автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Элементы Холла с высоким разрешением по магнитному полю на основе МОП структур

На правах рукописи

#

сС -Л/ \

АМЕЛИЧЕВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

ЭЛЕМЕНТЫ ХОЛЛА С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПО МАГНИТНОМУ ПОЛЮ НА ОСНОВЕ МОП СТРУКТУР.

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

вд

микроэлектроника и наноэлектроника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в НПК "Технологический Центр" при Московском Государственном институте электронной техники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.А. Чаплыгин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.И. Мурыгин кандидат технических наук, доцент Б.И. Подлепецкий

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт микроэлектроники и информационно-измерительной техники.

Защита состоится "_"_1998 г. в_ч._мин. на заседании диссертационного совета Д.053.02.02 при Московском Государственном институте электронной техники по адресу: 103489, Москва К-489, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института электронной техники.

Автореферат разослан " _1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.053.02.02 доктор технических наук, профессор

!кО 11 гс г? Л.к. Волков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В докладе, подготовленном одной из фирм США в начале 90-х годов , указывается, что "если предыдущее десятилетие было десятилетием микропроцессоров, то следующее может стать десятилетием датчиков". Это вызвано в первую очередь экономической эффективностью датчиков (отношение прироста национального продукта, связанного с их использованием, к стоимости датчиков доходит до 150!), о чем свидетельствует рост их производства на Западе. Так, например, западноевропейский рынок бесконтактных выключателей и индикаторов положения в 1996 г. оценивался в 3.3 млрд. долларов, а прогноз динамики их развития, сделанный экспертами швейцарской фирмы Intechno Consulting AG, свидетельствует, что в 2001 г. рынок увеличится до 4.6 млрд. долларов. Таким образом, так как датчики магнитного поля (ДМП) являются наиболее распространенными в области бесконтактных выключателей и индикаторов положения, то потребность в них на сегодняшний день велика и продолжает расти.

Можно выделить две основные группы применения ДМП. К первой группе относятся непосредственные применения, когда ДМП является частью магнитометра. В качестве примеров можно назвать измерения магнитного поля, считывание с магнитных лент или дисков, распознавание рисунка магнитными чернилами на банкнотах и кредитных карточках, а также управление магнитными устройствами. Ко второй группе относятся косвенные применения, когда магнитное поле служит промежуточным показателем, позволяющим обнаружить немагнитные сигналы.

Примерами могут служить бесконтактное переключение, регистрация линейного и углового перемещения, бесконтактное измерение тока и интегральные ваттметры.

Существующие интегральные магниточувствительные схемы и ДМП на их основе в качестве первичного преобразователя часто используют тонкопленочные или объемные элементы Холла, обладающие энергопотреблением на уровне нескольких сотен милливатт. В ряде случаев, при непосредственном или косвенном применении ДМП, существует ограничение по потребляемой мощности до нескольких единиц милливатт. Разработанные КМОП магниточувствительные схемы не нашли широкого применения в качестве ДМП, из-за низкой разрешающей способности по магнитному полю, обусловленной высоким уровнем собственных шумов, как самого первичного преобразователя, так и последующей схемы обработки сигнала.

В связи с выше изложенным актуальной является задача разработки элемента Холла с высоким разрешением по магнитному полю на основе МОП структуры.

Цель диссертационной работы - разработка и комплексное исследование интегральных полупроводниковых элементов Холла на основе МОП структуры с высоким разрешением по магнитному полю, для применения в составе интегральных магниточувствительных матриц и КМОП интегральных схем.

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

1. Разработана физико-математическая модель элемента Холла на основе МОП структуры, которая позволяет проводить расчет электрофизических характеристик с вариацией геометрических и технологических параметров, а также учитывать изменение температуры.

2. Установлено, что источником повышенного уровня собственных шумов МОП структуры является граница раздела кремний-оксид кремния, полученный путем локального окисления по технологии "ЛОКОС", и для повышения предельного разрешения по магнитному полю в МОП элементах Холла необходимо удалять рабочую область от этой границы раздела.

