CC BY
7УДК 621.3.049.77.002
Влияние конструктивно-технологических параметров на характеристики трехколлекторного биполярного магнитотранзистора
А.В. Козлов, М.А. Королёв, А.А. Черемисинов Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
А.А. Жуков, Р.Д. Тихонов НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Экспериментально исследованы чувствительность и начальный разбаланс напряжения между коллекторами двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора n-p-n-типа с базой, сформированной в кармане, который служит третьим коллектором (3КБМТБК) при пониженной скорости поверхностной рекомбинации в базе. Схема включения магнитотранзистора определяет режим работы и параметры прибора. Показано, что магниточувствительность по напряжению достигает 11 В/Тл.
Ключевые слова: биполярный магнитотранзистор, начальный разбаланс, магниточувствительность.
Наиболее исследованным вариантом биполярного магнитотранзистора (БМТ) является латеральный магнитотранзистор в кармане с поверхностным охранным кольцом, который назван в [1] магнитотранзистором с подавлением боковой инжекции SSIMT (Suppressed Sidewall Injection MagnetoTransistor) и с механизмом чувствительности, определяемым «двойным отклонением» носителей заряда. Полное описание характеристик SSIMT дано в [2]. Введение дополнительных р-областей, располагающихся на поверхности кремния под слоем толстого окисла и разделяющих эмиттер и рабочие коллекторы, приводит к повышению относительной токовой чувствительности транзистора с 0,7 до 99%, т.е. в 140 раз [3]. Основное назначение высоколегированных р-слоев заключается в ограничении боковой инжекции эмиттера за счет встроенного электрического поля на боковой поверхности перехода эмиттер-база, уменьшающего поток электронов вдоль поверхности и поверхностную рекомбинацию. Подлегирование поверхности кармана перед выращиванием толстого локального окисла в БМТ с самосовмещением электродных областей проводилось в [4]. Уменьшение поверхностной рекомбинации возможно также при выращивании на поверхности кремния высококачественного окисла, обычно применяемого для подзатворного диэлектрика в КМОП-технологии.
Получены двухколлекторные латеральные БМТ с базой в кармане с экстрагирующим третьим р-п-переходом база - карман - трехколлекторные биполярные магнитот-ранзисторы (3КБМТБК) [5].
Структура 3КБМТБК приведена на рис.1, где показаны области эмиттера Э, коллекторов К1 и К2, контакты к базе Б1, Б2, к карманам Кр1, Кр2 и к подложке П1, П2. Основные размеры магнитотранзисторов следующие: расстояние между эмиттером и коллекторами ЬЭК = 50 мкм, длина электродов эмиттера, коллекторов и контактов к базе
© А.В. Козлов, М.А. Королёв, А.А. Черемисинов, А.А. Жуков, Р.Д. Тихонов, 2012
Рис.1. Разрез структуры 3КБМТБК
W = 280 мкм, ширина эмиттера Дэ = 4 мкм. Контакт к базе располагается между эмиттером и коллекторами. Размеры элементов и технология их формирования с целью уменьшения разбаланса выбирались в соответствии с рекомендациями, приведенными
в [6].
Технология изготовления приборов предусматривает формирование твердой маски и ионное легирование всех электродов по твердой маске, т.е. с самосовмещением. Образцы изготавливались с тонким подзатворным окислом с плотностью поверхностных 11 - 2
состояний менее 10 см и толстым слоем окисла, наносимого на тонкий окисел путем разложения тетраэтаоксисилана (ТЭОС). При выполнении переноса изображения на ряде операций происходит изменение размеров элементов, связанное с процессами экспонирования, травления и проявления. Для точного воспроизведения размеров элементов топологии при проведении проекционной фотолитографии в топологическую информацию на изготовление фотошаблонов вносились припуски.
