Исследование и разработка КНИ полевых датчиков Холла с расширенными функциональными возможностями Павлюк Михаил Ильич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор современного состояния кремниевых микроэлектронных датчиков магнитного поля 13

1.1 Современные чувствительные элементы микроэлектронных датчиков магнитного поля 14

1.2 МДПДМ полевой датчик Холла, его свойства и возможности 21

1.3 Обоснование направления исследований 29

Глава 2 Объекты изучения и методы экспериментальных исследований 33

2.1 ПДХ с управлением p-n переходами и с МОП управлением 33

2.2 Методы экспериментальных исследований 43

Глава 3 Исследование характеристик ПДХ с различными типами полевого управления 51

3.1 Моделирование ПДХ, управляемых p-n переходами 51

3.2 Описание экспериментальных образцов 59

3.3 Экспериментальные исследования тестовых элементов Холла на основе КНИ структур, изготовленных по технологии XT018 62

3.4 Экспериментальные исследования тестовых элементов Холла, изготовленных по технологии XT035 76

3.5 Моделирование ПДХ с МОП управлением 80

3.6 Анализ температурного диапазона функционирования ПДХ с различными типами полевого управления 93

Выводы к главе 3 104

Глава 4 Разработка магниточувствительных датчиков на основе ПДХ 106

4.1 Датчики с частотным выходом 106

4.2 Принципы создания активного сенсора для многоэлементных преобразователей магнитного поля 116

Выводы к главе 4 130

Заключение 131

Список сокращений и условных обозначений 142

Список литературы 143

Приложение А 150

Приложение Б 155

Приложение В 158

Справки о внедрении 161

• МДПДМ полевой датчик Холла, его свойства и возможности
• Моделирование ПДХ, управляемых p-n переходами
• Анализ температурного диапазона функционирования ПДХ с различными типами полевого управления
• Принципы создания активного сенсора для многоэлементных преобразователей магнитного поля

Введение к работе

Актуальность темы

Улучшение характеристик и расширение функциональных возможностей датчиков внешних воздействий является актуальной задачей, существенно важной для выполнения Стратегии научно-технического развития РФ. К таким датчикам относятся и датчики магнитного поля, разработке и исследованию которых посвящена данная работа. Датчики магнитного поля сегодня – одни из наиболее востребованных и массово производимых датчиков, что обусловлено очень широким полем их практического применения в контрольно-измерительных системах военного, специального и общегражданского применения. В частности, новое поколение датчиков магнитного поля востребовано для развития таких сквозных технологий, как робототехника, сенсорика, промышленный интернет, реализация которых предусмотрена Правительственной программой «Цифровая экономика РФ».

При проведении таких разработок существенны не только технические, но и экономические аспекты. В связи с этим данная работа основывается на хорошо известных базовых процессах кремниевой микроэлектронной технологии. Конструктивно разработка базируется на предложенном в России новом типе магниточувствительного элемента – так называемом полевом датчике Холла (ПДХ), конструкция которого позволяет не только улучшить характеристики и надёжность датчиков, но и расширить их функциональные возможности, что является крайне актуальной и своевременной научно-технической задачей.

Цель работы

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке элементов и
датчиков магнитного поля с расширенными функциональными возможностями
с использованием современных методов проектирования и технологических
процессов, ориентированных на практическую реализацию

высокоэффективных, как по техническим, так и по коммерческим параметрам, преобразователей магнитного поля.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработать физические модели элемента Холла с полевым управлением током канала, реализуемого на основе МДП и p-n-p структур, и осуществить математическое моделирование приборов с целью установления закономерностей, определяющих связь электрических характеристик преобразователей с их конструктивно-технологическими параметрами.

2. Определить оптимальные конструктивные и технологические параметры управляемых p-n переходами полевых элементов Холла в диапазоне проектных норм промышленных процессов КМОП технологии 0,18 – 0,6 мкм, ориентированных на изготовление интегральных датчиков магнитного поля с использованием ИС интерфейсной электроники.

3. Экспериментально исследовать возможности полевого управления электрофизическими параметрами и характеристиками магнитной

чувствительности датчиков Холла с различными типами полевого управления (МОП, p-n).

4. Экспериментально исследовать температурные свойства элементов Холла с МДПДМ и p-n управлением и оценить пределы функционирования соответствующих ПДХ в широком диапазоне температур.

5. Продемонстрировать возможность и целесообразность использования ПДХ в датчиках магнитного поля различного функционального назначения на основе новых схемотехнических решений.

6. Разработать ряд элементов интерфейсной электроники, обеспечивающих возможность создания магнитных датчиков на основе ПДХ с повышенной рабочей температурой.

7. Обосновать и экспериментально продемонстрировать целесообразность использования управляемых полем КНИ чувствительных элементов транзисторного типа для разработки нового поколения высокочувствительных датчиков различных физических воздействий.

Научная новизна работы

1. Предложены и обоснованы физические модели, объясняющие
особенности магнитопередаточных характеристик КНИ ПДХ с различными
типами полевого управления.

