Анотація до роботи:

Ховерко Ю.М. “Мікроелектронні сенсори на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію” . – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. – Національний університет “Львівська політехніка”. Львів, 2003.

Дисертація присвячена розробленні мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур з рекристалізованим шаром полікремнію. Проведено дослідження щодо створення КНІ-структур з прогнозованими характеристиками шарів полікремнію та впливу лазерної рекристалізації на їх властивості. Подано результати досліджень електрофізичних та п’єзорезистивних властивостей полікремнійових шарів в КНІ-структурах у широкому інтервалі температур, у т.ч. кріогенному. Визначено механізми перенесення носіїв заряду в рекристалізованих шарах полікремнію для різних інтервалів температур і ступенів легування вихідного матеріалу. Показано вплив магнітного поля на електропровідність шарів полікремнію в КНІ-структурах. Розроблено рекомендації щодо використання полікремнійових шарів, рекеристалізованих лазерним випромінюванням, у мікроелектронних сенсорах для різних інтервалів температур.

Розроблено технологію виготовлення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури. Встановлено особливості процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики анізотропного травлення. Виготовлено мікроелектронні п’єзорезистивні сенсори тиску на основі КНІ-структур для аеродинамічних досліджень, медико-біологічного призначення, сенсори зусилля та ємнісні сенсори тиску, а також багатофункційні сенсори для одночасного вимірювання тиску і температури на основі КНІ-структур і досліджено їх характеристики та параметри.

1. На основі вдосконалення технологічного процесу виготовлення рекристалізованих шарів полікремнію в КНІ-структурах шляхом введенення додаткового термічного окиснення та V-подібних канавок одержані структури з покращеними електрофізичними параметрами і встановлено кореляцію між технологічними умовами лазерної рекристалізації та електрофізичними та п’єзорезистивними властивостями полікремнію в КНІ-структурах. Оптимізовано умови формування крупнозернистих шарів полікремнію заданої кристалографічної орієнтації з локалізацією границь зерен при рекристалізації під дією скануючого лазерного випромінювання.

2. Для прогнозування характеристик матеріалу, придатного для створення мікроелектронних сенсорів на основі КНІ-структур, проведено моделювання впливу лазерної рекристалізації на характеристики полікремнійових шарів в КНІ-структурах (питомого опору, рухливості, повздовжнього коефіцієнту п’єзоопору та температурного коефіцієнту опору) залежно від розміру зерен та концентрації домішки. Установлено, що концентраційна залежність повздовжнього коефіцієнту п’єзоопору має максимум при концентрації домішки у вихідному матеріалі в інтервалі (1 – 5) 10¹⁸ см^-3 залежно від середнього розміру зерна і в поєднанні зі значним зменшенням температурного коефіцієнту опору для цього інтервалу концентрацій дає можливість рекомендувати лазерну рекристалізацію полікремнійових шарів на діелектричних підкладках як метод покращання параметрів вихідного матеріалу, придатного для виготовлення на його основі мікроелектронних сенсорів тиску.

3. На основі експериментальних досліджень електрофізичних і п’єзорезистивних властивостей шарів полікремнію в КНІ-структурах показано, що використовуючи рекристалізовані лазером полікремнійові резистори в КНІ-структурах з концентраціями електрично активних домішок (бору) у вихідному матеріалі 1 ґ 10¹⁸ – 5 ґ 10¹⁸ см^-3, можна створити п'єзорезистивні сенсори механічних величин з оптимальними характеристиками в інтервалі температур -40...+140^оС, а саме, з достатньо високою чутливістю до вимірюваного параметру, термостабільними п'єзорезисторами в інтервалі температур +20...+140^оС. Встановлено, що нерекристалізований полікремній з концентрацією акцепторів коло 10¹⁸ см^-3 проявляє сильну температурну залежність опору і може бути рекомендований як терморезистор для застосування в широкому інтервалі температур.

4. На основі електрофізичних та п’єзорезистивних досліджень властивостей полікремнійових шарів на діелектричних підкладках в інтервалі температур 4,2 – 300 К показано, що для застосування в п'єзорезистивних сенсорах механічних величин придатними є структури на основі полікремнію з концентрацією N > 1 10¹⁹ см^-3 після лазерної рекристалізації. Одночасно такі шари є найбільш стабільними до впливу сильних магнітних полів. Дослідження залежностей питомого опору в області температур 4,2 – 300 К дало змогу визначити механізми перенесення носіїв заряду для різного інтервалу температур і ступеня легування вихідного матеріалу. Встановлено домінуючий характер стрибкової провідності в умовах низьких температур.

