История создания самосовмещённых алигатомных структур на кремнии с высокой чувствительностью к облучению светом

Луканов Н.М.

Дерзание духа.
А.Ф.Лосев.

Толчком к написанию этой статьи послужила моя встреча с академиком В.С. Бурцевым, когда он уже покинул Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) и перешёл работать в АН СССР. Уверен, что это происходило не по его воле. Для меня лично Всеволод Сергеевич (В.С.) Бурцев оставался Талантливым Инженером, Большим Трудягой и Главным Конструктором многопроцессорной высокопроизводительной ЭВМ “Эльбрус-2”, для которой мы в НИИ Молекулярной Электроники (НИИМЭ) делали сверхбыстродействующие ИС серий 100 и 700 на сверхтонких слоях "С"-профиль. Первая публикация о создании ИС на мелком "М"- профиле для систем ЭВМ “Ряд-2” (ИС серии К138, а затем позднее включена была и серия 500) и сверхбыстродействующих ИС серий 100 и 700 для ЭВМ “Эльбрус-2” дана в статье [1]. Перед встречей В.С. позвонил по телефону и договорился с К.А. Валиевым, что хотел бы получить от Луканова информацию об ультратонких структурах на кремнии с высокой чувствительностью к облучению светом. Камиль Ахметович поведал мне, что просил Бурцев и добавил, что он проводит разработку новой супер-ЭВМ с глобальной заменой металлических межсоединений на оптические. Твои структуры имеют к этому прямое отношение. Тебе ведь есть что рассказать. И могут быть найдены новые решения.

Имелись в виду структуры по конкурсной работе, доложенные Станиславом Александровичем Гаряиновым на конференции в США в 1991 г. в Филадельфии. Тогда между нашими странами ещё был период потепления и нас приглашали на международные конференции сначала в Болгарию 1988 г., а затем и в США 1991 г. Я захватил с собой опубликованный в СССР журнал на английском языке [2], вырезанные страницы из первого своего отчёта 1967 г. в НИИМЭ НИР “Ингредиент” [3], фотографии тестовых структур, слайды структур на прозрачной плёнке (рисовала цветными фломастерами студентка МИЭТ Луканова Наталия Николаевна), ВАХ структур при облучении светом и вопросы, которые хотел задать академику.

Организаторами конференции от России выступили Генеральный директор НПО Научный центр Ю.Н. Дьяков и Директор ППИ С.А. Гаряинов, фото которых приведены на странице 4 этого журнала. Оба энергичные, целеустремленные. Гаряинов был очень горяч, вспыльчив, не терпел возражений, но быстро отходил. Он настоял на своем требовании "в Америку полетят только те, кто сдаст экзамен на разговорный язык по докладу на английском". Я угрюмо возражал и не полетел в Америку. На конференцию в Болгарию он взял с собой меня и В.И. Берга и не требовал тогда знания второго языка. Потом и в Японию я тоже не полетел, но здесь упрямство было только с моей стороны. Воспоминания о Дьякове приведены в статье “Луканов Н.М. История создания первой отечественной интегральной схемы памяти с полной диэлектрической изоляцией на сверхтонких слоях, локально легированных золотом” в Виртуальном компьютерном музее (ВКМ) от 01.11. 2018 г.

Встреча с Бурцевым состоялась в новом здании РАН, где размещался сам В.С. со командой своих новых сотрудников, в окружении оборудования, переплетённого линиями прозрачных передач между таинственными электронными блоками, по которым бегали импульсы света. Это было завораживающее видение и обещало посвящение в тайну. Термин в названии статьи “алигатомной” электроники звучит как диссонанс и требует пояснения.

Этот термин автор впервые ввёл в НИИМЭ в своей первой работе по НИР “Ингредиент”[3] в 1967 г., исследуя предельные возможности ультратонких биполярных структур. Затем в конкурсной работе [4] НПО “Научный центр” (Н.Ц.) г. Зеленограда ультратонкие структуры имели толщину активной эмиттерной и базовой областей порядка 300-500 ангстрем. Приставка “алиг”, означающая “сверх”, подразумевает превышение размера атома кремния в сотни ангстрем. Такую вольность, как физическую дерзость и “провокацию”, автор посчитал тогда разумной и согласился на публикацию и доклад на конференцию в США. Сейчас такие масштабы уже никого не удивляют. Подробно процесс изготовления и измерения таких структур представлен в статье воспоминаний [5] о НИИМЭ.