2. Проведено приборно-технологическое моделирование и определены
закономерности влияния величины и знака потенциала затвора и основных
конструктивно-технологических параметров КНИ ПДХ с МОП-управлением на
магниточувствительность датчика.

3. В результате анализа характеристик тестовых образцов КНИ ПДХ с
управлением р-n переходами установлены и объяснены зависимости
распределения потоков носителей заряда от расположения стоковых областей
датчика.

4. С учётом особенностей работы КНИ ПДХ в широком диапазоне
температур проведены теоретические оценки верхней границы рабочих
температур КНИ ПДХ в зависимости от типов полевого управления (МОП или
биполярное), показывающие, что предельные рабочие температуры КНИ ПДХ
могут достигать 400 – 500 С.

5. Рассмотрены схемотехнические пути расширения функционала КНИ
ПДХ и показано, что, используя методы интегрирования информационного
магнитоиндуцированного сигнала, возможно создание многоэлементных
преобразователей магнитного поля широкого применения при одновременном
существенном увеличении пороговой магниточувствительности.

Практическая значимость результатов диссертации

1. Проведён анализ целесообразных областей применения КНИ ПДХ с различными типами полевого управления в датчиках магнитного поля в

зависимости от требования к чувствительности, температурному диапазону и энергопотреблению сенсорного устройства.

2. Экспериментально показано, что рабочая температура КНИ МДПДМ
ПДХ достигает, как минимум, 330 С, что на 180–200 С превышает таковую для
традиционных кремниевых элементов Холла.

3. Разработан и реализован мультифункциональный многоканальный
датчик магнитного поля и температуры с частотным выходом на основе МДПДМ
ПДХ, не имеющий зарубежных и отечественных аналогов.

8. Разработан и реализован высокотемпературный (Т_макс = 250 С) ПДХ с биполярным управлением, в котором n-канал отделен от внешнего и внутреннего слоев SiO₂ областями дырочной проводимости, что позволило увеличить рабочую температуру.

9. Разработаны и реализованы четырёхэлементный ПДХ с p-n управлением, обеспечивающий подавление остаточного напряжения более чем на порядок величины, и магниточувствительная ИС на его основе.

6. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении
прикладных научных исследований по соглашению о предоставлении субсидии
Минобрнауки России № 14.576.21.0064 от 06.11.2014 по теме «Разработка
конструктивно-технологических решений по созданию семейства
микроэлектронных элементов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ),
обеспечивающего возможность создания высокотемпературных датчиков
внешних воздействий различного функционального назначения» (уникальный
идентификатор проекта RFMEFI57614X0064). Действующие макеты
бесконтактного датчика тока переданы индустриальному партнёру проекта ООО
«Испытательный технический центр микроприборов» для использования в
разработке опытных образцов бесконтактного датчика тока (БДТ).

Автор защищает

1. Подтверждённые экспериментом физические модели и результаты приборно-технологического моделирования ПДХ с различными типами полевого управления.

2. Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы полевых датчиков Холла, управляемых p-n переходами, и интегральные датчики магнитного поля на их основе.

3. Результаты исследования диапазона рабочих температур ПДХ с различными типами полевого управления.

4. Научное обоснование и схемотехнические решения реализации активных магниточувствительных многоэлементных сенсоров, обеспечивающих накопление магнитного сигнала и существенное повышение отношения сигнал/шум.

5. Разработанные и изготовленные прототипы многофункциональных многоканальных датчиков магнитного поля и температуры с частотным выходом на основе единой конструкции чувствительного элемента.

6. Обоснование целесообразности использования принципа, положенного в основу функционирования ПДХ (интеграция пассивного резистивного чувствительного элемента в структуру тонкоплёночного полевого транзистора со встроенным каналом), для создания широкого круга датчиков внешних воздействий.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность научных результатов обусловлена использованием
современных методов исследования характеристик полевых датчиков Холла,
соответствием экспериментальных данных выводам разработанных физических
моделей и результатам приборно-технологического моделирования,

многократной апробации результатов исследований на международных и отечественных научных форумах. Основные выводы работы базируются на общепринятых фундаментальных представлениях современной интегральной электроники.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Международная научная конференция «Решетнёвские чтения», Россия, Красноярск, 2012.

XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2015, Россия, Омск, 2015.

17th International Conference on Sensors and Measurement Technology SENSOR 2015, ФРГ, Нюрнберг, 2015.

Международная конференция EUROSENSORS 2015, ФРГ, Фрайбург, 2015.

Школа-конференция с международным участием "Saint-Petersburg OPEN 2016", Россия, Санкт-Петербург, 2016.

2nd International Conference on Sensors and Electronic Instrumental Advances (SEIA' 2016), Испания, Барселона, 2016.

Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC– 2016), Россия, Москва, 2016.

