Oxygen in Silicon Single Crystals

D = a0 / 8т , (11)
где a₀ - параметр решетки (для Si а₀ = 0.542 нм).


Масс-спектроскопия вторичных ионов (SIMS)
Масс-спектроскопия вторичных ионов традиционно используется для измерения глубинных концентрационных профилей кислорода в приповерхностном слое кристалла (до 20 мкм), полученных либо в ре­зультате диффузии кислорода в кристалл Si, выращенный методом бестигельной зонной плавки, либо в результате испарения кислорода в приповерхностной области кислородсодержащего кристалла во время высокотемпературной термообработки. Высокая чувствительность это­го метода позволяет получать точные концентрационные профили при­меси кислорода, а его избирательная способность по изотопному со­ставу дает возможность различать источники кислорода (например, различать кислород, который был имплантирован в кристалл, от кисло­рода, растворенного в приповерхностной области пластины или со­держащегося в атмосфере отжига).
Основан метод SIMS на том, что высокоэнергетический ионный пу­чок (например, Cs+) выбивает с поверхности исследуемого кристалла различные атомы, состав и концентрация которых затем определяются с помощью масс-спектрометра. Для получения высокого разрешения рабочая камера должна быть откачана до высокого вакуума. Одновре­менное определение концентраций О и Si позволяет получить зависи­мость относительной концентрации кислорода от глубины проникнове­ния ионного пучка Cs+ в исследуемый кристалл. Затем полученные экспериментальные результаты калибруются количественно путем сравнения со стандартным глубинным концентрационным профилем, созданным ионной имплантацией.
С помощью масс-спектроскопии вторичных ионов, например, мож­но определить некоторые параметры примеси кислорода в кристалле кремния (такие как растворимость, коэффициент диффузии) в широком диапазоне температур. Для этого в бескислородном кристалле Si, вы­ращенном методом бестигельной зонной плавки, путем испарения ки­слорода с поверхности в кристалл во время отжига при определенной температуре создают примесный глубинный концентрационный про­филь. Такой концентрационный профиль может быть теоретически описан с помощью выражения для нормальной диффузии, а из анализа этих зависимостей можно получить коэффициент диффузии и раство­римость кислорода в кристалле кремния.
Следует отметить, что поскольку в методе SIMS не различаются со­стояния кислорода в кристалле Si (то ли он находится в атомарном ме- жузельном состоянии, то ли входит в состав кислородного преципита­та), то для однозначной трактовки полученных концентрационных про­филей необходимо исключить различные термообработки, которые мо­гут привести к преципитации кислорода. Кроме этого, т. к. вакуум в ра­бочей камере SIMS спектрометра создает эквивалентную концентра-


29

цию кислорода [¹⁶O] « 10¹⁷ см^-3, которая приблизительно в 5-10 раз меньше предела растворимости кислорода в кремнии при температуре расплава, то для повышения точности измерения глубинный концен­трационный профиль предпочтительно создавать с помощью ионной имплантации с использованием изотопа ¹⁸O. В этом случае точность измерения повышается в 500 раз [42].

Метод рентгеновской дифракции
Поверхностную концентрацию, а также глубинный концентрацион­ный профиль можно определить с помощью рентгеновской дифракции, измеряя изменение угла (A0_B(x)) вследствие изменения параметра ре­шетки (Да₀), вызванного внедрением атомов кислорода в межузлия [43, 44]. Такой метод определения концентрации кислорода выполняется в предположении, что деформация решетки является линейной функцией концентрации кислорода.
Поскольку напряжения параллельные поверхности образца сдержи­ваются толстым объемом кристалла, то возникает лишь квазиодномер- ное расширение кристаллической решетки. Поэтому для определения концентрации кислорода в кристалле из данных по рентгеновской ди­фракции необходимо учесть два члена коррекции.
Первый член связан с одномерным изменением параметра решетки в образце, второй обусловлен изменением соответствующего вектора решетки вследствие асимметричного отражения, обусловленного од­номерной деформацией, упомянутой выше.
Исходя из этих соображений можно вычислить концентрацию ки­слорода для каждой глубины [О,](х) по следующей формуле


где х - глубина от поверхности образца; 0_В - угол Брэгга; A0_B(x) - раз­личие в угле Брэгга между поверхностью (х = 0) и глубиной х; (а - угол между поверхностью кристалла и отражающей плоскостью решетки; Сц, С₁₂ - упругие постоянные кристалла; в - коэффициент расширения решетки, соответствующий однородному внедрению кислорода в кри­сталл кремния.
Для определения глубинного концентрационного профиля кислоро­да с помощью метода рентгеновской дифракции производят последо­вательное стравливание тонких слоев химическим травлением и после каждого стравливания измеряют параметр решетки и сравнивают его с контрольной поверхностью. Так, в работе [43] авторы использовали этот метод для определения коэффициента диффузии и предельной растворимости кислорода в кристалле кремния. В частности было ус­тановлено, что при концентрации межузельного кислорода [о_|] =


[О,- ](x) = [О, ](x=0)


COS 0_g


^А0Д ^{( Х)}


(12)


cos a- sin(0_B -а)


V





30




= 1 10¹⁸ см^-3 постоянная решетки увеличивается на 4.5 • 10^-6.