5. Моделювання сенсорної структури за допомогою програмного продукту ANSYS дало змогу отримати розподіл оптимальних напружень та деформацій в мембрані чутливого елемента мікроелектронного сенсора і оптимізувати геометрію мембрани (її товщину, площу поверхні), забезпечивши при цьому достатню величину вихідного сигналу.

6. Удосконалено методику процесу анізотропного травлення, що дало змогу значно покращити якість мікрорельєфу при виготовленні мембран чутливих елементів мікроелектронних сенсорів. Установлено закономірності процесу формування мембран чутливих елементів сенсорів з використанням оригінальної методики анізотропного травлення в умовах протитиску для захисту планарної сторони КНІ-структури. На основі вдосконаленої методики і прицезійності процесу анізотропного травлення виготовлено мембрани чутливих елементів мікроелектронних сенсорів для заданих діапазонів тисків.

7. Розроблено технологію створення мікроелектронних сенсорів тиску та тиску-температури на основі п’єзорезистивного ефекту та сенсорів тиску на основі ємнісного ефекту в мікроелектронних сенсорах. Наведено основні етапи технологічного процесу створення сенсорів.

8. Виготовлено мікроелектронні сенсори тиску на основі КНІ-структур та досліджено їх характеристики:

для аеродинамічних досліджень. Максимальний вихідний сигнал – 100 ± 20 мВ. Чутливість розроблених сенсорів до вимірюваного параметра становить 410 мВ/(ВЧбар);

медико-біологічного призначення. Вихідний сигнал розроблених сенсорів 50 ± 5 мВ, чутливість становить »10 мВ/(ВЧбар).

сенсори тиску на основі ємнісного ефекту. Чутливість отриманих зразків сенсорів тиску становить » 3Ч10^-2 пФ/мм Hg для діапазону вимірюваних тисків 0... 300 мм Hg.

Виготовлено базові чутливі елементи сенсорів зусилля. Вимірювана чутливість сенсора зусилля складала 3,1 мВ/(ВН).

9. За розробленою технологією створено мікроелектронні сенсори тиску - температури для різних діапазонів тисків (0 ... 1,6 ґ 10⁵ Па; 0 ... 2,4 ґ 10⁵ Па) і температур (-40 ... +60^оС; 20 ... +150^оС). Чутливість сенсорів до тиску 5 – 15 мВ/(Вбар), а температурний коефіцієнт опору термочутливого елемента становить – -0,386 % град^-1.

Публікації автора:

1. Druzhinin A., Lavitska Е., Maryamova I., Kogut І., Khoverko Y. On possibility to extend the operation temperature range of SOI sensors with polysilicon piezoresistors // J. of Telecom. and Inform. Techn.– 2001. – No 1. – P. 40–45.

2. Druzhinin А., Lavitska E., Maryamova I., Khoverko Y. Laser recrystallized SOI layers for sensor applications at cryogenic temperatures // F. Balestra et al. (eds.) Progress in SOI structures and Devices Operating at Extreme Conditions. Kluwer Acad. Publ. Printed in the Netherlands.– 2002. – P. 233–237.

3. Druzhinin A., Pankevich I., Khoverko Y. Recrystallized polysilicon on insulater substrates as a material for optoelectronics sensors // Proc. of SPIE. – 1999. – Vol. 3730. – P. 47–50.

4. Дружинін А.О., Когут I.Т., Литвин I.С., Тиханський М.В., Ховерко Ю.М. Дослідження фотоелектричних властивостей структур типу КНД // Вiсн. Держ. ун–ту “Львівська політехніка” "Елементи теорії та прилади твердотiльної електронiки". – 1998. – № 325. – С. 53–57.

5. Панков Ю.М., Ховерко Ю.М., Когут I.Т., Георгiєва I.А. Мiкроелектроннi ємнiснi сенсори тиску на основi структур кремнiй на iзоляторi // Вiсн. Держ. ун–ту “Львівська політехніка”, "Теорiя i проектування напiвпровiдникових та радiоелектронних пристроїв. – 1998. – № 326. – С. 95–99.

6. Ховерко Ю.М., Сень О.В. Особливостi анiзотропного травлення при виготовленнi мiкроелектронних сенсорiв тиску // Вiсн. Держ. ун–ту “Львівська політехніка” "Елементи теорiї та прилади твердотiльної електронiки". – 1998. – № 325. – С. 140–143.

