Елементи мікросистем на базовому матричному кристалі зі структурою "кремнiй-на-iзоляторi"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Перспективним напрямком розвитку сучасної мікроелектроніки є створення і використання в різноманітних галузях людської діяльності зінтегрованих мікросистем, зокрема сенсорних, які є результатом злиття технологій і конструкцій чутливих, актюаторних елементів та схем перетворення інформації від них на одному або декількох кристалах з гібридною чи монолітною інтеграцією елементів.

Над проблемами створення елементної бази зінтегрованих мікросистем працюють спеціалізовані провідні науково-дослідні інститути світу, зокрема, CNM(Іспанія), Інститут робототехніки і мікросистем (США) та багато ін.

Особливий інтерес становлять мікросистемні пристрої з монолітною інтеграцією приладних структур і технологій на одному кристалі. Перші пристрої такого типу, які містили мікромеханічні елементи і схеми перетворення інформації та виготовлені за технологіями мікроелектроніки, були створені в США і звані мікроелектромеханічними системами (МЕМС). У країнах Європи здебільшого використовують термін - мікросистеми, мікросистеми-на-кристалі або в корпусі, які об'єднують декілька кристалів з електричними і/або оптичними зв'язками і термін “мікросистема-на-кристалі” є більш загальним порівняно із МЕМС. В цій роботі використана європейська назва - мікросистема-на-кристалі (МСК).

На сьогодні мікросистеми сенсорного типу, здебільшого проектують як спеціалізовані на основі конструктивно-технологічної бази КМОН- і Бі-КМОН-технологій та їх модифікацій. В переважній більшості дослідження і розробки зінтегрованих мікросистем, проведені на початок виконання дисертаційної роботи стосуються мікросистем саме на цих технологіях. Їх суттєві недоліки - обмежені можливості міжелементної ізоляції, конструювання нових приладних структур, особливо для чутливих елементів сенсорів і транзисторів із тривимірними архітектурами, ступінь інтеграції, швидкодія, енерго-споживання, обмежений температурний інтервал, стійкість до зовнішніх впливів радіації, світла тощо. Тому для створення елементної бази мікросистем проводяться пошуки нових матеріалів і підходів їх створення. Одним із них є структури “кремній-на-ізоляторі”(КНІ), які завдяки діелектричній ізоляції поверхневого приладного шару від підкладки значно перспективніші в цьому плані. За аналогією зі створенням замовних ІС на основі базових матричних кристалів (БМК), перспективним видається створення за подібною методологією також і мікросистем, але на спеціалізованих, для мікросистемних використань, БМК.

Проте зараз такі спеціалізовані БМК відсутні, а існуючі технології формування пластин зі структурою КНІ за відомими методами SIMOX, ELTRAN, BESOI, Smart Cut, ZMR є дорогими і складними, що істотно стримує їх широке використання. Ці методи є окремими технологіями і передбачають формування суцільних кремнієвих шарів заданої товщини по всій поверхні пластини. Для розроблення елементів мікросистем це не завжди вигідно, якщо потрібні, наприклад, різні товщини плівок на одному кристалі, або їх сумісність з технологіями на масивному кремнії. Окрім цього, враховуючи сучасні тенденції зменшення топологічних розмірів до нано- і субмікрометрових, для створення елементної бази мікросистем, видаються доцільними і перспективними технологічні підходи формування локальних, “прив'язаних” до конкретної топології приладних КНІ-структур безпосередньо у вихідній кремнієвій пластині.

Не менш важливими і актуальними є розширення можливостей створення нових елементів приладів для мікросистемних використань на комбінованих тривимірних КНІ-структурах, конструктивно суміщених із мікропорожнинами, що дозволить розробляти нові конструкцій чутливих елементів як для мікросистем, так і мікролабораторій-на-кристалі. Для створення елементної бази мікросистем необхідні дані результатів досліджень взаємовпливу параметрів і конструкцій приладних КНІ-структур, методів отримання на їх електричні, тензометричні, температурні та інші характеристики.

Ці питання покладені в основу дисертації, в якій вирішується науково-прикладна проблема розроблення нової конструктивно-технологічної та елементної бази для сенсорних мікросистем, концепції їх побудови на спеціалізованому БМК зі структурою КНІ. Це розширить елементну базу мікросистем і дасть змогу створювати мікросистеми і їх серії з покращеними параметрами, особливо для екстремальних умов експлуатації в стислі терміни проектування і виготовлення, що матиме важливе наукове і практичне значення.

Мета й задачі дослідження. Мета досліджень - створення нових, зі структурами КНІ, конструктивно-технологічної та елементної бази та концепції побудови на цій основі зінтегрованих мікросистем сенсорного типу на спеціалізованому БМК з покращеними техніко-економічними характеристиками. Для цього вирішувались такі задачі:

1. Розроблення конструктивно-технологічної бази для створення нових, включаючи тривимірні архітектури, приладних КНІ-структур для елементів мікросистем.

2. Дослідження, розроблення та конструктивно-технологічна оптимізація нових підходів формування локальних тривимірних КНІ-структур, включаючи структури, комбіновані з мікропорожнинами під поверхнею пластини за сумісними КМОН-процесами для елементної бази мікросистем.

3. Дослідження характеристик і параметрів приладних КНІ-структур з мікрозонною лазерною рекристалізацією (МЛР) полікремнієвого шару для створення елементів мікросистем. Встановлення їх взаємозв'язку з конструктивно-топологічними і технологічними параметрами КНІ-структур.

4. Розроблення та аналіз нових тривимірних конструкцій КНІ-приладних автоемісійних елементів мікросистем. Вивчення особливостей технології формування керованих автоемісійних мікрокатодів зі структурою КНІ, елементів акселерометрів, матриць автоемісійних дисплеїв.

