 15 раз лучше для температур ЗООК и 77К по сравнен!® с КМОЛ сенсором. Исследования собственных шумов биполярных магни-тотранзисторов показали, что для широкой полосы частот (1 Гц-10 кГц) значение предельного разрешения по магнитному полю биполярного магнитотранзистора составило 100 нТл при температуре 77 К.

В пятой главе представлены результаты разработки и экспериментального исследования характеристик ыагниточувствитедьннх КС, отличающихся схемотехникой построения и типом выходного сигнала, а именно МЧ ИС с пороговым (ШИС) , линейным (ИПМН) и частотным (ИПМЧ) выходом, которые были реализованы в едином КЮП технологическом базисе. .

Отличительными особенностями разработанных магниточувстви-тельных схем являются:

- улучшение технических и эксплуатационных характеристик, а именно: возможность настройки Ш ИС для использования в разных диапазонах магнитных полей с помощью управляющих входов, малая потребляемая мощность (не более 6 мВт для ГШС, ИПМН и не более 14 мВт для ИПМЙ);

- разработанные ШйС сохраняют свою работоспособность при снижении напряжения питания до 4 В, при этом потребляемая мощность не превышает 0,3 мВт. Наличие управляющих входов позволяет повысить универсальность и функциональную гибкость ПМЙС за счет возможности настройки на необходимые пороги индукции срабатывания

й отпускания;

- совмещение чувствительного элемента и схемы усиления сигнала на одном кристалле позволило получить абсолютную чувствительность разработанного ИШН к магнитному полю более 25 В/Тл. Показано, что ИПМН могут использоваться при построении датчиков тока, выполняя в них функцию чувствительного элемента;

- использование оптимизированной конструкции магниточувстви-тельного элемента позволило в 3 раза увеличить относительную чувствительность по частоте выходного сигнала и в 1,5 раза увеличить относительную магниточувствительность по потребляемой мощности разработанного ИПМЧ по сравнению с известным;

- совместимость технологии изготовления магниточувствитель-ных ИС с формированием интегральных КМОП ИС, позволяет снизить стоимость их производства по сравнению с биполярными ИС.

В шестой главе рассматривается конструктивно-технологическая разработка самосовмещйнной интегральной БиКМОП структуры и магни-точувствительных элементов на ее основе. Показано, что данная технология может служить базовой для формирования магниточувстви-тедьных элементов на основе МОП транзистора, а также самосовмещенного биполярного транзистора, на одном кристалле с транзисторными структурами, без привлечения дополнительных технологических операций.

Приведены' результаты экспериментальных исследований ЕиКЮП технологии, характеристик элементной базы и магниточувсгвительных элементов. Биполярные п-р-п транзистора при площади л^ивнсй структуры 16 мюг (Для мишашьтж проектных норм п тО имели котЗДиввент усиления в cxew с обкя* эиятгерда ГЮ-JPO, «гапрязадшч; пробоя р-п перехода коллтяор-Г'йигтор 0-7 в, нотрп.'.'-ня»» оролс* р-л перехода эмиттер-база <1-5 В. Комплементарны'.' "Oil тр.,ягм?то:'Н

ииедв шощздь активной структуры 12 ыкы2 (для минимальных проектных кори 2 ши). Зизченкп ддюш канала и порогового напрахешш составили 1,7 шш и 0,7 в, и 1,4 шш и -0.9 В для п-ШП и р-кюп транзистора соответственно.

Значение цагтгсочуьствательвости по току потребления разработанных конструкдай сенсоров составило 5 Х/Тл для п-ШП иагня-тотранзкстора и 15 Х/7я для биполярного кагнитотранзисхора.

Исследования разброса величины смещения нули бшзсшрного шгшгатранзвсюра, которое эквивалентно разбросу разности токов измерительных ко&аекгороз в отсутствии магнитного поля показала, что ее уизяькенкг на порядок по сравнен®) с традицшнвши конструкциями сенсоров удалось достичь благодаря сашсовыедаянону шшвшт измерительная коллекторов относительно области эмиттера.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Создай рзд новых оригигшашх конструкций мапштотранзвс-теркш структур, исашьзукщга метода' сшзфоршзроватга а сагжхязв-м&щешщ при ю: кзгагаыенка, а шавво кшетрукцда сенсоров на основе спвогяршго даухшагеаз^ного транзистора, чувствительного к составлявдей тгютшго вола параллельной поверхности крнстаалз., ШП элемента Холла, двухстокового Ш1 шпштотршзистора и КЕН структуры, чуБСТВзяельдах к составлявшей магнитного поля Еераеп-дикулярной поверхности кристааа.

2. Праведен анализ а показана перспективность использования методов сэдюфоршровашш ври разработке конструкций а технологии изготовления чувствительных элементов датчиков магнитного поля для повышена* их точностных характеристик. Еспользова^е предлагаешь самосошещеннш конструкций сенсорен позволяет снизить ин-

тегральную величину смещения нуля на 70-802,

3. Разработана физико-математическая модель двухстокового МОТ магнитотранзистора, обобщающая его работу в крутой и пологой областях вольт-амперных характеристик (ВАХ), а также учитывающая особенности конструкции и технологии формирования магнитотранзистора.