Научно-практическая конференция – МОН РФ-«Исследования и разработки», Москва, 2016.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликованы 14 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе 5 работ в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора диссертации

Автор работы самостоятельно определил направление теоретических и
экспериментальных работ, разработал программу проведения расчётов и

экспериментов, предложил и осуществил физическое и TCAD моделирование особенностей характеристик КНИ магниточувствительных элементов в зависимости от условий МОП или биполярного полевого управления, предложил конструкции четырёхэлементного интегрального датчика на основе p-n ПДХ, датчика с частотным выходом (ДЧВ) на основе ПДХ в режиме аккумуляции и МДПДМ КНИ тонкоплёночных транзисторов со встроенным каналом, определил области применения различных по способам управления ПДХ в зависимости от функций конкретных сенсорных устройств, обосновал целесообразность разработки новых датчиков различных физических воздействий на основе управляемых полем чувствительных элементов, осуществил анализ полученных экспериментальных результатов.

Структура работы

МДПДМ полевой датчик Холла, его свойства и возможности

Изобретённый в России МДПДМ полевой датчик Холла (ПДХ) представляет собой магниточувствительный элемент, сочетающий возможности традиционного элемента Холла и полевого транзистора со встроенным каналом и управляющей системой типа «металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл» [20, 21]. МДПДМ полевой датчик Холла изготавливается на основе структур «кремний на изоляторе» (КНИ), в которых тонкий слой кремния отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика SiO2 (рисунок 3).

Подложка, на поверхности которой сформирован металлический электрод и слой скрытого диэлектрика КНИ структуры, используется в качестве одной из МДП полевых систем. Другая полевая система имеет традиционную конструкцию. Она включает в себя слой кремния структуры «кремний на изоляторе», пленку SiO2 на его поверхности и электрод затвора на внешней поверхности пленки SiO2. В отсечённом от подложки слое кремния формируется n+–n –n+ канал, толщина которого и уровень легирования n-области таковы, что в канале существует гальваническая связь обеих управляющих систем. Благодаря этому свойства области пространственного заряда, создаваемой одной из МДП систем вблизи соответствующего интерфейса, можно изменять, варьируя потенциал затвора другой МДП системы.

Таким образом, ток канала и, следовательно, ЭДС Холла зависят от знака и величины потенциала обоих затворов МДПДМ системы, то есть от режимов их подключения к источнику питания [20–25]. В традиционных ЭХ зависимости ЭДС Холла от тока канала линейны в соответствии с законом Ома. В отличии от этого, характеристики ПДХ имеют транзисторный вид (рисунок 4) и, что весьма существенно, зависят от потенциала затворов МДПДМ системы [26].

Следует отметить, что сама по себе КНИ конструкция обуславливает улучшение ряда характеристик ПДХ по сравнению с традиционными кремниевыми ЭХ, что связано с существенно меньшей толщиной Si канала ПДХ по сравнению с традиционным ЭХ и с существованием в КНИ структуре слоя скрытого диэлектрика, являющегося барьером, препятствующем проникновению в канал ПДХ электронов и дырок, возникающих в подложке при нагреве или облучении.

Обычно Si ЭХ, используемые в магниточувствительных и магнитоуправляемых схемах, отделяют от остальных элементов ИС p-n переходами. Токи утечки последних определяют температурный предел функционирования Si ЭХ (150–170 С) [9]. В КНИ технологии используется диэлектрическая изоляция элементов ИС, в самом ПДХ p-n переходы отсутствуют, а возникающие в массивной кремниевой подложке при нагреве избыточные электроны и дырки не способны преодолевать скрытый диэлектрик КНИ структуры и влиять на проводимость канала. В силу этого КНИ транзисторы (и ПДХ не являются исключением) способны функционировать при заметно более высоких температурах [27, 28].

Кроме того, КНИ ЭХ работоспособны при температурах жидкого гелия [29–31], что физически невозможно для магниторезистивных кремниевых ЭХ поскольку при таких температурах атомы легирующей примеси в кремнии не ионизированы, соответственно, в канале отсутствуют носители тока и его сопротивление очень высоко. В тоже время известно, что полевые транзисторы МОП типа (а ПДХ является именно таким, хотя и своеобразным транзистором) вполне работоспособны в условиях глубокого криогенного охлаждения, поскольку способны использовать электроны, поступающие из источника питания [30]. Вообще говоря, именно то, что скрытый диэлектрик КНИ структуры является барьером для электронов и дырок, возникающих в подложке, явилось главной причиной интереса в 80-х годах прошлого века к разработке КНИ технологии, которая в настоящее время играет огромную роль в переходе от микроэлектроники к наноэлектронике. Диэлектрический барьер оказывается мощным фактором, позволяющим радикально повысить радиационную стойкость КНИ приборов к импульсным радиационным воздействиям. В [32–34] показано, что это обстоятельство присуще и ПДХ.

В то же время необходимо подчеркнуть, что именно существование Si ЭХ в составе тонкоплёночного КНИ МДПДМ транзистора определяет основные преимущества ПДХ. В работах [26, 35] это проиллюстрировано рядом примеров, которые обсуждаются ниже.

Прежде всего, отметим, что в любых ЭХ в отсутствии магнитного поля между холловскими контактами наблюдается разность потенциалов, так называемое остаточное напряжение Vост.