Интегральный сенсор магнитного поля - интегральный магнитодиод на основе магнитоконцентрационного эффекта использует коллекторный обратносмещенный р-и-переход вместо поверхности с высокой скоростью рекомбинации [7]. В [8] показано, что в планарной конструкции магнитодиодов целесообразно увеличивать скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда на стороне пластины, противоположной стороне, на которой расположены контакты. В этом случае определенная полярность магнитной индукции отклоняет инжектированные носители к поверхности с контактами, что приводит к сокращению траектории движения между контактами и увеличению времени жизни носителей. Оба эффекта приводят к уменьшению сопротивления диода. В 3КБМТБК используется экстракция инжектированных из эмиттера электронов р-и-переходом база - карман (подложка) с обратной стороны относительно поверхности кристалла, что является альтернативой поверхностной рекомбинации на лицевой стороне в магнитотранзисторах SSIMT.
Проведено измерение магнитотранзисторов 3КБМТБК в разных схемах включения (рис.2). Чувствительность измерялась в постоянном магнитном поле соленоида с магнитной индукцией B = 4,93 мТл. Дифференциальная абсолютная чувствительность по напряжению определялась по формуле
SDA = [Uk2 (B) - UK2 (0) - Uk (B) + Um (0)] / B.
При напряжении питания Епит = 9 В измерялась разность напряжения на коллекторах сначала без магнитного поля Uk2(0) - Uki(0) - начальный разбаланс, а потом в магнитном поле Uk2(B) - Uki(B) при выбранном напряжении и токе смещения в базе 1Б и кармане 1Кр.
Рис.2. Схемы включения БМТ: а - со смещением в цепи базы при ЯК1 = 267,4 кОм, ЯК2 = 267,4 кОм, ЯБ = 27,32 кОм, ивх = 2,8 В; б - с общими базой и карманом при ЯК1 = 267,4 кОм, ЯК2 = 267,4 кОм, ЯБК = 1,2782 кОм, Пвх - переменный; в - со смещением в цепи кармана и подсоединением базы через сопротивления к коллекторам при ЯК1 = 267,4 кОм, ЯК2 = 267,4 кОм, ЯБ = 218,5; 98,8; 46,2 кОм, ЯКр = 1,28 кОм; г - с включением смещения на карман, а базы через сопротивления на коллекторы и от дополнительного источника при ЯК1 = 300 кОм, ЯК2 = 300 кОм, ЯБ = 300 кОм, ЯКр = 0,5 кОм, ЯБ2 = 27 кОм
Измерения показали, что при подключении напряжения смещения на базу иБ (рис.2,а) параметры 3КБМТБк имеют среднее значение разбаланса -0,84 мВ, чувствительности 0,134 В/Тл при напряжении на коллекторах около 1 В (табл.1). При подключении напряжения смещения на базу и подложку (карман) иБП (рис.2,б) параметры БМТ имеют среднее значение разбаланса -50,5 мВ, чувствительности 10,9 В/Тл (напряжение на коллекторах около 1,45 В). В схеме с общим потенциалом на базе и кармане (подложке) чувствительность увеличивается в 81 раз, а разбаланс - в 60 раз (рис.3,а,б). Чувствительность разных образцов имеет близкие зависимости от токов смещения базы (см. рис.3,в) или базы вместе с карманом (рис.3,г). Чувствительность по напряжению в схеме на рис.2,б достигает высокого значения (до 11 В/Тл).
При изменении тока базы происходит изменение разбаланса как по модулю, так и по знаку (рис.3,г,е). Поскольку токи коллекторов одинаковы при одинаковых сопротивлениях нагрузки коллекторов, а разбаланс разный и изменяется в разные стороны, причиной разбаланса является увеличение тока эмиттера при увеличении тока смещения базы с 80 мкА до тока смещения базы и кармана (подложки) 8 мА. Начальный разбаланс напряжений коллекторов сильно отличается для разных образцов при токе смещения базы вместе с карманом (см. рис.3,е). Для образца № 6 разбаланс большой и положительный, для образца № 1 разбаланс большой и отрицательный, для образца № 11 разбаланс небольшой и изменяет знак с положительного на отрицательный. Начальный разбаланс напряжений коллекторов мало отличается для разных образцов при токе смещения базы (см. рис.3,г) и по величине меньше, чем при смещении базы вместе с карманом, а знак разбаланса отрицательный. Разбаланс при разном типе смещения различен, т.е. не является характерным для данного образца.
