Особенности строения пленок кремния.

Особенности строения пленок кремния. Диоксид кремния SiO2 может принимать кристаллическую и аморфную форму. Известны три кристаллические полиморфные формы диоксида кремния, образующиеся при атмосферном давлении: кварц, тридимит и кристобалит. Детальные исследования спектра поглощения термического SiO2 , показателей преломления и плотностей позволяют сделать вывод, что по своему строению термический диоксид кремния близок к аморфному плавленому кварцу.  Однако при высокотемпературном окислении в аморфной структуре SiO2 присутствуют включения кристобалита. Кристобалит как менее устойчивая модификация образуется в первую очередь и может сохраняться потому, что его превращения в тридимит приобретает заметную скорость только в присутствии примесей.

Реальная структура кварцевого стекла состоит из упорядоченных и неупорядоченных областей. В предельном варианте возможно образование микропустот. Такие особенности строения стекла соответствуют микрогетерогенной модели. Степень микрогетерогенности аморфного вещества служит критерием, на основании которого состояние вещества может быть определено как стеклообразное (при невысокой степени микрогетерогенности) или нестеклообразное (высокая степень микро гетерогенности).

Превращение нестеклообразного состояния SiO2 в стеклообразное происходит в температурном интервале 950 – 970 К со скачкообразными изменениями энтальпии и показателя преломления. Анализ физико-химических параметров стекло- и нестеклообразного состояния диокида кремния позволяют сделать вывод , что получаемые термическим окислением кремния слои SiO2  находятся в состоянии более близком к стеклоообразному, чем к нестеклообразному.

Известно, что слои SiO2 на кремнии имеют аморфную структуру и состоят их жестких тетраэдров, оъединенных в кольцевые структуры. Число звеньев в кольце – возрастающая функция угла мостиковой связи SiOSi между соседними тетраэдрами, например, в 6-ти звенных кольцах угол равен 144˚, а в 4-х звенных кольцах — 120˚.      На границе раздела преобладают 4-х звенные кольца, а в глубине диоксида — 6-ти звенные.

Механические напряжения в системе SiSiO2 . В термически окисленных слоях кремния  экспериментально наблюдаются наличие внутренних сжимающих напряжений. Механические напряжения в слоях SiO2  делятся на макро- и микронапряжения. Макронапряжения характерны для всего образца. Известно, что пленка диоксида кремния упруго напряжена, и величина напряжений при комнатной температуре составляет 5х108 Па. При этом внутренние напряжения в подложке на 1 – 2 порядка ниже.

Наличие неоднородных микронапряжений в SiO2  экспериментально доказано и является, по-видимому, важнейшей причиной нестабильности электрических параметров. В процессе хранения структур кремний – диоксид кремния происходит снижение величины механических напряжений в системе SiSiO2, как показано на рисунке 6.3.

 

      Рисунок  6.3 Изменение величины механических напряжений в системе SiSiO2 от времени хранения. Условия хранения: температура 293 – 298 К, относительная влажность 50 – 80%.

Величина механических напряжений в слоях диоксида кремния зависит также от условий окисления, особенно от скорости охлаждения окисленных структур.

Структурная неоднородность термических окисленных слоев. В начальный момент процесс окисления протекает как взаимодействие молекул кислорода с поверхностью полупроводника, т.е. как молекулярное взаимодействие адсорбента с адсорбатом, обусловленное дисперсионными силами. В результате химического взаимодействия кислорода с кремнием на монокристаллической поверхности должны возникать абсолютно одинаково ориентированные комплексы с максимально возможной энергией связи SiO. Однако, в присутствии:

а) избытка кислорода,

б) неконтролируемых примесей,

в) дефектов на поверхности монокристалла

на начальном этапе окисления могут зарождаться кластеры различных структурных модификаций, что приводит к структурной неоднородности диоксида кремния.

Вязкое течение SiO2 . При окислении кремния лимитирующим фактором является недостаток свободного объема для образования окисла, т.к. при образовании единичного объема SiO2 расходуется только 0.44 объема кремния. Генерация свободного объема происходит в результате вязкого течения SiO2,

Скорость роста оксида dx/dt можно выразить как:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector