eng
В третьей декаде марта 2012 года в Президиуме Российской академии наук (РАН) проведена научная сессия Отделения нанотехнологий и информационных технологий (ОНИТ) РАН “Проблемы материалов в электронных приборах будущих поколений”.
Теги: electroactive impurity electronic devices silicon integral circuits, monoisotopic silicon silicon-on-insulator ultrathin structures кремниевые интегральные схемы моноизотопный кремний ультратонкие структуры кремния на изоляторе электроактивная примесь электронные приборы
На сессии был представлен широкий спектр разработок. Доклад акад. А.Орликовского и д.ф.-м.н. В.Вьюркова (Физико-технологический институт РАН) был посвящен использованию новых материалов в кремниевых интегральных схемах (ИС).
Среди основных проблем применения транзистора с изолированным затвором в суб-100-нм области – увеличение разброса порогового напряжения вследствие изменения концентрации примеси с уменьшением длины канала и катастрофический спад подвижности носителей из-за высокой их концентрации. Предлагалось использовать материалы с высокой подвижностью носителей зарядов (A3B5, GeSi, Ge) и формировать одноосные или биаксиально напряженные каналы. Так же рассматривалась проблема омических контактов к полупроводникам A3B5, связанная с невозможностью применения сильного легирования и повышения площади контакта, способствующих снижению сопротивления.
Отказ от поликремния в металлическом затворе транзисторов обусловлен его высоким сопротивлением, диффузией в канале и формированием обедненного слоя вблизи диэлектрика, что эквивалентно утолщению его подзатворного слоя. При выборе материала специалисты руководствуются низкой плотностью активных дефектов на границах и в объеме слоя, высоким потенциальным барьером для электронов, термодинамической стабильностью контакта и качественной границей с кремнием, кинетической стабильностью и устойчивостью к нагреву до 1000˚С в течение 5 с, высокой диэлектрической проницаемостью.
К проблемам многоуровневых соединений следует отнести необходимость применения адекватных метрологических методов, потребность в новых материалах, надежность соединений и контактов, минимизацию задержек и потерь в соединениях. В настоящее время развиты методы создания соединений с использованием нанотрубок, применением оптических элементов и СВЧ-компонентов.
Акад. М.Чурбановым и д.ф.-м.н. А.Гусевым (Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых РАН, Нижний Новгород) рассмотрено получение моноизотопного высокочистого кремния для твердотельных квантовых компьютеров. Схема предусматривает разделение изотопов кремния, синтез и глубокую очистку исходных летучих соединений и силана, получение поликристаллического кремния, выращивание из него монокристаллов. Наиболее трудноудалимые летучие примеси – фосфин, этилен, диборан, этан. Для очистки SIH4 от них применяется низкотемпературная ректификация. При ее использовании возникают проблемы отделения SiH4 от малолетучих примесей, однако их удалению способствует криофильтрация и ректификация при повышенном давлении.
Затравочный стержень (ЗС) из моноизотопного 28Si изготавливается сваркой поликристаллов в ленту с последующим осаждением из моносилана и формированием его синтезированного бестигельной зонной плавкой. Выращенный монокристалл обладает удельным электрическим сопротивлением свыше 0,4 кОм⋅см при концентрации кислорода не более 2⋅1012 атомов/см3 (примесь углерода не превышает 3⋅1014 атомов/см3). Для проекта АВОГАДРО получен поликристалл изотопа 28Si чистотой более 99,99382, содержащий 6,1⋅1015 атомов/см3 кислорода и 3,7⋅1015 атомов/см3 углерода. Диаметр заготовки – 61,5 мм при длине 5,9 кг, что практически соответствует требованиям к такому кремнию. Монокристаллы стабильных изотопов кремния 28Si, 29Si и 30Si, благодаря разработанной и запатентованной в России технологии [1], содержат примеси углерода и кислорода не выше 1⋅1016 атомов/см3 при сопротивлении более 200 ом⋅см. Изотопный эффект параметра кристаллической решетки кремния позволяет применять его в квантовом компьютере [2].