Таблица 1
Параметры 3КБМТБК
Схема
Номер образца со смещением в цепи базы (см. рис.2,а) с общей базой и карманом (см. рис.2,6)
^, В/Тл ^, B/Tл
иК2, В иК2 - ии, мВ иш, В - ию, мВ
1 1,898 -13,58 0,11571 0,726 -204 10,8
2 1,417 -1,18 0,1218 1,334 -337,2 11,2
3 0,931 4,37 0,13195 0,892 -93 10,4
4 0,835 -11,85 0,12992 1,796 -72 11,2
5 0,58 2,89 0,12586 1,874 -162 11,4
6 0,885 -5,23 0,1421 1,79 115 11,2
7 0,836 28,9 0,13601 2,193 109 11
8 0,955 12,2 0,13601 1,288 -110 11
9 1,077 -6,38 0,14819 1,599 100 11,2
10 0,749 -1,64 0,12789 1,568 -7 11
11 1,011 -1,87 0,12586 1,052 -37 11
12 1,071 -10,75 0,15022 1,606 -9 11
13 1,118 -2,44 0,15225 0,971 -7 9,54
14 0,811 0,68 0,12789 1,977 34 11,2
15 1,01 -0,74 0,12992 1,242 -88 10,35
16 0,687 -12,11 0,13398 1,185 82 10,8
17 0,896 3,63 0,13195 2,028 -172 11
18 0,809 -0,04 0,14413 1,03 -94,15 10,9
Среднее 0,976 -0,84 0,134 1,45 -50,5 10,9
значение
Для объяснения наблюдаемых зависимостей можно предположить, что наличие неоднородности в области объемного заряда одного из коллекторов приводит к положительному или отрицательному разбалансу, а на двух коллекторах сразу - к их взаимной компенсации. Увеличение тока смещения при соединении базы и подложки (кармана) увеличивает начальный разбаланс напряжения коллекторов при практически одинаковых значениях токах коллекторов при выбранных сопротивлениях нагрузки. Ток смещения протекает через эмиттер, и распределение потенциалов и токов в эмиттере сильно зависит от точности совмещения металлизации в контактных окнах с областью легирования эмиттера, от скорости поверхностной и объемной рекомбинации в эмиттере. В работе [2] указывается, что неточное совмещение металлического контакта c и-диффузионной областью эмиттера экспериментально идентифицировано как доминирующая причина разбаланса. Влияние этой причины может быть уменьшено при большой длине диффузионной области эмиттера с хорошими металлическими контактами, удаленными от коллекторов и от базовых контактов. В работе [9] отмечается, что для подложек, легированных бором, скорость поверхностной рекомбинации вообще не зависит от концентрации примеси. В работе [10] показано, что металлизированная поверхность мелких диффузионных слоев дает очень высокую скорость рекомбинации 3 106 см/с. Поэтому необходимо удалять с поверхности диффузионных областей в местах протекания инжекционных токов металлизацию для получения воспроизводимого разбаланса.
