Конструирование и производство датчиков, приборов и систем
УДК 681.586.728
ПОЛЕВОЙ ДАТЧИК ХОЛЛА - НОВЫЙ ТИП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В.Н. Мордкович, М.Л. Бараночников, А.В. Леонов, А.Д. Мокрушин, Н.М. Омельяновская, Д.М. Пажин
Рассмотрены основные характеристики ново го типа магниточувствительного элемента — полевого датчика Холла на основе "кремния на изоляторе" (КНИ) структуры, со четающего в себе возможности традиционного МОП элемента с функциями датчика Холла.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что регистрация магнитного поля положена в основу функционирования разнообразных систем контроля и управления. Чувствительным элементом таких систем является преобразователь, трансформирующий воздействие магнитного поля в электрический сигнал. Известно также, что наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля — датчики Холла [1].
В основу работы датчиков Холла (ДХ) положен названный именем первооткрывателя эффект возникновения поперечной разности потенциалов их в полупроводнике, по которому протекает ток при воздействии на него перпендикулярного к направлению тока магнитного поля [2]. Величина 8х прямо пропорциональна холловской подвижности носителей тока. В полупроводниках она на порядки величины больше, нежели в металлах. Поэтому вполне естественно, что бурное развитие полупроводниковой электроники, начавшееся в конце 40-х годов прошлого века с изобретения транзистора, стимулировало как разработку и производство ДХ, так и их широкое применение в различных областях науки и техники.
Развитие микроэлектроники обусловило возможность создания различных конструкций ДХ. Освоение новых базовых технологических процессов последовательно расширяло номенклатуру ДХ, одновре-
менно в той или иной степени улучшая их электрические характеристики. В наибольшей мере это отразилось на кремниевых ДХ, поскольку именно кремний является основным полупроводниковым материалом современной микроэлектроники. В итоге разработчик аппаратуры теперь может применять не только дискретные кремниевые ДХ различной конструкции, но и аналоговые, и цифровые интегральные схемы, использующие ДХ в качестве чувствительных элементов.
Возникшая в последние годы и быстро развивающаяся технология КНИ обеспечила возможность разработки нового типа преобразователя магнитного поля — полевого датчика Холла (ПДХ) и интегральных схем (ИС) на его основе [3, 4].
ТЕХНОЛОГИЯ КНИ
В КНИ технологии, в отличии от традиционной микроэлектроники, не используют монолитные пластины кремния. Стартовым материалом в этом случае являются структуры КНИ, т. е. пластины кремния, в которых скрытый в их объеме диэлектрический слой отделяет от подложки тонкий слой кремния. В качестве скрытого диэлектрика используют, как правило, слои диоксида или оксинитрида кремния [5]. При этом в КНИ структурах, используемых для изготовления микроэлектронных приборов, характерные значения толщин отделенного слоя кремния, в котором формиру-
ются рабочие элементы приборов, и скрытого диэлектрического слоя составляют 0,05...0,2 и 0,2...0,4 мкм, соответственно.
Вообще говоря, идея КНИ технологии была высказана еще при создании первого транзистора. Но успешно удалось ее реализовать только в 70-х годах прошлого века, используя эпитаксиальные пленки кремния, выращенные на сапфире. Что же касается упомянутых КНИ-структур, то их успешное применение в разработке и производстве приборов дело, главным образом, последнего десятилетия.
Столь устойчивый интерес к КНИ технологии был обусловлен, прежде всего, стремлением повысить радиационную стойкость микроэлектронных приборов. Устойчивость к воздействию радиации — одна из важнейших характеристик надежности полупроводниковых приборов. Известно, что ионизирующая радиация генерирует в облучаемых кристаллах избыточные электроны и дырки. При больших интенсивностях воздействия радиа-ционно-индуцированный ток может существенно затруднить и даже полностью нарушить нормальное функционирование прибора. Если же элементы прибора разместить в слое кремния КНИ-структуры, количество радиационно-индуциро-ванных носителей сравнительно с таким же прибором, изготовленным в объеме кристалла кремния, будет во столько же раз меньше, во сколько толщина слоя кремния ^ мен ьше
диффузионной длины / носителей в объемном кремнии (характерные значения составляют ( к 0,1, / к | 100 мкм, //( к 103).
Отметим, что КНИ технология обеспечивает микроэлектронным приборам, кроме отмеченного выше достоинства, еще целый ряд других важных преимуществ сравнительно с их аналогами, изготовленными на пластине кремния. КНИ прибор отделен от подложки диэлектрическим слоем. Благодаря этому существенно подавляются паразитные токи в подложку, возникающие при повышении температуры в процессе эксплуатации прибора. Как следствие, рабочая температура КНИ приборов на 100...150 °С выше, чем у кремниевых аналогов. Малая толщина отсеченного слоя кремния обеспечивает резкое уменьшение емкостей _р-и-переходов КНИ приборов. Результатом этого является существенное повышения их быстродействия. И, наконец, уменьшение емкости ^-и-переходов и уменьшение токов утечки вглубь подложки, наряду с больше крутизной передаточной характеристики в подпороговой области ВАХ, позволяет заметно понизить напряжение питания КНИ ИС.
