Topological Analysis of the Effect of Annealing on the Grain-Boundary Structure of Polysilicon Films

Abstract

Вплив відпалювання на зернограничну структуру легованих фосфором полікремнієвих плівок, що отримані методом хімічного осадження з газової фази, було проаналізовано шляхом проведення порівняльного аналізу даних атомної силової мікроскопії та існуючих модельних уявлень. Показано, що вирішальним фактором для застосування топографічної моделі є характер росту зерен в плівках. Модель застосовна для температур відпалювання ≤ 1000 °С, при яких спостерігається нормальний ріст зерен. Розподіли для різних типів границь зерен для полікремнієвих плівок є симетричними по відношенню до зростаючих та зникаючих границь. Структура полікремнієвих плівок рівноосьова, переважна орієнтація відсутня. При температурах відпалювання ≥ 1000 °С в плівках має місце аномальний ріст зерен, і розподіл типів границь зерен свідчить, що в даному температурному інтервалі топологічна модель є неприйнятною. Можна припустити, що відмінності у співвідношеннях зростаючих та зникаючих границь зерен в полікремнієвих плівках при різних температурах відпалювання обумовлені різними механізмами та рушійними силами росту зерен при нормальному та аномальному рості. При нормальному рості зерен переважною є рушійна сила, що обумовлена різницею густин дислокацій в суміжних зернах. При аномальному рості зерен переважає рушійна сила, яка обумовлена різницею середньої поверхневої енергії зерен, що призводить до різкого збільшення швидкості росту зерен.

The effect of annealing on the grain-boundary structure of phosphorus-doped silicon films obtained by chemical vapor deposition was investigated by comparative analysis of atomic force microscopy data and existing model concepts. It is shown that the decisive factor for the applicability of the topographic model is the character of grain growth in the films. The model is applicable for annealing temperatures ≤ 1000 °C, at which normal grain growth is observed. In this temperature range, the distributions of different types of grain boundaries in polysilicon films are symmetric with respect to growing and disappearing boundaries. The structure of polysilicon films is equiaxed, there is no preferred orientation. At annealing temperatures > 1000 °C, anomalous grain growth takes place in the films, and the distribution of the types of grain boundaries indicates that the topological model is inapplicable in this temperature range. It can be assumed that the differences in the ratios of growing and disappearing grain boundaries in polysilicon films at different annealing temperatures are due to different mechanisms and driving forces of grain growth during normal and abnormal growth. With normal grain growth, the driving force prevails, that is caused by the difference in the density of dislocations in the adjacent grains. With abnormal grain growth, the driving force prevails, that is due to the difference in the average surface energy of the grains, which causes a sharp increase in the rate of grain growth.