5. Розроблення уніфікованого чутливого елемента ємнісно-резистивного типу з частотним виходом і керованою чутливістю для мікросистемних використань.

6. Удосконалення існуючих та розроблення нових схемотехнічних й електрофізичних моделей, елементів теорії аналізу та обчислення параметрів тривимірних КНІ МОН-транзисторів для оптимізації їх конструкцій і схемотехнічних рішень у мікросистемах.

7. Розроблення концепції побудови, архітектури та бібліотечних елементів мікросистем на КМОН базовому матричному кристалі зі структурою КНІ.

1. Сучасні тенденції розвитку і принципи побудови мікросистем, сфери їх застосування і проблеми створення, базові технології виготовлення, типи і складові елементи

Існуючі концепції побудови сенсорних мікросистем передбачають архітектури сенсорних елементів і схем обробки інформації та зовнішнього інтерфейсу на програмованих логічних ІС (ПЛІС) або програмованих процесорних ІС (РІС). Такі архітектри є оптимальними для мікро- і макровиконань сенсорних елементів на основі Бі-КМОН-схемотехніки та схем спряження і перетворення інформації на основі КМОН ПЛІС. Проте КМОН-схемотехніка має обмежений температурний інтервал фунціонування, нестійка до зовнішніх впливів. Монолітна інтеграція сенсорних елементів безпосередньо в кристал КМОН ПЛІС технічно-ускладнена, оскільки ПЛІС в Україні не були освоєні, а їх реалізація на основі інших, не КМОН-технологій, є також проблематичною.

Показано, що в даний час основна увага дослідників спрямована на розроблення нових типів елементів на основі як існуючих, так і створюваних нових мікро- і нанотехнологій, і надзвичайно актуальною є проблема монолітної інтеграції чутливих елементів і схем перетворення первинної інформації на одному кристалі. Ця вимога убумовлена переходом до нано- і субмікрометрових розмірів чутливих елементів, оскільки їх надмалі ємнісні навантажувальні здатності не дозволяють безпосереднього під'єднання до виводів ІС перетворення інформації, провідників чи елементів друкованих плат. Окрім цього актуальними є вимірювання фізичних величин за однотипними алгоритмами в широких інтервалах їх значень. На сьогодні для створення елементної бази мікросистем здебільшого використовують Бі-КМОН технології. Проте більш перспективними видаються КНІ-структури, з перевагами, як інженерного матеріалу, що дозволить розроблення тривимірних конструкцій приладів, так і їх характеристик, зокрема, густини упаковки, швидкодії, радіаційної стійкості, стійкості до розширеного інтервалу температур та ін.

Проаналізовано сучасні методи формування КНІ-структур, їх переваги та недоліки, а також можливі сфери застосування КНІ-структур, отриманих цими методами для створення елементної бази мікросистем. До комерційних технологій належать SIMOX, ELTRAN, SmartCut, Unibond, BESOI, ICEMOS. У цих технологіях формування КНІ-структур пов'язано, спершу з порушеннями поверхні і кристалічної структури вихідної кремнієвої пластини високодозовим та високоенергетичним легуванням іонами кисню і наступним удосконаленням сформованого кремнієвого шару на окислі (SIMOX), “розумним” відколюванням після водневого легування тонкого шару кремнію з однієї пластини і перенесенням на іншу (ELTRAN, SmartCut), з'єднання окислених пластин і зошліфовування та полірування однієї з них (BESOI, ICEMOS), рекристалізацією полікремнієвого шару ZMR по всій поверхні пластини, або МЛР, що включає комплекс необхідних оптимізацій для забезпечення моно- кристалічності шару кремнію на окислі. Отже, ці методи можна вважати універсальними з погляду виготовлювача пластин зі структурою КНІ, вони є окремі технології, дорогі і складні, у вітчизняній промисловості не освоєні, вимагають спеціального технологічного обладнання і спрямовані на однотипні приладні елементи ІС або сенсорів. Висока вартість пластин унаслідок складності технологій є стримуючим чинником їх широкого використання.

Окрім цього гнучкість використання таких пластин для монолітно- чи гібридно зінтегрованих мікросистем, які б інтегрували різні типи елементів, в тому числі тривимірні, є обмежена і технологічно неуніфікована. Тому для створення елементів мікросистем більш доцільними видаються вихідні пластини зі структурою КНІ, можливостями виготовлення в єдиному технологічному циклі та інтеграцією на одному кристалі елементів приладів на планарних, тривимірних КНІ-структурах і об'ємному кремнії.

Показано, що відносно дешевою і перспективною технологією для тривимірних або багатошарових елементів КНІ-приладів є МЛР, яка має достатні можливості для одержання якісних, з керованою локалізацією дефектів КНІ-структур, шляхом підбору їх вихідної структури і топології перед проведенням МЛР, фільтрації дефектів. Основною перевагою КНІ-структур з МЛР є відносно низька температура підігріву підкладки 400-500 оС, що відкриває додаткові можливості їх інтеграції в технології створення тривимірних елементів приладів. КНІ-структури з МЛР найбільш доцільні для створення порівняно нескладних мікросистем. І оптимальними в цьому плані є ІС та мікросистеми з однорідними архітектурами.

Тому основою для побудови мікросистем було вибрано БМК з регулярним розміщенням елементів, а саме, у вигляді регулярно-повторюваних смужок, до яких найбільш оптимально прив'язати як напрям сканування лазерного променя в процесі МЛР, так і локалізації дефектів і одночасно використовувати технологічні елементи вихідних КНІ-структур, як елементи приладів. Окрім цього для регулярно-повторюваних архітектур найбільш доцільним видається також і створення локальних тривимірних КНІ-структур іншими методами.

