Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 25, Numéro 9, septembre 1990
Page(s) 923 - 929
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:01990002509092300
Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 923-929 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:01990002509092300

Variation du mode de croissance initiale de SiO2 sur Si(001) en fonction de la température de substrat

F. Lutz, J.L. Bischoff, D. Bolmont et L. Kubler

Laboratoire de Physique et de Spectroscopie Electronique, Faculté des Sciences, 4 rue des Frères Lumière, 68093 Mulhouse Cedex, France


Abstract
The initial oxidation (in the monolayer range) of Si(001)-2 × 1 was studied by x-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy (XPS and UPS) systematically as a function of substrate temperature Ts (RT < T s < 800 °C ) and O2 pressure (10-8 à 10-5 mbar). The oxygen coverage dependence as a function of these parameters allowed to distinguish the passivation domain (at low Ts whatever the pressure) from the combustion or cleaning mode (at high Ts and low pressure). In the low T s regime the local chemical bondings are intermediate (Si-(Si XO4-X), 0 < X < 4). The initial sticking is high with an initial disappearance of two dangling bonds for each chemisorbed atom. The coverages induced by a given amount of impinging molecules does not depend from the combination of time or pressure used to obtain a given exposure. These results denote a spatially homogeneous chemisorption, but with a location limited to the atomic overlayer planes by lack of diffusion. On the contrary, at high TS, where the desorption is prevailing, the initial sticking is very low. Above a critical pressure we observe a rapid switch to the passivating mode where the initial growth is heterogeneous with a juxtaposition of SiO2 islands and bare Si areas still presenting the dimer reconstruction even for mean coverages above the monolayer. Moreover the oxidation rate is now higher when identical exposure changes result from pressure changes rather than from time variations. A comparison of the surface state decrease with increasing coverage on vicinal or flat surfaces allows to connect this initial oxide nucleation to the presence of steps along the [110] direction.


Résumé
L'oxydation initiale (dans le domaine de la monocouche) de Si(001)-2 x 1 a été étudiée dans de larges domaines de température de substrat (TA < Ts < 800 °C ), de pression de O2 (10-8 à 10-5 mbar) par photoémission X (XPS) et UV (UPS). Les variations de recouvrement en oxygène en fonction de ces paramètres permettent de séparer les domaines de points (Ts, P (O2), où l'oxydation est dite passivante (basse Ts, quel que soit P(O 2)) de ceux où elle est combustive (mode de nettoyage à T s élevée, P(O2) faible). Les observations en faveur de la différenciation des modes de croissance à haute et basse T s concernent les environnements locaux déduits des pics Si 2p, les vitesses d'oxydation en fonction de la pression et du temps d'exposition, la disparition des états de surface observés en UPS et liés à la dimérisation 2 × 1. A basse Ts les environnements chimiques locaux sont de type intermédiaire (Si-(Si XO4-X), 0 < X < 4 ). Le collage initial est fort et correspond à une disparition initiale de 2 liaisons pendantes par atome d'oxygène fixé mais faiblit fortement pour des recouvrements proches de la monocouche. Les recouvrements induits par une certaine quantité de molécules de O2 incidentes sont indépendants du fait que cette quantité résulte d'une augmentation de temps d'exposition ou de pression. Cela dénote une chimisorption initiale, spatialement homogène, mais limitée par manque de diffusion aux plans atomiques de surface. A haute T s le collage initial est quasi nul, la désorption étant prépondérante à faible pression (mode de nettoyage). A partir d'une pression critique, on bascule dans le mode passivant avec une croissance initiale hétérogène (avec juxtaposition d'îlots ou flaques de SiO2 et de zones de Si libres d'oxydation) celle-ci affectant peu la reconstruction 2 × 1 et ce jusqu'à des recouvrements moyens en O supérieurs à la monocouche. Le taux d'oxydation est maintenant plus grand lorsque l'exposition est augmentée par variation de pression que par variation de temps. L'étude de la décroissance des états de surface avec le recouvrement d'oxygène sur des surfaces désorientées ou non permet de corréler cette nucléation initiale à la présence de marches le long de la direction [110].

PACS
8160C - Surface treatment and degradation in semiconductor technology.
7960G - Photoelectron spectra of composite surfaces.
8265M - Sorption and accommodation coefficients surface chemistry.
6845D - Adsorption and desorption kinetics: evaporation and condensation.
7320H - Surface impurity and defect levels: energy levels of adsorbed species.
7155 - Impurity and defect levels.
2550E - Surface treatment semiconductor technology.
2520C - Elemental semiconductors.

Key words
chemisorption -- dangling bonds -- elemental semiconductors -- oxidation -- passivation -- silicon -- silicon compounds -- ultraviolet photoelectron spectra -- X ray photoelectron spectra -- semiconductor -- heterogeneous growth -- combustion mode -- initial oxidation -- Si 001 2*1 -- ultraviolet photoelectron spectroscopy -- XPS -- UPS -- substrate temperature -- coverage dependence -- passivation domain -- cleaning mode -- local chemical bondings -- initial sticking -- chemisorbed atom -- spatially homogeneous chemisorption -- atomic overlayer planes -- critical pressure -- SiO sub 2 islands -- dimer reconstruction -- initial oxide nucleation -- 20 to 800 degC -- SiO sub 2 initial growth modes -- bare Si areas