На основе разработанной модели создана программа двумерного численного расчета на ПЭВМ характеристик двухстокового МОП магнитотранзистора. На основе разработанной программы проведена оптимизация параметров топологии МОП магяиготранзистора и его режима работы, что позволило получить максимальные значений магниточувс-твительности сенсора (до 5 %/Тл).

4. Установлены качественные и количественные закономерности поведения магниточувствительности разработанных и изготовленных сенсоров от изменения режима работы и температуры, выявлены основные факторы, влияющие на электрофизические, параметры сенсоров. Показано, что разработанные варианты сенсоров имеют высокую избирательную чувствительность к перпендикулярной ми параллельной составляющей магнитного поля, реализуются в едином технологическом цикле и следовательно могут быть использованы при разработке и построении сенсоров вектора магнитного поля.

5. Показана возможность интегрального сочетания разработан-• ных магнитотранзисторов с элементами схем усиления и обработки сигнала на одном кристалле, для создания микромовшых магниточувс-твительных ИС.

6. Разработан' технологический маршрут изготовления магнито-чувствигельных КМОП ИС. Данный технологический маршрут позволил реализовать разработанные конструкции сенсоров магнитного поля, элементную базу включающую высокосмные поликремниевые р.'-'пстсрн.

МОП конденсаторы, и КМОП транзисторы с повышенными напряжениями пробоя (более 15 В), а также изготовить МЧ ИС с пороговым, линейным и частотным типом выходного сигнала.

7. Проведены исследования параметров интегральных преобразователей магнитного поля, которые показали, что они имеют малую потребляемую мощность и расширенные функциональные возможности, позволяющие производить настройку МЧ ИС для работы в различных диапазонах магнитных полей за счет использования управляющих входов.

8. Разработана оригинальная технология формирования высоко-интегрированных самосовмещенных БиКМОП структур для СБИС, изготовлены образин и проведены исследования их параметров. Показана возможность реализации МОП и биполярного магнитотранзисторов в БиКМОП базисе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Галушко'в А.И., Чаплыгин Ю.А. Применение методов самоформирования и процессов самосовмещения при изготовлении магнито-чувствительных МОП-транзисторов // М,: МИЭТ,,Сб. научн. тр., Активируемые процессы технологии микроэлектроники, 1994, С.20-32.

2. Галушков А.И., Миргородский Ю.Н., Тихомиров П.А., Чаплыгин Ю.А. Моделирование магниточувствительного элемента на основе двухстокового МОП транзистора // Микроэлектроника, 1995, N1, С.63-67.

3. Амеличев В.в., Галудков А.И., Зубенко Ф.Г., Чаплыгин Ю.А." Интегральные датчики магнитного поля.// Электронная промышленность, 1992, КЗ, С.58-59.

4. Амеличев В.В., Галушков А.П., Чаплыгин Ю.А. Оптимизация

режима работы интегрального магниточувствительного элемента на основе эффекта Холла // Измерительная техника, 1994, N4, С.43-45.

5. Галушков А.И., Макаров A.B., Сауров А.И., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A. Пороговая магнитоуправляемая интегральная схема // Электронная промышленность, 1993, N8, С.34-35.

6. Галушков А.И., Романов U.M., Чаплыгин Ю.А. Магниточувс-твительная интегральная схема с линейным выходом // М.: НИМИ, Межотраслевой н-т сборник "Научно-технические достижения", 1095, N2, С.8-9.

7. Галушков А.И., Макаров A.B., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А. Микромощная КМОП пороговая магнитоуправляемая интегральная схема // М.: ВИМИ, Межотраслевой н-т сборник "Научно-технические достижения", 1995, N2. С.9-10.

8. Волков С.И., Галушков А.И., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А. Исследование чувствительности и шумовых характеристик магнито-чувствительного элемента на основе КМОП структуры // М.: МИЭТ, Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СВИС ЛОЗУ", 1994, С.37-41.

9. Галушков А.И. Романов И.М. Чаплыгин Ю.А. Исследование, магниточувствитедьного элемента на основе двухстокового МОП транзистора // М.: МИЭТ, Сборник научных трудов "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", 1994, ■ C.31-3S.

10. Галушков А.И., Лойко К.Е., Парменов Ю.А., Сауров А.Н. Экспериментальные исследования влияния квазиокисного слоя на границе раздела поликремний- кремний на характеристики биполярных транзисторов с поликремниевыми контактами // М.: МЮТ, "Сборник научных трудов "Физика, технология и схемотехника СБИС", 1QÖ9, С. 44-51.

