Кремнистый путь

Почему долина кремниевая

Считается, что в последнее время производительность процессоров удваивается в среднем за полтора года. Это так называемый закон Мура. Создатели компьютерных систем закладывают этот рост в свои перспективные разработки, производители ПО думают о будущих процессорах и объемах памяти больше, чем об уже существующих. И тем и другим необходимо знать прежде всего архитектуру новых процессоров, кому-то из них - тактовые частоты или напряжение питания, но мало кого интересует кристалл сам по себе. Но чтобы разобраться в перспективах, надо представлять себе, чего можно ждать от инженеров полупроводниковой техники. Недаром Silicon Valley - долина именно Кремниевая, а не Процессорная или какая-нибудь Программистская.

Полупроводниковая индустрия - широкое понятие. Основные сегменты рынка микроэлектронных технологий - производство поликристаллического кремния, выращивание монокристаллов, получение подложек, изготовление приборных структур, создание электронных систем.

Не только кремний рассматривался как перспективный материал для чипов процессоров и памяти. В 1948 году был создан первый транзистор. Он был сделан на монокристалле германия. Однако известно, что по сравнению с кремнием Ge обладает существенно меньшей шириной запрещенной зоны, следовательно, диапазон рабочих температур транзистора на Ge также гораздо меньше, чем у аналогичного прибора, созданного на монокристаллах Si. Кроме того, массовое производство Ge дороже из-за его недостаточных запасов в земной коре. По этим и другим причинам германий не получил распространения.

Одно время очень рассчитывали на то, что альтернативой кремнию может стать GaAs, поскольку подвижность носителей заряда в нем, а значит, и быстродействие создаваемых на его основе приборов существенно выше, чем в Si; тактовые частоты на этом материале - единицы ГГц. Сейчас исследования в данной области ведутся в основном в научных центрах, например в Университете г. Аделаида (США). Здесь исследуют системы со сверхвысокой степенью интеграции, сопроцессоры, реализующие алгоритмы нечеткой логики. GaAs требует совсем иных подходов по сравнению с кремниевым: при таких высоких тактовых частотах даже межсоединения должны проектироваться и рассматриваться как сложные элементы цепи. Начинают проявляться и звуковые эффекты, поэтому в разработке принимают участие и специалисты по акустике и по волновой технике.

Но многие причины мешают переходу микроэлектронных технологий на этот материал: существенно более тяжелые условия роста монокристаллов, а, следовательно, и более высокая стоимость получаемых слитков; крайне трудно вырастить монокристалл GaAs даже с относительно низкой плотностью дислокаций.

Поэтому в ближайшем будущем кремниевые технологии вряд ли удастся потеснить. По данным обзора В.С. Вавилова, опубликованным в 1996 году в журнале УФН, в США вложения в кремниевые технологии и связанные с ними фундаментальные физические исследования за последнюю треть текущего столетия к 2000 г. сравняются с вложениями в автомобильную промышленность Америки за весь ХХ век. Наиболее мощная отрасль мировой полупроводниковой индустрии - современная планарная микроэлектронная технология, причем ее удельный вес будет непрерывно возрастать. По прогнозам, к 2000 г. основой таких технологий на более чем 90% будет монокристаллический бездислокационный кремний.

В долинах Европы

Такое повышенное внимание США к микроэлектронным технологиям не означает, конечно, что именно эта страна доминирует на рынке; серьезную конкуренцию ей составляют Юго-Восточная Азия, старающаяся развить свою собственную кремниевую программу, Западная Европа и, в особенности, мощная промышленность Японии, поставляющая на мировой рынок не менее 40% поликристаллического кремния, кремниевых монокристаллических слитков и подложек. Однако анализ литературы показывает, что наиболее интересные и перспективные фундаментальные научные разработки, связанные с микроэлектронными технологиями, ведут все же США.

Европейское сообщество рассчитывает в корне поменять соотношение сил на этом рынке. Существует гигантская научно-техническая программа JESSI ("Совместная европейская субмикронная кремниевая инициатива"). Идея проекта возникла еще в середине 80-х годов как ответ на вызов Японии и США по созданию элементов памяти емкостью в 300 Мбит. Ее первый этап завершен в 1996 г. Участники этого проекта - практически все ведущие европейские страны (Франция, Бельгия, Нидерланды, Италия, Германия, в меньшей степени Великобритания), причем лидирующую роль в осуществлении проекта JESSI, вероятно, играет Германия. Особенно возросла ее роль после объединения Западной и Восточной частей страны; уровень развития микроэлектронных технологий в бывшей ГДР был весьма высок.

С другой стороны, в Европе наконец поняли, что такие жизненно важные для Европы отрасли промышленности, как автомобилестроение, точная оптика, механика и т. д., т. е. основа экспортного потенциала, будут во все большей степени зависеть от возможностей европейской электроники. Целью проекта JESSI являлось достижение к 1991 году минимальных размеров элементов 5000 ангстрем (0,5 мкм), к 1995 году - 3000 ангстрем. Эти, по современным представлениям, достаточно скромные цели все же были достигнуты, и, как один из результатов проекта, на предприятии компании TEMIC введена в эксплуатацию линия производства интегральных схем с проектными размерами элементов в 5000 ангстрем, причем впервые в истории Европы эта линия была полностью оснащена европейским оборудованием. Другой, еще более важный результат проекта заключается в том, что сейчас Европа контролирует 26% мирового производства оборудования для полупроводниковых технологий.

Сверхчистое - враг хорошего?

Ближайшая цель микроэлектронных технологий, если иметь в виду их приложение к компьютерным системам, - повышение емкости элементов памяти с произвольной выборкой (DRAM) до более чем 1G и повышение тактовой частоты процессоров до 500 МГц. Создание таких электронных систем требует размера элементов интегральных схем и размеров межэлементных соединений порядка 1000 ангстрем и менее. В подобной ситуации существенно ужесточаются требования к контролю точечных (собственных и примесных) дефектов, неизбежно появляющихся при технологическом цикле, в приповерхностных (или "рабочих") слоях подложек. Это интуитивно понятно. Те, кто проходили институтскую практику на полупроводниковом производстве, помнит многочисленные "нельзя": проносить с собой пищу, газеты (в краске содержится свинец), заходить в обычной обуви. Сверхчистое производство (1 частица размером 5000 ангстрем на 1л воздуха) необходимо для проведения технологического цикла. Но получение (рост) сверхчистых и структурно совершенных монокристаллов кремния не всегда обязательно, а иногда и просто вредно.

Погоня за высокими тактовыми частотами - не единственная забота инженеров. Повышение степени интеграции схемы иногда не менее важно. Вероятно, в ближайшее время будет совершен массовый переход на использование в технологиях кремниевых подложек диаметром 300 мм. В сочетании с постоянно уменьшающимися размерами элементов интегральных схем (на 11% в год) это обеспечит многократное повышение степени интеграции и создание более компактных систем.

Шансы России

Всем ясно, что Россия не должна оставаться в стороне от магистрального пути развития мировой индустрии, другое дело, что всем уже надоело ждать. Но отнюдь не все понимают, что у России есть шанс прорваться к конкурентоспособным технологиям именно в этой области. Сейчас гигантский опыт передовых западных стран в достаточной мере осмыслен, и пришло время свежим взглядом посмотреть на собственные ресурсы. В настоящее время существует программа, нацеленная на возрождение производства кремния в России. Насколько можно судить, эта программа ставит своей целью производство поликристаллического материала, имея в виду, в частности, производство солнечных батарей. Однако, вероятно, это лишь часть программы. Ясно, что конечной целью этой программы должно быть производство монокристаллов для микроэлектроники. В бывшем СССР Запорожский титано-магниевый комбинат, используя Волынско-Днепровское месторождение гидротермального кварца, производил как поликристаллический, так и монокристаллический материал. Теперь комбинат принадлежит Украине. Естественно было бы ориентировать российскую микроэлектронную промышленность на этот источник сырья.

Другая предпосылка для развития - высокий уровень и фундаментальных, и прикладных исследований. Но, как всегда, необходимы инвестиции. В конце февраля 1997 г. в России создан Фонд развития высоких технологий, одна из целей которого - содействие модернизации наукоемких отраслей российской промышленности, включая, естественно, и микроэлектронные технологии.

К вопросу о диффузии

Диффузия точечных дефектов из "рабочих" слоев вглубь подложки допустима и даже желательна; недопустима их горизонтальная диффузия (параллельно плоскости подложки, или "диффузия вбок"), длина которой может достигать микрона и более при температурах технологического цикла. Несмотря на то что постоянно подчеркивается необходимость получения максимально чистых, с высокой степенью однородности и структурно-совершенных монокристаллов кремния (и, соответственно, подложек), весьма осторожно высказываются мнения об удовлетворенности достигнутым уровнем вышеупомянутых параметров. В самой сильной степени это относится к основным фоновым примесям кремния - кислорода и углерода, естественным образом попадающих в кристалл в процессе роста, причем причины фундаментального характера, определяющие возможности их практического использования, отражены не менее чем в 1000 публикациях ведущих физических и химико-физических журналов мира за последние 45 лет. Наиболее характерное проявление сказанного можно найти, например, в материалах конференции Gadest-87 (ГДР), где приведена "колоколообразная" зависимость процента выхода годных приборов от концентрации примеси кислорода в монокристалле.

Подобные мнения, во-первых, связаны с тем, что технологический процесс - окисление, диффузия, литография, эпитаксия и имплантация - вносит целый ряд дефектов в "рабочие" слои и тем самым в значительной степени сводит на нет усилия, затрачиваемые на все более совершенную технику роста кристаллов. Существенно то, что некоторые дефекты (в основном примеси тяжелых металлов) простым образом не могут быть удалены из "рабочих" слоев. Для их удаления нужны управляемые (а, следовательно, контролируемые) искажения объема подложки, своеобразные "якоря", способные захватывать (диффузия "вглубь") и удерживать указанные примеси при дальнейших операциях технологического цикла ("внутренний геттер").

Технология "диффузии вглубь" в достаточной мере отработана, и ее проведение в настоящее время не изолируется от технологического цикла, а напротив, органическим образом в него встраивается, понижая тем самым продолжительность цикла. При этом некоторые аспекты горизонтальной диффузии ("диффузия вбок"), прямо ограничивающие геометрические размеры элементов интегральных схем, становятся все более существенными. Успехи, достигнутые в этой области, в основном базируются на результатах, полученных специалистами Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета (США); согласно прогнозу фирмы Motorola, к 1999 году геометрические размеры элементов и межэлементных соединений достигнут 500-600 ангстрем.