При современном уровне технологии микроэлектроники основной причиной, вызывающей появление Vост, являются упругие напряжения, возникающие в холловском кристалле, содержащем области различных по механическим свойствам материалов. В ПДХ это слой кремния, два диэлектрических слоя, кремниевая подложка, материал внешнего затвора (в нашем случае поликристаллический кремний), металлические электроды затворов и токовые дорожки. Существенную роль играют и материалы, используемые в конструкции корпуса, и термические режимы монтажа кристалла в корпусе [6]. Характерные значения Vост в ПДХ составляют 5–10 мВ, что затрудняет точные измерения слабых магнитных полей (порядка единиц миллитесла при измерении индукции постоянного магнитного поля).

Известны несколько способов уменьшения величины Vост. Наиболее распространён метод вращения тока (spinning current), состоящий в периодическом изменении направления тока в элементе Холла в процессе измерения с помощью специальной электронной схемы [6]. При этом в суммарном сигнале каждой пары измерений остаточное напряжение вычитается, а холловский сигнал удваивается.

Данный метод обеспечивает существенное подавление Vост, однако он усложняет обрабатывающую электронику. Кроме того, метод применим только к элементам Холла, геометрия которых инвариантна к повороту на 90 (квадрат, крест), тогда как во многих практических случаях целесообразно использовать элементы другой формы, например, прямоугольной, обеспечивающей возможность увеличения крутизны холловского сигнала.

Простой способ минимизации Vост, позволяющий исключить дополнительный блок обрабатывающей электроники и снять ограничения на форму кристалла, предполагает двухэлементную конструкцию элемента Холла и их параллельное соединение таким образом, чтобы Vост были разнонаправлены и подавляли друг друга, не внося вклада в результирующий сигнал [6] (рисунок 5).

Очевидно, что этот подход наиболее успешен, если значения Vост для обоих элементов максимально близки друг к другу. Это наиболее реально в том случае, когда оба элемента формируются в едином технологическом цикле на одной пластине полупроводника и имеют достаточно малые размеры (площадь менее 100 100 мкм2) при минимальном расстоянии между собой. При использовании дискретных элементов Холла больших размеров (более 200200 мкм при расстоянии между ними более 100 мкм) существенное подавление остаточного напряжения в такой паре становится проблематичным.

Иное дело двухэлементный ПДХ. Здесь различие значений Vост может быть достаточно точно скомпенсировано изменением потенциала на любом затворе одного из ПДХ при неизменном потенциале на затворе другого. Возможность компенсации остаточного напряжения путем изменения напряжения на затворе ПДХ в двухэлементной конструкции продемонстрирована в [26]. В одном корпусе были смонтированы два кристалла ПДХ размером 500 500 мкм с расстоянием между ними 500 мкм. При подаче на каждый ПДХ напряжения питания 5 В и на соединённые вместе затворы напряжения 5 В остаточное напряжение одного из них составляло 5 мВ, а другого – 3 мВ. После того как ПДХ были соединены по схеме, показанной на рисунке 5, остаточное напряжение двухэлементного ПДХ составило 2 мВ. При изменении потенциала затворов одного из кристаллов ПДХ еще на 1 В и сохранении неизменным этого потенциала в другом ПДХ выходной остаточный сигнал уменьшился до 0,1 мВ.

Вариации электрических режимов полевого управления КНИ ПДХ обеспечивают возможность управления радиационной устойчивостью при воздействии -облучения [36]. Хорошо известно, что полевые МДП-приборы весьма чувствительны к воздействию стационарного ионизирующего облучения. Основной причиной этого является образование радиационно индуцированного фиксированного заряда в подзатворном диэлектрике и заряженных поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик–полупроводник [37].

В [36] продемонстрировано существенное влияние на изменение характеристик ПДХ под действием -облучения электрических режимов его включения в процессе воздействия радиации. При этом наибольшая устойчивость достигается, если ПДХ подсоединён к источнику питания, но при этом токопроводящий канал закрыт отрицательными потенциалами затворов, и по нему протекает только очень слабый подпороговый ток, составляющий доли микроампер (рисунок 6).

Моделирование ПДХ, управляемых p-n переходами

Перед постановкой работ по проектированию экспериментальных образцов элементов Холла, управляемых p-n переходами, и датчиков на их основе проведён сравнительный анализ основных параметров полевых элементов Холла, управляемых через p-n переходы, путем приборно-технологического моделирования наиболее часто применяемых конструктивных решений, использующих КМОП технологические процессы фирмы X-FAB с проектными нормами 0,6 мкм, 0,35 мкм и 0,18 мкм, и (фирменное обозначение XT06, XH035 и XT018, соответственно).

Указанные технологии позволяют достаточно широко варьировать толщины слоёв, образующих p-n ПДХ, и концентрацию носителей тока в широких пределах. Параметры слоев, которые могут быть использованы для создания элемента Холла – поверхностное сопротивление и нижняя граница залегания проводящего слоя, приведены в таблице 2.