Сучасні відомі БМК, в своїй більшості є цифровими, рідше цифро-аналоговими на основі КМОН-структур для створення замовних ІС. Їх проектування є відносно нескладним і доступним. Проте для створення монолітно-інтегрованих мікросистем на БМК, необхідні їх спеціалізовані, для мікросистемних використань, архітектури з матрицями чутливих і цифро-аналогових елементів з розширеними експлуатаційними можливостями.

Проведений аналіз складових елементної бази мікросистем на основі Бі-КМОН-технологій показує, що вони не завжди придатні для екстремальних умов експлуатації, мають обмежені можливості створення нових приладів. Тому необхідно розробляти нові перспективні приладні елементи або модифікувати існуючі, які б розширили можливості створення мікросистем і сфер застосування, включаючи екстремальні умови та ураховували специфіку їх проектування та виготовлення в стислі терміни. КНІ-структури є одним із засобів вирішення цієї проблеми. На основі аналізу тенденцій розвитку мікросистем і технологій їх виготовлення визначені мета та задачі досліджень.

2. Дослідження зі створення конструктивно-технологічної бази на основі локальних планарних, тривимірних та комбінованих КНІ-структур, конструктивно суміщених з мікропорожнинами під поверхнею пластини, необхідних для реалізації елементної бази мікросистем

Оптимізовано процеси формування планарних КНІ-структур методами МЛР та розроблено нові підходи створення тривимірних КНІ-структур. Для конструктивно-технологічної оптимізації запропоновано:

- V-подібні канавки на скрайберних доріжках, як контакти-зародки по периметру кристала і обмежувачі масоперенесення кремнію в межах кристала;

- топологічні елементи фільтрації дефектів в процесі МЛР і розташованих по обидва боки вздовж V-подібних канавок;

- термічне окиснення і зняття оксиду перед формуванням приладних елементів для покращення морфології поверхні КНІ шару;

- сканування лазерним променем у процесі МЛР уздовж діагоналей контактів-зародків, що зменшує шевронність поверхні в КНІ-шарі.

- введення за заданою топологією у вихідні КНІ-структури плівок SiO2 і Si3N4 відповідно з великим і малим кутами змочування розплавленим полікремнієм в процесі МЛР, що додатково локалізує дефекти відповідно до топології приладів, і отримувати цим методом планарні локальні КНІ-структури з прогнозованими параметрами. Окрім цього, двостадійне нанесення плівок SiO2 і Si3N4 з проміжною обробкою поверхні полікремнію в окисному травнику і високотемпературний відпал в нейтральному середовищі зменшують кількість окисних включень в полікремнії, що в цілому забезпечує кращі початкові умови МЛР.

Розроблено оригінальні, захищені патентами України, технологічні підходи формування локальних тривимірних КНІ-структур. Визначені технологічні режими їх формування і параметри з використанням сучасних САПР. Тривимірні КНІ-структури було отримано методами стимульованого епітаксійного нарощування та одночасної планаризації поверхні в єдиному технологічному циклі та комбінованими методами на основі сучасних КМОН-процесів і базових технологічних операцій фотолітографії, локального термічного окислення, маскування, ізотропного та анізотропного плазмохімічного травлень. Перевагами запропонованих методів є їх сумісність з промисловими КМОН-процесами ІС, а також те, що отримані локальні тривимірні КНІ-структури, призначені для формування приладів, не мали деструктивних порушень поверхні, а їх властивості є такими ж, як у вихідній кремнієвій пластині. Використання розроблених КНІ-структур для створення ІС чи мікросистем, особливо із регулярними архітектурами топологій, достатньо вигідно.

Такі структури можуть бути успішно використані для МОН чи біполярних транзисторів або чутливих елементів мікросистем. Відкриваються достатньо великі можливості вибору типів КНІ МОН-приладних елементів.

Перевага методу також і в тому, що одночасно із формуванням локальних тривимірних КНІ- структур, можна отримувати структури типу “кремній-на-нічому”, а локальні елементи формувати з отриманням в єдиному циклі високоякісної міжелементної окисної ізоляції. Цей тип ізоляції витримує напруженості електричного поля до 1000 В/мкм, тому такі структури придатні також і для високовольтних елементів мікросистем.

На основі цього методу, розроблено новий і сумісний з ним для формування негерметизованих і герметизованих мікропорожнин та каналів під поверхнею пластини, покритих оксидом. Після формування порожнин під поверхнею пластини для їх наступної герметизації було використано виявлену властивість підйому нависаючої ділянки плівки Si3N4 зі стінок щілини в порожнину з утворенням п'єдесталів. Шляхом підбору топологічних розмірів щілин, довжин нависаючих в порожнину ділянок плівки Si3N4, розмірів порожнини, отриманих в процесі технологічного моделювання процесів локального термічного окислення порожнин було показано, що нітридні нависаючі ділянки змикаються. Це обмежує доступ кисню в процесі окиснення і утворюються п'єдестали для наступного осадження на них плівок,- наприклад, окислів, полікремнію, металів та ін., що фінішно-герметизують порожнину. Розроблено також інший метод формування герметизованих мікропорожнин термічним окисненням поверхонь порожнин і щілин до їх змикання між протилежними стінками щілин.

Моделюванням досліджено і встановлено, що тип об'ємного заряду і матеріалу в мікропорожнинах, конструктивно суміщених з тривимірними КНІ МОН-структурами, модулюють провідні канали як під затвором транзистора, так і на проміжку, що з'єднує підканальну область з підкладкою. Ці результати відкривають можливості побудови нових конструкцій чутливих елементів мікросистем і мікролабораторій-на-кристалі, наприклад, для визначення концентрацій чи наявності матеріалу в мікрооб'ємах тощо. Варіацією вихідних топологічних розмірів аналогічно можна формувати і негерметизовані порожнини.