Тема выступления к.х.н. А.Коткова (НПП "САЛЮТ") – получение высокочистых летучих хлоридов, гидридов и металлоорганических соединений для изготовления наноразмерных слоев. Были представлены данные о содержании примесей в гидридах и арсине фирмы MATHESON TRI GAS (США). Проанализированы данные о допустимом их содержании в триметилалюминии, триметилиндии и триметилгаллии чистоты 99,999. Рассматривались различные стадии получения таких веществ и PH3, SiH4, SiCl4, NH3, AsH3, AsCl3. Описана ректификационная установка для получения высокочистого AsH3, из которого в ЗАО "ЭПИЭЛ" изготовлены образцы с удельным сопротивлением 2–4 кОм⋅см. Установка для очистки треххлористого мышьяка позволила изготовить в ЗАО "ЭЛМА-МАЛАХИТ" образцы с подвижностью носителей заряда при 300К не ниже 7000 см2/(В⋅с) при их концентрации 5⋅1014 см-3.
В Институте общей физики РАН сконструированы приборы для определения примесей в гидридах. По результатам газовой хроматографии, ИК-Фурье и диодно-лазерной спектрометрии получены данные об изменении концентрации метана в их легкой фракции. Разработана установка для анализа высокочистого аммиака на содержание воды. Исследования позволили определить параметры эпитаксиальных слоев GaAs, выращенных с применением разных образцов арсина, выявить характер изменений электрофизических параметров таких слоев по годам выпуска этого соединения.
Эпитаксии германия на кремнии и получению упорядоченных ансамблей квантовых точек Ge/Si было посвящено выступление чл.-кор. А.Двуреченского (Институт физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН, Новосибирск). При гетероэпитаксии в системах, рассогласованных по постоянной кристаллической решетки, рассматривалось спонтанное образование 3D упруго напряженных островков (УНО). Оно характеризуется дисперсией по размерам, составляющей для квантовых точек Ge в Si 17–20%, а также случайным зарождением нанокристаллов с неупорядоченным расположением в плоскости роста [3]. В рамках исследования степени однородности массива нанокристаллов Ge на Si при импульсном воздействии собственными низкоэнергетическими ионами рассматривалась эпитаксия Ge на Si с частично ионизированным молекулярным пучком при 250–400˚С, энергией Ge+ от 50 до 250 эВ, молекулярным потоком FGe=7⋅1013 см-2с-1, длительностью импульса 0,5, степенью ионизации Ge молекулярного пучка 0,1–0,5%. Проанализированы СТМ-изображения с распределением 3D-островков по размерам после осаждения при 350˚С 5МС Ge на Si(100) [4].
При наносекундном лазерном воздействии в нестационарных условиях нагрева изучалась модель кристаллизации и плавления нанокластеров Ge в матрице Si [5]. Температура плавления нанокристаллов Ge в кремнии возрастает при уменьшении их размеров. Данные о кинетике фазовых превращений при импульсном лазерном отжиге подтверждают возможность уменьшения дисперсии по размерам в гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками.
При формировании упорядоченных в плоскости роста массивов квантовых точек после N циклов травления/окисления исследовалась морфология облученной ионами поверхности Si. При облучении через тестовые маски обнаружено, что варьирование параметров ионной имплантации с последующим удалением нарушенного слоя обеспечивает создание в нм-масштабе поверхности с затравочными областями различной формы и глубины. При ионном облучении выявлены преимущественное окисление аморфного кремния и рост Ge на структурированной поверхности Si [6].
