3.1.2 Особенности строения границы раздела Si/SiO2 Структура границы раздела

Схематично строение границы раздела Si/SiO₂ представлено на рис. 3.4. По мере приближения со стороны кремния к границе раздела Si/SiO₂ кристаллическая структура нарушается, и вблизи границы раздела она может сильно отличаться от объемной: в пределах нескольких атомных слоев образуется слой разупорядоченного кремния. Этот слой является структурно неоднородным: в верхней части он аморфизирован, ниже — поликристаллический, далее приближается к монокристаллическому. В результате область приграничного кремния будет характеризоваться большими механическими напряжениями и высокой концентрацией активных центров [8, 15–17]. Наличие разупорядоченного слоя кремния обусловлено процессом окисления. Разрыв связей Si–Si и образование более прочных связей Si–O сопровождается выделением энергии. Вблизи поверхностных дефектов и атомов примеси окисление происходит более интенсивно, и выделяемая при этом энергия может почти в 2 раза превосходить энергию образования точечного дефекта в кремнии, что приводит к локальной генерации большого числа структурных дефектов (обычно дефектов упаковки) в области кремния, граничащей с фронтом окисления [17]. Для описания дефектообразования при окислении в этой области можно использовать следующую модель. За счет возникновения в процессе окисления механических напряжений в структуре Si/SiO₂ внутри кремния идет накопление и перестройка кремне-кислородных кластеров. Физическая природа образующихся дефектов может быть связана с протеканием двух конкурирующих высокотемпературных процессов: генерации вакансий в переходном слое со стороны кремния за счет диффузии атомов кремния в SiO₂ и генерации междоузельных атомов кремния в подложке, обусловленной перенасыщением SiO₂ кремнием и обратной его диффузией в подложку.

Рис. 3.4. Схематическое изображение строения границы раздела Si/SiO₂ [17]

Далее следует переходная область SiO_x, в которой свойства меняются от присущих кремнию до присущих диоксиду кремния. В [17] указывается, что состав этой области может меняться по схеме

Si – Si₂O – Si₂O₃ – SiO₂.

Изменение стехиометрии здесь обусловлено или недостатком кислорода, или избытком кремния. От свойств этой области во многом будут зависеть электрофизические параметры МОП-приборов, так как здесь могут накапливаться электрически активные дефекты. Толщина этой области сравнительно небольшая, порядка 0,2–0,3 нм [16] (хотя в некоторых работах указывается, что она может доходить до нескольких нанометров), и она содержит порядка 10¹⁵ см^–2 атомов кремния, связанных в конфигурациях SiO_x.

Область приграничного Si также характеризуется большими механическими напряжениями и высокой концентрацией электрически активных дефектов. В результате большая часть встроенного положительного заряда, который образуется в SiO₂ при окислении и при облучении, сосредоточена именно в этой области [15]. Граница области с переходным слоем условно проводится на таком расстоянии от полупроводника, что обменом носителями заряда с кремнием посредством туннелирования можно пренебречь.

Объем SiO₂ характеризуется свойствами, описанными выше (см. п. 3.1.1), однако в МОП-структурах вблизи границы с электродом затвора структура диоксида кремния может отличаться от объемной. Химический состав SiO₂ в этой области постоянен, концентрация дефектов максимальна вблизи области приграничного SiO₂, а энергетические уровни электрически активных центров дискретны [15].