Rev. Phys. Appl. (Paris) 24, 133-141 (1989)
DOI: 10.1051/rphysap:01989002402013300

Evolution de la taille des grains du silicium polycristallin pendant des traitements thermiques ou oxydation

M. Lemiti¹, S. Audisio², C. Mai³ et B. Balland<sup>1

1</sup>  Laboratoire de Physique de la Matière (UA-CNRS 358), Bât. 502
²  Laboratoire de Chimie industrielle, Bât. 401
³  Laboratoire GEMPPM (UA 341), Bât. 502, INSA-Lyon 20 av. Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex, France

Abstract
We compare the crystallographic morphology of epitaxial polycrystalline silicon layers (9 × 10-3 Ω.cm resistivity, 450 nm thickness, L.P.C.V.D. at 670 °C by silane décomposition) which undergo for 6 to 180 min a high temperature treatment (900 °C to 1 050 °C) in inert gas ambiance (argon) or oxidizing ambiance (dry oxygen). The crystallite size evolution of the polycrystalline layer has been studied by means of X-Ray diffraction. In both cases, we find a grain size increase (faster in oxygen ambiance) (from 20 to more than 100 nm), corresponding to the crystallization of amorphous zones enhanced by dopant diffusion (phosphorus) at grain boundaries and by mechanical stresses. As compared to single crystal, the oxide formation kinetics is controlled by the random crystallographic orientation of grains and by grain boundaries (intergrain diffusion and dopant segregation). The destructive breakdown of oxide is not direct. We often observe a pre-breakdown followed by self-curing. Dielectric rigidity depends on doping rate and varies from 2 to 5 MV/cm when the oxidation temperature steps from 900 °C to 1000 °C.

Résumé
Nous avons comparé l'évolution de la morphologie cristallographique de couches épitaxiques de silicium polycristallin (résistivité de 9 x 10 -3 Ω.cm, épaisseur de 450 nm, dépôt L.P.C.V.D. à 670°C par décomposition du silane) soumises pendant 6 à 180 min, à un traitement thermique à température élevée (entre 900 °C et 1 050 °C) sous atmosphère soit inerte (argon), soit oxydante (oxygène sec). L'évolution de la taille des cristallites de la couche polycristalline a été mise en évidence par diffraction des rayons X. Dans les deux cas, on observe un accroissement (plus rapide lors d'une oxydation) de la taille des grains (de moins de 20 nm à plus de 70 nm), correspondant à une cristallisation des zones amorphes, favorisée par la diffusion du dopant (phosphore) aux joints de grains et par l'existence de contraintes mécaniques. La vitesse de formation de l'oxyde est çontrôlée par l'orientation cristallographique aléatoire des grains et la présence des joints de grains (diffusion intergranulaire et ségrégation des dopants). Le claquage destructif de l'oxyde n'est pas direct, on observe souvent une phase de préclaquage avec une auto-guérison. La rigidité diélectrique dépend du dopage et varie de 2 MV/cm à 5 MV/cm quand la température d'oxydation passe de 900 °C à 1000 °C.

PACS
8160C - Surface treatment and degradation in semiconductor technology.
8140G - Other heat and thermomechanical treatments.

Key words
crystallites -- electric breakdown of solids -- elemental semiconductors -- grain boundary diffusion -- heat treatment -- silicon -- X ray diffraction examination of materials -- semiconductor -- dielectric rigidity -- thermal treatments -- crystallographic morphology -- epitaxial polycrystalline silicon -- crystallite size -- X ray diffraction -- grain size -- crystallization -- amorphous zones -- dopant diffusion -- grain boundaries -- mechanical stresses -- kinetics -- crystallographic orientation -- intergrain diffusion -- dopant segregation -- breakdown -- oxide -- pre breakdown -- self curing -- oxidation -- 900 to 1050 degC -- Si -- Si:P -- SiO sub 2