Oxygen in Silicon Single Crystals

Ядерный активационный анализ
Метод ядерного активационного анализа позволяет проводить ана­лиз содержания кислорода в кристалле с очень большой чувствитель­ностью ([о_|] > 5 • 10¹³ см^-3) и для определения всей концентрации ки­слорода в кристалле является наиболее приемлемым, поскольку этот метод выявляет весь кислород, находящийся как в атомарном состоя­нии, так и в виде различных SiO_x преципитатов [45, 46].
Для определения концентрации кислорода кристалл кремния облу­чают ионами ³Не достаточно больших энергий (10-25 МэВ). В резуль­тате ядерной реакции атомов кислорода ¹⁶О с ионами ³Не образуется нестабильный изотоп ¹⁸F, который с периодом полураспада 109.7 мин с испусканием р⁺ - частиц переходит в стабильный изотоп кислорода согласно следующим двум реакциям:


⁶О (³He, p) ¹⁸F — > ¹⁸О;
109.7 мин


¹⁶О(³Не, п) ¹⁸Ы^-^в > ¹⁸F ^в >¹⁸О.
1.6 с 109.7 мин
По радиационной активности облученных образцов можно опреде­лить концентрацию изотопа кислорода ¹⁸О, а следовательно и ¹⁶О. Пе­риод полураспада изотопа ¹⁸F является достаточно большим, что по­зволяет проводить исследование послойного распределения кислоро­да по глубине. Поэтому, стравливая с исследуемой поверхности тонкие слои порядка 10 мкм и измеряя уменьшение радиационной активности образца, можно рассчитать глубинный концентрационный профиль ки­слорода. Обычно глубина облучения ионами ³Не при таких энергиях составляет порядка 200-250 мкм, поэтому для исследования более глубоких слоев проводят повторные облучения.
В заключение необходимо отметить, что полная концентрация ки­слорода в кремнии, измеренная методом ядерного активационного анализа, в некоторых случаях превышает концентрацию оптически ак­тивного кислорода почти в два раза (в кристаллах германия иногда на порядок) [47], что затрудняет проведение точного градуировочного расчета.
Определение [О] по сопротивлению растеканию
Для анализа профилей концентрационных зависимостей [О,] = = [О,](х) можно использовать достаточно простой метод, основанный на измерении сопротивления растеканию кристалла Si, в котором от­жигом при Т = 450°С созданы термодоноры (ТД-I). Известно, что дли­тельный отжиг кислородсодержащего кремния при T = 450°С приводит к образованию донорных центров (ТД-I), в состав которых входит ки­слород. Причем максимально достижимая концентрация ТД-I прибли-


31




зительно пропорциональна третьей степени исходной концентрации межузельного кислорода:
^ТД-1,тах = ^В1 ^[О(^]П, ⁿ ~ ³. ⁽¹³⁾
Сущность метода заключается в следующем. Кислородсодержащий кристалл Si, предназначенный для исследования, вначале подвергают длительному (порядка 100 ч) отжигу при Т = 450°С (температура мак­симальной скорости образования ТД-I) для создания в нем максималь­ной концентрации ТД-I. Затем на отожженном кристалле делают косой срез (с малым углом наклона tga = 0.1) и на этом срезе методом со­противления растеканию измеряют профиль удельного сопротивления р = р(х). Используя теперь зависимость (13) и учитывая исходные па­раметры кристалла, можно пересчитать р(х) ^ ^тдчМ [О^(х).
Описанный метод имеет ряд ограничений. Данный метод неприме­ним, если кристалл Si содержит малую концентрацию кислорода ([О^ < 2 •10¹⁷ см^-3). В этом случае ТД-I практически не образуются. Кроме того, в зависимости от концентрации кислорода изменяется по­казатель степени n = 2.5 - 4. Такой метод определения [О^ = [О^(х) также неприменим для кристаллов Si с высокой концентрацией углеро­да ([C_S] > 1.5 •10¹⁷ см^-3), поскольку наличие большой концентрации уг­лерода приводит к подавлению процесса образования ТД-I. Необходи­мо учитывать тот факт, что предварительная высокотемпературная (при Т > 800°С) термообработка может оказать существенное влияние на процесс образования ТД-I, что приведет к неточному расчету концен­трации кислорода.
Поэтому для того чтобы избежать некоторых неопределенностей, связанных с калибровочной кривой р = р ([ОД необходимо провести калибровку другим независимым методом.
Исследование методом ЭПР с использованием диффузии Li
Атомарный кислород, находящийся в кристалле кремния в виде квазимолекул Si^-Si, не регистрируется методом ЭПР. Однако некото­рые кислородные комплексы, одним из которых является комплекс Li-О, являются парамагнитными и их концентрацию можно определить по спектрам ЭПР. Следовательно, вводя путем диффузии быстродиф- фундирующий литий в кислородсодержащий кристалл кремния и соз­дав при этом максимальную концентрацию комплексов Li-О, можно по спектрам ЭПР при низких температурах (при Т < 40 К) оценить концен­трацию межузельного кислорода в кристалле. Этот метод обладает очень высокой чувствительностью ([О^ > 10¹⁴ см^-3) [48]. Основным не­достатком метода является то, что он основан на ряде предположений. Поэтому в некоторых случаях значение концентрации кислорода, полу­ченное методом ЭПР с использованием диффузии Li, может почти в два раза превышать концентрацию оптически активного кислорода.


32

Г Л А В А 3. СВОЙСТВА КИСЛОРОДА В КРЕМНИИ

1.