Кремний полупроводникового качества

"МНОГОЛИКИЙ" КРЕМНИЙ

Кремний полупроводникового качества в течение последних 50 лет сохраняет лидирующие позиции материала, используемого для создания функциональных электронных устройств с высокой степенью интеграции. Интеграция и стоимость конечных продуктов составляют основу для успехов современной кремниевой технологии.

А.Асеев
член-корреспондент РАН
А.Двуреченский
доктор физико-математических наук
Л.Ильина
кандидат химических наук
Институт физики полупроводников СО РАН

Высокий уровень интеграции, достигнутый современной микроэлектронной промышленностью, открыл путь для создания приборов с высокоскоростными характеристиками и беспрецедентным уровнем межэлементных соединений. Такое стремительное развитие полупроводниковой электроники диктует непрерывное ужесточение требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения электрофизических характеристик в объеме материала. 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. Реальные перспективы создания сверхбыстродействующих схем на основе эпитаксиальных гетероструктур стимулируют интерес исследователей к проблемам получения пленочных структур, а также квантоворазмерных наноструктур. И, наконец, проблема снижения стоимости солнечных элементов требует принципиально новых идей и подходов в получении кремниевых структур для солнечной энергетики.

Все эти проблемы были в фокусе Совещания по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния — "Кремний-2002".

Совещание, организованное Институтом физики полупроводников СО РАН, проходило в Доме ученых новосибирского Академгородка (9-12 июля). Как отметил во вступительном слове председатель оргкомитета, директор Института физики полупроводников, член-корреспондент РАН А.Асеев, это совещание — после паузы 90-х годов — продолжает традиции Сибирской школой полупроводникового материаловедения и ранее проводимых конференций по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (организатор — академик Ф.Кузнецов), совещаний по дефектам структуры в полупроводниках (организатор — проф.С.Стенин) и семинаров по радиационной физике полупроводников (организатор — проф. Л.Смирнов).

Тематика совещания, включающая широкий круг проблем — от выращивания совершенных слитков монокристаллического кремния до создания нового поколения приборов микрои наноэлектроники на кремнии — вызвала живой интерес специалистов. Более 180 участников работали вместе, в том числе гости из ведущих научных центров страны — от С.-Петербурга до Владивостока, а также ученые из Германии, Франции, Бельгии, Швейцарии, Китая, Израиля, Украины, Беларуси, Казахстана и Киргизии. Работа совещания ознаменовалась фейерверком блестящих выступлений специалистов мирового уровня в материаловедении кремния. Тон задал первый же доклад сотрудников ИФП СО РАН, представленный кандидатом физико-математических наук Л.Фединой. Успешная попытка связать макроскопические свойства монокристаллического кремния с особенностями кластеризации собственных точечных дефектов получила продолжение в работах высокого уровня по моделированию процесса кристаллизации кремния из расплава. Эти работы выполнены в институтах Химических проблем микроэлектроники, Прикладной механики РАН (доклад А.Простомолотова), Институте теплофизики СО РАН (доклад д.т.н. В.Бердникова), ВНИИ токов высокой частоты (доклады Г.Горюшина, С.-Петербург) и ООО "Софт-импакт" (доклад В.Калаева). Выступления исследователей, как и сообщения отечественных производителей монокристаллического кремния (доклад Б.Шагарова, Горно-химический комбинат, г. Железногорск) и разработчиков оборудования для выращивания монокристаллов методом Чохральского (сообщение Н.Терехина, ФГУП "Машиностроительный завод", г.Красноярск), подтвердили высокий потенциал российских ученых и производственников в области получения высокосовершенных кристаллов кремния для современной электроники.

В проблеме повышения однородности в пространственном распределении легирующей примеси сохраняет свои передовые позиции метод ядерного (трансмутационного) легирования. Основными потребителями такого материала являются производители силовой электроники. В докладе А.Стука (НИФХИ им. Л.Я.Карпова, Обнинск) были продемонстрированы результаты в развитии технологии ядерного легирования слитков кремния большого диаметра, а также особенности легирования пластин кремния.

Крупные успехи достигнуты при исследовании свойств наноразмерных структур на кремнии для создания на их основе устройств наноэлектроники. Лидирующая роль Института физики полупроводников была отражена в докладе профессора А.Двуреченского, посвященном исследованию электронных свойств так называемых квантовых точек в эпитаксиальной системе германий-кремний. Исследования систем с квантовыми точками проводятся на основе собственной технологической базы и аналитических средств, а также с использованием возможностей международного сотрудничества с научными организациями Германии, Китая, Белоруссии. Профессор Цуймин Цянь (Университет Фудан, Шанхай) продемонстрировал успехи в управлении размерами квантовых точек германия в процессе роста на поверхности кремния. Работа проводится в рамках совместного гранта Российского фонда фундаментальных исследований и Государственного фонда естественных наук Китая.