Методом молекулярной динамики и с применением потенциала Терсдорфа для гетеросистем Ge/Si (111)-(5⋅5) и Ge/Si (100)-(2⋅1) с числом атомов не более 5⋅105 изучалась микроскопическая атомная диффузия на структурированной поверхности. Рассматривались ямки в форме перевернутых пирамид [7]. При исследовании упорядоченного зарождения и роста квантовых точек Ge на кольцевых SiGe нанопроводниках разработан метод формирования из них кольцевых цепочек, использующий для зарождения 3D-островков деформацию поверхности над нанокольцами. С использованием метода Монте-Карло предложен способ учета деформационных эффектов в 3D-модели эпитаксиального роста наноструктур.
В докладе рассматривались фотодетекторные структуры, методы исследования квантовых точек Ge на поверхности слоя SiGe в матрице Si, детекторы на основе квантовых точек Ge в матрице SiGe на виртуальной подложке, температурная зависимость обнаружительной способности и чувствительности. Фотодетекторы на базе квантовых точек Ge/Si (001) для атмосферного окна (3–5) мкм позволяют исследовать влияние уровня и профиля легирования на параметры этих изделий и управлять спектральной полосой чувствительности с помощью контроля элементного состава нанокластеров Ge.
В выступлении чл.-кор. П.Копьева (Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, С.-Петербург) обсуждалось состояние и перспективы развития молекулярно-лучевой эпитаксии. Отмечались фундаментальные свойства полупроводниковых гетероструктур и их особенности: необходимость использования подобных структур с хорошим согласованием параметров решетки и эпитаксиальных технологий выращивания, применение многокомпонентных твердых растворов.
В целом в представленных на сессии докладах подчеркнуто следующее:
• при создании кремниевых квантовых компьютеров могут использоваться передовые технологии кремниевой микро- и наноэлектроники;
• кремний, благодаря большим значениям времени декогеренизации, наиболее предпочтителен для создания твердотельных квантовых компьютеров;
• для конструирования квантовых компьютеров необходима монокристаллическая структура моноизотопного 28Si с содержанием изотопа 29Si не выше 10-3 атомных %;
• применение моноизотопного 28Si для квантовых компьютеров предполагает наличие электроактивных примесей не выше 1014 атомов/см3 при содержании кислорода и углерода менее 1015 атомов/см3;
• основным материалом для производства ИС по-прежнему остается кремний: в 2026 году на пластинах 450–675 мм может быть достигнут минимальный размер элементов 5,9 нм;
• применение ультратонких структур КНИ (кремний на изоляторе) начнется с 2013 года, а к 2020 году на пластинах диаметром не менее 450 мм толщина слоя Si достигнет 3 нм при длине канала 10 нм;
• в стадии исследований – технологии производства германиевых и A3B5-каналов для классических транзисторов на объемной подложке;
• исследованы механизмы роста островков Ge и разработаны методы создания структурированной поверхности Si с плотностью точек зарождения 1010 см-2;
• выше 400˚С упорядоченный гетероэпитаксиальный рост нанокристаллов Ge происходит на структурированной поверхности Si с шагом 100 нм;
• снижение дисперсии квантовых точек по размерам возможно при импульсном лазерном отжиге наноструктур со встроенными слоями квантовых точек и на основе молекулярно-лучевой эпитаксии с созданием нанокристаллов Ge на поверхности Si импульсным ионным воздействием.
Литература
Гусев А.В., Гавва В.А. Способ выращивания монокристаллов моноизотопного кремния. Патент РФ № 2370576, 20 октября 2009 г.
Kane B.E. – Nature, 1998, v.393, p.33–137.
Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Nikiforov A.I. – Nano- and Optoelectronics, 2006, v.1, №2, p.119–175.
Smagina J.V., Novikov P.L., Armbrister V.A., Zinoviev V.A., Nenashev A.V., Dvurechenskii A.V. – Physica B: Condensed Matter, 2009, v.404, р.4712–4715.
Gatskevich E.I., Malevich V.I., Zinoviev V.A., Dvurechenskii A.V. International conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies”, St. Petersburg-Pushkin, Russia, July 5–6, 2010, p.121.
