Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие информационно-
рительных и контрольных систем, средств автоматизации управления и тотехники требует разработки и широкого внедрения различного типа нков. Значительный прогресс в области развития технологии интегральных (ИС), а также использования достижений микроэлектроники в смежных стях привело к возможности изготовления различных микроминиатюрных эров физических величин, обладающих высокой надёжностью и изионностью измерений. Интегральные сенсоры отличаются улучшенными пуатационными и метрологическими характеристиками, расширенными щиональными возможностями,что позволяет улучшить параметры рольно-измерительной аппаратуры.
Микроэлектроника, как способ производства элементной базы, ктеризуется рядом возможностей и преимуществ: групповыми методами зводства элементов, их малыми размерами, возможностью интеграции на м кристалле различных элементов и электронных схем, высоким уровнем жности и низкой стоимостью изделий.
Датчики магнитного поля, построенные на основе различных иточувствительных сенсоров, широко применяются в детекторах жения и угла поворота различных объектов, счётчиках числа оборотов ателей, электронных компасах, бесконтактных электронных реле и ключателях, бесконтактных измерителях тока и т.д.
Традиционные магниточувствительные датчики на основе эффекта іа в настоящее время являются хорошо изученными и отработанными. На іняшний день промышленностью выпускаются дискретные датчики Холла , изготовленные на дорогостоящих материалах AjB5 и АгВб, которые
возможно интегрировать со схемами усиления и обработки сигналов
печатной плате.
Переход к кремниевой технологии даёт возможность физической конструктивной интеграции ДХ со схемами обработки получаемых сигнал т.е. изготовление первичных и вторичных преобразователей в един интегральном исполнении. Использование зпитаксиально-пла-нарі технологии значительно расширяет функциональные возможности ДХ область их применения. Кремний не использовался для изготовления , потому.что из-за малой подвижности носителей заряда на нём получалі малые выходные сигналы. Например, выходной сигнал ДХ на арсеннде гаги на 2 порядка выше, чем у кремниевого. Однако, арсенид галлиевые ДХ много раз сильнее зависят от изменения температуры, а повьішеї температурной и временной стабильности является важнейшей проблемой і разработке ДХ.
Изготовление ДХ на кремниевых эпитаксиальных структурах мо; значительно повысить их надёжность и термостабильность, а расположение одном кристалле с усилителем и генератором позволит получить ВЫХОД] сигнал в форме пригодной для передачи его на расстояние.
Целью работы является разработка кремниевого интегрального датч Холла с 'высокой чувствительностью, температурной и времен] стабильностью.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следуюі основные задачи:
исследование конструктивно-технологических особенное кремниевых интегральных ДХ с различными типами изоляции;
исследование влияния переходного слоя эпитаксиальных структур параметры интегральных ДХ;
- исследование влияния упругих механических напряжений на
ібильность параметров ДХ;
исследование возможности повышения температурной и временной бильности интегральных ДХ;
разработка физической структуры и технологии изготовления :мнневого высокостабнльного интегрального ДХ;
исследование возможности получения выходного сигнала в частотной рме для передачи его на расстояние.
Научная новизна. Исследованием кремниевых интегральных ДХ с личными типами изоляций выявлено,что наименьшими температурными и :менными дрейфами обладают планарно-эпитаксиальные структуры с шяцией обратно-смещённым р-n переходом. Кремниевые структуры с электрической изоляцией (КСДИ) и структуры с комбинированной изоляцией основе локально-выращенных плёнок ПК обладают меньшей іствительностью и большими временными и температурными дрейфами, /словленными различием упругих термических коэффициентов нокристаллическнх, поликристаллических и диэлектрических слоев іуктурьі.
Построена математическая модель напряжённо-деформированного ;тояния двухслойной эпитаксиальной структуры и выведена формула, іволяющая рассчитать механические напряжения в тонком эпитаксиальном >е в зависимости от его толщины и температуры выращивания.
Исследованием влияния переходного слоя эпитаксиальной структуры и ранением влияния подвижных зарядов границы раздела на поверхности Si-Ь на параметры ДХ повышена чувствительность, а также температурная и :менная стабильность кремниевых ДХ.
