SiO ₂/Si Interfacial Degradation and the Role of Oxygen Interstitials

(Received 12 February 1996, received in final form 26 April 1996, accepted 22 May 1996)

Abstract
High temperature annealing of Si/SiO ₂/Si structures in inert atmospheres is known to result in degradation of the oxide layer and electron and hole trap creation. We review our understanding of the basic mechanisms active in such structures that can result in point defect generation. Using electron spin resonance and infra-red absorption data, we demonstrate that in low oxygen content Si substrates (float zone) annealing of Si/SiO ₂/Si structures at high temperatures results in a gettering of oxygen from the oxide into interstitial sites in the Si substrate. Oxygen vacancy centres are left in the oxyde. This behaviour is well accounted for by a diffusion model in which oxygen diffuses out of the oxide, into the Si, the driving force this motion is the temperature dependent solubility limit of oxygen in Si. This mechanism should be active in float zone substrates for essentially all temperatures C. For high oxygen content substrates (Czochralski grown) we also observe oxygen vacancy creation in the oxide when very high temperature annealing is performed ( C). However, for these substrates at lower temperatures which are more "technological" ( C) we anticipate that dissolved O interstitial diffusion to the Si/SiO ₂ interface and percipitation of SiO ₂ platelets in the bulk will be the prime mechanisms to be considered.

Résumé
Il est connu que le recuit haute température des structures Si/SiO ₂/Si dans un atmosphère inerte conduit à la dégradation de la couche d'oxyde et à la création de pièges à électrons et à trous. Nous passons en revue les mécanismes fondamentaux qui peuvent engendrer des défauts. À partir des résultats d'expérience de résonance paramagnétique électronique et d'absorption infrarouge nous montrons que pour des substrats à faible concentration en oxygène (float zone) il y a des atomes d'oxygène qui quittent l'oxyde et qui diffusent dans le substrat Si sous forme d'interstitiel lors du recuit des structures Si/SiO ₂/Si. Il reste alors des lacunes d'oxygène dans l'oxyde. Ce processus est bien écrit par un modèle de diffusion dans lequel l'oxygène quitte l'oxyde et diffuse dans le silicium. La force motrice de cette diffusion résulte de la limite de solubilité de l'oxygène dans Si qui varie avec la température. Ce mécanisme est particulièrement actif pour les substrats "float zone" à partir de C. Pour des substrats à forte concentration en oxygène (type Czochralski) nous observons la création de lacunes d'oxygène dans l'oxyde quand la température du recuit est très élevée ( C). Dans les substrats à plus faibles température ( C) les interstitiels d'oxigène déjà présents dans le Si diffusent vers l'interface Si/SiO ₂ ou se précipitent sous forme de plaquettes de SiO ₂ dans le volume du substrat. Une dégradation de l'interface est aussi envisagée pour ces substrats.