ПОСЛЕ КРЕМНИЯ БУДЕТ КРЕМНИЙ
А.Двуреченский, профессор,
заведующий лабораторией ИФП СО РАН,
член программного комитета
конференции "Кремний-2000".
Н.Придачин, кандидат физико-
математических наук ИФП СО РАН,
ученый секретарь по выставкам.
Фраза, вынесенная в заголовок, принадлежит академику К.Валиеву.
Произнесена она была в ответ на вопрос: "Каковы Ваши взгляды на
развитие микро- и наноэлектроники? Что будет после кремния?
Арсенид галлия, фуллерены, алмаз?" ("Перст", 1999, т.6, вып.3).
Продолжение цитаты-ответа: "Кремний -- это фундамент
микроэлектроники. Я думаю, что кремний будет всегда, по крайней
мере, до тех пор, пока совершенно новое не превратит кремниевые
СБИС (сверхбольшие интегральные схемы) в изделия "каменного
века".
С 9 по 11 февраля 2000 г. в Московском государственном институте
стали и сплавов (технологический университет) проходила Вторая
российская конференция по материаловедению и физико-химическим
основам технологий получения легированных кристаллов кремния
("Кремний-2000"). Организаторами конференции являлись
министерства Науки и технологий, Атомной энергии, Федеральный
фонд развития электронной техники, Научный совет Российской
академии наук "Физико-химические основы материаловедения
полупроводников", Департамент науки и промышленной политики
правительства Москвы, Гиредмет, Институт проблем технологии
микроэлектроники РАН, Институт химических проблем
микроэлектроники, НИИ материаловедения им. А.Ю.Малинина, АО
"ПХМЗ", АО "ЭЛМА", Комиссия по материаловедению и технологии
кремния федерального фонда развития электронной техники.
В работе конференции принимали участие ученые из Москвы,
Московской области, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода,
Новосибирска, Красноярска, Иркутска, Киева, Минска (более 120
иногородних участников). Программа включала 120 устных и 146
стендовых докладов.
Последние 50 лет (после изобретения полупроводникового
транзистора в 1948 г.) кремний является материалом "номер один"
полупроводниковой электроники. До 90 процентов приборов
производится на основе кремния. Он применяется в процессорах,
навигационных системах, цифровом телевидении, мобильных
телефонах, солнечной энергетике. Наиболее чистым природным
соединением кремния является кварц. Заключительная
последовательность длинной цепи технологической переработки
включает этапы получения поликристаллического кремния, затем --
слитков монокристаллического кремния полупроводниковой чистоты
(см. "НВС", N 2, 2000).
Именно эти этапы рассматривались как одни
из важнейших направлений в работе конференции, и соответствующие
секции имели название "Физико-химические основы технологий
получения поликристаллического кремния" и "Физико-химические
основы технологий получения нелегированных и легированных
монокристаллов кремния". Возможность прямого восстановления
кремния, несомненно, представляет большой интерес. Оригинальный
способ с использованием гидрида лития был представлен в работе,
выполненной в ИНХ СО РАН.
Обратной связью для разработчиков технологии являются данные по
исследованию полученных материалов и приборных структур. Поэтому
большое место в работе конференции занимали направления,
связанные с материаловедением.
В настоящее время только четыре страны владеют технологией
получения поликремния: США, Япония, Германия и Россия. В будущем
спрос на поликремний будет определяться не только нуждами
электроники, но и нуждами солнечной энергетики. В XXI веке доля
"солнечного" вклада в производимую электроэнергию возрастет.
Развитие технологии получения монокристаллов кремния идет по пути
увеличения диаметра выращиваемых слитков при одновременном
непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической
структуры и однородности распределения электрофизических
характеристик в объеме материала. Наиболее серьезная проблема
получения бездислокационных монокристаллов больших диаметров
состоит в необходимости снижения и уменьшения размеров
присутствующих в них микродефектов, поскольку они оказывают
наиболее существенное влияние на рабочие характеристики
интегральных схем. Основную роль в образовании ростовых
микродефектов играют собственные точечные дефекты -- вакансии и
межузельные атомы, а также кислород. На конференции были
представлены результаты исследований новых типов протяженных
дефектов в кристаллах кремния, возникающих при совместной
кластеризации вакансий и межузельных атомов (ИФП СО РАН).
По мере уменьшения топологических размеров рабочих элементов
интегральных схем, требования по допустимому количеству дефектов
субмикронных размеров на поверхности пластины существенно
возрастают. В условиях сложных технологических процессов
значительное место отводится моделированию процессов тепло- и
массопереноса, кристаллизации и дефектообразования (ИТ СО РАН).
Серьезной альтернативой полированным пластинам кремния при
изготовлении интегральных схем являются эпитаксиальные структуры.
Причина существенного усиления внимания к эпитаксиальным
технологиям заключается в переходе микроэлектроники на
субмикронный и на нанометровый уровень при формировании приборных
структур, а также реальные перспективы создания
сверхбыстродействующих схем на основе эпитаксиальных
гетероструктур Ge/Si. При этом технология изготовления
гетероэпитаксиальных структур SiGe/Si хорошо вписывается в
базовые кремниевые технологические процессы. Процессы эпитаксии в
сочетании с ионной имплантацией и импульсными радиационными
воздействиями на материал играют все большую роль в формировании
сложных кремниевых приборных структур. Наряду с
совершенствованием традиционных эпитаксиальных процессов, все
более прочные позиции занимает метод молекулярно-лучевой
эпитаксии. Этот метод был доминирующим в работах, представленных
на конференции. Основное внимание уделялось начальным стадиям
гомо- и гетероэпитаксии (ИФП СО РАН), релаксации упругих
напряжений при гетероэпитаксии рассогласованных систем (ИФП СО
РАН, ИПТМ РАН), резкости гетерограниц (ИФМ РАН). Создаваемое для
этого оборудование обеспечивает сочетание процесса эпитаксии с
ионной имплантацией, а также быстрого термического отжига. Эти
проблемы обсуждались в рамках секции "Материаловедение,
физико-химические основы технологий получения гомо- и
гетероэпитаксиальных слоев, созданных на основе
монокристаллического кремния".
Микрокристаллические и аморфные пленки кремния на стеклянных и
металлических подложках представляют самостоятельный интерес,
связанный как с особенностью свойств, так и с перспективой
масштабных применений в виде солнечных элементов, тонкопленочных
полевых транзисторов для жидкокристаллических экранов,
светоизлучателей и фотоприемников. Переход к неупорядоченным
структурам дает несомненный экономический эффект. Платой за это
является необходимость решения проблемы стабильности материала.
За последние годы разработаны новые методы получения пленок с
достаточно воспроизводимыми свойствами. Один из новых
высокопроизводительных методов заключается в использовании
сверхзвуковой газовой струи с активацией газов электронным пучком
(ИТ СО РАН). Метод позволяет во много раз увеличить скорость
осаждения слоев кремния.
Структуры пористого кремния привлекли внимание исследователей
перспективами применений в качестве излучателей видимого
диапазона. Однако многочисленные проблемы (стабильность,
воспроизводимость) сдерживают продвижение разработок излучателей.
Более успешными оказались работы по контролируемому формированию
периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного
травления кремния. Найдены пути управления формой пор (ИПТМ РАН).
Такие структуры использовались при создании образцов матрицы
параболических короткофокусных рентгеновских линз и элементов
трехмерных фотонных кристаллов на основе кремния. Другое
направление исследований на пористом кремнии связано с созданием
универсальных подложек для гомо- и гетероэпитаксии (податливые
подложки, ИФП СО РАН) и последующей разработкой метода создания
структур полупроводник на диэлектрике. (Секция "Материаловедение,
физико-химические основы технологий получения
микрокристаллического, аморфного и пористого кремния").
Структуры кремния (монокристаллического) на диэлектрике
привлекают пристальное внимание разработчиков приборов и
интегральных схем. Это связано с такими преимуществами, как
возможность существенного снижения паразитных емкостей,
обеспечение надежной диэлектрической изоляции, возможность
снижения рабочих напряжений и мощностей. В настоящее время для
создания высококачественных структур кремния на диэлектрике
используются три метода. Это создание диэлектрической пленки под
слоем кремния путем ионной имплантации в монокристаллические
пластины ионов кислорода (SIMOX-процесс); прямое
термокомпрессионное соединение окисленных пластин кремния с
последующим "утонением" одной из них путем полировки с обратной
стороны (BESOI-процесс); прямое термокомпрессионное соединение
пластины кремния с окисленной пластиной, в которую предварительно
проводится имплантация водорода на глубину, контролируемую
энергией ионов. В процессе нагрева происходит не только
термокомпрессионное соединение, но и скол по плоскости залегания
водорода (Smart-Cut-процесс).
Последняя технология обеспечивает возможность получения
ультратонких (нанометровых) слоев кремния. Исследования механизма
отделения тонких слоев после имплантации водорода и разработка
низкодозового варианта осуществления этого процесса открывают
серьезные перспективы этому направлению, успешно развиваемому в
ИФП СО РАН (Dele/Cut -- процесс). Проблемы этого направления
обсуждались на секции "Материаловедение приборных структур,
созданных на основе кремния". Отмечена удачная демонстрация
применения структур кремния на изоляторе для создания
тензорезистивных сенсоров. В совместном докладе сотрудников ИФП
СО РАН и НГТУ показана возможность заметного расширения
температурного диапазона работы прибора за счет диэлектрической
изоляции.
На этой же секции обсуждались приборы силовой электроники. В
промышленно развитых странах широкое применение тиристоров и
устройств управления потребителями электроэнергии на этой базе
привело к "зеленой революции", позволяя почти в два раза повысить
эффективность электрических аппаратов и устройств, создать
образцы принципиально новой техники с цифровым электроприводом.
Увеличение плотности элементов в схемах приводит к возрастанию
протяженности и усложнению архитектуры традиционных проволочных
межсоединений, что превращается в одно из препятствий на пути
дальнейшего повышения быстродействия схем и их стоимости.
Заманчивой альтернативой традиционным межсоединениям являются
оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации,
модуляции, усиления, передачи, а также детектирования световых
сигналов. Проблема кремниевой оптоэлектроники заключается в
создании эффективного источника излучения. Кремний --
непрямозонный материал, и эффективность межзонной излучательной
рекомбинации в нем очень низка. Надежды на решение проблемы
возлагаются на использование эрбия -- примесь, которая формирует
в кремнии эффективные центры излучательной рекомбинации с
участием 4f- электронов (внутри центровые переходы). Генерируемое
излучение с длиной волны 1,54 мкм практически не поглощается
кремнием и соответствует окну максимальной прозрачности
оптических волноводов из кварцевого стекла. Определенным
препятствием в реализации такого пути является низкая
растворимость эрбия в кремнии. Для увеличения содержания эрбия в
решетке кремния используются неравновесные методы получения
сильнолегированных слоев: ионная имплантация, молекулярно-лучевая
эпитаксия, ионно-лучевое напыление (ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИФМ РАН).
Помимо эрбия, проводятся эксперименты с гольмием (1,96 мкм).
Две секции были посвящены вопросам диагностики кремния, методам и
аппаратуре для исследований физических свойств и структурных
особенностей кремния, а также оборудованию для выращивания
монокристаллов кремния и слоев на его основе.
Конференцию сопровождала выставка научно-технических разработок,
и это было одним из отличий от предыдущей конференции,
проходившей также в МИСиС в 1996г. Знаменательным событием стала
демонстрация на выставке слитков кремния тремя организациями:
Институт физики полупроводников СО РАН (бестигельная зонная
плавка), АО "Подольский химико-металлургический завод"
(Чохральского), ГИРЕДМЕТ (Чохральского), (Характеристика методов
-- см. "НВС", N 2, 2000). В Красноярске (Горно-химический
комбинат) создана пилотная линия производства
монокристаллического кремния диаметром слитков 200 мм. Эти
события могут свидетельствовать о начале возрождения кремниевого
производства в России.
На выставке демонстрировались также отечественные кварцевые
тигли, необходимые для роста кристаллов из расплава. Тигли эти
разового использования, и от их чистоты зависит качество
получаемых кристаллов. Широко используемые импортные тигли стоят
около 500 долларов США и удорожают 1 кГ готовой продукции на 10
долларов.
Среди сибиряков самая большая делегация была из Новосибирска. На
заключительном пленарном заседании отмечался высокий уровень
результатов, полученных в Новосибирске. Участие в работе
конференции сибиряков составило основу большинства секций по
количеству представленных устных докладов. Отмечались доклады,
представленные докторами физико-математических наук А.Асеевым,
А.Двуреченским, О.Пчеляковым (ИФП СО РАН), Р.Шарафутдиновым (ИТ
СО РАН), кандидатами физико-математических наук В.Бердниковым (ИТ
СО РАН), В.Поповым, Л.Фединой (ИФП СО РАН), В.Старковым (ИТПМ
РАН), а также работа, проводимая под руководством кандидата
химических наук А.Камарзина (ИНХ СО РАН). Активное участие в
работе конференции принимал руководитель школы по радиационной
физике профессор Л.Смирнов (ИФП СО РАН).
Огромная работа по организации и проведению конференции была
выполнена профессором М.Дашевским (МИСиС), что с благодарностью
отмечали все участники.
Учитывая большой вклад сибирских ученых и промышленников в
решение проблем, связанных с кремнием, представитель Министерства
науки РФ горячо поддержал предложение директора ИФП СО РАН
А.Асеева о проведении каждой второй конференции по
физико-химическим аспектам получения кремния в Сибирском регионе:
Новосибирске, Красноярске, Иркутске. Следующая конференция
планируется через два года в Новосибирске.
стр.
|
