Введение к работе
Актуальность темы: Одним из перспективных направлений современной полупроводниковой микроэлектроники является разработка датчиков магнитного поля (ДМП), способных определять направление и измерять величину магнитного поля. Они широко востребованы в медицине, в автомобилестроении, в дефектоскопии, в геологии при исследовании новых месторождений, при создании позиционирующих и навигационных систем и во многих других областях.
Исследование и разработка новых датчиков и устройств для измерения магнитного поля настолько важны, что несколько лет назад в микроэлектронике выделилось отдельное направление, получившее название микромагнитоэлектроника. Новое направление интенсивно развивается и на сегодняшний день насчитывает уже 3 этапа своего развития от создания простых приборов до формирования сложных полнофункциональных микросистем.
Использование существующих ДМП в составе современных интегральных устройств в настоящее время связано с определенными проблемами, среди которых главными являются низкая чувствительность ДМП к магнитному полю и отсутствие общей технологии изготовления функциональной интегральной схемы и ДМП. Актуальной задачей создания современных ДМП для их использования в составе микросистемы является разработка конструкции и технологии полного интегрального исполнения элементов датчика в рамках отработанной КМОП технологии.
Главным компонентом любой магниточувствительной микросистемы (МЧМС) является магниточувствительный элемент (МЧЭ), преобразующий магнитный поток в электрический сигнал. Наиболее важным параметром МЧЭ является магнитная чувствительность. Сравнительный анализ известных из литературы МЧЭ показывает, что наиболее подходящим из них для интегрального исполнения по базовому КМОП процессу является двухколлекторный биполярный магниточувствительный транзистор (ДКБМТ). Важными свойствами ДКБМТ являются линейность выходного сигнала, высокое разрешение, высокое отношение сигнал-шум, возможность создания трехмерных векторных датчиков магнитного поля. К недостаткам ДКБМТ следует отнести недостаточную относительную токовую чувствительность (ОТЧ) известных конструкций, которая не превышает 0,4 Тл"1.
Чувствительность ДКБМТ может быть существенно повышена путем оптимизации его структуры и разработки более совершенной
конструкции. Однако сложные физические процессы в структурах ДКБМТ, обусловленные сочетанием биполярных транзисторных и гальваномагнитных эффектов, недостаточно изучены, что затрудняет поиск путей повышения его ОТЧ. Практически неизученным способом повышения чувствительности является известное из литературы явление электрического управления знаком выходного сигнала (инверсии знака) при неизменном направлении магнитного поля. Физическая природа этого явления до сих пор не исследована.
Эффективным методом решения поставленных задач является приборно-технологическое моделирование, позволяющее без проведения многочисленных натурных экспериментов получить представление о происходящих внутри прибора физических процессах, а также установить влияние отдельных конструктивно-технологических параметров на электрические характеристики ДКБМТ и на его ОТЧ. Методика комплексного исследования структур ДКБМТ с помощью приборно-технологического моделирования в настоящее время отсутствует. Разработка такой методики позволит глубоко изучить физические процессы в ДКБМТ, установить способы оптимизации его структуры и разработать новые структуры с повышенной чувствительностью.
Достоверность полученных с помощью приборно-технологического моделирования результатов необходимо проверить путем экспериментального исследования тестовых образцов разработанных новых структур ДКБМТ.
Целью диссертации является исследование и разработка структуры
латерального двухколлекторного магниточувствительного транзистора
с повышенной чувствительностью для использования его в качестве
преобразователя магнитного поля интеллектуальной
магниточувствительной микросистемы.