Novikov P.L., Smagina J.V., Vlasov D.Yu, Deryabin A.S., Kozhukhov A.S., Dvurechenskii A.V. – Crystal Growth, 2011, v.323, №1, p.198–200.
Новиков П.Л., Смагина Ж.В., Двуреченский А.В. Десятая российская конференция по физике полупроводников, 19–23 сентября 2011, Нижний Новгород.
Фото: Л. Раткин
Среди основных проблем применения транзистора с изолированным затвором в суб-100-нм области – увеличение разброса порогового напряжения вследствие изменения концентрации примеси с уменьшением длины канала и катастрофический спад подвижности носителей из-за высокой их концентрации. Предлагалось использовать материалы с высокой подвижностью носителей зарядов (A3B5, GeSi, Ge) и формировать одноосные или биаксиально напряженные каналы. Так же рассматривалась проблема омических контактов к полупроводникам A3B5, связанная с невозможностью применения сильного легирования и повышения площади контакта, способствующих снижению сопротивления.
Отказ от поликремния в металлическом затворе транзисторов обусловлен его высоким сопротивлением, диффузией в канале и формированием обедненного слоя вблизи диэлектрика, что эквивалентно утолщению его подзатворного слоя. При выборе материала специалисты руководствуются низкой плотностью активных дефектов на границах и в объеме слоя, высоким потенциальным барьером для электронов, термодинамической стабильностью контакта и качественной границей с кремнием, кинетической стабильностью и устойчивостью к нагреву до 1000˚С в течение 5 с, высокой диэлектрической проницаемостью.
К проблемам многоуровневых соединений следует отнести необходимость применения адекватных метрологических методов, потребность в новых материалах, надежность соединений и контактов, минимизацию задержек и потерь в соединениях. В настоящее время развиты методы создания соединений с использованием нанотрубок, применением оптических элементов и СВЧ-компонентов.
Акад. М.Чурбановым и д.ф.-м.н. А.Гусевым (Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых РАН, Нижний Новгород) рассмотрено получение моноизотопного высокочистого кремния для твердотельных квантовых компьютеров. Схема предусматривает разделение изотопов кремния, синтез и глубокую очистку исходных летучих соединений и силана, получение поликристаллического кремния, выращивание из него монокристаллов. Наиболее трудноудалимые летучие примеси – фосфин, этилен, диборан, этан. Для очистки SIH4 от них применяется низкотемпературная ректификация. При ее использовании возникают проблемы отделения SiH4 от малолетучих примесей, однако их удалению способствует криофильтрация и ректификация при повышенном давлении.
Затравочный стержень (ЗС) из моноизотопного 28Si изготавливается сваркой поликристаллов в ленту с последующим осаждением из моносилана и формированием его синтезированного бестигельной зонной плавкой. Выращенный монокристалл обладает удельным электрическим сопротивлением свыше 0,4 кОм⋅см при концентрации кислорода не более 2⋅1012 атомов/см3 (примесь углерода не превышает 3⋅1014 атомов/см3). Для проекта АВОГАДРО получен поликристалл изотопа 28Si чистотой более 99,99382, содержащий 6,1⋅1015 атомов/см3 кислорода и 3,7⋅1015 атомов/см3 углерода. Диаметр заготовки – 61,5 мм при длине 5,9 кг, что практически соответствует требованиям к такому кремнию. Монокристаллы стабильных изотопов кремния 28Si, 29Si и 30Si, благодаря разработанной и запатентованной в России технологии [1], содержат примеси углерода и кислорода не выше 1⋅1016 атомов/см3 при сопротивлении более 200 ом⋅см. Изотопный эффект параметра кристаллической решетки кремния позволяет применять его в квантовом компьютере [2].