Встретил меня сам Бурцев. Выглядел он молодцевато, седые волосы украшали его лицо с приятной улыбкой, но след какой-то не высказанной мысли промелькнул, и исчез. Возможно, это мне показалось. Он сожалел, что не присутствовал на совещании представителей НИИМЭ с разработчиками ИТМиВТ во главе со своим академиком при встрече с Генеральным директором Н.Ц. [2]. И добавил наш Босс (академик Лебедев С.А.) тогда несколько накалил атмосферу у Вашего генерала Пивоварова. Немного помолчал и добавил. В итоге архиважная работа была успешно завершена и сдана Государственной комиссии. Мне показалось, что когда В.С. заметно тише произносил последние фразы, его фигура стала выше и стройнее. Академическое воспитание и дисциплина дали о себе знать. Бурцев добавил, что он собирался выступить сам. Хотел сказать, что они перевели на русский язык книгу, показывающую преимущества применения схем фирмы моторола ЭСЛ типа МС 10.000. Но, что то тогда помешало ему лично приехать... И махнул рукой.

Бурцева явно заинтересовала конструкция транзистора окружённого глубокими канавками щелевого типа и заполненными низкотемпературным пиролитическим диоксидом кремния. В.С. сразу отреагировал вопросом №1: “А можно ли легировать этот окисел для повышения эфективности передачи оптического сигнала”.  Ответ: Да, если будут у нас соответствующие химические реагенты для пиролитичкского или плазмохимического процесса осаждения. Вы могли бы открыть нам соответствующую тему. В.С. промолчал....и добавил: “Нам сильно сократили финансирование. Денег едва хватает на зарплату и на закупку необходимых ИС”. Я понял, что этой темы больше касаться не стоит. Ситуация и у нас и у них хреновая. Шла перестройка, переделка, перестрелка. ...

И я приехал к академику не от хорошей жизни, а от надежды получить дополнительную работу и дополнительную зарплату.

В.С. задал вопрос №2: тонкий окисел под пассивными областями базы термический или.... можно и другой. Ответ: можно термический или композитный в сочетании с пиролитическим окислом или с нитридом кремния. В.С. задал вопрос №3: как реагируют на свет эти транзистры. Я пододвинул к нему страницы из отчёта. В.С. явно хотел дополнить этот вопрос, но губы его продолжали читать текст на английском. И он редложил сначала пообедать у них в столовой, а затем посмотреть структуры из отчёта НИР “Ингредиент” 1967 г. И вдруг он спросил: А правда, что этот отчёт Валиев передал через Пролейко министру МЭП СССР Шокину? Ответ: Да.

Листаю страницы отчета НИР “Ингредиент” 1967 г. Текст и ссылки сохранены как в оригинале. Этот отчёт по рекомендации К.А. Валиева хранится как раритет у автора. Есть электронная копия этого отчёта.

Работоспособность первых УТС проверялась на W зондах без металлизации. При демонстрации их К.А. Валиеву [2,1] вечером сказался “визит эффект”, – автомат не сработал, – и пришлось концы проводов держать директору НИИМЭ и нач. лаборатории.

Мезаультратонкие ТС сильно реагировали на свет (рис. 16) и показывали напряжение прокола не менее 7В. Если меня в 1975 г. ругали за сверхтонкие ТС, – то за ультратонкие, – директор К.А. Валиев тогда в 1967 г. искренне поздравил.

На рис.17 приведены из отчёта [2] распределения концентрации ионизированных атомов В и Р, образующих ультратонкую ТС или, по современной терминологии, нано-ТС по вертикали. Как видно из рис. 17, эта УТС имеет очень крутые профили легирования В и Р. Она отличается тем, что при быстрой диффузии Р в особых условиях наблюдается перераспределение В (профили В′-В) непосредственно под эмиттером («dip» – эффект ступеньки) на малую величину ≈ 145Å. Глубина эмиттерного перехода составила ≈ 317Å, глубина перехода коллектор – база ≈ 818Å. При этом ширина активной области базы wаб ≈ 501Å. Превосходные (“алиг”) профили на рис. 17 имели всего лишь сотни ангстрем. Это дало основание позднее назвать такие УТС «алигатомными», – т. е. превосходящими сотню ангстрем. Формирование УТС с wаб = 30 – 50 нм представляло исключительно сложную проблему и требовало применения принципиально новых подходов и новых конструктивных решений. Очень серьёзная проблема была связана с формированием непроникающих и низкоомных контактов к таким слоям. Использование чистого Al даже без его вжигания не решало проблему.

Наличие переходного слоя на поверхности приводило к значительному увеличению сопротивления эмиттера и не позволяло получать воспроизводимые контакты. Применение системы Mo-Al только частично снимало проблему. Требовался совершенно новый подход к решению задачи по созданию сильнолегированных и непроникающих контактов. И решение было найдено при применении тонкого низкоомного слоя поликристаллического кремния (поликремния-Si*), легированного фосфором в процессе его осаждения Si*(Р). И, наконец, был достигнут серьёзный успех, – мне удалось найти новый подход к решению проблем формирования УТС [2, стр.121].