3. В результате комплексного исследования пяти разработанных МОП элементов Холла показано, что особенностью новых конструкций является низкий уровень собственных шумов, высокое значение магни-точувствительности, малая и стабильная величина начального разбаланса, малый температурный коэффициент изменения абсолютной магни-точувствительности.

4. Предложен новый принцип построения интегрального полупроводникового датчика магнитного поля, основанный на комбинации гальваномагнитных и электрофизических эффектов в одной структуре.

5. Разработан принцип построения интегральной магниточувстви-тельной матрицы, размерностью ИхМ, на основе МОП элементов Холла, позволяющий снизить число информационных выходов до двух. Практическая значимость.

1. На основе разработанной физико-математической модели МОП элемента Холла создана программа двумерного численного расчета на

ПЭВМ электрофизических характеристик под названием "SENSOR", которая позволяет:

- рассчитывать значения токов, магниточувствительности и ее температурных коэффициентов для двух областей ВАХ МОП транзистора;

- учитывать влияние конструктивных и технологических факторов на значение магниточувствительности;

- варьировать в широких пределах геометрическими и технологическими параметрами, с целью получения максимальной магниточувствительности;

- представлять графически двумерное изображение распределения эквипотенциальных и токовых линий в моделируемой области.

2. Разработаны конструкции МОП элементов Холла обладающие предельным разрешением по магнитному полю не хуже 5 мкТл, температурным коэффициентом абсолютной магниточувствительности на уровне ±0.01 %/°С.

3. На основании качественных и количественных результатов исследования выявлены закономерности основных параметров разработанных МОП элементов Холла от режима работы, от изменения величины вектора магнитной индукции и от температуры.

4. Разработана и изготовлена интегральная магниточувствитель-ная матрица, динамического типа с размерностью 10x10, на основе МОП элементов Холла с высоким уровнем разрешения, имеющая двадцать входов, для выбора магниточувствительной ячейки, и два информационных выхода, для опроса ее состояния.

Реализация результатов работы.

Разработанные конструкции МОП элементов Холла внедрены в научно-производственном комплексе "Технологический Центр" при Московском государственном институте электронной техники и использованы в программе ГНЦ Российской Федерации НПК "Технологический Центр" МИЭТ на 1996-1997 гг. "Перспективные технологии и методы изготовления современных СБИС и микроэлектронных датчиков" по тема Ли-га-17: "Разработка' новых принципов построения кремниевых магнито-чувствительных матриц высокого разрешения" (Г.Р.Ы 01960007112), что подтверждено актом о внедрении. Разработанные и изготовленные интегральные магниточувствительные матрицы на основе МОП элементов Холла используются в Обнинском институте атомной энергетики, при построении магнитного интроскопа с высокой разрешающей способностью, что подтверждено актом о внедрении.

Использование данных интегральных магниточувствительных матриц позволило:

- измерять нормальную составляющую магнитного поля;

- повысить разрешающую способность и надежность магнитных интро-скопов.

На защиту выносятся:

1. Физико-математическая модель элемента Холла на основе МОП структуры и результаты оптимизации геометрических и технологических параметров, с целью повышения магниточувствительности;

2. Новые конструкции элементов Холла на основе МОП структуры с улучшенными характеристиками по разрешающей способности, по магни-

точувствительности и по температурному коэффициенту абсолютной магниточувствительности;

3. Результаты экспериментальных исследований характеристик разработанных элементов Холла на основе МОП структуры, из которых следует, что:

-наименьшим значением эквивалентного поля шума (0.4 мкТл/СГц)^2 на центральной частоте 1 кГц) обладает конструкция прямоугольного элемента Холла на основе МОП структуры;

-наименьшим значением спектральной плотности шума (60 нВ/(Гц)1/2 на центральной частоте 1 кГц) обладает конструкция функционально-интегрированного МОП элемента Холла;

-наибольшее значение относительной магниточувствительности по току питания (374 В/А/Тл) зафиксировано в конструкции МОП элемента Холла Х-образной конфигурации;

-наименьший температурный коэффициент изменения абсолютной магниточувствительности (0.01 %/°С) установлен в конструкции МОП элемента Холла комбинированного типа.