11. Галушков А.И.. Лойко К.Е., Ларменов Ю.А. Исследования сегрегации примесей на границах зерен в поликремниевых эмиттерных контактах биполярных транзисторов •//М. :ШЭТ, Сборник научных трудов "Физика, технология и схемотехника СБИС", 1989, С.51-59.

12. Галушков А.И.. Дорсфеев O.A., Жуков Д.Г., Сауров*А.Н. Исследование влияния поликремниевого контакта к эмиттеру на характеристики биполярного транзистора // М.: МИЭТ, Сборник научных трудов "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", 1934, С.119-130.

13. Галушков А.И., Сауров A.tt., Шабратов Д. В. ШОП-структура с субмикрояными размерами поликремниевых контактов к областям стока и истока У/ М.: МИЭТ, Сборник научных трудов "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ",

1994, С.89-95.

14. Галушков А.И., Миргородский Ю.Н., Тихомиров H.A., Чаплыгин Ю.А. Оптимизация конструкции и топологии МОП магниточувстви-тельных транзисторов на основе программы двумерного моделирования "SENSOR" // тезисы доклада на 7 Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем,измерения, контроля и управления",

1995, май, С.472-473.

15. Галушков А. И., ЗубенкоФ.Г., Романов И.М., Сауров А. Н., Чаплыгин Ю.А. Интегральный полупроводниковый датчик магнитного поля на основе двухколлекторного биполярного транзистора с подавлением боковой инжекции эмиттера // IV Научно-техническая эдфе-ренция по электронным датчикам "СЕНСОР-91", г.Ленинград, 1991, июль, С ЛОЗ-104.

16. дмеличев В.В., Волков С.И., Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А.

, Ичпштоыотр малых полей на основе биполярного магнитотранзистора

// Всероссийская научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", 1904, май, С.139-140.

17. Амеличев В.В., Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А. Разработка конструкции и исследование интегрального магниточувствителыюго элемента на основе эффекта Холла, изготовленного по КШП-технологии ИС // Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", г.Таганрог, 1994, июнь.

18. Амеличев В.В., Галушков А.И., Романов И.м., Ю.А.Чаплыгин. Разработка и исследование конструкции и технологии Формирования интегральных сенсоров вектора магнитного поля // тезисы доклада на 7 Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", 1995, май, С.478-479.

19. Галушков А.И., Макаров А.Б., Сауров, А.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A. Исследование и разработка комплекта магнито-чувствительных ИС КМОП типа // Международная конференция "СЕНСОР-ТЕХНО-93". г.Санкт-Петербург, 1993, июнь, С.51-52.

20. Галушков А.И., Макаров A.B., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A. Разработка и исследование КМОИ интегральной схемы преобразователя магнитное поле-нлпряжегше // Всероссийская нлучно-гехннчоская конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения. контроля и управления", №14, май, С. СЮ-!>7.

21. Галушков А.И., Макарон А. 15., Романоп U.M., Члилнпш Ю. Л. Схемотехнические методы номймния чупсттт'-ш.ноети мппппчл/праи ЛЯОМОЙ ИС О частотным ШХОДОМ // Г«"РЮСС11Й0К.'1Я IUV<H]0-Ti'XHl!4i\'fCV.I конференция о Ы'Адунпродш.ш участием "Ainva.fi!.ныо ниЮЛ'-мы ти-•i1'*1 >

тельной электроники и микроэлектроники", г.Таганрог, 1994, июнь.

22. Галушков А.И., Макаров А.Б., Романов И.М., Чаплыгин'Ю.А. Особенности построения схемотехники- магниточувствительных ИС с частотным выходом с повышенной чувствительностью // Международная конференция "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники", г.Москва, тезисы докладов, часть 1, 19S5, май, С.73.

23. Веселов В.Ф., Галушков А.И., Cayров А.Н., Ячиков А.Н. Исследование увеличения концентрации примеси на границе раздела поликремний-кремний // Тезисы докладов 7 отраслевой конферёнщш "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС", г. Махачкала, 1990, октябрь, С.202.

24. Галушков А.И., Сауров А.Н. Разработка и исследование технологии изготовления самосовмещенной МШ транзисторной структуры с заглубленным затвором и субмикронной длиной канала // Тезисы докладов 6 Республиканской научно-технической конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники", г. Севастополь, 1990, июнь.

25. Галушков А.И., Сауров А.Н., Шабратов Д.В. Методы самосовмещения и самоформирования в технологиях изготовления СБИС 1/ Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроз-лектроника-94", г. Звенигород, 1994, ноябрь, С.341-342.

26. Галушков А.И., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А. Магниточувс-твительный биполярный транзистор // Решение о выдаче патента на изобретение Р» от 05.01.95 Г.(заявка N«94002886 от 25.01.0' г.)

27. Амеличев В.В., Галушков А.И,, Романов И.М., Чаплыгин Ю.А. Интегральный элемент Холла // Решение о выдаче патента на изобретение РФ от 05.01.95 г. (заявка №=94018291 от 18.05.94 г.)