“Формирование эмиттерного слоя производится сразу после проведения диффузии бора в одностадийном процессе. При этом во время проведения диффузии бора поддерживаются контролируемые условия диффузионного процесса, которые обеспечивают внедрение бора с заданной интегральной концентрацией. ... Режимы диффузионного процесса, отмеченные выше, должны обеспечить формирование диффузионного слоя с резким распределением примеси, малой глубиной и высокой поверхностной концентрацией", стр. 122 – "При этом происходит одновременное перераспределение легирующих примесей с поддержанием сверхтонкой, не скомпенсированной активной базовой области между практически параллельными резкими диффузионными фронтами обоих примесей.”

За рубежом реализация ультратонкой области базы в одностадийном процессе диффузии бора была достигнута только в 1992г. при использовании в качестве источника примеси диборана [5].

Создание первых ТС с пассивными областями эмиттера на основе поликремния и точно локализованными составными областями пассивной и активной базы

В 1968 г., – на четыре года раньше японской технологии “Dopos”, – нами была предложена новая конструкция и получены первые образцы тонкослойных ТС с пассивными эмиттерными областями на основе поликристаллического кремния (Si*-Р), легированного Р в процессе эпитаксиального осаждения. Пассивная область эмиттера являлась источником примеси и непроникающим низкоомным омическим контактом. Применение Р (взамен As) давало несколько дополнительных преимуществ при формировании УТС. Более высокий уровень ионизированной примеси в эмиттерном слое обеспечивал получение больших значений коэффициента усиления по току. Возможность более гибкого управления процессом в отсутствии кислорода при эпитаксиальном осаждении Si*-Р давало дополнительную степень свободы в регулировании приповерхностной фазы на границе (Si*-Р) - Si. Однако, наличие исходного тонкого матричного окисла на границе, создавало свои новые и, как оказалось позднее, большие проблемы, решение которых откладывалось, так как возникали неотложные задачи по плановым и срочным работам. Использование Р, отличающегося большим коэффициентом диффузии по сравнению с As, потребовало решения новой задачи по обеспечению воспроизводимых более кратковременных и высокотемпературных процессов отжига. Первые процессы осаждения Si*-Р осуществлялись в малоинерционном эпитаксиальном реакторе с предварительным отжигом в атмосфере водорода в отделе очень способного Евгения Сергеевича Любимова. На рис. 18,а дана усложненная конструкция ТС не только с пассивным эмиттером на основе (Si*-Р), но и с маскирующим окислом на основе пиролитического диоксида кремния SiO2П и с сильнолегированной пассивной областью базы (ρsпб), смыкающейся по всему периметру с активной областью эмиттера и высокоомной активной областью базы. Первый вариант такой ТС с углубленной пассивной областью базы (хкпб) получили при химическом вытравливании тонкого базового слоя из эмиттерных окон до разгонки бора. Но этот первый вариант оказался мало воспроизводимым.

Рис.18. Конструкция ТС с (Si*-Р) – а); типовая тонкослойная ТС – б).

Отработкой процессов диффузии для этих ТС стал заниматься инженер-оператор Валера Лебедев. Успешно сочетая работу с учебой в МИЭТ, Валерий Васильевич настойчиво продвигался к цели.

Второй, – более удачный вариант, – был основан на частичном и воспроизводимом удалении бора из эмиттерных окон в процессе быстрого высокотемпературного окисления в сухом кислороде, используя малоинерционную установку с ИК нагревом и равномерным движением пластин на специальном лотке с наклонными дырочками [20-21].

На рис. 18,б для сравнения дана тонкослойная ТС с маскирующим окислом на основе термического SiO2Т. Этим типом тонких ТС («Т» – профиль) стал заниматься Вильям Николаевич Кокин.

На Рис. 19 Акт о приоритете разработки УТС с эмиттером на основе поликремния, легированного Р (Si*-Р).

Литература

1. Луканов Н.М. Некоторые малоизвестные моменты из истории отдела 22 НИИМЭ // Электронная техника. Сер. 3, Микроэлектроника. Выпуск 1(152). –1998. –С. 49-57.

2. Lukanov N.M. Bipolar VLSI based on self-aligned transistor structures // Electronic Engineering. Ser. Microelectronics. – 1991. – Is. 1 (1). News from Soviet «Silicon Valley». – 1991. –P. 54–55. –МИЭТ. Опубликована в редакции НПО Н.Ц. по материалам конкурсной работы Луканова Н.М. и доложена в США на конференции в Филадельфии директором ППИ С.А. Гаряиновым

3. Отчет НИР “Ингредиент”, Главный конструктор Луканов Н.М., НИИМЭ, 1967 г.

4. см. 2 вставка рекламный лист о Конкурсной работе.

5. Y. Kiyota еt al. Ultra-thin-base Si bipolar transistors using rapid vapor-phase direct doping (RVD) // IEEE Transactions on electron devices. vol.39, №9, Sept. 1992, p.2077-2080).

Об авторе: доктор технических наук
Помещена в музей с разрешения автора 20 декабря 2018