Перспективы разработок материалов для микроэлектроники

Повышение функциональной сложности, увеличение срока службы и эксплуатационной надежности изделий электронной техники, и прежде всего СБИС, тесно связано с прогрессом в области химии и технологии материалов.

Номенклатура материалов, выпускаемых для твердотельной электроники, насчитывает сотни наименований, но важнейшим среди них остается монокристаллический кремний. Прочные позиции этого материала в микроэлектронике на ближайшие 10—15 лет обусловлены отработанностью технологии его получения, высокой технологичностью, а также возможностью выращивания на нем устойчивых окислов.

При производстве монокристаллов кремния для СБИС, помимо улучшения традиционных характеристик (снижения плотности дислокаций, повышения однородности параметров), решающее значение приобретает отработка промышленной технологии получения монокристаллов увеличенного диаметра (150-200 мм) с удельным сопротивлением до сотен и тысяч Ом • см, с лимитированным содержанием неконтролируемых примесей, свободных от "свирль" - дефектов и характеризующихся временем жизни неосновных носителей заряда до сотен микросекунд.

Для реализации этой технологии разрабатывается новое поколение оборудования и ведется поиск новых контейнерных материалов, обеспечивающих проведение процессов выращивания кристаллов в полунепрерывном режиме с подпиткой расплава и электромагнитным воздействием на него.

Следует отметить, что снижение уровня неконтролируемых примесей в монокристаллах не является самоцелью, поскольку их влияние на электрофизические свойства материала и параметры СБИС довольно сложно. Так, примесь кислорода в кремнии обусловливает эффект внутреннего генерирования и определяет прочность материала (например, пластины из монокристаллов, выращенные бестигельной зонной плавкой при низком содержании 0₂, имеют повышенную хрупкость).

С другой стороны, геттерирование приводит к образованию преципитатов, которые, являясь центрами зарождения дефектов упаковки, при последующих термических операциях могут стать источниками формирования токопроводящих каналов, что вызывает повышение токов утечки.

По этим соображениям в мировой практике используют монокристаллы кремния, получаемые по методу Чохральского, с содержанием кислорода (8 +2) • 10¹⁷ ат/см³. Для управления ростом монокристаллов необходимо изучить влияние указанных примесей на свойства материала с целью определения условий оптимизации их концентраций.

Повышение выпуска высокоомных (более 2000 Ом-см) монокристаллов кремния, получаемых бестигельной зонной плавкой с последующим радиационным легированием, позволит обеспечить требуемые для СБИС однородность удельного сопротивления материала (3-5 %) и время жизни неосновных носителей заряда (до 10 х р мкс при р = 4-80 Ом-см).

В современной технологии производства ИЭТ широкое развитие получил групповой метод обработки пластин, обусловливающий высокие технико-экономические показатели производства и стабильный уровень качества в группах (партиях). Вероятнее всего, эта тенденция сохранится ив будущем. Основными задачами при такой обработке являются улучшение качества поверхности пластин большого диаметра, снижение их прогиба (до 30 мкм), неплоскостности (до 3—5 мкм), экономия материала и уменьшение стоимости.

В настоящее время в мировой практике используются в основном пластины диаметром 100 мм. Переход на больший диаметр не является насущной необходимостью, поскольку преимущества пластин с диаметрами 125 и 150 мм при изготовлении БИС и СБИС не столь заметны, как было при переходе с 75 на 100-мм диаметр.

По-видимому, диаметр серийных кремниевых пластин не превысит 200 мм, что диктуется экономическими соображениями, а также недостаточной механической прочностью пластин этого размера. Кроме того, достижение необходимых для проведения литографии неплоскостности и прогиба таких пластин требует применения индивидуальных методов их обработки.

