Анализ изменения энтропии структуры оксида кремния при

УДК 621.382(06) Микроэлектроника
Г.А. ПРОТОПОПОВ
Научный руководитель – В.Д. ПОПОВ, профессор
Московский инженерно физический институт (государственный университет)
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ СТРУКТУРЫ ОКСИДА
КРЕМНИЯ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПОСЛЕ
ОБЛУЧЕНИЯ
В данной работе исследованы структурные изменения оксида кремния и получено выражение, описывающее изменение энтропии при термообработке.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению процессов,
происходящих при радиационно-термических воздействиях на интегральные микросхемы (ИМС). Радиационно-термическая обработка (РТО) влияет на изменение электрофизических параметров ИМС, что, очевидно,
зависит от их структуры. Однако, работ, посвященных исследованию изменения энтропии структуры оксида кремния при РТО, практически нет.
Целью настоящей работы является анализ изменения энтропии дефектной структуры оксида кремния при термообработке после облучения
ионизирующим излучением.
Образование дефектов при облучении и их отжиг. Наряду с эффектом смещения атомов, состоящего в упругом смещении узлов в атомной
решетке вещества под влиянием частиц высоких энергий, важную роль в
процессе радиационного дефектообразования играет возбуждение электронной подсистемы вещества с последующей передачей энергии атомной структуре (так называемый допороговый механизм образования дефектов) [1]. Для случая структур Si-SiO2 существование такого механизма
подтверждается общим характером дефектов, возникающих при самых
различных воздействиях, которые включают в себя не только облучение
структур, но и различного вида инжекцию электронов и дырок в слои
SiO2, а также действие сильных электрических полей, способных приводить к разогреву электронов и дырок в слоях SiO2. Таким образом, облучения SiO2 приводит к разрыву связей Si-O-Si и смещению атомов [2]. К
таким дефектам относятся  Si  (трехкоординированный кремний с одной болтающейся связью, или E`-центр) и дефект типа Si – O  , который
характеризуется как немостиковый кислород [1], [3].
Изменение энтропии при термообработке. При воздействии температуры наблюдается тепловое расширение твердых тел, связанное с ангармоничностью тепловых колебаний частиц кристаллической решетки
УДК 621.382(06) Микроэлектроника
[4]. Для ангармонических колебаний среднее значение смещения атома из
положения равновесия
q =(b /0) q 2 = (bkB/02)T,
где kB–константа Больцмана, Т – термодинамическая температура, b и 0 коэффициенты в разложении потенциальной энергии взаимодействия частиц по степеням q:
2
3
U(q)= U0+ 0 q /2 – b q / 3.
При росте температуры повышается амплитуда колебаний атомов, и
атомы в разорванной связи Si и O могут сблизиться настолько, что будет
возможно образование связи Si-O. Таким образом, при термообработке
оксида кремния наблюдается восстановление разорванных связей Si-O.
Если n – количество разорванных связей из N валентных связей, то увеличение энтропии равно [5]
S=kBLn[N!/(N-n)!n!]
Если взять отношение n/N=10-5 [5], то S=12.5n.
При отжиге происходит восстановление некоторого количества х связей, тогда n – количество оставшихся разорванных связей. Изменение энтропии при восстановлении х связей при х n равно
S= -x[Ln(N/(n+x))+1] + x(2n+x)/2N  -12.5x
Список литературы
1. Коноров П.П., Барабан А.П. О связи образования радиационных дефектов с электронными процессами Si-SiO2.// Электрофизика слоистых структур. Тезисы докладов. Серия
6. М.: ЦНИИ Электроника, 1988. С. 3-11.
2. Селезнев Б.И., Ткаль В.А. Отжиг радиационных дефектов при лазерном облучении
систем диэлектрик-полупроводник.//Электрофизика слоистых структур. Тезисы докладов.
Серия 6. М.: ЦНИИ Электроника, 1988. С. 66-70.
3. Бендер А.Э., Семушкин Г.В., Темников К.Л. Анализ возможностей объяснения эффектов Ленахана на основе развития представлений о дефектообразовании в МДПструктурах при внешних воздействиях.//Электрофизика слоистых структур. Тезисы докладов. Серия 6. М.: ЦНИИ Электроника, 1988. С. 53-61.
4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1977.
С. 269-271.
5. Маделунг О. Физика твердого тела. Локализированные состояния. М.: Наука, ФИЗМАТЛИТ, 1985.