4. Принцип построения и конструкция интегральной магниточувстви-тельной матрицы на основе МОП элементов Холла с высоким уровнем разрешения.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения , контроля и управления", (Крым, май 1994 г., 1995 г., 1997 г., 1998 г.); Научно-техническая конференция студентов и

аспирантов "Микроэлектроника и информатика", (Москва, апрель 1995 г., 1996 г., 1997 г. 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95 (- 97)", (Москва, ноябрь, 1995 г., 1997 г). Публикации.

Основные результаты работы отражены в трех статьях, одном патенте на изобретение, одном положительном решении о выдаче патента и представлены двенадцатью докладами на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 85 наименований. Объем диссертации составляет 161 страницу текста и включает 70 рисунков, фотографий и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, описываются цели, структура диссертации и ее краткое содержание.

В первой главе работы рассмотрены основные типы интегральных магниточувствительных элементов, применяемых в составе интегральных полупроводниковых датчиков магнитного поля (ИПДМП), способы применения и основные требования к ИПДМП. Основное внимание в этой главе было уделено элементам Холла и магнитотранзисторам, так как именно они чаще всего используются в составе ИПДМП.

По результатам обзора интегральных магниточувствительных элементов и интегральных схем на их основе, был сделан вывод о том, что:

- ИПДМП представляет собой, в общем случае, сложное микроэлектронное устройство, состоящее из первичного преобразователя и дополнительных схем, интегрированных на одном кристалле с ним;

- наиболее распространенными ИПДМП являются МЧИС с цифровым (бинарным) или с аналоговым (потенциальным) типом выходного сигнала, изготавливаемые по стандартной биполярной технологии ИС;

- большинство ИПДМП применяют конструктивно-технологическую интеграцию первичного преобразователя, в качестве которого часто используют элементы Холла;

- из-за трудностей в технологической и электрической совместимости магниторезисторы и магнитодиоды в составе ИПДМП не применяются, несмотря на относительно высокую их магниточув-ствительность, их эффективно используют в гибридных ДМП;

- основной проблемой в полупроводниковых магнитоэлектрических преобразователях остается повышение чувствительности и снижения ее порога;

- основным ограничением для ИПДМП с малым током потребления, изготавливаемых по КМОП технологии ИС, является высокий порог чувствительности первичных преобразователей.

С учетом выше изложенного, в диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать конструкцию элемента Холла на основе МОП структуры с высокой чувствительностью и низким ее порогом.

2. Оптимизировать геометрические и технологические параметры для разработанной конструкции МОП элемента Холла, с целью получения максимальной магниточувствительности.

3. Изготовить образцы разработанной конструкции МОП элемента Холла по стандартной КМОП технологии ИС и исследовать их основные характеристики.

4. Разработать конструкцию интегральной магниточувствительной матрицы с высоким уровнем разрешения на основе разработанной конструкции МОП элемента Холла.

5. Изготовить по КМОП технологии ИС и исследовать рабочие образцы интегральной магниточувствительной матрицы на МОП элементах Холла с высоким уровнем разрешения.

Во второй главе рассмотрены конструктивные и технологические методы снижения величины остаточной эквивалентной индукции, стабилизации начального разбаланса, увеличения магниточувствительности и снижения ее температурной зависимости. Представлены результаты исследования тестовых элементов Холла на основе МОП структуры с различной кристаллографической ориентацией.

В разделе 2.1 представлены конструкции элемента Холла и магни-тотранзистора с расщепленным стоком на основе МОП структуры, у которых максимально исключена возможность получения асимметрии рабочей области, вносящей основной вклад в значение величины начального разбаланса.

В разделе 2.2 показано, что вариация величины начального разбаланса по пластине снижается в полтора - два раза, при ориентации тока вдоль кристаллографических направлений [010], о чем свидетельствует увеличение КВГ (см. таблицу 1), установленного при исследовании тестового кристалла с тремя МОП элементами Холла, с различной направленностью токов, полученных на пластине КЭФ-4.5 (100).