В технике обработки пластин основными направлениями остаются применение автоматизированного оборудования и процессов бесприклеечной технологии полировки для получения пластин с неплоскостностью менее 5 мкм ; безабразивной финишной и суперфинишной полировки с помощью дисперсных поверхностно-активных составов на основе силиказолей (что улучшает чистоту поверхности, снижает уровень ее дефектности, неплоскостность и повышает технико-экономические показатели производства); использование сухих процессов очистки поверхности, обеспечивающих лучшие условия труда и более высокую производительность, стабильное качество пластин.

В производстве СБИС по биполярной технологии наряду с традиционными газофазными способами получают развитие новые методы формирования структур: эпитаксиальное осаждение при пониженных температурах и давлении в реакторе, ионная имплантация примеси, лазерный отжиг эпитаксиальных и имплантированных слоев. Общей тенденцией этих методов является уменьшение температуры или локализация теплового воздействия, что обеспечивает снижение уровня автолегирования слоев и уменьшает диффузию примеси из подложки, способствуя формированию мелких концентрационных переходов, характерных для СБИС.

Для разработки новых поколений БИС и СБИС на диэлектрической подложке наиболее перспективна КНС-технология. В микросхемах на структурах КНС за счет дальнейшего уменьшения геометрических размеров их элементов возможно существенное снижение паразитных емкостей, характерных для изолирующих р-n-переходов в объемном кремнии, и повышение рабочей частоты более чем до 100 МГц.

Основными задачами в рамках указанной технологии являются дальнейшее улучшение качества сапфира и структур КНС и снижение себестоимости их производства. Это требует решения ряда фундаментальных и прикладных задач, имеющих целью снизить механические напряжения в кремниевых слоях, обусловленные остаточными термическими напряжениями и несоответствием решеток кремния и сапфира, и тем самым уменьшить дефектность, а также получить более совершенный гетеропереход слой-подложка путем снижения уровня автолегирования в эпитаксиальном процессе.

Альтернативой трудоемкому и дорогостоящему производству структур КНС может служить получение кремниевых структур с использованием подложек из других диэлектрических материалов, например осаждение на слой двуокиси кремния (изолятор) поликристаллического кремния с последующей его перекристаллизацией в монокристаллический с помощью лазера. Большие возможности открывает и использование в указанной технологии лент монокристаллического сапфира.

В последние годы широкое развитие получили работы по созданию для ЗУ микросхем на основе НМД. Поскольку носитель информации (НМД) возникает в магнитной пленке (эпитаксиальном слое феррит-граната) при ее формировании, то к качеству материалов пленки и подложки предъявляются чрезвычайно высокие требования с точки зрения структурного совершенства и однородности физических параметров. Подложки галлий-гадолиниевого граната диаметром 76 мм и толщиной 0,5 мм имеют плотность дефектов не более 1-3 см^-2. Еще более жесткие требования предъявляются к уровню дефектности эпитаксиальной пленки, который определяется дефектностью материала подложки, качеством обработки и отмывки ее поверхности.

Обеспечение разработок ЗУ на НМД с информационной емкостью порядка десятков и сотен мегабит тесно связано с получением новых магнитных материалов, в частности многослойных субмикронных структур с диаметром НМД до 0,2 мкм, разработкой более дешевых материалов, совершенствованием и автоматизацией процессов их производства, реализацией высокоразрешающих средств контроля качества.

В числе перспективных направлений развития современной микроэлектроники — создание сверхскоростных ИС, приборов СВЧ техники и оптоэлектроники на основе полупроводниковых соединений А₃В₅, обладающих широким диапазоном физических свойств.

Техно - логия и аппаратура, используемые для получения монокристаллов этих соединений, значительно сложнее, чем для монокристаллов кремния, что связано с летучестью компонентов соединений, возможностью их диссоциации при повышенных температурах, трудностью обеспечения высокого уровня чистоты как исходных веществ, так и самих соединений.