Рис.3. Характеристики 3КБМТБК при подключении напряжения смещения на базу иБ и на базу и подложку (карман) иБП: а - чувствительность по напряжению 18 образцов; б - начальный разбаланс напряжения на коллекторах18 образцов; в - зависимость чувствительности по напряжению образцов № 1, 6, 11 от тока смещения базы (/Б); г - начальный разбаланс напряжения на коллекторах образцов № 1, 6, 11 от тока смещения базы; д - зависимость чувствительности по напряжению образцов № 1, 6, 11 от тока смещения базы и подложки (кармана) (/Б+Кр); е - начальный разбаланс напряжения на коллекторах образцов № 1, 6, 11 от тока смещения базы и подложки (кармана)
Величина разбаланса сильно зависит от токов смещения, как показано на рис.4,а при раздельном задании токов смещения в базу и подложку (карман) по схеме на рис.2,г. Аналогичная сильная зависимость наблюдается для чувствительности по напряжению (рис.4,б). Из рис.4,в следует, что отношение чувствительности к начальному разбалансу дает наибольший полезный сигнал при малом токе смещения, что определяет возможность использования 3КБМТБК в относительно слабых магнитных полях. Исследование чувствительности при переменных значениях токов базы и кармана про-
Рис.4. Зависимости от тока базы и тока кармана магнитотранзистора образца № 1 в схеме с включением смещения на карман, а базы через сопротивления на коллекторы: а - начального разбаланса напряжения на коллекторах; б - чувствительности по напряжению; в - отношения чувствительности по напряжению к разбалансу напряжения коллекторов и зависимости от тока кармана образца № 8; г - напряжения на коллекторе; д - начального разбаланса напряжения на коллекторах;
е - чувствительности по напряжению
ведено в схеме с включением отдельного источника для смещения базы. Как показано в табл.2, для заданного тока базы необходимо выбирать соответствующее значение тока кармана (см. рис.4,а,б,в) для получения высокой чувствительности. Чувствительность максимальна при напряжении на кармане, близком к смещению базы, т.е. схема с общим потенциалом на базе и кармане (подложке) является безусловно наилучшей и в ней нет смещения перехода база-подложка (карман).
Таблица 2
Характеристики 3КБМТБК в режиме работы с раздельным заданием токов смещения базы и кармана
ивхЬ В Uвх2, В 1Б, мА 1кр, мА В ик2(0)-иИ(0), мВ ик2(В)-иИ(В), мВ „V °пл, В/Тл
0 1,6 0,66 0 0,058 -0,27 -0,28 0,00203
4,4 1,6 0,632 6,7 2,575 -69,37 -94,4 5,08109
4,1 1,6 0,625 6,28 1,609 -93,82 -122,67 5,85655
3,9 1,6 0,622 6,1 0,707 -100 -128 5,684
5,1 1,6 0,635 7,81 4,489 -16,01 -24,17 1,65648
9 2,7 1,344 13,96 2,904 -223 -265 8,526
9,6 2,7 1,348 14,73 3,373 -129 -160 6,293
8,7 2,7 1,34 13,57 1,144 -267 -315 9,744
8,4 2,7 1,337 13,13 0,363 -100 -116 3,248
13,5 3,7 2,2 21,1 1,879 -42 -47 1,015
13,6 3,7 2,2 21,3 2,54 -145 -163 3,654
13,8 3,7 2,2 21,5 2,736 -511 -562 10,353
Для каждого тока смещения базы существует ток смещения кармана, обеспечивающий максимальную чувствительность. При этом разбаланс также максимальный. При максимальной чувствительности ток кармана везде в 10 раз больше, чем ток базы. Отношение чувствительности к разбалансу дает наибольшее в 2 и 3 раза значение при малых токах базы и кармана. За счет выбора схемы включения магнитотранзистора можно получить максимальное значение чувствительности или оптимизировать отношение чувствительности к разбалансу.
В схеме с заземленными эмиттером и подложкой крутизна 3КБМТБК уменьшилась на 10%, а разбаланс увеличился в 2 раза.
С целью определения возможности снижения разбаланса напряжения коллекторов исследовалась схема с включением смещения на карман, а базы через сопротивления на коллекторы (см. рис.2,в).
Чувствительность по напряжению БМТ низкая 0,05 В/Тл в схеме с включением смещения на карман, а базы через сопротивления 219; 100; 46 кОм на коллекторы, т.е. равна средней чувствительности в схеме без подключения кармана (см. рис.4,е). Разбаланс очень маленький (см. рис.4,д) и при уменьшении сопротивления базы разбаланс уменьшается с 4 до 0,1 мВ, а напряжение на коллекторе с 3,5 до 1,5 В (см. рис.4,г).