7. Дружинін А.О., Лавитська О.М., Панков Ю.М., Мар'ямова І.Й., .Ховерко Ю.М. Мікроелектронні сенсори на основі шарів КНІ, рекристалізованих лазерним опроміненням // Вiсн. Держ. ун–ту “Львівська політехніка” "Елементи теорії та прилади твердотiльної електронiки". – 2000. – № 393. – С. 7–12.

8. Дружинін А.О., Мар’ямова І.Й., Лавитська О.М., Кутраков О.П., Панков Ю.М., Ховерко Ю.М. П’єзорезистивні сенсори механічних величин на основі напівпровідникових ниткоподібних кристалів і КНІ-структур // Вісн. Нац. ун–ту "Львівська політехніка" "Електроніка”. – 2002. – № 459. – С. 75–91.

9. Дружинін А.О., Лавитська О.М., Мар'ямова І.Й., Ховерко Ю.М. Дослідження властивостей шарів полі–Si для створення на їх основі сенсорів працездатних при кріогенних температурах // Вісн. Нац. ун–ту "Львівська політехніка" "Електроніка". – 2002. – № 455. – С. 134–141.

10. Патент України №32784А, 6H01L27/12. Спосіб виготовлення “кремній-на-ізоляторі”– структур / Дружинін А.О., Когут І.Т., Ховерко Ю.М.; Заявл.10.04.98р; Опубл.15.02.2001 р., бюл №1. С.4.

11. Патент України №34721А, 6H01L27/12. Спосіб виготовлення структур кремній-на-ізоляторі / Дружинін А.О., Когут І.Т., Ховерко Ю.М.; Заявл. 17.06.99р; Опубл. 15.03.2001 р., бюл. №2. С.4.

12. Budjak Y., Druzhinin A., Pankevich I., Khoverko Y. Improving of temperature stability of polysilicon layer's parameters by laser recrystallization // 41. Intern.Wissensch. Kolloquium. 23–26.09.1996. Vortragsreihen. Ban 3.Technische Univ., Ilmenau (Germany). – 1996. – P. 678–681.

13. Дружинін А.О., Когут I.Т., Панкевич I.М., Ховерко Ю.М. Структура та властивостi шарiв полiкремнiю на iзолюючих пiдкладках, рекристалiзованих лазерним випромінюванням // Труди Українського Вакуумного Товариства, Харків (Україна). – 1997. – Т.3. – С. 271–274.

14. Druzhinin A., Maryamova I., Lavitska E. and Khoverko Y. Effect of the Laser Recrystallization on the Temperature–Dependent Characteristics of SOI Piezoresistors // Proc. of 5^th Nexuspan Workshop "Thermal Aspects in Microsystem Technology", Budapest (Hungary ). – 1998. – P. 63–65.

15. Druzhinin A., Lavitska E., Maryamova I., Khoverko Y. Modification of the electrical and piezoresistive properties of polysilicon layers by the laser recrystallization // Труды III Междунар. симпоз. "Вакуумные технологии и оборудование", Харьков (Украина).– 1999. – Т.1. – С. 148–152.

16. Druzhinin A., Lavitska E., Maryamova I., Khoverko Y. Carrier transport in laser–recrystallized polysilicon layers for microelectronic devices and sensors // Proc. of Intern. Semiconductor Conf., CAS'99. – Sinaia (Romania). – 1999. – Vol. 1. – P. 327–330.

17. Мар'ямова I.Й., Когут I.Т., Кутраков О.П., Панкевич I.М., Ховерко Ю.М. Температурнi характеристики тонких шарiв полiкремнiю // Матерали VI Мiжн. конф. з фiзики i техн. тонких плiвок, Iвано–Франкiвськ (Україна).– 1997. – Т.1. – С. 153.

18. Druzhinin A.A., Lavitska E.N., Maryamova I.I., Khoverko Y.M. Carrier Transport and Pezoresistance in Laser–Recrystallized Polysilicon Layers // Proc. of Third Intern. School–Conf. "Physical Problems in Material Science of Semiconductors", Chernivtsi (Ukraine). – 1999. – P. 172.

19. Дружинин А.О., Марьямова И.И., Матвиенко С.Н., Ховерко Ю.Н. Исследование свойств слоев поликремния на изоляторе при креогенных температурах для создания сенсора // Труды IV Междун. научно-практ. конф. “Современные информационные и электронные технорлогии”. СИЭТ – 2003, Одесса (Украина). – 2003. – C. 265.