Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

заряда - кристаллоинженерии. Уже сегодня кристаллоинженерия активно вмешивается в конструирование на атомном уровне совершенно новых приборных композиций. В ближайшем будущем следует ожидать резкого прогресса в создании новых поколений приборов полупроводниковой электроники, в основе работы которых будут лежать разнообразные квантоворазмерные эффекты в разнообразных квантоворазмерных композициях. Например, уже активно обсуждаются возможности создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых должны стать квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структзфы на основе квантоворазмерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов [25].

Наряду с рассмотрением общих вопросов целесообразно кратко остановиться на конкретном положении дел в области эпитаксиальных технологий на примере кремния и наиболее важных полупроводниковых соединений.

Кремниевые эпитаксиальные структуры

Кремниевые эпитаксиальные структуры являются серьезной альтернативой полированным пластинам при изготовлении УСБИС уже хотя бы потому, что в эпитаксиальных слоях (в силу специфики условий их получения) практически полностью отсутствуют описанные выше ростовые микродефекты. Но основной причиной существенного усиления внимания к эпитаксиальным технологиям является переход микроэлектроники на субмикронный, а в ближайшем будущем и на нанометровый уровень при формировании приборных структур, а также реальные перспективы создания сверхбыстродействующих УСБИС на основе эпитаксиальных гетероструктур в системе Si - твердые растворы SiGe.

Основной тенденцией в развитии технологии традиционной кремниевой газофазовой эпитаксии становится дальнейшее существенное снижение рабочих температур. Успех в освоении низкотемпературных методов газофазовой эпитаксии во многом определяется достижениями в повышении стерильности технологического процесса, в первую очередь за счет создания вакуумплотного оборудования, обеспечивающего возможность устойчивой работы при пониженных давлениях в рабочем реакторе, и широкого использования радиационного обогрева. Важную роль играет переход к использованию новых, более легкодиссоциирую-щих газообразных источников кремния особой чистоты (SiH4, 26 SiHjClj, SiH2F2), а также применение нетермических (оптических, плазменных, электромагнитных и т. д.) методов стимуляции эпитаксиальных

процессов. Существенное внимание уделяется управлению механизмом роста эпитаксиального слоя на атомарном уровне, с целью обеспечения условий устойчивого слоевого роста. При этом речь идет о получении высококачественных тонкопленочных, бездислокационных эпитаксиальных композиций на подложках диаметром до 300...450 мм. Это требует разработки новых принципов подхода к осуществлению процессов эпитаксиального наращивания и создания соответствующего нового прецизионного, высокопроизводительного оборудования.

Яркой демонстрацией реализации такого рода тенденций является разработанная недавно технология выращивания эпитаксиальных кремниевых структур на подложках диаметром 400 мм [26]. В основу технологии положен процесс термического разложения силана, обеспечивающий высокие скорости роста при сравнительно низких температурах (850...950°С). Использование низких рабочих температур облегчает решение задачи исключения образования в эпитаксиальных структурах полос скольжения и снижения уровня загрязнений металлическими примесями.

Важную роль в общей технологической цепочке играет процесс подготовки подложек, которые предварительно обрабатываются особо чистой озонированной водой и химически очищаются травлением в сильно разбавленной плавиковой кислоте. Подготовленная таким образом чистейшая поверхность покрывается тонким слоем окисла, путем обработки в осоЬо чистой озонированной воде. Этот окисный слой играет защитную роль, предохраняя поверхность подложки от попадания на нее посторонних частиц. Все эти процессы осуществляются в чистых помещениях, а транспортировка подготовленных к эпитаксиальному процессу подложек осуществляется в специальных боксах, в атмосфере особо чистого азота.

После размещения в реакторе, подложки подвергаются кратковременному отжигу при 950 °С в атмосфере проточного особо чистого водорода для Удаления защитного окисного слоя. Процесс эпитаксиального наращивания проводится при температурах 850...950°С и рабочем давлении в реакторе 80...150 торр. Для исключения образования полос скольжения в эпитаксиальных структурах, имеющие достаточно большой вес подложки размещаются в реакторе вертикально и попарно в специальных подложкодержателях, снабженных кварцевыми пружинами, с интервалом 10 мм. Для обеспечения минимального перепада температур по поверхности подложки используются дисковые графитовые нагреватели в защитных кварцевых чехлах, располагающиеся в непосредственной близости от подложек. Рабочая парогазовая смесь подается в зазор



между попарно размещаемыми подложками с помощью специальных сопел. Все это позволяет получать эпитаксиальные структуры диаметром 400 мм, которые по своим рабочим характеристикам (однородность по толщине и удельному сопротивлению, структурное соверщенство, содержание остаточных загрязняющих примесей) не уступают структурам меньщих диаметров.