Существенными факторами, определяющими чувствительность элемента Холла в транзисторной структуре, являются концентрация примеси в активном слое, его толщина и расстояние залегания от поверхности полупроводника. Использование N-кармана с электронным типом проводимости в качестве активного слоя с невысокой концентрацией доноров и размещение его в глубине полупроводника на достаточном расстоянии от поверхности обеспечивают максимально возможное значение подвижности носителей заряда. Важно также реализовать проводящий слой с минимальной толщиной для достижения низкого тока потребления и, соответственно, высокой токовой чувствительности элемента. Этот параметр, однако, лимитируется областями пространственного заряда на границах p-n переходов, которые при малой толщине активного слоя могут полностью заблокировать его проводимость.

При одинаковой геометрии элементов максимальное значение ЭДС Холла будет достигаться для структур с высокой подвижностью носителей заряда. Зависимость подвижности электронов от концентрации доноров в активном слое приведена на рисунке 21 [39,49].

С учетом этих данных и полученных в результате моделирования профилей распределения примеси выявлены параметры структур элементов Холла – концентрация примеси в активном слое n-типа , под p+ слоем, подвижность носителей заряда и толщина активного слоя h, реализуемые в технологиях XT018, XH035, XT06, которые приведены в таблице 3.

Приведённые в таблице данные показывают, что технологии XH035 и XT06 обеспечивают примерно равные значения подвижности. При этом p-n ПДХ по технологии XH035 представляют собой тонкоплёночный транзистор на основе объёмных пластин кремния. Их изготовление и исследование позволяет решить одну из задач данной работы и ответить на вопрос, является ли использование КНИ технологии монопольным вариантом изготовления высокочувствительных ПДХ. При использовании КМОП процесса XT018 подвижность электронов p-n ПДХ заметно ниже, чем при их изготовлении по процессу XH035. Однако важным фактором, который необходимо принимать во внимание при разработке интегральных и многоэлементных магниточувствительных датчиков, является необходимость уменьшения площади сенсорных структур и точности совмещения топологических элементов. Здесь технологии с малыми нормами проектирования обладают несомненными преимуществами. Необходимо также иметь ввиду, что основной объём технических решений в области разработок интегральных КМОП схем, которые можно применить при интегрировании элементов Холла в приборы с интеллектуальными функциями, сегодня существенно смещается в сторону субмикронных технологий. В этой связи в настоящей работе в качестве основных технологий для разработки сенсоров выбраны технологии XH035 и XT018.

На рисунке 22 схематически показаны топологии и структуры элементов Холла в сечении 1 для технологий XT018 и XH035. Здесь L и W – соответственно, длина и ширина канала, S – исток, D – сток, G – затвор, HL и HR – холловские контакты, STI и BOX – диэлектрические изолирующие слои, FOX – полевой окисел. При моделировании варьировалась ширина элементов Холла W от 100 до 300 мкм с шагом 50 мкм. Длина элементов Холла L выбрана равной 200 мкм. Результаты моделирования зависимости тока стока ID и ЭДС Холла VH от ширины W элемента Холла для длины L = 200 мкм при воздействии магнитного поля с индукцией 64 мТл и напряжении между стоком и истоком VD = 5 В показаны на рисунках 23, 24.

Графики на рисунке 24 иллюстрируют нелинейную зависимость ЭДС Холла от ширины элемента для обеих технологий, причем для W/L 1,25 наблюдается насыщение зависимости. Такая зависимость ЭДС Холла от ширины характерна для прямоугольных элементов Холла и объясняется искривлением полей при больших отношениях W/L. Образцы, соответствующие технологии XH035, демонстрируют ЭДС Холла более чем в два раза превышающий аналогичный параметр для образцов, реализуемых по технологии XT018.

Далее было рассмотрено распределение ЭДС Холла по ширине канала для элемента с длиной активного слоя L = 200 мкм и шириной W в диапазоне от 100 до 500 мкм. Для этого в активный слой были добавлены дополнительные контакты между крайней парой сенсорных контактов HL0 и HR0 на равных расстояниях друг от друга, как показано на рисунке 25.

Дополнительные пары контактов HL1, HL2, …, HL9 и HR1, HR2, …, HR9 расположены на равных расстояниях относительно центрального контакта HC. На парах контактов HLn и HRn, где n =0…9 измерялась ЭДС Холла. Полученные графики зависимости ЭДС Холла VH от расстояния W, отсчитываемого от левого HL0 (или правого HR0) холловского контакта по направлению к центру структуры, при разных значениях ширины элемента Холла W представлены на рисунке 26. Первые десять маркеров на этих графиках, начиная со значения W = 0 мкм, соответствуют значениям ЭДС Холла VH, измеренным на этих парах контактов. Последний, одиннадцатый, маркер соответствует центральному контакту HC, на котором ЭДС Холла VH = 0 В.