Для достижения поставленной задачи необходимо решение следующих научно-технических задач:
Разработать вычислительную модель структур ДКБМТ и методику их комплексного исследования с помощью приборно-технологического моделирования;
По разработанной методике провести комплексное исследование структур ДКБМТ, установить связь конструктивно-технологических и электрофизических параметров областей с электрическими характеристиками прибора и режимом его работы;
3)Численными методами исследовать физические процессы в различных структурах ДКБМТ, механизмы их магнитной
чувствительности и определить доминирующие факторы при различных режимах работы;
4)Исследовать явление инверсии знака выходного сигнала ДКБМТ при заданном направлении магнитного поля и проанализировать факторы, приводящие к смене знака выходного сигнала, а также позволяющие повысить ОТЧ прибора;
5)Используя результаты моделирования, провести оптимизацию конструкции ДКБМТ по параметру относительной токовой чувствительности;
6) На основе проведенных исследований разработать и предложить новую конструкцию ДКБМТ, обладающего повышенной магнитной чувствительностью и удовлетворяющего требованиям КМОП процесса. Провести численные и экспериментальные исследования разработанных структур в диапазоне индукции магнитных полей.
Научная новизна:
1) На основе пакета программ ISE TCAD разработана вычислительная
модель и методика расчета магниточувствительных транзисторов.
На основе численного моделирования подтверждена ранее обнаруженная экспериментально инверсия знака выходного сигнала при неизменном направлении магнитного поля, позволяющая повысить чувствительность.
Исследован механизм инверсии знака выходного сигнала в структуре ДКБМТ, сформированного в подложке. Показано, что при высокой скорости поверхностной рекомбинации изменение знака выходного сигнала обусловлено магнитоконцентрационным эффектом, приводящим к модуляции инжекции эмиттерного р-п перехода.
Для структуры ДКБМТ, сформированного в диффузионном кармане, определены факторы, определяющие инверсию знака выходного сигнала. Установлено, что необходимым условием является разделение потока электронов в подложке на два потока, текущие к контактам подложки, достижение среднего уровня инжекции в подложке и заливание ОПЗ коллекторного р-п перехода под эмиттером.
Установлено, что уменьшение толщины подложки приводит к повышению ОТЧ в области инверсии знака выходного сигнала для ДКБМТ, сформированного в кармане. Данные исследования позволили разработать структуру ДКБМТ в двойном кармане, обладающую повышенной ОТЧ.
Практическая значимость работы.
С использованием средств ISE TCAD разработана методика комплексного исследования и проектирования магниточувствительных транзисторов, позволяющая установить факторы, влияющие на относительную токовую чувствительность, и оптимизировать структуру ДКБМТ с целью повышения его ОТЧ; проводить модификацию существующих и разработку новых конструктивно-технологических решений формирования ДКБМТ.
Разработаны практические рекомендации выбора параметров вычислительной модели ДКБМТ, включающие: тип модели; размеры области моделирования; задание граничных условий, электрофизических параметров областей; снижение количества узлов сетки, обеспечивающих заданную точность и уменьшение времени счета; выбор диапазона расчетных величин для визуализации результатов расчетов; выбор режима работы транзисторов.
Проведена оптимизация конструкции и технологического маршрута структур ДКБМТ для получения максимальной ОТЧ.
Предложена, разработана и запатентована конструкция ДКБМТ в двойном кармане, выполненная по совмещенной КМОП технологии и обладающая повышенной токовой чувствительностью до 1 Тл"1.
В условиях опытного производства НПК "Технологический Центр" изготовлены и экспериментально исследованы тестовые образцы кристаллов с ДКБМТ в двойном кармане, имеющие повышенную ОТЧ.
Реализация результатов работы
1) Результаты работы (методика проектирования, конструкция,
технология изготовления приборов) использованы в опытном
производстве Государственного учреждения научно-
производственного центра "Технологический центр" МИЭТ, где были
изготовлены экспериментальные образцы ДКБМТ с повышенными
значениями ОТЧ.
2) Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс
на кафедре ИЭМС МИЭТ, используются в лекционных курсах по
учебным дисциплинам "Моделирование технологических процессов",
"Современные методы моделирования", в лабораторном практикуме
по курсу "Моделирование в среде TCAD" (учебный план ЭКТ
факультета, 8, 9, 10 семестры), направления подготовки 210100-62
«Электроника и микроэлектроника», 210104-65 «Микроэлектроника и
твердотельная электроника» и 210100-68 «Электроника и микроэлектроника» (магистерская программа 550715 «Проектирование и технология интегральных микросхем»), что подтверждено актом внедрения.
Результаты работы по теме диссертации использованы при выполнении научно-исследовательских работ в МИЭТ «458-ГБ-Интеграция-ИЭМС» «Увеличение интенсивности фундаментальных, прикладных исследований и образовательного процесса в области микро- и наноэлектроники путем укрепления материально -технической базы ЦКП», 2004, № гос. регистрации 01200302079; «547-ГБ-53- Межд. сотр.-ИЭМС» «Исследование и разработка современных методов проектирования интегральных элементов и микросхемной техники на базе научно-образовательного центра, создаваемого в МИЭТ с привлечением зарубежных партнеров», 2004, № гос.регистрации 01200311520; «РИ - 112 / 001/775» «Исследование и разработка перспективных структур для элементной базы микро - и наноэлектроники, микросистемной техники», 2004, № гос.регистрации 01200511377; «2006-РИ-112/001/196» «Разработка методов проектирования и конструктивно- технологических решений для создания элементов микро- и наноэлектроники, микросистемной техники», № гос.регистрации 01200612573, что подтверждено актом внедрения.
Результаты работы по теме диссертации использованы при выполнении аспирантского гранта на тему «473-ГБ-Гасп-53 -ИЭМС» «Исследование и разработка латерального биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора с высокой величиной относительной магниточувствительности с помощью приборно-технологической САПР», 2002.
Представляются к защите
Разработанная вычислительная модель ДКБМТ, реализованная в среде приборно-технологического моделирования, и методика расчета структур ДКБМТ, обеспечивающие возможность их исследования с целью повышения относительной токовой чувствительности.
Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования ISE TCAD закономерности, связывающие величину ОТЧ ДКБМТ с электрофизическими и конструктивно-технологическими параметрами прибора.
Конструкция и технологический процесс формирования ДКБМТ в двойном кармане, выполненного по совмещенной КМОП технологии и обладающего повышенной токовой чувствительностью до 1 Тл"1.
4. Результаты экспериментального исследования тестовых образцов ДКБМТ в двойном кармане, изготовленных на основе базового КМОП технологического маршрута и имеющих увеличенную до 1Тл-1 величину ОТЧ.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2002; IX всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002", Москва, Зеленоград, 2002; 4-я Международная научно - техническая конференция "Электроника и информатика -2002", Москва Зеленоград; Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2003", Москва Зеленоград; XV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления "ДАТЧИК - 2003", Москва, 2003; 11-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2004", Москва Зеленоград, 2004; 12-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005", Москва Зеленоград, 2005; Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005", Москва, 2005; V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2005", Москва, Зеленоград, 2005; International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2007", Moscow - Zvenigorod, Russia, 2007; EDM-2008, 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials, 2008; на научных семинарах кафедры ИЭМС.
Достоверность результатов. Достоверность разработанных моделей и методики исследования магниточувствительных элементов, выполненных по интегральной технологии - двухколлекторных биполярных магниточувствительных транзисторов, подтверждена результатами компьютерного моделирования, а также результатами экспертизы материалов конференций. По теме диссертационной работы получены два патента РФ на изобретения: 1) патент РФ на
изобретение 2239916 с приоритетом по дате подачи заявки от 31.01.2003 - прототип; 2) патент на изобретение № 2284612 от 27.09.2006г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 39 печатных работах, из которых 20 статей, в том числе 9 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, 19 тезисов докладов. Имеются 2 электронные публикации. По теме диссертации получены 2 патента.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения и использования результатов работы, списка используемых источников из 194 наименований.