Наряду с совершенствованием традиционных эпитаксиальных процессов все более прочные позиции в технологии создания кремниевых тонкопленочных эпитаксиальных структур завоевывает метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Развитие метода идет не только по пути создания ультратонких многослойньгх гомо- и гетероэпитаксиальных структур на подложках большой площади, но и синтеза в едином технологическом цикле эпитаксиальных МДП-композиций, в том числе с использованием различных вариантов локальной эпитаксии. Создаваемая для этого аппаратура обеспечивает сочетание в едином технологическом цикле процесса эпитаксиального наращивания с процессами ионной имплантации в синтезируемый слой необходимых примесей, а также его лазерной или электронно-лучевой обработки, или быстрого термического отжига. Все это существенно расширяет возможности молекулярно-пучковой эпитаксии. Быстрыми темпами развивается также высоковакуумная химическая эпитаксия.

Эпитаксиальные технологии открывают дорогу для широкого внедрения в кремниевую микроэлектронику гетероструктур на основе твердьгх растворов SiGe. Такие гетероструктуры обеспечивают принципиально новые возможности для создания сверхбыстродействующих транзисторов на основе гетеропереходов SiGe/Si. Широкие возможности вариации зонной структуры в многослойных гетероэпитаксиальных композициях позволяют резко увеличивать эффективность инжекции, дрейфовую скорость и пространственное ограничение носителей тока в транзисторных структурах. При этом технология изготовления гетероэпитаксиальных структур SiGe/Si хорошо вписывается в базовые кремниевые эпитаксиальные технологические процессы, высокий уровень развития которых позволяет достаточно воспроизводимо получать гетерокомпозиций нано-метровых размеров и создавать квантоворазмерные структуры типа структур с квантовыми ямами и напряженными сверхрешетками, в том числе гетероструктуры с двумерным электронным газом.

В результате уже сегодня стали реальностью гетеропереходные биполярные и полевые транзисторы с нанометровыми рабочими слоями на частоты ~ 200 ГГц с очень хорошими шумовыми характеристиками (и

ЭТО далеко не предел для гетеропереходных приборов). Эти результаты отцественно выше достигнутых на традиционных Si-MOC или Si-CMOC структурах. Переход к созданию УСБИС на основе гетеропереходных транзисторов, взамен традиционных кремниевых приборных структур, позволяет добиваться аналогичных результатов при существенно больших топологических размерах рабочих элементов (250 нм вместо 130 нм или 130 нм вместо 70 нм), а при одинаковых топологических размерах -обеспечивать гораздо более высокие частотные характеристики, меньшие времена задержки и уровни шумов [27]. Все это сулит больщие научно-технические и экономические выгоды. Серьезные новые перспективы открываются и при использовании многослойных, квантоворазмерных гетероструктур SiGe/Si для создания быстродействующих высокочувствительных фотоприемников ИК-диапазона.

Для получения тонкопленочных гетероэпитаксиальных структур твердых растворов SiGe успешно используют традиционную газофазную гидридную эпитаксию, а также методы молекулярно-пучковой и высоковакуумной химической эпитаксии при температурах 750...800 °С. Основной проблемой в получении высококачественных гетероструктур является необходимость резкого снижения плотности дислокаций в рабочих слоях приборных композиций и устранения шероховатостей гетерограниц, вызывающих дополнительное рассеяние носителей тока.

Рассогласование периодов кристаллических решеток Si и Ge составляет ~ 4 %. Это является причиной появления в эпитаксиальных гетерокомпозициях в процессе их выращивания достаточно больших напряжений несоответствия. По мере увеличения толщины эпитаксиального слоя наблюдается частичная (или полная) релаксация этих напряжений. Релаксация может происходить либо за счет образования характерных шероховатостей на поверхности растущего слоя, либо за счет генерации в нем дислокаций несоответствия, либо путем одновременного действия обоих этих механизмов. Величины критических толщин слоев образования дислокаций несоответствия в эпитаксиальных гетероструктурах SiGe/Si очень малы. Например, при выращивании на Si-подложках эпитаксиальных слоев состава SIqGcqj эта величина равна ~ 100 А. В случае полной релаксации напряжений несоответствия величина плотности наклонных дислокаций в таких слоях находится на уровне 10...10 см , что исключает возможность их использования в приборах. Для создания высококачественных транзисторов плотность дислокаций в активной области эпитаксиальной приборной композиции не должна превышать 104...105см-2.