Анализ температурного диапазона функционирования ПДХ с различными типами полевого управления

В последние годы в различных областях техники существенно увеличился запрос на микроэлектронные датчики, способные функционировать при повышенных температурах. В датчиках, работающих в диапазоне температур 475-775 К, нуждаются, например, автомобильная, авиационная и космическая электроника, контрольно-измерительная аппаратура, используемая в химической промышленности, геофизике, нефте- и газодобыче. Кроме того, существуют очевидные потребности в микроэлектронных датчиках, работающих в условиях глубокого охлаждения вплоть до температур жидкого гелия (например, для контроля характеристик сверхпроводящих магнитов в уникальных физических установках).

Когда температура опускается ниже 20К, атомы доноров и акцепторов в Si находятся в нейтральном зарядовом состоянии. При этом p-n переходы, используемые для отделения традиционного элемента Холла от подложки и управления током канала p-n ПДХ, как и n+-n омические переходы, используемые для подачи электропитания и для измерения ЭДС Холла, исчезают, и элементы Холла фактически перестают функционировать. Не в состоянии при этом функционировать и МОП ПДХ в режиме обеднения, так как в отсутствии электронов проводимости сопротивление канала становится очень большим (десятки и сотни мОм) и, и рабочий ток, соответственно, становится исчезающее малым. Однако ПДХ в режиме обогащения, как это будет показано ниже вполне работоспособен и в этих условиях.

В данной главе обосновывается физическая возможность существенного расширения рабочего диапазона ПДХ в область как высоких, так и низких температур, обусловленные особенностями конструкции ПДХ и электрическими режимами их функционирования.

Хорошо известно, что верхний предел функционирования транзисторов ограничен двумя физическими механизмами – утечками тока p-n переходов и термической генерацией электронно-дырочных пар с повышением температуры [54]. При этом первый из упомянутых механизмов начинает проявляться при таких температурах, когда влияние термогенерированных носителей еще пренебрежимо мало. Именно утечки p-n переходов, используемых для изоляции кремниевого элемента Холла и интеграции с ИС инфраструктурной электроники в магниточувствительных и магнитоуправляемых кремниевых ИС, препятствует их функционированию при температурах выше 150 – 170 С. В конструкции ПДХ, представляющего собой КНИ МДПДМ транзистор со встроенным обогащённым каналом, p-n переходы отсутствуют, следовательно, отсутствуют и связанное с упомянутыми токами утечки ограничение рабочей температуры.

Рассмотрим, как термогенерация электронов и дырок способна повлиять на электропроводность канала ПДХ и, тем самым, на их функционирование при повышенных температура. Начнем с МДПДМ ПДХ, работающего в режиме аккумуляции электронов у границ с подзатворными окислами. Влияние термогенерации электронов и дырок на ток такого ПДХ должно начать проявляться при таких значениях температуры, при которых их концентрация становится сравнимой со средним значением концентрации электронов в обогащенных электронами каналах.

Для оценки среднего значения концентрации электронов в обогащённых каналах было рассчитано распределение концентрации электронов в поперечном сечении канала ПДХ в режиме аккумуляции в зависимости от потенциала затворов МДПДМ системы. Рассматривался статический случай, когда к обоим затворам прикладывается положительный одинаковый по величине потенциал, а ток в канале отсутствует.

При расчёте было принято, что толщина обоих диэлектриков МДПДМ системы одинакова и равна 0,2 мкм, толщина канала составляет 0,2 мкм. Эти конкретные значения соответствовали таковым для одной из партий экспериментальных ПДХ. Решалось уравнение Пуассона в предположении, что величины заряда в обоих диэлектриках равны между собой, атомы легирующей примеси положительно ионизованы, приложение потенциала к затворам не приводит к появлению токов утечки через диэлектрик, распределения рассчитываются для температуры 300 К.

При такой постановке задачи распределения концентраций электронов у обоих Si-SiO2 границ в канале ПДХ идентичны и симметричны относительно линии, проходящей по середине канала. Рисунок 67 иллюстрирует характерные расчётные распределения электронов в канале вблизи Si-SiO2 границ при двух различных значениях потенциала затворов.

В таблице 5 представлены значения средней концентрации электронов в каналах ПДХ с аккумуляцией для различных потенциалов затворов и уровня легирования слоя Si КНИ структур. Из представленных на рисунке и таблицы данных видно, что средние значения пасс не будут изменяться под влиянием термогенерации вплоть до весьма высоких температур, существенно превосходящие таковые для традиционных Si ЭХ и КНИ транзисторов с индуцированным каналом.

С практической точки зрения предельная рабочая температура ПДХ зависит от требуемого вида выходного сигнала датчика магнитного поля (аналоговый или цифровой) и от требуемой точности измерений. В силу этого концентрация термогенерированных носителей при заданной температуре и среднее значение концентрации электронов в обогащенных каналах ПДХ должны быть связаны соотношением щ(Т) = к пасс, где к - коэффициент, учитывающий требования к выходному сигналу, требования к предельной температуре для датчика и к его метрологическим характеристикам.

