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

У країнах Європи здебільшого використовують термін - мікросистеми, мікросистеми-на-кристалі або в корпусі, які обєднують декілька кристалів з електричними і/або оптичними звязками і термін “мікросистема-на-кристалі” є більш загальним порівняно із МЕМС. 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. 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. 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. 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 обємному кремнії.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. Розроблено 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. Запропоновано нові способи формування нано-і субмікрометрових топологічних розмірів елементів з використанням матриць керованих автоемісійних 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. 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 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.

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. Розроблено 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 автоемісійних 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 пєдесталів, 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 обємний заряд у мікропорожнинах, профіль поверхні і положення рухомого електрода над затвором транзистора, модулюють провідні канали як під затвором, так і на проміжку, який зєднує 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 обємних 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 міжзєднання; діоди та ключові елементи на барєрах 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 підєднання 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 зєднанням 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 зєднанням 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 звязку, 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.

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 .ru