Яркая иллюстрация упомянутых достоинств КНИ технологии — осуществление рядом ведущих зарубежных фирм разработки и производства микропроцессоров гигагерцового диапазона и сверхбольших ИС памяти емкостью 64 Мбайт.
Вполне естественно, что отмеченные возможности КНИ технологии привлекли внимание и разработчиков чувствительных элементов датчиков. Так фирма "Нопе№е11", (США), разработала и освоила производство КНИ датчиков давления, характеризующихся повышенной рабочей температурой (до 225 °С) [6].
В работе [7] сообщалось, что КНИ полевой МОП транзистор с расщепленным стоком может быть использован как высокотемпературный (до 300 °С) преобразователь магнитного поля.
Между тем, возможности повышения характеристик преобразователей магнитного поля благодаря использованию КНИ техноло гии гораздо шире, чем повышение рабочей температуры. Проиллюстрируем это на примере КНИ ПДХ, сочетающего возможности традиционных ДХ и МОП транзисторов.
КОНСТРУКЦИЯ КНИ ПДХ
КНИ ПДХ изготовляется на основе структур КНИ, т. е. структур, в которых рабочий слой кремния отделен от подложки встроенным диэлектрическим слоем. В кремнии и-типа был сформирован слой скрытого окисла толщиной 400 мкм путем имплантации ионов кислорода и последующего отжига. Отсекаемый им слой приборного кремния имел толщину 0,2 мкм. В нем был сформирован холловский крест из 81 полосок длиной 80 и шириной 30 мкм. Для получения омических контактов, прилегающие к концам полосок участки длиной 10 мкм были легированы фосфором до уровня 1020 см—3. На поверхность креста была нанесена пленка пиролитиче-ского 8102 толщиной 100 нм, поверх которой был осажден А1 (верхний затвор). Нижним затвором служила сама подложка с осажденной на ее поверхности пленкой А1. Схематически конструкция КНИ ПДХ приведена на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что КНИ ПДХ принципиально отличается от обыч-
3
1 ?
а)
10 7, 11 10 6 7 8
9 ~ Г Г г
гн=^=ьгп
ч
—-5-—
10 12 9
б)
Рис. 1. Конструкция КНИ ПДХ:
а — вид сверху: 1, 2 — токовые электроды; 3, 4 — холловские электроды; 5 — электрод верхнего затвора; б — попере ч-ное сечение: 6 — рабочий слой (и — 81); 7 — омические контакты (и+ — 81); 8 — 8102 ; 9 — подложка (и — 81); 10 — А1 пленка; 11 — верхний затвор; 12 — нижний затвор
ных ДХ. Последние являются типичными полупроводниковыми резисторами, и их выходной сигнал, индуцируемый магнитным полем, прямо пропорционален величине тока. В отличие от этого ПДХ представляет собой сочетание резистора Холла с вертикальным двухзатвор-ным полевым транзистором типа металл — диэлектрик — полупроводник.
В результате ПДХ:
• позволяет усиливать электрические и магнитоиндуцированные сигналы;
• может работать как нормально открытый или нормально закрытый транзистор.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КНИ ПДХ
Как известно [1], к основным параметрам ДХ относятся:
• пороговая магнитная чувствительность;
• динамический диапазон магнитной чувствительности;
• энергопотребление;
• удельная магнитная чувствительность;
• диапазон рабочих температур;
• отношение сигнал/шум. Применение КНИ технологии
позволило достичь столь существенного прогресса в улучшении всего комплекса названных параметров ДХ, что по совокупности характеристик рассматриваемый КНИ ПДХ превосходит все известные полупроводниковые ДХ. Рассмотрим основные характеристики КНИ ПДХ в электрически открытом режиме работы (канал датчика открыт).
Пороговая магнитная чувствительность. Пороговая магнитная чувствительность обратно пропорциональна толщине тела магнито-чувствительного элемента [1]. Толщина проводящего кремниевого канала рассматриваемого КНИ ПДХ составляет 0,2 мкм, что в десятки раз меньше толщины рабочего тела магниточувствительного элемента, выполненного по традиционной кремниевой технологии. Этим и обусловлено резкое увеличение (в десятки раз) пороговой магнитной чувствительности КНИ ПДХ сравнительно с традиционными кремниевыми ДХ.
Динамический диапазон магнитной чувствительности. Увеличение пороговой магнитной чувствительности автоматически приводит к расширению динамического диапазона магнитной чувствительности.
34
Зепэогэ & Sysíems • № 7.2003
При этом следует отметить, что магнитная чувствительность КНИ ПДХ линейно зависит от напряженности магнитного поля во всем динамическом диапазон. Сказанное иллюстрируется рис. 2, на котором представлена зависимость ЭДС Холла — выходной характеристики их КНИ ПДХ как функция величины напряженности магнитного поля.
Энергопотребление. Разница толщин рабочих тел КНИ ПДХ и традиционных кремниевых ДХ приводит к тому, что сопротивление слоя кремния КНИ ПДХ гораздо больше, чем традиционного кремниевого ДХ. Следовательно, согласно закону Ома при равных напряжениях питания рабочий ток КНИ ПДХ существенно меньше, чем его традиционный аналог. Рабочий ток КНИ ПДХ при рекомендуемых величинах напряжений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.