Отже, такий тип мікропорожнин і каналів можна використати для елементів резонаторів, світловодів, заповнені металом як потужних провідних шин, а рідиною чи електролітом - як мікрорадіатори або мікроджерела живлення тощо. Запропонована конструктивно-технологічна база розширює можливості для створення нових елементів мікросистем зі структурами КНІ.

3. Властивості КНІ-структур, отриманих МЛР шарів полікремнію, а також виготовлених на них тестових приладів з метою оцінки можливостей створення чутливих елементів мікросистем для екстремальних умов експлуатації (сильні магнітні та кріогенні температури), біомедичних застосувань

Тестові елементи являли собою КНІ-структури з полікремнієвими резисторами p-типу провідності, леговані бором, нерекристалізовані і після МЛР. Легування здійснювали імплантацією іонів бору з різними дозами. Розміри зерен в шарах полікремнію з МЛР становили до 20500 мкм. Концентрації носіїв заряду в зразках полікремнію до і після МЛР, згідно з результатами Холлівських вимірювань, становила від 71017 до 1,71020 см-3. Електропровідність кремнієвих і полікремнієвих шарів в КНІ-структурах досліджували в інтервалі температур 4,2-300 К, а вплив магнітного поля з індукцією до 14 Тл - при гелієвих температурах з використанням біттерівського магніту. Для вимірювань зразки закріпляли на спеціальній вставці, яку поміщали в гелієвому кріостаті. Температуру вимірювали за допомогою термопари Cu-Cu(Fe) з точністю 0,1оС, а вихідні сигнали з точністю до 1 мкВ з одночасним реєструванням показів приладів на комп'ютері.

Установлено, що найбільш сильною температурною залежністю електропровідності в інтервалі низьких температур характеризуються нерекристалізовані шари полі-Si з концентрацією носіїв р300К2,41018см-3 та рекристалізовані лазером шари полі-Si з р300К71017см-3. Тому для створення чутливих елементів температури проведення досліджень було зосереджено на цих структурах. Для цих зразків в інтервалі 4,2-50 К температурний коефіцієнт опору (ТКО) значний і становить - 9%ЧК-1, що дає змогу використати такі КНІ- структури для створення чутливих елементів для вимірювання кріогенних температур. ТКО визначали для різних температурних інтервалів і дорівнював відповідно: -2,4 %ЧК-1 в інтервалі 4,2-50 К; - 2,08 %ЧК-1 в інтервалі 4,2-120 К і - 0,49 %ЧК-1 в інтервалі 120-300 К. Залежність магнетоопору шарів полікремнію з концентрацією носіїв p300K =2,41018 см-3 від індукції магнітного поля за низьких температур є складною. Для цих зразків у всьому досліджуваному інтервалі температур 4,2-63 К спостерігається від'ємний магнітоопір, який в інтервалі температур 4,2-33 К збільшується за величиною, а з підвищенням температури до 70 К зменшується, але проявляється у всьому досліджуваному діапазоні магнітних полів до 14 Тл. При температурі рідкого гелію магнітоопір шарів полікремнію в полях до 1,5 Тл зменшується, а потім починає зростати, і при індукції 14 Тл їх опір збільшується приблизно на 18% від свого значення при відсутності магнітного поля. Тому чутливі елементи кріогенних температур на основі шарів полікремнію не придатні для роботи в магнітному полі. В залежностях магнетоопору шарів полікремнію з МЛР і концентрацією носіїв р300К71017 см-3 від індукції спостерігається монотонний характер зміни магнетоопору під впливом магнетного поля: у всьому досліджуваному діапазоні 0-8 Тл спостерігався тільки додатній магнетоопір. З підвищенням температури магнетоопір суттєво зменшується. Враховуючи сильну температурну залежність опору таких зразків за низьких температур (рис. 8.) і слабкий вплив магнетного поля, можна рекомендувати КНІ-структури з МЛР для створення чутливих елементів мікросистем для кріогенних температур і працездатних в сильних магнетних полях до 6 Тл, оскільки зміна опору під впливом магнетного поля не перевищує 1,5 %. В інтервалі температур 4,2-300 К проведено градуювання тестових резисторів на КНІ-структурах з МЛР і концентрацією вільних носіїв заряду р300К71017 см-3, як чутливих елементів температури.

Характеристика такого ЧЕ описується експоненційним законом в широкому інтервалі температур 4,2-300 К:

, (1)

де y0=1,92, A1=282,80, t1=24986,87, A2=261,63, t2=38590,40, A3=2470,46, t3=6889,68.

Покази, які реєструвались розробленим чутливим елементом температури, додатково перевірялись термопарою Cu-Cu(Fe)з точністю 0,1 С за стандартною методикою.

Отже, полікремнієві шари в структурах КНІ з МЛР і нерекристалізовані - придатні для створення термо-, тензо-, і магнеточутливих елементів мікросистем для визначених інтервалів температур і магнетних полів.

4. Результати досліджень і розроблення автоемісійних елементів мікросистем

Розроблено і досліджено характеристики зінтегрованого зі схемами керування автоемісійного мікрокатода зі структурою КНІ субмікрометрових розмірів, який може вбудовуватись у регулярні топології на основі БМК і має істотні переваги за стійкістю до зовнішніх впливів, і головне, стійкого до впливу власної емісії як на характеристики самого катода, так і елементів схем керування. Для виготовлення автоемісійних мікрокатодів зі структурою КНІ розроблено оптимальну послідовність технологічних операцій та встановлені технологічні режими і параметри, температуру процесів, час, дози та енергії легувань, концентрації домішок.