Так, для датчика с аналоговым выходом резонно предположить, что k = 0,01 должно реализовываться в датчиках, обеспечивающих точность измерения магнитного поля при различных температурах порядка 1%. При k = 0,1 точность аналогового датчика изменится в 10 раз, но при этом датчик с цифровым выходом (магнитологическая ячейка) будет уверенно функционировать, так как сигналы логического ноля и единицы будут соотноситься как 1:9. Очевидно, что условие k = 0,5 может быть использовано скорее всего только в датчиках с цифровым выходом. В таблице 5 представлены оценки предельной рабочей температуры с учётом упомянутого функционального критерия (k = 0,01; 0,1; 0,5). Легко видеть, что даже при наименьших использованных в расчёте значениях концентрации доноров и потенциала затворов (51014 см-3 и 4 В, соответственно) аналоговые датчики на основе НЗ ПДХ, функционирующих в режиме аккумуляции, могут функционировать при температурах порядка 315 С, а цифровые – вплоть до температуры порядка 500 С. При этом повышение напряжения на затворах до значения 12В обеспечивает возможность увеличения рабочей температуры аналоговых и цифровых датчиков до 425 С и 700 С соответственно.

При экспериментальном исследовании влияния температуры на характеристики ПДХ в режиме аккумуляции было продемонстрировано их уверенное функционирование вплоть до температуры 330С (см. [55–57]). Продвижение к более высоким температурам ограничивалось лишь отсутствием высокотемпературных корпусов, в которых были бы смонтированы ПДХ, и оно не было обусловлено какими-либо физическими свойствами ПДХ.

Таким образом показано, что достигнутые экспериментально значения предельной рабочей температуры аккумуляционного ПДХ на 150–180С превышают предельные температурные возможности традиционных кремниевых элементов Холла. При этом очевидно, что при определенных конструктивно технологических решениях, которые обеспечат изготовление высокотемпературных корпусов, предельная рабочая температура ПДХ может быть значительно увеличена. Но для практики принципиально важно, что уже достигнутые предельные температуры МДПДМ ПДХ сопоставимы с рабочей температурой элементов Холла на основе широкозонных полупроводников, производство которых по технико-экономическим показателям существенно уступает производству КНИ элементов Холла. Если в КНИ ПДХ использовать электрический режим, при котором потенциал затворов имеет отрицательный знак (режим обеднения) и по модулю превосходит потенциал плоских зон обоих Si-SiO2 систем, температурный предел функционирования определяется значением исходной концентрации доноров в канале. Достоинство обеднённого режима ПДХ состоит в том, что его пороговая чувствительность при концентрации доноров, не превышающей порядка 1016 см-3 (то есть когда подвижность электронов в канале велика и ещё не снижается из-за роста фононного рассеяния) [39], выше, чем ПДХ с аккумуляцией, поскольку области пространственного заряда в ПДХ обеднены электронами или обладают p-проводимостью, что исключает уменьшение подвижности электронов в канале за счёт рассеяния на поверхностных состояниях. Увеличение концентрации доноров в канале ПДХ с целью повышения предельной температуры вполне возможно, но оно будет сопровождаться уменьшением магниточувствительности как из-за уменьшения подвижности электронов с ростом температуры по фононному механизму, так из-за повышения вероятности рассеяния на свободных носителях тока, возрастающего по мере увеличения их концентрации. Определённый недостаток режима обеднения состоит также в том, что область максимальной магниточувствительности имеет форму достаточно узкого пика на передаточной характеристике, вследствие этого весьма малые изменения потенциала затворов сопровождаются заметным изменением магниточувствительности.

Принципы создания активного сенсора для многоэлементных преобразователей магнитного поля

Разработка многоэлементных преобразователей магнитного поля актуальна в связи с возникающими задачами по развитию современных систем магнитной диагностики и дефектоскопии. Для решение этих задач необходимо, с одной стороны, выявить наиболее оптимальный вариант магнитного сенсора, входящего в состав многоэлементного (строчного или матричного) преобразователя магнитного поля, а с другой, – найти схемотехнические и конструктивные решения, обеспечивающие считывание и обработку сигналов с высоким быстродействием и низким уровнем шума.

Основные направления развития многоэлементные и многоканальные преобразователи магнитного поля рассмотрены в работе [5]. В работе отмечается, что многоэлементные преобразователи магнитного поля различаются по принципам работы и размещения магниточувствительных элементов, по способам их соединения и обработки сигнала. А именно:

- по характеру взаимного расположения магниточувствительных элементов (линейные, в которых магниточувствительные элементы располагаются в один ряд, или матричные, в которых МЧЭ располагаются по строкам и столбцам);

- по принципу преобразования магнитного поля в электрический сигнал (мгновенного действия, с частичным накоплением, с полным накоплением);

- по физическому принципу действия и способу организации отдельных магниточувствительных ячеек (гальваномагнитные элементы Холла, магниторезисторные, магнитодиодные, магнитотранзисторные и другие);

- по способу выборки информации (с параллельной выборкой, при которой информация со всех элементов структуры снимается одновременно по параллельным каналам, с последовательной выборкой, при которой информация снимается поочередно с каждого элемента в структуре, с произвольной выборкой элементов в структуре по любому, заранее заданному схемой управления закону).