Таблица 1

КВГ МОП элементов Холла с различной ориентацией

№ Режим работы МОП элемента Холла

элемента и3и=8 В; иси=1 В изи=8 В; иси=8 В

1-[П01 32 % 39 %

2 - [010] 62 % 59 %

3 - [110] 29 % 33 %

Для снижения и стабилизации величины начального разбаланса в основном применяется конструктивный метод заключающийся в ориентации тока элемента вдоль кристаллографических направлений [010] и функциональном объединении электродов у нескольких элементов Холла, так что в итоге остаточные напряжения в них вычитаются, а полезный сигнал складывается.

В разделе 2.3 изложены основные методы увеличения абсолютной магниточувствительности и снижения ее термозависимости. Установлено, что наиболее распространенным способом для увеличения магниточувствительности является использование операционного усилителя, полученного на одном кристалле с первичным преобразователем, или

комбинированное усиление в случае построения ИПДМП на активных первичных элементах. Для снижения термозависимости абсолютной маг-ниточувствительности обычно применяют дополнительные термозависимые элементы, основанные на температурной зависимости прямо смещенного р-п-перехода база-эмитгер в биполярном транзисторе с коэффициентом усиления около 100.

Одновременно увеличить значение абсолютной магниточувстви-тельности и снизить ее температурную зависимость можно в структуре МОП элемента Холла комбинированного типа. Достигается это благодаря тому, что конструктивно в структуре, напоминающей топологию МОП элемента Холла, реализованы два типа транзисторов - биполярный и МОП. В результате того, что эффекту Холла сопутствуют два других - Гаусса и модуляция инжекции, значение абсолютной магниточувствительности МОП элемента Холла, при протекании через него тока в 100 мкА, увеличивается в 2.5 раза. Так как, в качестве истокового контакта МОП элемента Холла применяется эмиттер, то снижение температурного коэффициента абсолютной магниточувствительности до 0.01 %/°С достигается благодаря температурной зависимости прямо смещенного р-п перехода база-эмиттер.

В третьей главе описывается физико-математическая модель, метод и алгоритм решения задачи о расчете электрофизических характеристик элемента Холла на основе МОП структуры.

За основу модели МОП элемента Холла принята модель МОП транзистора с длинным и широким каналом. При построении модели были использованы следующие предположения и ограничения:

1) допустимый диапазон рассматриваемых магнитных полей, удовлетворяет условию Ц гВ й 1 , где ц - дрейфовая подвижность носителей заряда в канале; г - коэффициент рассеяния для носителей заряда; В - индукция магнитного поля.

2) магнитное поле направлено перпендикулярно направлению протекания тока (плоскости кристалла);

3) при решении уравнения непрерывности тока учитывается только дрейфовая компонента тока;

4) вычисление чувствительности элемента Холла проводится только в надпороговом режиме работы МОП транзистора;

5) при переходе из "крутой" области ВАХ МОПТ в "пологую" (режим отсечки канала) предполагается, что носители имеют скорость, равную скорости насыщения.

' В модели используются:

- уравнение непрерывности тока для двухмерной области, соответствующей каналу прибора;

- выражение для плотности тока, учитывающее наличие магнитного поля;

- выражение для поверхностной плотности заряда электронов или дырок в канале в зависимости от поверхностного потенциала;

- модель подвижности, учитывающей влияние температуры, концентрации примесей, напряженности электрического поля.

Основным уравнением модели элемента Холла является уравнение непрерывности тока в области канала , которое имеет вид

+ «иу/ау = 0, (1)

где 1Х, ]у - компоненты вектора плотности тока, зависящие от электростатического потенциала <р, который и является искомой функцией, подлежащей определению в результате решения задачи.