Використовуючи різні набори фотомасок по одній технології можна виготовити регулярні структури з різними формами і розмірами катодів: одношпильові, багатошпильові і лезоподібні.

Для створення мікросистемних пристроїв на основі автоемісійних елементів в складі БМК використано його цифрові логічні та аналогові бібліотечні елементи для організації схем керування та автоемісійні мікро- катоди зі структурою КНІ, зінтегровані з розробленими оригінальними високовольтними КНІ МОН-транзисторами, як обов'язковими елементами схем керування.

На основі дрейфово-дифузійної моделі, доповненої рівняннями, які враховують залежність рухливості від напруженості електричного поля і концентрації домішок, рекомбінацію і генерацію носіїв заряду, розраховані фізичні і електричні параметри високовольтного КНІ МОН-транзистора.

КНІ МОН-транзистор, напруга якого на затворі зменшена до 1,5 В, а потенціали стоку збільшені до потенціалів екстракційного електрода мікрокатода.

За методом, сумісним з формуванням герметизованих мікропорожнин, розроблено автоемісійні елементи мікросистем, чутливі до переміщень Показано, що автоемісійні струми таких елементів є надчутливими до зміни положення одного електрода відносно іншого. В табл. 1 наведено значення напруженості електричного поля і струмів автоемісії залежно від величини зміщення електродів між собою. Ураховуючи сильну залежність автоемісійного струму від зміщення електродів та її безінерційність, запропоновані елементи є основою для створення в мікросистемах надчутливих елементів акселерометрів, гіроскопів з реєстрацією змін емісійних струмів, дослідження мікронерівностей поверхні.

Таблиця 1. Струм автоемісії при зміщеннях рухомого електрода

Отже, отримані результати дають підстави застосовувати розроблені автоемісійні прилади зі структурою КНІ в складі та для розширення елементної бази мікросистем.

5. Результати досліджень з розроблення на основі КНІ-структур уніфікованого багатофункціонального чутливого елемента з інформаційними ємнісними і/або резистивними елементами, тривимірних конструкцій інтегральних контактів і міжз'єднань, діодних елементів з бар'єрами Шотткі, МОН-транзисторів

Ці дані необхідні для розроблення нових мікросхемотехнічних рішень, проектування і верифікації їх топологій, дослідження характеристик і розширення можливостей зі створення елементної бази мікросистем.

Уніфікований інтегральний чутливий елемент, монолітно-зінтегрований зі схемами первинного перетворення інформації, містить рухомий електрод, розташований над спільним затвором пари КНІ КМОН-транзисторів, які можуть бути скомутовані за потрібною споживачеві схемою включення в складі мікросистеми. В цьому елементі зміну чутливих параметрів ємності і/або опору можна вигідно реєструвати як зміну частоти вихідного підсиленого сигналу, або затримки сигналів чи виділення фронтів. Величиною зміщення на спільному затворі задають чутливість. Як зрозуміло з рис.13, для прикладу використання, вхідний КНІ КМОН-інвертор, що також може бути і операційним підсилювачем, або окремими транзисторами комплементарної пари, які залежно від схеми застосування відповідно комутують для організації потрібної схеми. Конструктивно, як елемент мікросистеми, рухома обкладинка чутливого конденсатора може бути виконана, наприклад у вигляді мембрани на іншому кристалі або рухомої балки інерційного акселерометра з гібридною інтеграцією, або з рухомими чи нерухомими елементами гребінчастих конденсаторів для реєстрації, наприклад вологості, тиску, прискорення, світла тощо.

Досліджено особливості розподілу потенціалів і градієнтів напруженостей електричного поля і їх вплив на формування провідного каналу в КНІ МОН- транзисторі залежно від зміни профілю форми поверхні рухомого електрода і його положення відносно затвора, що дало підстави вибору оптимальної орієнтації рухомої частини електрода відносно стокових областей транзистора для досягнення максимальної чутливості.

Як елементи приладних структур мікросистем розроблено тривимірні контакти і між'єднання на локальних тривимірних КНІ-структурах з П, Т і Ш- подібними профілями, що забезпечило створення високоефективних контактів до стік-витокових і затворних областей КНІ-транзисторів і міжшарових з'єднань. Електропровідність тривимірних КНІ-контактів у середньому в 1,5 разу є більша порівняно з планарними за однакових топологічних розмірів.

Як складові елементної бази мікросистем розроблено і досліджено діодні тривимірні КНІ-структури з бар'єрами Шотткі, які можуть бути застосовані як діодні, ключові або елементи діодно-транзисторних логічних схем, чутливих елементів температури.

Зокрема, дослідження їх ВАХ показали, що при змінах струмів чи напруг у колі металевого керуючого електрода, з функцією, аналогічній базі біполярного транзистора, але виконаної з металу, час переключень визначається тільки ємностями бар'єрів Шотткі і становить десяті частини-одиниці пікосекунд. Такі елементи мають дуже компактну топологію, і одночасно є перспективними для низьковольтних схем.

Для проектування елементної бази мікросистем на основі КНІ МОН-транзисторних структур запропоновано нові елементи їх конструкцій і моделі. Для одинарних і тривимірних матричних МОН-транзисторів запропоновано приховані контакти із затворного полікремнію до стік-витокових областей через вікна у підзатворному оксиді, що планаризує поверхню і одночасно є шаром з'єднань.

Стримуючим фактором використання КНІ МОН-тразисторів є паразитний “кінк”-ефект. Його можна усунути в повністю збіднених КНІ МОН-транзисторах з надтонкими товщинами плівок кремнію. Проте практична реалізація таких приладів пов'язана зі значними технологічними проблемами. Тому компромісним є використання частково збіднених КНІ МОН-приладів, але для цього удосконалено їх топологічні рішення, які забезпечують керування підканальною областю.

