Введение к работе
Актуальность. Интенсивное развитие информационно-измерительных и контрольно-измерительных систем, средств автоматизации управления, робототехники требует опережающего развития различных типов датчиков. Значительный прогресс в области развития технологий интегральных схем (ИС), а также 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 микро-электронные 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 КМОП 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 двухсгоковых магнитотранзисторов, оказывают сильное влияние геометрические параметры их топологии, .і также физико-т хно-логические параметры. На данный момент отсутствуют доступные раз-
Л работчикам отечественные программы, позволяющие проводить расчет параметров МОП магниточувствительных элементов, оптимизацию их геометрии и режимов работы с целью получения максимальных значений магниточувствительности. Известные зарубежные модели МОП маг-нитотранзистора, позволяют проводить оптимизацию традиционных конструкций данного класса сенсоров. В связи с совершенствованием конструкций МОП сенсоров необходимо расширение возможности вариации отдельных параметров их геометрии (ширина истоковой области, ширина и длина разделителя стоковых областей) и режимов работы.
В связи с вышеизложенный, актуальной является задача комп
лексного подхода при разработке компонентной базы, конструктив
но-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:
-
Проведен анализ и показана перспективность использования методов самоформирования при разработке конструкций и технологии изготовления чувствительных элементов датчиков магнитного поля для повышения их точностных характеристик.
-
Разработана и подтверждена экспериментальными результатами физико-математическая модель двухстокового МОП магнитотранэис-тора, обобщающая его работу в крутой и пологой областях вольт-амперных характеристик ШАХ), а также учитывающая особенности конструкции и технологии формирования магнитотранзистора.
3. Установлены качественные и количественные закономерности
поведения магниточувствительнести раеработанних и изготовленных
сенсоров от изменения рекима работы и температуры, выявлены ос
новные факторы, влияющие на электрофизические параметры сенсоров:
показано, что КМОП сенсор обладает высокой избирательностью к составляющей магнитного поля перпендикулярной поверхности кристалла и имеет большие значения магнигачувствительности (4,4 В/Тл) при низких токах потребления (менее 100 мкА) и микромощном режиме работы (0,9 мВт);
установлено, что биполярный магнитотранэистор имеет наибольшее предельное разрешение по магнитному полю (2 мкТл/(Гц)а/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).
-
Показана возможность интегрального сочетания разработанных магнитотранзисторов с элементами схем усиления и обработки сигнала на одном кристалле, для создания микромощных магниточувс-твительных КС, ішеющих высокую избирательную чувствительность к нормальной или тангенциальной составляющей магнитного поля, относительно поверхности кристалла.
-
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 йС) для работы в различных диапазонах магнитных поллЧ.
-
Разработана оригинальная технология нормирования сам совмещенных ВиКШП структур для СБИС, в рамках которой показана воз-
- a -
можность реализации различных магнитотранзисторных структур.
Практическая ценность. '
-
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.
-
На' основе разработанной модели создана программа двумерного численного расчета на ПЭВМ характеристик двухстокового ШП 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.
-
На основе результатов численного эксперимента проведена оптимизация параметров конструкции МОП магнитотранзистора и его релима работы, что позволило получить максимальные значения маг-ниточувствителыюсти сенсора.
-
Получен ряд качественных и количественных результатов исследования зависимостей параметров раяраооташшх магниготрап-аисторннх структур от режима р;йоты и температури.
-
Г';і,-;р-/,отал технологический маршрут аналого-цифроних КМ'Ш
/W ЛЛИ І!:;1'1ІО.г;ЛЄНИ/І ШКрОМГДУШ)'. i'M //J С ПОрОГ'ОШМ. , ЛИШ.-ЙИЫМ и
Л частотным типом выходного сигнала.
-
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.
-
Разработана и изготовлена самосовмеденяая Бикшп транзисторная структура для СБИС, проведены исследования ее параметров. Показана возможность реализации МОП и биполярного магнитотранзкс-торов в БиКЮП базисе.
Реализация результатов работы. Разработанные магниточувстви-телыше биполярные транзисторы были использованы при построении магниточувствительной матрицы в магнитном дефектоскопе, что позволило:
измерять тангенциальную составляющую магнитного поля;
на порядок увеличить относительную магниточувствителыгасть матрицы;
повысить разрешающую способность магнитных дефектоскопов.
Разработанные в рамках диссертационной рзботы КМОП ИС с линейным выходом использованы Центральным НИМ измерительной аппаратуры (г.Саратов) для создания установок измерения магнитного поля в магнитных периодических фокусирующих системах (МГНС) и тесла-метров типа "Маяк", что позволило получить высокие значения маг-нигочувствительности (выше 20 Б/Тл) при малом токе потребления (не более 0,5 мА).
На защиту "выносятся:
1. Оригинальные конструкции сенсоров магнитного полл на основе двухстокового МОП шгниготравзистора, МОП элемента "э.лли, ШОП структуры, биполярного двухколлекторного транзистора и оно-
собы их формирования с улучшенными точностными параметрами в КМОП технологическом базисе.
-
Физико-математическая модель и результаты оптимизации параметров конструкции МОП магнитотранзистора для получения максимальной чувствительности.
-
Технологический маршрут формирования аналого-цифровых магниточувствительных схем в базисе КМОП ИС.
-
Магнигочувствительные микромощные КМОП ИС с пороговым, линейным и частотным типом выходного сигнала и расширенными функциональными возможностями.
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик разработанных магниточувствительных элементов и схем, и основные закономерности изменения их электрофизических параметров.
-
Самосовмещенная БиКМШ 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-S3" (Санкт-Петербург, 1993 г.), Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994 г.)', Всероссийской научно-технической конференция с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог; 19S4 г.), Всероссийской научно-технической кон-
- в -
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.