Тема выступления к.х.н. А.Коткова (НПП "САЛЮТ") – получение высокочистых летучих хлоридов, гидридов и металлоорганических соединений для изготовления наноразмерных слоев. Были представлены данные о содержании примесей в гидридах и арсине фирмы MATHESON TRI GAS (США). Проанализированы данные о допустимом их содержании в триметилалюминии, триметилиндии и триметилгаллии чистоты 99,999. Рассматривались различные стадии получения таких веществ и PH3, SiH4, SiCl4, NH3, AsH3, AsCl3. Описана ректификационная установка для получения высокочистого AsH3, из которого в ЗАО "ЭПИЭЛ" изготовлены образцы с удельным сопротивлением 2–4 кОм⋅см. Установка для очистки треххлористого мышьяка позволила изготовить в ЗАО "ЭЛМА-МАЛАХИТ" образцы с подвижностью носителей заряда при 300К не ниже 7000 см2/(В⋅с) при их концентрации 5⋅1014 см-3.
В Институте общей физики РАН сконструированы приборы для определения примесей в гидридах. По результатам газовой хроматографии, ИК-Фурье и диодно-лазерной спектрометрии получены данные об изменении концентрации метана в их легкой фракции. Разработана установка для анализа высокочистого аммиака на содержание воды. Исследования позволили определить параметры эпитаксиальных слоев GaAs, выращенных с применением разных образцов арсина, выявить характер изменений электрофизических параметров таких слоев по годам выпуска этого соединения.
Эпитаксии германия на кремнии и получению упорядоченных ансамблей квантовых точек Ge/Si было посвящено выступление чл.-кор. А.Двуреченского (Институт физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН, Новосибирск). При гетероэпитаксии в системах, рассогласованных по постоянной кристаллической решетки, рассматривалось спонтанное образование 3D упруго напряженных островков (УНО). Оно характеризуется дисперсией по размерам, составляющей для квантовых точек Ge в Si 17–20%, а также случайным зарождением нанокристаллов с неупорядоченным расположением в плоскости роста [3]. В рамках исследования степени однородности массива нанокристаллов Ge на Si при импульсном воздействии собственными низкоэнергетическими ионами рассматривалась эпитаксия Ge на Si с частично ионизированным молекулярным пучком при 250–400˚С, энергией Ge+ от 50 до 250 эВ, молекулярным потоком FGe=7⋅1013 см-2с-1, длительностью импульса 0,5, степенью ионизации Ge молекулярного пучка 0,1–0,5%. Проанализированы СТМ-изображения с распределением 3D-островков по размерам после осаждения при 350˚С 5МС Ge на Si(100) [4].
При наносекундном лазерном воздействии в нестационарных условиях нагрева изучалась модель кристаллизации и плавления нанокластеров Ge в матрице Si [5]. Температура плавления нанокристаллов Ge в кремнии возрастает при уменьшении их размеров. Данные о кинетике фазовых превращений при импульсном лазерном отжиге подтверждают возможность уменьшения дисперсии по размерам в гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками.
При формировании упорядоченных в плоскости роста массивов квантовых точек после N циклов травления/окисления исследовалась морфология облученной ионами поверхности Si. При облучении через тестовые маски обнаружено, что варьирование параметров ионной имплантации с последующим удалением нарушенного слоя обеспечивает создание в нм-масштабе поверхности с затравочными областями различной формы и глубины. При ионном облучении выявлены преимущественное окисление аморфного кремния и рост Ge на структурированной поверхности Si [6].
Методом молекулярной динамики и с применением потенциала Терсдорфа для гетеросистем Ge/Si (111)-(5⋅5) и Ge/Si (100)-(2⋅1) с числом атомов не более 5⋅105 изучалась микроскопическая атомная диффузия на структурированной поверхности. Рассматривались ямки в форме перевернутых пирамид [7]. При исследовании упорядоченного зарождения и роста квантовых точек Ge на кольцевых SiGe нанопроводниках разработан метод формирования из них кольцевых цепочек, использующий для зарождения 3D-островков деформацию поверхности над нанокольцами. С использованием метода Монте-Карло предложен способ учета деформационных эффектов в 3D-модели эпитаксиального роста наноструктур.