Розроблено також і матричні КНІ МОН-транзистори, з керованою підканальною областю через контакти-зародки у вигляді ямок-травлення поверхні (100) і одночасно, як технологічних елементів в процесі МЛР, топологічно розміщені на перетинах елементів матричного затвора з типом провідності каналу. Таке розміщення не потребує додаткової площі, не зменшує співвідношення ширина каналу/довжина, а сканування променя лазера в процесі МЛР проводять вздовж діагоналей ямок-травлення. (вздовж діагональних металевих шин).

Іншим методом нейтралізації позитивних зарядів для МОН-транзисторів на локальних тривимірних КНІ-структурах є запропоновані конденсаторні елементи із загостреними електродами і потенціальною “ямою” для позитивно заряджених носіїв заряду при подачі нульового зміщення на підкладку або з'єднання підканальної області з витоком чи стоком, яке формують на стадії виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур унаслідок варіації і співвідношення топологічних розмірів - витоку, підканальної області і стоку (для з'єднання підканальної області з витоком їх топологічні розмірі більші ніж для стоку).

Отже зміною топологічних розмірів у тривимірних КНІ МОН-структурах, починаючи зі стадії їх виготовлення, можна формувати конденсаторні елементи, або контакти з підкладкою чи з витоками і підкладкою. У цьому разі керування може бути незалежним, що вигідно для проектування окремих типів схем з використанням подвійного керування МОН-транзистором і паразитним біполярним, або одночасне під'єднання до витоку і загальної шини для усунення “кінк”-ефекту. Такі конструкції, порівняно з відомими, не потребують додаткової площі, дають змогу ефективно керувати “кінк”-ефектом та створювати нові схемотехнічні рішення з покращеними характеристиками швидкодії, споживаної потужності та зменшеної площі на кристалі, врахувати при проектуванні топологій елементів з послідовним, паралельним чи комбінованим з'єднанням транзисторів.

Досліджено вплив напруги на затворі, профілів форм поверхні і концентрації носіїв заряду в канальній області для тривимірних контактних і КНІ МОН-структур на розподіл потенціалів, напруженостей електричного поля і формування інверсного провідного каналу. Показано, що ці розподіли є ідентичними для ідентичних форм поверхонь в контактно-діодних і МОН-структурах, а для тривимірних КНІ МОН-структур з П-подібним профілем затвора густина струму і товщина інверсного (провідного) каналу по ширині нерівномірні. Найбільша густина струму спостерігається на кутових сегментах, менша - на вертикальних стінках і найменша на горизонтальній поверхні канальної області, а зі збільшенням радіуса заокруглення кутового сегмента густина струму зменшується.

На основі цих результатів запропоновано конструкцію тривимірного КНІ МОН-транзистора з циліндричним профілем поверхні затвора, в якому товщина інверсного провідного каналу і густина носіїв заряду в каналі найбільш рівномірні. Такі транзистори, порівняно з відомими, мають найкращі ключові і шумові характеристики внаслідок рівномірного розподілу порогової напруги по ширині каналу.

Для схемотехнічного моделювання елементів мікросистем проаналізовано і адаптовано моделі КНІ МОН транзисторів до їх об'ємних аналогів, в тому числі і для високовольтних застосувань. Запропоновано моделі КНІ МОН-транзисторів з тривимірними затворами. На основі вищенаведених результатів, для розрахунку порогових напруг розроблено модель і еквівалентну схему, що включає паралельне з'єднання 5-ти транзисторів зі спільними затвором, стік- витоковим областями, утворених на бокових гранях, кутових сегментах і вершині транзистора. Для такої моделі струм стоку можна розраховувати як суму струмів окремих транзисторів з різними пороговими напругами Vt1, Vt2, Vt3.

де: q - заряд електрона; еSi - діелектрична проникність кремнію; ni - концентрація вільних носіїв заряду в напівпровіднику;

ФMS - різниця робіт виходу електрона з металу затвору та напівпровідника. VGS - напруга на затворі; VDS - напруга на стоці; ND - концентрація донорів на стоці/витоці; цF - нерівноважні квазірівні Фермі, що задовільняють наступним краєвим умовам: ; ; tinv - товщина інверсного шару в каналі.

Отже, отримані результати досліджень КНІ МОН-транзисторних структур відкривають можливості створення елементної бази і спеціалізованого БМК для побудови зінтегрованих мікросистем.

Висновки

тривимірний ізолятор резистивний мікросистемний

Проведені дослідження у сукупності вирішують науково-прикладну проблему зі створення нової конструктивно-технологічної та елементної бази і концепції побудови мікросистем на спеціалізованому, для мікросистемних використань, БМК зі структурою КНІ та вперше отримані такі основні результати:

1. Pозроблено нові технологічні підходи формування локальних планарних, тривимірних КНІ-структур і їх поелементної ізоляції безпосередньо в кремнієвій пластині без пошкоджень поверхневого приладного шару, що відкриває можливості для інтеграції технологічних процесів із формування в одному циклі різних типів монолітно-інтегрованих елементів мікросистем і створює перспективну конструктивно-технологічну базу для їх створення.

2. Запропоновано нові способи формування нано- і субмікрометрових топологічних розмірів елементів з використанням матриць керованих авто-емісійних мікрокатодів і стандартної подвійної проекційної літографії зі зміщенням топологічного рисунка, що забезпечує реальні розміри елементів типу “вікно в діелектрику” або “плівка” в межах 100-150 нм.