Один из возможных путей формирования многоэлементных магниточувствительных массивов – гибридизация дискретных одноэлементных сенсоров. При таком способе формирования массива каждый элемент должен быть подключён к самостоятельному каналу обработки сигнала с регулируемым коэффициентом усиления. В гибридной матрице из готовых магнитных сенсоров не может быть обеспечена высокая плотность размещения элементов. При этом для достижения хорошей равномерности параметров для всех элементов матрицы необходим индивидуальный отбор образцов с предварительным тестированием характеристик каждого элемента. К достоинствам данного подхода можно отнести возможность достижения полной электрической развязки между элементами. Общим недостатком структур такого типа является наличие большого числа выводов, что накладывает существенные ограничения на возможное число элементов в структуре. Кроме того, как известно, использование подхода, связанного с гибридной сборкой электронных изделий, существенным образом сказывается на издержках производства, значительно повышая стоимость конечного продукта.

В этой связи наиболее перспективным путем реализации многоэлементных преобразователей магнитного поля представляются кремниевые интегральные массивы с сенсорными элементами на основе эффекта Холла, сформированными на КНИ структурах с полевым управлением. Такой подход обеспечивает следующие неоспоримые достоинства:

- полную электрическую изоляцию элементов друг от друга;

- возможность электрического регулирования чувствительностью элементов;

- обеспечение плотной упаковки элементов с небольшими геометрическими размерами;

- высокую степень интеграции;

- первичную обработку (усиление и интегрирование) сигнала непосредственно в ячейке массива;

- организацию строчно-кадрового считывания сигнала, обеспечивающее минимальное количество электрических выводов схемы.

Использование для создания многоэлементных магниточувствительных преобразователей современной КМОП технологии с проектными нормами до 0,18 мкм с развитыми возможностями интеллектуализации обеспечит серьезное продвижение в этом направлении.

Многоэлементные магниточувствительные устройства с последовательным опросом сенсорных ячеек или их координатной выборкой, работающим в режиме как токового (на основе магниторезисторов, рис.81а), так и потенциального (на основе вольтаических датчиков Холла, рис.81б) [5], характеризуются низким уровнем сигналов, снимаемых с нагрузки. Это обусловлено тем, что в момент опроса элемента считывается его текущее (мгновенное) значение. При воздействии на считываемый сигнал фронтов коммутирующих импульсов выделение полезной составляющей сигнала в такой структуре без применения специальных схем его обработки становится проблематичным.

Ячейка содержит магниторезистор RH, накопительную емкость Сас, транзистор Т2 считывания заряда, накопленного ёмкостью Сас, транзистор Т1 предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на магниторезисторе и затворе транзистора Т2, входной транзистор Т2 истокового повторителя и транзистор Т3 выборки строки. Ячейка функционирует следующим образом. Транзистор Т1 осуществляет начальную зарядку емкости Сас до потенциала VDD, изменение которого под действием разрядки через сопротивление RH, чувствительного к изменению магнитного поля, передается на затвор входного транзистора истокового повторителя Т2 и считывается при приложении строчного импульса на затвор транзистора Т3.

Чувствительность такой ячейки ограничена шумом накопленного на ёмкости носителей заряда Nac, среднеквадратичное значение которого SNac определяется соотношением: (SNacf = Nac

Максимальное значение N.ax и, соответственно, максимальное отношение сигнал/шум SNRmax ячейки в составе многоэлементного массива ограничена емкостью Сас, которая в свою очередь лимитируется площадью ячейки. Для достижения высокой разрешающей способности и увеличения числа пикселей необходимо уменьшать шаг их мультипликации и, соответственно, площадь ячеек, что сужает возможности создания больших массивов с высокой чувствительностью. В многоэлементных магниточувствительных преобразователях на основе ёмкостного накопления заряда, работающих в условиях высокого уровня тока /д0 и, соответственно, низкого отношения—, выделение информационной составляющей заряда представляет существенную проблему, поскольку, как указывалось ранее, требует обработки (вычитания) сигналов во внешнем микропроцессоре с предварительным запоминанием. При этом исходный информационный массив матрицы, соответствующий сигналам ячеек в отсутствии магнитного поля, требует непрерывного обновления из-за возможного изменения воздействующих внешних условий (окружающей температуры, радиации и др.).

Кроме этого, при организации на основе таких сенсоров матричных массивов необходимое начальное усиление сигнала осуществляется предусилителями, которые расположены на периферии кристалла по одному на каждую строку (столбец) матрицы. В матричном кристалле с числом элементов М X N, где М -число столбцов, а N - число строк, считывание сигнала, формируемого каждым пикселем матрицы за время кадра ту, осуществляется методом мультиплексирования с последовательной выборкой столбцов (либо строк) матрицы. Такой способ мультиплексирования обеспечивает одновременную коммутацию элементов столбца (либо строки) с предусилителями сигналов в течении времени ту/М (либо ту/iV). С увеличением числа элементов время считывания сигнала предусилителями уменьшается, что приводит к увеличению полосы частот усилительного тракта и, соответственно, к возрастанию его шума и уменьшению чувствительности.