Предложен экс прес-метод неразрушаюшего контроля параметров ітаксиальньїх структур с диэлектрическими изоляциями с помощью
6 .
тестового холловского элемента, позволяющий качественно, оценива распределение механических напряжений в них в процессе изготовления плотность дефектов по площади изолированного кармана после формирован металлизированных контактных площадок.
Практическая ценность работы заключается в том, что результат исследования механизмов переноса и рассеяния носителей в двухслойш кремниевых эпитаксиальных структурах в зависимости от конструктиви технологических, геометрических факторов, влияния упругих маханическ напряжений и переходного слоя плёнка-подложка позволили разработа интегральный ДХ с оптимальными параметрами, обладающий высок чувствительностью и температурно-временной стабильностью.
Исследование интегральных ДХ, с различными типами изоляции целью повышения чувствительности и стабильности ДХ, позволило наряду этим предложить экспресс-метод неразрушающего контроля параметр кремниевых плёнок в процессе изготовления структур с диэлектрическ изоляцией, что значительно ускоряет и удешевляет процесс изготовления ИС.
На базе кремниевого интегрального ДХ и аналога негатрої Обладающего ВАХ с отрицательным сопротивлением, разработай гибриді плёночный преобразователь магнитного поля с частотным выходе позволяющий передавать полученную информацию на расстояние.
Разработанный на основе эпитаксиально-планарной структуї кремниевый интегральный ДХ как по физической структуре, так и технологии полностью совместим с кремниевыми ИС, что открывг перспективы создания полностью твёрдотельных магниточувствительных ИС высокой чувствительностью и стабильностью.
Результаты работы реализованы в госбюджетных опьт
конструкторской и научно-исследовательской работах "Разработка и создан
, малогабаритной многоканальной автоматизированной установки контре
7 іаметров атмосферы (1996г.), "Разработка и создание электронного
Ярового компаса" (1997г.), а также рекомендованы для использования а
дологическом маршруте изготовления кремниевых структур с
электрической изоляцией.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Температурный и временной дрейфы остаточного напряжения :мниевых ДХ определяются упругими механическими напряжениями, пикающими в многослойных структурах при их формировании, .{большими дрейфами обладают ДХ, изготовленные по технологии КСДИ, а іменьшими - по эпитаксиально-планарной технологии с изолированием іатно-смещенньїм р-п переходом.
-
Упругие механические напряжения в тонких эпитаксиальных :нках двухслойных кремниевых структур пропорциональны их толщине и іпературе выращивания.
-
Уменьшение толщины эпитаксиальной плёнки приводит к жению магнитной чувствительности вследствие рассеяния носителей заряда
дефектах переходного слоя плёнка-подложка и соответствующего :ньшения эффективной подвижности носителей.
-
Сочетание кремниевого ДХ с аналогом негатрона позволяет едавать информацию о магнитном поле на расстояние.
-
Устранение влияния подвижных зарядов в окисле и границы цела Si-Si02 с помощью создания расширенной металлизации холловсккх тактов и тонкого имплантированного слоя противоположного типа водимости над рабочей областью ДХ приводит к повышению ствительностн и температурно-временной стабильности
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доклады-вались осуждались на: 4-ой Всероссийской научно-технической конференции с слународным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники
и микроэлектроники" (Таганрог-Геленджик, 1997г.), научно-техннчесі
конференции с международным участием "Приборостроение - 97" (Винни
Симеиз, 1997г.), научно-технической конференции, посвященной 5-лет
Национальной Академии Авиации Азербайджана (Баку, 1997г.), 1
Республиканской конференции «Актуальные проблемы физики» (Баку, 199!
Международном симпозиуме «Pan Pasific Microelectronics» (USA, Hawaii, 199
и на научных семинарах Азербайджанского Национального Аэрокосмическ
Агентства.
Публикации. Основные результаты диссертационной рабе опубликованы в 8-ми печатных трудах, в том числе в 5-х статьях и 3-х тези докладов конференций, а также вошли в научно-технические отчёты по НИР.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введен 4-х глав, основных выводов и приложения, содержит 119 страї машинописного текста, в том числе 37 рисунков, 5 таблиц и список цитируе!^ литературы в количестве 108 наименований.