3. Показано можливість виготовлення комбінованих тривимірних КНІ-структур, конструктивно-суміщених з герметизованими мікропорожнинами під поверхнею пластини, розміщення яких на кристалі задається вихідною топологією субмікрометрових щілин, а їх топологічні розміри і глибина є визначальними у формуванні елементів мікросистем. Виявлено властивість підйому нависаючих зі стінок щілин в порожнину плівок Si3N4 й утворення п'єдесталів, на які осаджують герметизуючий матеріал. Герметизації досягають також унаслідок змиканням окислів між протилежними поверхнями на стінках щілин при їх термічному окисненні.

4. Показано нові принципи побудови тривимірних чутливих елементів мікросистем на комбінованих КНІ МОН-структурах, конструктивно суміщених з мікропорожнинами. Виявлено, що об'ємний заряд у мікропорожнинах, профіль поверхні і положення рухомого електрода над затвором транзистора, модулюють провідні канали як під затвором, так і на проміжку, який з'єднує підканальну область транзистора з підкладкою, що важливо для покращення параметрів приладів.

5. Вдосконалено методи МЛР полікремнієвих шарів при створенні КНІ-структур шляхом фільтрації дефектів, введення у вихідні структури комбінованих капсулюючих і просвітляючих плівок SiO2 та Si3N4 з різними кутами змочування розплавленим полікремнієм, визначеної топології і послідовності нанесення, допоміжних операцій окиснення рекристалізованого полікремнію і обробки травленням, відпалу, використання зародків до кремнієвої пластини у формі ямок травлення і орієнтованих діагоналями вздовж напряму сканування лазерного променя під час МЛР. Встановлено кореляцію між технологічними умовами МЛР та електрофізичними параметрами КНІ-структур і визначено механізми перенесення носіїв заряду для різних температур і ступеня легування вихідного матеріалу. Це дало змогу формувати локальні, за заданою топологією КНІ-структури з прогнозованими параметрами і придатними для виготовлення елементів мікросистем.

6. Встановлено кореляцію між величиною концентрації електрично активної домішки(бору) та значенням температурного коефіцієнту опору (ТКО) та магнетоопору для КНІ-структур з полікремнієвим і рекристалізованим полікремнієвим шарами для низьких температур і впливі сильних (до 14 Тл) магнетних полів на електропровідність терморезистивних елементів, що дало змогу визначити тип КНІ-структур і значення концентрацій домішки, при яких ці елементи володіють найменшими значеннями ТКО та магнетоопору, що важливо для температурної і магнітної стабільності чутливих елементів мікросистем. На цій основі визначено, що:

- нерекристалізовані шари полікремнію-на-ізоляторі з концентрацією носіїв р300К = 2.4е+18см-3, завдяки сильній температурній залежності при низьких температурах, можуть використовуватись як терморезистивні чутливі елементи мікросистем для вимірювання кріогенних температур. ТКО таких елементів становить - 9% К-1 в інтервалі температур 4,2 - 50 К.

- рекристалізовані шари полікремнію-на-ізоляторі з концентрацією носіїв р300К=7е+17см-3 можуть використовуватись як чутливі елементи мікросистем для кріогенних температур і одночасно працездатних в магнітних полях до 6 Тл, з ТКО= -2,4 К-1 в інтервалі температур 4,2-50К і ТКО=-2,085 К-1 в інтервалі температур 4,2-120 К.

7. Запропоновано нові конструктивно-технологічні рішення для елементів мікросистем на основі автоемісійних мікрокатодів з одно-, багатошпильовими та лезоподібними формами та матричні елементи зі структурами КНІ для автоемісійних дисплеїв. Оптимізовано режими їх функціонування та досліджено характеристики автоемісійних мікрокатодів. Показано можливості їх монолітної інтеграції зі схемами керування за технологією локальних тривимірних КНІ-структур. Виявлено істотну залежність величини автоемісійних струмів від переміщення емісійних елементів один відносно одного, що дозволить сконструювати акселерометри з підвищеною чутливістю.

8. Розроблено багатофунціональний чутливий елемент для мікросистем з частотними виходом і регульованою чутливістю, що містить рухомий електрод і пару КНІ КМОН-транзисторів, монолітно-інтегрованих зі схемами первинного перетворення інформації, в якому зміна чутливих параметрів ємності і/або опору реєструється як зміна частоти вихідного сигналу. Показано, що для досягнення максимальної чутливості такого елемента, оптимальним положенням рухомої частини електрода є її орієнтація відносно стокових областей транзистора, а використовуючи різні типи конструкцій чутливих ємнісних і резистивних складових чутливого елемента, на його основі можливе створення мікросистемних пристроїв для аналізу тиску, вологи, концентрації газів, магнетного поля, температури, прискорення тощо.

9. Встановлено закономірності розподілу потенціалів, напруженості електричного поля і густини носіїв заряду в КНІ МОН-транзисторах залежно від профілю форм поверхонь, концентрації електрично-активної домішки і прикладеної напруги. Це дозволило обґрунтувати оптимальну форму поверхні індукованого провідного каналу у вигляді сегмента циліндра, що забезпечує високі показники швидкодії і низьких шумів КНІ МОН-транзистора. Виявлено, що домінуючу роль у формуванні інверсного каналу відіграють потенціали об'ємних зарядів в підканальній КНІ-області та підкладці і їх зміною можна впливати на товщину провідного каналу, а розподіли потенціалів і напруженостей електричного поля є ідентичними для ідентичних профілів тривимірних контактно-діодних і МОН-структур. Показано вплив технологічного розсуміщення елементів на перерозподіл електричних полів і формування провідного каналу. Це дає підстави виробити рекомендації щодо оптимального поєднання профілів тривимірних контактів і МОН-транзисторів під час проектування мікросистем.