При иКр= 1 В в схеме с сопротивлениями базы: 218,5 кОм токи смещения имеют величину 1Кр = 0,593 мА, 1Б = 0,033 мА; 98,8 кОм токи смещения имеют величину /Кр = 0,596 мА, 1Б = 0,042 мА; 218, 5 кОм токи смещения имеют величину /Кр = 0,596 мА, 1Б = 0,047 мА. В схеме с общими базой и карманом токи смещения больше: /БКр = 8,084 мА, 1Б = 0,72 мА, /Кр = 7,317 мА. Но при увеличении только тока /БКр = 7875 мкА чувствительность отсутствует из-за большого напряжения на кармане, которое втягивает инжектированные носители заряда в карман и не дает магнитному полю отклонить их к коллекторам.
Исследования показывают, что магнитотранзистор 3КБМТБК с малой скоростью поверхностной рекомбинации на границе раздела кремний - подзатворный диэлектрик и с использованием экстракции инжектированных электронов удаленным от поверхности р-и-переходом база - карман (подложка) вместо поверхностной рекомбинации позволяет получить высокую чувствительность и пониженный разбаланс напряжения
коллекторов. Малая скорость поверхностной рекомбинации более воспроизводима при современной технологии окисления поверхности кремния, чем большая, поэтому воспроизводимость параметров магнитотранзистора повышается по сравнению с транзисторами SSIMT.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ (МК-6977.2012.8) на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Литература
1. Ristic L.J., Baltes H.P., Smy T., Filanovsky I. Suppressed sidewall injection magnetotransistor with focused emitter injection and carrier double deflection // IEEE Electron Devices Letters. - 1987. - N 9. -P. 395-397.
2. MetzM. Offset in CMOS Magnetotransistors, analysis and reduction // Diss. Zurich, SW. - 1999. - P. 1-155.
3. Uk-Song, Seung-Ki Lee, Min-Koo Han. Highly sensitive magnetotransistor with combined phenomena of Hall effect and emitter injection modulation operated in the saturation mode // Sensors and Actuators A54. -1996. - P. 641-645.
4. Моделирование биполярного двухколлекторного магнитотранзистора и определение режима термокомпенсации изменения чувствительности / В.В. Амеличев, А.И. Галушков, Ю.Н. Миргородский и др. // Датчики и системы. - 1999. - № 6. - С. 38-42.
5. Исследование механизмов преобразования и относительной магниточувствительности трехкол-лекторного биполярного магниточувствительного транзистора / А.В. Козлов, М.А. Королёв, С.Ю. Смирнов и др. // Микроэлектроника. - 2003. - Т. 32. - № 3. - С. 219-225.
6. Тихонов Р.Д. Интегральный магнитотранзисторный датчик // Измерительная техника. - 2009. -№ 4. - C. 50-54.
7. Popovic R.S., Baltes H.P., Rudolf F. An integrated silicon magnetic field sensor using the magnetodiod principle// IEEE Trans. Electron Devices. - 1984. - ED-31. - P. 286-291.
8. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - 104 с.
9. King R.R., Swanson R.M. Studies of diffused boron emitters: saturation current, bandgap narrowing and surface recombination velocity // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1991. - Vol. 38, N 6. -P. 1399-1409.
10. Surface Recombination Velocity and Energy Bandgap Narrowing of Highly Doped w-Type Silicon / Cuevas A. et al. // 13th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Nice, France, October 1995). - 1995. -P. 337-342.
Статья поступила 28 мая 2012 г.
Козлов Антон Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры интегральной электроники и микросистем (ИЭМС) МИЭТ. Область научных интересов: моделирование биполярных интегральных микросистем.
Королёв Михаил Александрович - доктор технических наук, Заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры ИЭМС МИЭТ. Область научных интересов: разработка биполярных и КМОП-интегральных микросистем.
Черемисинов Андрей Андреевич - аспирант кафедры ИЭМС МИЭТ. Область научных интересов: моделирование биполярных интегральных микросистем. E-mail: CheremisinovAA@gmail.com
Жуков Андрей Александрович - старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: проектирование биполярных и КМОП-микросхем.
Тихонов Роберт Дмитриевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: проектирование и исследование биполярных и КМОП-интегральных микросхем.
