Немного обо всем, или все о немногом

Сколько нужно «грязи»?

Хотя чипы (микросхемы), как известно, называют кремниевыми, на самом деле токопроводящие «дырки» и электроны предоставляют «загрязнители» кристаллической решетки. Такие добавки, как фосфор и сурьма, отдают электроны, несущие отрицательный (негативный) заряд. Отсюда термин «n-тип» полупроводника. Бор же и алюминий в качестве переносчиков заряда генерируют положительно (позитивно) заряженные «дырки», отсюда и название «р-тип». Все это известно с «доисторических» времен, когда транзисторы были еще размером с ноготь большого пальца.
С той поры много cлоев кремния «срезано». Уже сегодня толщина активной части быстродействующих чипов не превышает слоя из 50–100 атомов! Однако и этого много для электронной отрасли промышленности. Новый технологический предел, к которому она стремится, – это всего лишь 9–10 атомов кремния, что представляется возможным благодаря использованию низкотемпературного молекулярного пучка для напыления. Но пока технологическое решение задачи не найдено, поскольку уже достигнут предел распределения атомов добавок, составляющий 10²¹ см^–3.
Дело в том, что дальнейшее увеличение концентрации той же сурьмы оказывается неэффективным, поскольку далеко не все внесенные ее атомы отдают электроны. Поэтому даже при концентрации сурьмы 9,35•10²⁰ см^–3 количество свободных электронов не превышает 6,5•10²⁰ см^–3. Дальнейшее увеличение концентрации добавок за счет их «растворения» в твердой фазе кремния (что весьма дорого) не приводит к возрастанию тока. А создателям микрочипов требуются токи, которые в 100 раз больше нынешних.
Частичное решение этой проблемы предложили сотрудники лаборатории компании «Белл», расположенной в городе Мюррей-Хилл (США, штат Нью-Джерси). Они решили посмотреть, за счет чего в кремнии создаются электрически неактивные «кластеры» атомов сурьмы («гроздья», скопления, группы). С помощью метода молекулярного напыления они получили образцы кремния толщиной всего лишь в 50. Аморфные неактивные слои веществ снимались с поверхности при использовании химической и механической полировки. Ненужные оксиды с поверхности образца удалялись и с помощью травления.
Поиски атомов сурьмы, внесенных в кристаллическую решетку кремния, были сродни поискам пресловутой иголки в стоге сена. Для этого был применен мощный электронный пучок (электронная микроскопия), позволяющий анализировать ультратонкие пленки без разрушения поверхности, атомы которой специфически рассеивают электроны. О том, какой конкретно атом «видит» электронный пучок, судили по вероятности рассеяния электронов, которая тем выше, чем больше атомный номер элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Естественно, что у кремния с его атомным номером 14 вероятность эта ниже, чем у сурьмы, чей номер 51.
На электронограммах «яркость» у атомов сурьмы оказалась на 25% выше, чем у атомов кремния. Благодаря этому и были получены электронные «фото» образцов. Выяснилось, что электрически неактивные атомы добавки группируются по двое. В результате этого электрическая активность добавки на 30% ниже ожидаемой, исходя из ее концентрации.
Соединяясь попарно, атомы сурьмы уже не могут отдавать электроны, поскольку между ними образуется достаточно прочная связь. Будущим технологам при создании чипов необходимо учесть сей факт, чтобы максимально равномерно распределять атомы добавок по кристаллической решетке кремния, не допуская их связывания попарно, а уж тем более образования более крупных кластеров.

Материал подготовил
И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2002, № 6883, р. 799, 826)