Перспективы кремниевых технологий

Кремний – второй по распространенности на Земле элемент (пер­вый – кислород). Кремний плавится при 1420^оС и далеко не просто создавать технологические установки для выращивания кремниевых кристал­лов (они вытягиваются из распла­ва), сохраняющих высокую чистоту при столь высокой температуре. Первые кремниевые монокристаллы были размером около сантиметра, потом на какое-то время техника задержалась на слитках диаметром 40 мм, к концу семидесятых стандартом стал диа­метр 100 мм, а к 2010-2012 годам ожидается, что диаметр кремниевых слитков достигнет 400-450 мм.

Эти слитки кремния раз­делываются на пластины. После чистовой обработки высота микро­неровностей на поверхности крем­ниевой пластины не превышает 1 нм. В результате окончательной обработки рабочей поверхности пластины ее шероховатость снижается до 0,1 нм, в то время как поперечник крем­ниевого атома составляет около 0,5 нм.

Однако как бы тщательно не выращивался сли­ток, идеальная кристаллическая ре­шетка во всем объеме недостижима: в каком-то узле случайно не оказы­вается атома кремния, где-то вне­дряется неконтролируемая примесь, при остывании образуются микро­трещины и перенапряженные обла­сти и т.п. Транзистор, изготовлен­ный на месте структурного дефекта, как правило, оказывается негодным. Контроль структуры и устранение ее несо­вершенств являются приоритетными задачами в металлургии кремния. В лучших современных пластинах содержится не более 200 дефектов на квадратный метр, а к 2010 году ожидается снижение этого показателя еще на порядок.

Понятия ширины запрещенной зоны, положения уров­ней примесных атомов, разрешен­ных и запрещенных электронных пе­реходов в полупроводниковой структуре есть физические константы, которые определяютсяприродой веще­ства.

Но физика не была бы физикой, если бы периодически не опрокидывала собственные «незыблемые» представ­ления. Сказанное справедли­во, пока кристалл безграничен, но атомам, расположенным на поверх­ности, нечем «насытить» одну из валентных связей. В структуре зонной диаграммы появ­ляются уровни «поверхностных со­стояний», подобные примесным уров­ням в объеме.

А что если кремниевые кристаллы сделать очень маленьки­ми? Уменьшая размеры кристалла, мож­но воздействовать на его «святая святых» – зонную диаграмму. Вступает в игру квантово-размерный эффект, проявляющийся при поперечнике ку­бика кремния, близком к 5 нм («нанокристалл» кремния), когда в структуре зонной диаграммы преобладающими становятся уровни «поверхностных со­стояний». Кроме того, при малых размерах кристалла внутри него возникают значительные механические напря­жения – механизм здесь тот же, что и при сжатии капли жидкости сила­ми поверхностного натяжения. Чем меньше кристалл, тем сильнее он сжат, а сжатие, как давно установле­но, вызывает изменение величины шири­ной запрещенной зоны,а нередко и трансформацию правил запрета.

Разрыв связи в кремниевом монокристалле под дей­ствием тепла, света, электрического поля может означать элементар­ный акт формирования информаци­онного импульса – логической функции.

Нанокристаллы образуются в так называемом пористом кремнии, ког­да в результате специальной элект­рохимической обработки пластины создается текстура из тончайших кремниевых волосков. В физических экспериментах наблюдалось свечение таких структур. Поэтому можно предполагать возможность появления микросхем, сочетающих электри­ческие и световые связи, надежных и безынерционных.

Обретут ли нанок­ристаллы воспроизводимую техно­логию, встроится ли этот проект в традиционную микроэлектронику? Не исключено, что если в начале этого века будет создана наконец-то «клет­ка» (микросхема) искусственной жизни, то она, возможно, будет кремниевой.