Для получения гетерокомпозиций с низкой плотностью дислокаций используют технику наращивания промежуточных (буферных) слоев между подложкой и рабочими слоями будущей приборной структуры. В качестве буфера используют слои твердого раствора с постепенно увеличивающейся до заданной величины концентрацией германия, а также слои твердого раствора, выращенные при более низких, чем рабочие слои, температурах (обычно ~ 550 °С). Такие низкотемпературные слои содержат в повышенных концентрациях кластеры точечных дефектов являющиеся эффективными центрами гетерогенного зарождения в них дислокаций, что способствует релаксации напряжений несоответствия в выращиваемой гетерокомпозиций. Хорошие результаты дает использование в качестве подложек структур кремния на диэлектрике с очень тонким (нанометровых толщин) слоем бездислокационного монокристаллического кремния на поверхности оксида. Такие структуры в настоящее время успешно создаются методом прямого термокомпрессионного соединения пластин. В данном случае тонкий слой кремния на поверхности диэлектрика играет роль эластичной подложки, аккумулирующей значительную долю напряжений несоответствия в процессе наращивания ге-тероэпитаксиальной композиции. Одновременно со снижением плотности дислокаций все эти приемы успешно решают и проблему шероховатости гетерограниц. Успешное освоение методов получения гетероструктур SiGe/Si с низкой плотностью дислокаций и планарными гетерограница-ми позволяет реально оценивать перспективы их широкого использования в большой микроэлектронике уже в самое ближайшее время.

По мере увеличения плотности упаковки рабочих элементов УСБИС обостряются проблемы, связанные с отводом выделяющейся в процессе работы электронной аппаратуры тепловой энергии. Ограниченная теплопроводность обычного кремния становится серьезным препятствием на пути дальнейшей микроминиатюризации и повышения рабочих частот. Как показали исследования последних лет, определенным выходом из создавшегося положения может явиться использование для изготовления УСБИС моноизотопного Si. Удаление из особо чистого кремния сопутствующих изотопов 29si и Si позволяет существенно уменьшить рассеяние фононов и электронов в таком материале и тем самым повысить его теплопроводность при комнатной температуре на 60 % (на 40 % при 100 °С) по сравнению с обычным кремнием. При современном уровне развития техники разделения изотопов получение моноизотопного кремния особых затруднений не вызывает. В настоящее время уже начат промышленный выпуск эпитаксиальных структур Si диаметром

200 мм. Ожидается, что в ближайшие годы станут доступны и пластины моноизотопного кремния. Предварительные оценки показывают, что использование эпитаксиальных структур и пластин Si в технологии УСБИС новых поколений сулит значительные технико-экономические выгоды.

Эпитаксиальные структуры полупроводниковых соединений

В обширной группе полупроводниковых соединений лидирующее положение занимают эпитаксиальные структуры GaAs, InP, а также различные гетерокомпозиций с участием тройных и четверных твердых растворов на их основе. С каждым годом растет интерес к эпитаксиальным гетерокомпозициям узкозонных соединений АВ и их твердых растворов, а также широкозонных нитридов элементов III группы Периодической системы (полупроводниковые соединения в системе Al-Ga-In-N) и карбида кремния. Достаточно широким фронтом ведутся работы по получению и исследованию свойств гомо- и гетероэпитаксиальных структур на основе узкозонных соединений типа АВ и АВ, а также широкозонных соединений А В.

Тенденция перехода на использование многослойных тонкопленочных композиций, в том числе квантоворазмерных структур, в данном случае проявляется еще более рельефно по сравнению с кремнием. В связи с этим является первоочередной задача разработки и освоения низкотемпературных эпитаксиальных процессов. Используемые при этом принципиальные подходы аналогичны для кремния. Учитывая многообразие представляющих непосредственный практический интерес объектов, упор делается на разработку достаточно универсальных базовых технологических процессов и ростового оборудования, которые могли бы быть достаточно несложно трансформированы с учетом индивидуальных особенностей той или иной группы материалов. Такими базовыми процессами являются газофазная эпитаксия с использованием в качестве исходных материалов летучих металлоорганических соединений и гидридов соответствующих элементов (МОС-гидридная эпитаксия), а также молеку-лярно-пучковая эпитаксия. Оба эти технологических процесса доведены до уровня достаточно широкого промышленного использования.

В настоящее время успешно решаются задачи создания высокопроизводительных технологических процессов и оборудования для получения гомо- и гетероэпитаксиальных структур (в том числе и многослойных) на подложках большой площади. В частности, речь идет о создании прецизионной автоматизированной ростовой аппаратуры для



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка