ПОСЛЕ КРЕМНИЯ БУДЕТ КРЕМНИЙ

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.

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.