Особенности строения диоксида кремния

Одним из основных элементов всех кремниевых ПП и ИС является структура Si/SiO₂. Диоксид кремния может быть получен различными способами, и в зависимости от способа получения ему будут присущи те или иные свойства. При создании МОП-структур обычно используется получение SiO₂ методом термического окисления кремния. При этом, как считается, получается аморфный диоксид кремния. Но, тем не менее, в аморфном SiO₂ встречаются локальные атомные конфигурации, присущие кристаллическим формам диоксида кремния. Поэтому вначале необходимо рассмотреть некоторые свойства кристаллических форм SiO₂.

Кристаллические формы SiO₂

Основными кристаллическими формами SiO₂ являются a- и b-кварц, тридимит и кристобалит, причем наиболее вероятной кристаллической формой SiO₂ является тридимит, который стабилен при низких давлениях вплоть до температуры 1470 °С [16]. Высокотемпературный кварц при температуре 870 °С переходит в тридимит, однако благодаря высоким механическим напряжениям, имеющим место при окислении, высокотемпературный кварц и присущие ему конфигурации связей все-таки будут встречаться в SiO₂. Кроме того, следует учитывать возможность присутствия и других кристаллических форм диоксида кремния.

Практически во всех формах SiO₂ основной структурной единицей является тетраэдр SiO₄, в котором каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Тетраэдр SiO₄ — основная структурная единица различных кристаллических форм диоксида кремния

Длина связей Si–O меняется от 0,152 до 0,169 нм, длины связей Si–Si составляют порядка 0,313 нм, а длины связей О–О — порядка 0,262 нм. Угол между связями O–Si–O составляет 109,18°. Каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Угол между связями Si–O–Si может меняться от 120 до 180° в зависимости от материала, причем обычно максимум распределения приходится на величину 144° [16].

Аморфный диоксид кремния

В настоящее время для описания строения аморфного диоксида кремния получили наибольшее распространение две модели [16]. Согласно первой модели основной структурной единицей является тетраэдр SiO₄. Эта структурная единица сохраняется по всему объему диоксида кремния, но от тетраэдра к тетраэдру изменяются углы между связями Si–O–Si.
В результате сохраняется ближний порядок в строении SiO₂, а дальний порядок отсутствует. Согласно второй модели SiO₂ может состоять из кристаллитов различных аллотропных форм (или какой-нибудь одной формы). В случае малых размеров кристаллитов обе модели хорошо между собой согласуются.

Обе из приведенных выше моделей согласуются с имеющимися результатами экспериментальных исследований структуры и свойств SiO₂, и довольно трудно делать однозначный вывод о справедливости только какой-нибудь одной из них. По-видимому «истинная» структура SiO₂ охватывает аспекты обеих моделей. В [16] указывается, что в аморфном SiO₂, как и в кристаллических формах, сохраняются расстояния между ближайшими атомами Si–O и углы между связями Si–O–Si. Кроме того, имеется широкое распределение углов между связями Si–O–Si, но в пределах 10–20 атомов между этими углами имеется корреляция, подобно кристаллическим формам.

Выше описывалась совершенная структура SiO₂, т.е. не содержащая оборванных связей, больших пустот или примесей. Однако в [16] указывается, что в термическом SiO₂ могут содержаться пустоты размером порядка 1 нм, причем для их образования не обязательно наличие оборванных связей. Наличие таких пустот может привести к снижению плотности термического SiO₂ по сравнению с его кристаллическими формами. Количество и распределение пустот определяется условиями роста пленок SiO₂. Наличие этих пустот также нужно учитывать при описании влияния водорода и гидроксильных групп на свойства пленок SiO₂.