10. Отримали подальший розвиток методи проектування тривимірних КНІ МОН-транзисторів, контактно-діодних структур і їх складових для мікросистем, а саме: тривимірні контакти та міжз'єднання; діоди та ключові елементи на бар'єрах Шотткі; тривимірні стандартні та матричні МОН-транзистори з керованим “кінк”-ефектом; тривимірні приховані контакти затворного полікремнію до стік-витокових областей одинарних та матричних МОН-транзисторів на локальних тривимірних КНІ-структурах. Для незалежного керування підканальною областю і усунення кінк-ефекту в МОН-транзисторах з матричною конфігурацією затвора, як електричні контакти між підканальною областю і пластиною запропоновано використовувати полікремнієві контакти-зародки до пластини у вигляді ямок травлення і орієнтованих діагоналями вздовж напряму сканування лазера в процесі МЛР, топологічно розміщених на перетинах матричного затвора; а для МОН-транзисторів на локальних тривимірних КНІ-структурах для під'єднання підканальної області до витоку запропоновано здійснювати варіацією їх топологічних розмірів на стадії формування. Такі конструкції не потребують додаткової площі, дають змогу ефективно керувати кінк-ефектом та створювати нові схемотехнічні рішення і отримати оптимальні рекомендації щодо проектування топологій з послідовним, паралельним чи змішаним з'єднанням транзисторів. Визначено технологічні режими, профілі, концентрації легування та електричні параметри елементів приладів. Ці елементи переважають відомі аналогічні за ступенем інтеграції, електричними і часовими параметрами, стійкістю до зовнішніх впливів.

11. На основі результатів моделювань МОН-приладів на локальних тривимірних КНІ-структурах, запропоновано їх еквівалентну схему з паралельним з'єднанням кутових, вертикальних і горизонтального транзисторів з різними значеннями порогових напруг. Підтверджено математичну модель розрахунку порогових напруг і стокових струмів.

12. Розроблено комірку поля матриці БМК, оптимізовану за площею, міжелементною ізоляцією, комутаційними можливостями і параметрами узгодженості. Така комірка придатна для розроблення як цифрових, так і аналогових бібліотечних елементів мікросистеми. При цьому з використанням локальних тривимірних КНІ-структур у вигляді набору смужок із субмікрометровою шириною, замість планарних КНІ-плівок, така комірка ефективніша в 1,5 раза за площею та за єдиною методологією проектування розширює можливості створення елементів мікросистеми за ієрархічними принципом “комірка в комірці”.

13. Розроблено нові конструктивно-схемотехнічні рішення, що грунтуються на подвійному керуванні КНІ МОН-транзистором і багатошаровій структурі контактних пощадок для буферних каскадів БМК. Це дало змогу отримати, порівняно із відомими каскадами, істотно менші енергоспоживання, затримку сигналів і крутішу амплітудно-передаточну характеристику й одночасно меншу площу на кристалі.

14. Запропоновано нову концепцію створення мікросистем сенсорного типу та її елементів на основі спеціалізованого БМК зі структурою КНІ, що містить блоки чутливих елементів, ліній зв'язку, аналогових, цифрових бібліотечних елементів і буферних каскадів, топологічно розміщених по периметрах від центру кристалу до периферії, і є основою для створення різних типів мікросистем з покращеними параметрами швидкодії, електричними і частотними характеристиками, стійкістю до зовнішніх впливів, включаючи мікроаналітичний інструментарій для дослідження характеристик інтегральних плівкових некремнієвих елементів, сформованих над поверхнею блоку чутливих елементів мікросистеми.

Література

1. Druzhinin A.A. New generation of mechanical sensors on the basis of laser-recrystallized poly-Si layers/ Druzhinin A.A., Maryamova I.I., Kogut I.T., Pankov Y.M. // Sensors and Actuators..-No.1-2(1999). -V.30. -Р.27-33.

2. Druzhinin A.A. Microzone laser recrystallized polysilicon layers on insulator / Druzhinin A.A., Kostur V.G., Kogut I.T., Pankevich I.M., Deschinsky Y.L. // Phys. and Tech. Probl. of SOI Struct. and Devices. Ed. by J.P.Collinge et al. NATO ASI Series. Kluwer Acad. Publishers.- Netherlands.-1995.-P.101-105.

3. Druzhinin A.A. Laser recrystalized polisilicon layers for sensor application: electrical and piezoresistive characterization /Druzhinin A.A., Maryamova I.I., Lavitska E.N., Pankov Y.M., Kogut I.T. // Perspectives, Science and Technologies for Novel Silicon on Insulator Devices / Ed. by Peter L.F.Hemment, V.S.Lysenko, A.N.Nazarov. NATO Science Series 3. High Technology- Kluwer Academic Publishers, Dortrecht/Boston/London. -1999. -V.73. - P.127-135.

4. Druzhinin A.. Polysilicon-on-insulator layers at cryogenic temperatures and high magnetic fields / Druzhinin A., Maryamova I., Kogut I., Pankov Yu., Khoverko Yu., Palewski T.// Science and Technology of Semiconductor-On-Insulator Structures and Devices Operating in a Harsh Environment / Ed. by D. Flandre et al.(eds),- Kluwer Academic Publishers. - 2005. - P. 297-302.

5. Druzhinin A. Laser recrystallization of polysilicon in sensor technology: possibilities and restrictions / Druzhinin A., Lavitska E., Maryamova I., Kogut I.//Silicon-on-Insulator Technology and Devices / Ed. By S.Cristoloveanu. Electrochemical Soc. Proc. Pennington, NJ. -1997. -. V.97-23. -P.92-97.

6. Maryamova Inna. Piezoresistive pressure sensors for medical applications/ Maryamova Inna, Lavitska Elena, Kogut Igor, Kutrakov Alexey // Published by SPIE-The International Society for Optical Engineering, Bellingam,Washington, USA.-1999. -SPIE. -V. -3730. -P.220-225.

Размещено на Allbest.ru