Уравнение непрерывности дополняется следующими граничными условиями:

- вне контактов:

I, = 0 , (2.1)

здесь л - внешняя нормаль к границе области моделирования;

- на холловских контактах:

Ф = Фы. Ф = Фы (2.2)

где Фм и фиг - постоянные потенциалы холловских контактов, подлежащие определению из двух дополнительных требований равенства нулю полных токов, протекающих через холловские контакты;

- на истоке:

Ф = Фа (2.3)

- на стоке:

Ф = Фо + и^, (2.4')

или

1, = у0<3, (2.4")

где фо - равновесный потенциал, у0 - значение скорости насыщения носителей в полупроводнике, (} - поверхностная плотность заряда носителей в канале в пристоковой области. Условие (2.4') соответствует случаю, когда изменение квазиуровня носителей заряда в пределах стокового р-п перехода мало ("крутой" участок ВАХ). Условие (2.4") соответствует

случаю, когда изменение квазиуровня в пределах стокового р-п перехода велико и имеет место насыщение дрейфовой скорости. Из этих двух условий в каждой точке стока используется то, которое дает меньшую (по модулю) величину потенциала. Если величина напряжения на стоке достаточно велика, то во всех точках стока будет использовано условие (2.4'). Минимальное из таких напряжений является напряжением насыщения^ .

Метод решения уравнений (1) - (2) заключается в преобразовании переменных и их численном решении.

Численное решение задачи производится на прямоугольной квазиравномерной сетке (разность между соседними шагами с увеличением количества узлов убывает быстрее, чем сами шаги) с использованием девятиточечного шаблона. Разностная схема построена на основе интегро-интерполяционного метода.

Итерационный алгоритм состоит в последовательном решении линейных уравнений при вычисленной с предыдущей итерации подвижности. Кроме того, по результатам предыдущей итерации определяется тип граничного условия в точках, принадлежащих стоку. Решение линейной системы алгебраических уравнений на каждой итерации осуществляется прямым методом.

В разделе 3.2 представлены результаты оптимизации геометрических, технологических параметров и режима работы элемента Холла на основе МОП структуры, с целью получения максимального значения магниточувствительности, используя программу двумерного моделирования "SENSOR".

В результате проведения оптимизации геометрических и технологических параметров п-МОП элемента Холла для получения максималь-

I

ной магниточувствительности установлено, что:

оптимальным режимом работы является режим, когда затвор закорочен со стоком при напряжении питания и88=и<и=и<1(1=4 В; оптимальным местом расположения холловских контактов, вдоль длинны канала Ь, относительно области истока является величина равная 0.7Ь;

оптимальным местом расположения холловского контакта является расстояние равное 10 мкм от боковой границы элемента Холла; ширина холловского контакта должна быть близкой к 0.5 мкм; оптимальным отношением \У/Ь является величина принадлежащая диапазону от 1 до 1.5;

увеличить магниточувствительность можно путем снижения дозы легирования в 2 раза и одновременного повышения толщины БЮг до 100 нм.

В четвертой главе представлены результаты исследования пяти конструкций элементов Холла на основе МОП структуры. Выявлены характерные закономерности поведения магниточувствительности от режима работы МОП элемента Холла и от изменения его температуры. Проведен сравнительный анализ основных характеристик элементов Холла на основе МОП структуры и показано, что уровень собственных шумов в конструкциях с рабочей областью удаленной от границы раздела кремний-оксид кремния, выращенного по технологии локального окисления

"ЛОКОС", ниже чем в конструкциях, когда конфигурация рабочей области определяется "-ЮКОСом".

На рис. 1 показаны зависимости абсолютной 1 и относительной 2 магниточувствительности МОП элемента Холла Х-образной конфигурации в режиме затвор закорочен со стоком от напряжения питания. Из этого рисунка следует что, оптимальное напряжение питания составляет 5-6 В.

Sa, В/Тл Sri, ВА-'Тл1

23456789 1Ш, В

Рис. 1. Зависимости магниточувствительности (1-асолютной и 2-относительной) МОП элемента Холла Х-образной конфигурации от напряжения питания

Основные результаты исследования параметров МОП элементов Холла, конструкции которых были представлены в данной главе, отражены в сравнительной таблице 2.