По оценкам специалистов, для достижения технологией приборов на основе арсенида галлия, а затем и фосфида индия уровня технологии кремниевых приборов потребуется не менее 15-20 лет. Важной задачей в настоящее время является переход на 76-мм диаметр пластин арсенида галлия, что позволит изготавливать ССИС и СБИС на стандартных технологических линиях. При этом требуется дальнейшее повышение степени структурного совершенства кристаллов, переход на изготовление не легированных полуизолирующих кристаллов с удельным сопротивлением до 10³ Ом • см, снижение более чем на порядок уровня микродефектности, что увеличит подвижность неосновных носителей и термостабильность материала.

Не менее важно снизить себестоимость производства указанных соединений. Решение этой проблемы включает снижение стоимости исходных материалов, повышение эффективности существующих технологических процессов выращивания монокристаллов и получения эпитаксиальных и ионно-имплантированных структур, разработку и освоение новых технологий.

При создании приборов оптоэлектроники и квантовой электроники, базирующихся на соединениях типа А₂В₆, целесообразно расширять круг используемых материалов этой группы по мере совершенствования технологии их получения.

Развитие микроэлектроники по пути уплотнения топологии с одновременным увеличением размера кристаллов микросхем сопровождается возникновением ряда научных и технологических проблем, связанных с разработкой высококачественных электроно-, рентгено- и УФ-резистов. Эти проблемы обусловливаются не только необходимостью повышения чувствительности резистов к излучению, увеличения их плазмостойкости и разрешающей способности, снижения дефектности, но и потребностью в обеспечении разработок сырьевой базой, новым исследовательским, технологическим и контрольно-измерительным оборудованием.

Следует отметить особую перспективность разработок УФ-резистов, поскольку УФ-литография выгодно отличается от электроно- и рентгенолитографии, позволяя воспроизводить размеры элементов на микронном и субмикронном уровне без перестройки существующих технологических линий фотолитографии.

В связи с ростом потребности в проводниковых пастах с поверхностным сопротивлением 0,005— 0,05 Ом/ квадрат, а также в резистивных пастах с поверхностным сопротивлением от 5 до 10⁶ Ом / квадрат, которые используются в производстве гибридных ИС, экономически целесообразна полная или частичная замена драгоценных металлов в составе паст на более дешевые и доступные. В этом отношении перспективны работы по созданию медных, никелевых и алюминиевых паст с добавками оксидов кремния, свинца, висмута и других материалов, которые обеспечивают получение пленок с параметрами, близкими к параметрам пленок из благородных металлов.

В последнее время наметилась тенденция к практическому использованию аморфных полупроводников (в частности аморфного кремния) для изготовления элементов и интегральных модулей солнечных батарей. Это позволит значительно снизить стоимость последних, что особенно важно для их применения в изделиях культурно-бытового назначения (часах, микрокалькуляторах и др.). Основной задачей при этом является повышение эффективности преобразования солнечных элементов (площадью 1 см²) на аморфном кремнии в условиях слабой освещенности.

Как уже отмечалось, качество полупроводников в значительной мере определяется чистотой исходных и вспомогательных материалов. Поэтому большое значение приобретают разработки, направленные на повышение уровня чистоты металлоорганических соединений, используемых в производстве эпитаксиальных структур на основе материалов типа А₃В₅; исходных веществ, применяемых для синтеза и выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений и эпитаксиальных структур; растворных композиций, обеспечивающих проведение диффузионных процессов при изготовлении микросхем.

Успешное решение всех рассмотренных проблем может быть достигнуто в результате глубоких физико-химических исследований процессов получения материалов с привлечением аналитических и физических методов оценки их качества. Поэтому совершенствование оптических, электрофизических, химических, масс-спектральных , ядерных и других методов анализа является одной из основных задач электронного материаловедения.

Удовлетворение возрастающих потребностей электроники в материалах необходимо осуществлять не только за счет увеличения их объемов и улучшения технико-экономических показателей производства, но и путем непрерывного повышения выхода годных изделий электронной техники.