Большое впечатление на участников совещания произвел доклад кандидата физико-математических наук С.Тийса. Суть в том, что сканирующий туннельный микроскоп атомного разрешения был использован для исследования процессов формирования моноатомных покрытий на перестроенной поверхности кремния. Профессор З.Красильник (Институт физики микроструктур РАН, Н.Новгород) представил последние и весьма многообещающие данные по созданию светоизлучающих наноструктур на основе кремния с высокой эффективностью. Эти результаты создают основу для преодоления затруднений в развитии кремниевой оптоэлектроники, обусловленных оптической неактивностью объемного кремния. Не менее впечатляющие результаты достигнуты при развитии методов наноструктурирования на кремниевых подложках нового типа, представляющих собой искусственно созданные подповерхностные границы раздела (д-р Ж.Л.Рувьер, Гренобль, Франция). Использованный при этом метод прямого сращивания пластин кремния применен также для создания элементов силовой электроники с предельными параметрами (доклад д-ра А.Резничека, Макс-Планк-Институт физики микроструктур, Германия).

Исключительно активно прошло обсуждение проблем развития солнечной энергетики на кремнии. Здесь тон задали весьма примечательные доклады доктора физико-математических наук А.Непомнящих по проблеме крупномасштабного получения кремния солнечного качества прямым восстановлением особо чистых кварцитов месторождений Восточной Сибири (Институт геохимии СО РАН, г.Иркутск), доктора физико-математических наук Р.Шарафутдинова по газо-струйному методу осаждения кремния (Институт теплофизики СО РАН) и доктора Р.Билялова — по новой технологии создания кремниевых солнечных элементов с использованием подложек со слоем пористого кремния (Межуниверситетский центр микроэлектроники, Бельгия).

Отметим, что в ИФП СО РАН выполнены пионерные работы по развитию технологии создания профилированных слоев пористого кремния (к.ф.-м.н. С.Романов). Важность этого направления для Сибирского региона обусловлена тем фактом, что кремниевые цеха Иркутского и Братского алюминиевых заводов входят в число крупнейших в мире производителей так называемого технического (металлургического) кремния, доочистка которого до уровня кремния "солнечного качества" без дорогостоящего хлорсиланового передела позволила бы резко увеличить рентабельность этих производств за счет производства кремния для фотоэнергетики.

Научные основы создания в России технологий производства ультрабольших интегральных схем с кремниевыми нанотранзисторами, имеющими длину затвора в суб-100 нм диапазоне были рассмотрены в докладе члена-корреспондента РАН А.Орликовского (Физико-технологичесий институт РАН, г.Москва). Показано, что интегральные схемы на нанотранзисторах с длиной канала 10 нм будут удовлетворять широкому кругу задач создания суперкомпьютеров в 2005-2015 гг. Практические результаты по созданию нанотранзисторов в структурах кремний-на-изоляторе с ультратонким слоем отсеченного кремния были продемонстрированы в докладе кандидата физико-математических наук Ю.Настаушева (ИФП СО РАН). Принципиально новый подход к построению электронных элементов будущего был продемонстрирован в докладе доктора С.Зенца (Макс-Планк-Институт физики микроструктур, Германия). Экспериментально показана возможность построения транзистора со спиновым управлением на основе сращиваемых пластин кремния в условиях глубокого вакуума. Отметим, что спин-зависимые эффекты в полупроводниковых наноструктурах все чаще рассматриваются в качестве основы для построения логических схем и схем памяти для наноэлектроники и квантовых вычислений. Для их реализации выдвигаются новые подходы, требующие в ряде случаев моноизотопного материала. Моноизотопный кремний-28 считается перспективным при разработке элементной базы квантового компьютера. Состояние проблемы применения моноизотопного кремния представлено в докладе А.Тихомирова (Российский научный центр "Курчатовский институт").

На заключительном заседании участники совещания с большим воодушевлением поздравили юбиляра (70!) — академика Ф.Кузнецова, выдающегося ученого в области полупроводникового материаловедения, человека, внесшего огромный вклад в развитие физико-химических основ полупроводниковой электроники. Его работы в области химии полупроводниковых материалов и информатики послужили базой для успешного развития данного направления в России и, в частности, в Сибирском регионе.

В целом совещание продемонстрировало высокий потенциал российских ученых и специалистов, так необходимый в настоящее время для развития наукоемких технологий в нашей стране. К числу этих технологий, несомненно, относятся технологии кремниевой электроники, освоение и развитие которых обещает большие выгоды для экономики России и ее Сибирского региона за счет перехода на элементную базу нового поколения в микроэлектронике, силовой электронике и солнечной энергетике. Приятным событием совещания явились многочисленные доклады молодых сотрудников, в частности, — институтов СО РАН. Молодые ученые и аспиранты (С.Косолобов, Д.Насимов, В.Армбристер, Д.Лобанов и др.) представили устные доклады, не уступающие по уровню докладам маститых ученых.

Во время экскурсии в Институт физики полупроводников СО РАН, участники совещания посетили, в частности, участок выращивания монокристаллического кремния методом бестигельной зонной плавки, отдел молекулярно-лучевой эпитаксии, лабораторию материаловедения кремния и подразделения по диагностике кремния и структур на его основе. По единодушному мнению гостей, институт в настоящее время является для России базовым для научно-исследовательских и прикладных работ в области материаловедения кремния и кремниевой микрои наноэлектроники.

г.Новосибирск

Источник - www-sbras.nsc.ru/HBC/2002/n32-33/f07.html.