Таблица 2

Основные параметры интегральных магниточувствительных элементов

10 Гц I кГц

№ и-, в», ии, Взс. Б., тсэ.

к-тр. Примечание

мкй мкТл мкВ мкТл мВ мД

Гц'/2 Гц'/2 Гц'/2 Гц'/2 Тл АТл "С

1 0.45 2.9 0.13 0.8 156 200 -0.38 разработка

2 0.27 1.8 0.07 0.4 149 230 -0.40 разработка

3 0.23 2.1 0.07 0.6 112 374 -0.43 разработка

4 0.22 1.8 0.06 0.5 121 135 -0.42 разработка

5 1.62 22 0.21 2.8 73 241 0.01 разработка

6 - - 0.07 10 7 7000 -

7 - - 0.5 0.3 1570 1750 -

8 - - 2.4 2 1200 1715 -

9 - - 28 7 4000 40000 -

10 0.38 4.5 0.13 1.5 85 10 -

- Значения вычислены из представленных в публикации данных.

1 - Прямоугольная на основе МОП транзистора;

2 - Прямоугольная на основе МОП структуры;

3 - Х-образная на основе МОП структуры;

4 - Функционально-интегрированная на основе МОП структуры;

5 - МОП элемент Холла комбинированного типа;

6 - МОП элемент Холла, площадь канала 10000 мкм2;

7 - БМТ, р-п-р, 1э=0.9 мА;

8 - БМТ, п-р-п, 1э=0.7 мА;

9- КМОП.

10 - ЛМТ, р-п-р, 1э=8 мА.

В пятой главе представлена конструкция, принцип работы и основные характеристики интегральной магниточувствительной матрицы на основе МОП элемента Холла с высоким уровнем разрешения. Приведен пример использования магниточувствительной матрицы в составе дефектоскопа ферромагнитных материалов.

Магниточувствительная ячейка, основана на комбинации элемента Холла Х-образной конфигурации на основе МОП структуры (ТН), обозначенный на схеме как МОП транзистор с двумя дополнительными контактами Ы и Ь2, и двух усилительных МОП транзисторов (Т1 и Т2). Исследования характеристик магниточувствительной ячейки были проведены при напряжении питания и,и=9.0 В. Общее потребление по току составило 642 мкА. При нагрузочных резисторах номиналом 30 кОм значение относительной магниточувствительности зафиксировано на уровне 1870 В/А/Тл. На рис. 8. показана передаточная характеристика интегральной магниточувствительной ячейки. Нелинейность выходного сигнала иоиКВ составляет меньше 1 %. Эквивалентное поле шума выходного сигнала, измеренного на центральной частоте 1 кГц при температуре 25 °С, составил 0.85 мкТл/СГц)172, при значении абсолютной магниточувствительности 1.2 В/Тл. С ростом температуры кристалла от 25 °С до 100 °С

значение абсолютной магниточувствительности изменялось с коэффициентом -0.57 %/°С.

Принцип построения магниточувствительной матрицы, состоящей из МОП элементов Холла с двумя усилительными МОП транзисторами, основан на объединении функциональных электродов ТН по строкам и по столбцам. Такой принцип построения позволяет путем задания определенного кода потенциалов на строку и столбец выбрать для опроса любой из всего массива МОП элемент Холла. Причем влияние всех других элементов на его характеристики будет исключено, из-за отсутствия протекания в них тока, и полной гальванической развязки с помощью диэлектрика под затворами усилительных МОП транзисторов Т1 и Т2, стоки которых тоже объединяются в соответствие с нумерацией холлов-ского контакта. Расстояние между МОП элементами Холла равно 350 мкм по X направлению и 250 мкм по У направлению.

