Etude thermodynamique et structurale de la formation des dépôts minces isolants sur silicium pour la micro-electronique. : Application au systeme NH3/Silicium monocristallin
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
[Thin insulating films on silicium are of great interest for the fabrication of structures (namelly memories) used in microelectronics on silicon. Since the very beginning of the study of thin insulating layers deposition on silicon, several authors have paid attention to the chemical reactions that could occur during the layer formation. Generally, these studies have used models very far from a chemical reality. Th us, we have decided to investigate the formation of thin insulating layers from the point of view of the chemical reaction, and we have developed a thermodynamical and structural approach of the problem. Due to the vast number of chemical reagents which can be used to deposit insulating films on silicon, we have initially limited our study to the formation of silicon nitride on monocrystalline silicon (100)-(2xl) using ammonia NH3 and as the nitridation gas. We have developed a surface model taking into account both crystallographic considerations and classical thermodynamics computations. The model shows that the silicon surface is strongly modified, nor only on the first plane, but somewhat in the bulk : two planes of silicon contain Nitrogen. The model is in very good agreement with what has been observed experimentally in the literature. It also shows that the nitride growth cannot be homogeneous and that thus, the Prigogin model cannot be applied. We have completed and improved our model using computation programs which help determine the eventuality of chemical reactions by means of Gibbs free energy minimization. These computations confirm our initial results. They give more information concerning the species which are formed at high temperature. The validity of models amalgams ting structural and classical thermodynamics studies are discussed. ]
Abstract FR:
Les dépôts minces isolants sur silicium occupent une place essentielle dans la mise au point des structures (en particulier des mémoires) utilisées en micro-électronique sur silicium. Depuis le tout début de l'étude des couches minces isolantes sur silicium, plusieurs auteurs ont porté leur attention sur les réactions chimiques qui pouvaient se produire pendant la formation de l'isolant. Généralement, ces études ont utilisées des modèles assez éloignés de la réalité chimique, et les phénomènes de croissance de ces couches isolantes restent encore mal expliqués. Nous avons donc décidé d'aborder la formation de films minces isolants. Du point de vue de la réaction chimique et nous avons développé une approche thermodynamique et structurale du problème. Étant donné le grand nombre de réactifs chimiques pouvant être utilisées pour déposer des couches minces isolantes sur silicium, nous avons initialement limité notre étude à la formation dl nitrure(s) de silicium sur du silicium monocristallin (100)-(2xl) en utilisant l'ammoniac NH3 comme gaz nitrurant. Nous avons développé un modèle de surface tenant compte à la fois de considérations cristallographiques et de calculs de thermodynamique clas~ique. Le modèle montre que la surface de silicium est fortement modifiée, non seulement sur le premier plan, mais aussi en profondeur : deux plans de silicium contiennent de l'azote. Le modèle est en très bon accord avec ce qui a été observé expérimentalement dans la littérature. Il montre aussi que la croissance du nitrure ne peut pas être homogène et qu'ainsi, le modèle de PRIGOGINE ne peut pas s'appliquer. Nous avons repris et améliorer le modèle en utilisant des programmes de calculs d'éventualité de réactions chimiques par minimisation de l'enthalpie libre. Ces calculs confirment les résultats initiaux. Ils apportent des précisions quant aux espèces formées à hautes températures. La validité des modèles alliant étude structurales et thermodynamiques classiques est discutée.