В докладе рассматривались фотодетекторные структуры, методы исследования квантовых точек Ge на поверхности слоя SiGe в матрице Si, детекторы на основе квантовых точек Ge в матрице SiGe на виртуальной подложке, температурная зависимость обнаружительной способности и чувствительности. Фотодетекторы на базе квантовых точек Ge/Si (001) для атмосферного окна (3–5) мкм позволяют исследовать влияние уровня и профиля легирования на параметры этих изделий и управлять спектральной полосой чувствительности с помощью контроля элементного состава нанокластеров Ge.
В выступлении чл.-кор. П.Копьева (Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, С.-Петербург) обсуждалось состояние и перспективы развития молекулярно-лучевой эпитаксии. Отмечались фундаментальные свойства полупроводниковых гетероструктур и их особенности: необходимость использования подобных структур с хорошим согласованием параметров решетки и эпитаксиальных технологий выращивания, применение многокомпонентных твердых растворов.
В целом в представленных на сессии докладах подчеркнуто следующее:
• при создании кремниевых квантовых компьютеров могут использоваться передовые технологии кремниевой микро- и наноэлектроники;
• кремний, благодаря большим значениям времени декогеренизации, наиболее предпочтителен для создания твердотельных квантовых компьютеров;
• для конструирования квантовых компьютеров необходима монокристаллическая структура моноизотопного 28Si с содержанием изотопа 29Si не выше 10-3 атомных %;
• применение моноизотопного 28Si для квантовых компьютеров предполагает наличие электроактивных примесей не выше 1014 атомов/см3 при содержании кислорода и углерода менее 1015 атомов/см3;
• основным материалом для производства ИС по-прежнему остается кремний: в 2026 году на пластинах 450–675 мм может быть достигнут минимальный размер элементов 5,9 нм;
• применение ультратонких структур КНИ (кремний на изоляторе) начнется с 2013 года, а к 2020 году на пластинах диаметром не менее 450 мм толщина слоя Si достигнет 3 нм при длине канала 10 нм;
• в стадии исследований – технологии производства германиевых и A3B5-каналов для классических транзисторов на объемной подложке;
• исследованы механизмы роста островков Ge и разработаны методы создания структурированной поверхности Si с плотностью точек зарождения 1010 см-2;
• выше 400˚С упорядоченный гетероэпитаксиальный рост нанокристаллов Ge происходит на структурированной поверхности Si с шагом 100 нм;
• снижение дисперсии квантовых точек по размерам возможно при импульсном лазерном отжиге наноструктур со встроенными слоями квантовых точек и на основе молекулярно-лучевой эпитаксии с созданием нанокристаллов Ge на поверхности Si импульсным ионным воздействием.
Литература
Гусев А.В., Гавва В.А. Способ выращивания монокристаллов моноизотопного кремния. Патент РФ № 2370576, 20 октября 2009 г.
Kane B.E. – Nature, 1998, v.393, p.33–137.
Yakimov A.I., Dvurechenskii A.V., Nikiforov A.I. – Nano- and Optoelectronics, 2006, v.1, №2, p.119–175.
Smagina J.V., Novikov P.L., Armbrister V.A., Zinoviev V.A., Nenashev A.V., Dvurechenskii A.V. – Physica B: Condensed Matter, 2009, v.404, р.4712–4715.
Gatskevich E.I., Malevich V.I., Zinoviev V.A., Dvurechenskii A.V. International conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies”, St. Petersburg-Pushkin, Russia, July 5–6, 2010, p.121.
Novikov P.L., Smagina J.V., Vlasov D.Yu, Deryabin A.S., Kozhukhov A.S., Dvurechenskii A.V. – Crystal Growth, 2011, v.323, №1, p.198–200.
Новиков П.Л., Смагина Ж.В., Двуреченский А.В. Десятая российская конференция по физике полупроводников, 19–23 сентября 2011, Нижний Новгород.
Фото: Л. Раткин
Отзывы читателей