Малый ток потребления интегральной магниточувствительной матрицы на МОП элементах Холла позволяет сделать сканирующее устройство магнитного интроскопа портативным, и использовать его в полевых условиях, например для контроля сварных швов магистральных трубопроводов с помощью неразрушающего контроля. Так как магниточувстви-тельная матрица имеет чувствительность к нормальной составляющей вектора магнитной индукции, то с ее помощью можно определить границы структурного дефекта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана физико-математическая модель МОП элемента Холла, на основе которой была создана программа двумерного численного расчета с помощью ПЭВМ электрофизических характеристик под названием "SENSOR", позволяющая:

- рассчитывать значения токов, магниточувствительности и ее температурных коэффициентов для двух областей ВАХ МОП транзистора;

- учитывать влияние конструктивных и технологических факторов, на значение магниточувствительности;

- варьировать в широких пределах геометрическими и технологическими параметрами, с целью получения максимальной магниточувствительности;

- представлять графически двумерное изображение распределения эквипотенциальных и токовых линий в моделируемой области.

На основе результатов оптимизации, полученных с помощью программы "SENSOR", была разработана и изготовлена конструкция МОП элемента Холла, имеющая значение абсолютной магниточувствительности 70 мВ/Тл в оптимальном режиме работы.

2. Разработаны, изготовлены и исследованы следующие конструкции элементов Холла:

а) прямоугольной конфигурации на основе МОП транзистора;

б) прямоугольной конфигурации на основе МОП структуры;

в) Х-образной конфигурации на основе МОП структуры;

г) функционально-интегрированная на основе МОП структуры;

д) комбинированного типа на основе МОП структуры.

В результате исследования пяти конструкций, разработанных МОП элементов Холла, показано, что наименьшим эквивалентным полем шума на центральной частоте 1 кГц обладает прямоугольная конфигурация, наибольшей магниточувствительностыо - Х-образная конфигурация, наибольшей стабильностью величины начального разбаланса и наименьшим уровнем собственных шумов - функционально-интегрированная конструкция, наименьшей температурной зависимостью абсолютной магниточувствительности - конструкция комбинированного типа.

3. Анализ экспериментальных результатов исследования собственных шумов в полученных конструкциях элементов Холла показал, что источником повышенного уровня собственных шумов является граница раздела кремний-оксид кремния, полученный путем локального окисления по технологии "ЛОКОС", так, у конструкции элемента Холла на основе МОП транзистора, где рабочая область прямоугольной формы ограничена "ЛОКОСом", уровень собственных шумов выше в 1.8 раза, чем у конструкции элемента Холла на основе МОП структуры, у которой рабочая область, такой же прямоугольной формы, удалена от границы "ЛОКОСа" на 30 мкм.

4. Предложен новый принцип построения интегрального полупроводникового датчика магнитного поля, основанный на комбинации гальваномагнитных и электрофизических эффектов в одной структуре. Суть данного принципа отражена в конструкции МОП элемента Холла комбинированного типа, имеющего значение абсолютной магниточувствительности 73 мВ/Тл, при температурном коэффициенте ее изменения ±0.01 %/°С.

5. Разработан принцип построения интегральной магниточувствительной матрицы, размерностью ИхМ, на основе МОП элементов Холла, позволяющий снизить число информационных выходов до двух. На основе данного принципа разработана и изготовлена интегральная магнито-чувствительная матрица, динамического типа с размерностью 10x10, на основе МОП элементов Холла с высоким уровнем разрешения (по магнитному полю 5 мкТл, по пространству не хуже 350 мкм), имеющая двадцать входов, для выбора магниточувствительной ячейки, и два информационных выхода, для опроса ее состояния.

6. На основании качественных и количественных результатов исследования, выявлены закономерности основных параметров, разработанных МОП элементов Холла, от режима работы, от изменения величины вектора магнитной индукции и от температуры.

Таким образом, в данной работе проведен комплекс исследований направленный на улучшение основных параметров МОП элементов Холла. В результате чего, разработана физико-математическая модель и про, грамма численного моделирования для ПЭВМ элемента Холла на основе МОП структуры, получены новые конструкции и результаты исследований изготовленных по стандартной КМОП технологии ИС МОП элементов Холла с низким уровнем собственных шумов, высоким разрешением по магнитному полю, низким током потребления и малым температурным коэффициентом абсолютной магниточувствительности. На основе новой конструкции МОП элемента Холла, Х-образной конфигурации, разработана и изготовлена интегральная магниточувствительная матрица с высоким пространственным разрешением.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, Ф.Г. Зубенко, Ю.А. Чаплыгин, "Интегральные датчики магнитного поля", Электронная промышленность, N-3, с. 58-59, 1992.

2. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, Ю.А Чаплыгин, "Оптимизация режима работы интегрального магниточувствительного элемента на основе эффекта Холла", Измерительная техника, 4, с. 43-45,1994.

3. В.В. Амеличев, Ю.А Чаплыгин, "Интегральный сенсор магнитного поля комбинированного типа", Известия ВУЗов, Электроника, 2, с.41-44, 1998.

4. В.В. Амеличев, "Способ компенсации изменения магниточувствительности в п-МОП элементе Холла при изменении температуры сенсора", Тезисы докладов на межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 96", с. 18,1996.

5. В.В. Амеличев, С.И. Волков, Ю.А. Чаплыгин, "Биполярный магнитот-ранзистор со схемой компенсации температурного изменения магниточувствительности", Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления, VIII научно-техническая конференция. Тезисы докладов, с. 208-209,1996.

6. В.В. Амеличев, Ю.А. Чаплыгин, "Сенсор магнитного поля комбинированного типа", Тезисы докладов на второй Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика - 97", ч. 1., с. 203, 1997.

7. В.В. Амеличев, C.B. Шубин, "Исследование влияния топологии элемента Холла на его электрофизические параметры", Тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика - 97", с. 32, Зеленоград 1997.

8. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, Ю.А. Чаплыгин, "Разработка конструкции и исследование интегрального магниточувствительного элемента изготовленного по КМОП-технологии ИС", Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", с. 68-69, Таганрог, 1994.

9. В.В. Амеличев, С.И. Волков, А.И. Галушков, Ю.А. Чаплыгин, "Магнитометр малых полей на основе биполярного магнитотранзистора". Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, тезисы докладов ,с. 139-140, май 1994.

10. Амеличев В.В., Галушков А.И. "Влияние температуры на электрофизические параметры интегрального n-МОП элемента Холла." Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ", Таганрог, тезисы докладов, с. 68-69, июнь 1995.

11. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, С.Ю. Храброва,- "Влияние технологии формирования на параметры поликремниевых резисторов", Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика -95", Зеленоград, ноябрь, 1995 г.

12. B.B. Амеличев, С.И. Волков, А.И. Галушков, Ю.А. Чаплыгин, "Способ температурной компенсации магниточувствительности биполярного магнитотранзистора", Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95", Тезисы докладов, с. 40, Зеленоград, ноябрь, 1995 г.

13. A.A. Абакумов, В.В. Амеличев, А.И. Галушков, B.JI. Лебедев, "Исследование интегрального матричного преобразователя магнитного поля на основе МОП магнитотранзисторов". Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления., IX научно-техническая конференция. Тезисы докладов, Гурзуф Май, 1997, с. 71-72.

14. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, Ю.Н. Миргородский, П.А. Тихомиров, Ю.А. Чаплыгин, "Моделирование сенсора магнитного поля на основе МОП элемента Холла", Гурзуф, Май, 1998.

15. В.В. Амеличев, C.B. Шубин, "Интегральные магниточувствительные матрицы и влияние методов сборки на их работу", Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Тезисы докладов, ч. 1, с. 3, Москва, Зеленоград 1998.

16. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, И.М. Романов, Ю.А. Чаплыгин, "Интегральный элемент Холла", Патент на изобретение №2055422, 1996.

17. В.В. Амеличев, А.И. Галушков, И.М. Романов, Ю.А. Чаплыгин, "Двухстоковый МОП магнитотранзистор", Решение о выдаче патента на изобретение №96107574/25 (012125), 1997.

Заказ 87. Тираж 80. Объем 1.1 уч. изд.-л. Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ).