Oxygen in Silicon Single Crystals
Download 1.39 Mb.
|
Oxygen in Silicon Single Crystals ццц
- Bu sahifa navigatsiya:
- ОСОБЕННОСТИ РАСТВОРИМОСТИ КИСЛОРОДА В КРЕМНИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
|
раздела являются пренебрежимо малыми; Ерав - теплота растворения. В основном для определения величины [0/]рав (Т) используют два экспериментальных метода. В первом методе используется кристалл кремния, выращенный по методу Чохральского, который имеет пересы- щенную концентрацию твердого раствора кислорода. Этот кристалл подвергают длительному отжигу при той температуре, при которой не- обходимо определять предел растворимости. В результате дли- тельного отжига избыточный кислород будет преципитировать, и тогда концентрация кислорода, оставшегося в растворе, будет соответство- вать пределу растворимости кислорода в кремнии при температуре отжига [0|]рав (Тотж) [60-63]. Во втором методе используется бескислородный кристалл крем- ния, выращенный методом БЗП. Для исследования такой кристалл подвергается отжигу в атмосфере кислорода или водяных паров с це- лью создания на его поверхности оксидной пленки. Иногда после тако- го процесса следует вторая термообработка (разгонка примеси), при которой кислород диффундирует в объем кристалла. Тогда значение концентрации кислорода на границе раздела Si-Si02 будет соответст- вовать пределу растворимости при температуре термообработки [43, 64-66]. Экспериментальный график зависимости [0^рав от обратной температуры позволяет определить па- раметры [О]0 и Ерав. Однако, как было отмечено в работе [66], несмотря на то, что существует достаточно хорошее согласие между экспериментальными данными различных авторов при вы- соких температурах (Т > 1000°С), рас- четная теплота растворения (Ерав) раз- личается более, чем в два раза, пос- кольку в каждой работе проводилось исследование [0^рав(Т) в относительно узком интервале температур (рис. 14, табл. 1). Рис. 14. Зависимость растворимости кисло- рода в кремнии от температуры по данным работ: 1 - [61 ]; 2 - [66]; 3 - [43]; 4 - [62]; 5 - ; 6 - [65]; 7 - [64]; 8 - [60]; 9 - [69] 39
Множество проблем при расчете величины [Oj]paB связано с точностью определения остаточной равновесной концентрации кислорода по спектрам ИК-поглощения на 9 мкм по формуле (8). Вначале [67] предложили калибровочный коэффициент К = 4.82 • 1017 см-2. В настоящее время в большинстве стран применяется другой стандарт [38, 68], согласно которому. при определении концентрации кислорода по ИК-поглощению на 9 мкм при 300 К необходимо использовать калибровочный коэффициент К = 2.45 • 1017 см-2. Поэтому при проведении сравнительного анализа данных, полученных различными группами авторов, необходимо пересчитать концентрацию согласно одному, калибровочному коэффициенту. К сожалению, такая процедура не всегда оказывается корректной, поскольку ИК-измерения проводились при различных температурах (Т = 300 К; 77 К или 4.2 К). Поэтому при со 40 поставлении различных данных необходимо их уточнить с учетом температуры измерения (т. е. для каждой температуры ИК-измерения нужно выбирать свой калибровочный коэффициент). В работе [69] был проведен анализ и корректировка данных по растворимости кислорода в кремнии, полученных различными авторами, согласно вышеуказанным замечаниям (см. табл.1). В некоторых образцах не всегда учитывались эти замечания, и поэтому разброс данных оказывался значительно больше, чем он есть на самом деле. Кроме этого, необходимо отметить, что при нахождении предела растворимости при температурах ниже 1100°С по спектрам ИК- поглощения возникают некоторые трудности, связанные с появлением полосы поглощения от преципитатов вблизи 9 мкм. Поэтому если измерения не выполняют при низкой температуре (Т = 4.2 К) и поглощение от преципитатов является достаточно большим относительно поглощения растворенного кислорода, то довольно трудно разделить поглощение, вызванное растворенным кислородом, от поглощения преципитатов, что приведет к повышенному значению наблюдаемой растворимости. Во-вторых, в большинстве работ исследования ограничиваются временами термообработок до 200 ч, являющимися короткими, особенно для низкотемпературных отжигов [69]. Влияние этого фактора будет таковым, что это приведет к более высокому значению растворимости кислорода в кремнии, особенно если не анализируется общая кинетика распада твердого раствора кислорода. Наконец, в работах [42, 66, 70] было обнаружено, что наблюдаемая растворимость кислорода в кремнии сильно зависит от ориентации кристалла и среды отжига в случае диффузии кислорода в объем кристалла. Так, в работе [42] показано, что растворимость кислорода в приповерхностной области при диффузии кислорода в объем кристалла Si (Б3П) в направлении {111} приблизительно в два раза выше, чем в направлении {100}. Кроме этого, было установлено [66], что при диффузии кислорода из окисляющей среды концентрация диффунди- рованного кислорода [O,]s в приповерхностной области превышает предел растворимости при температуре отжига. Если далее такой кристалл подвергнуть отжигу при той же температуре в вакууме или среде инертного газа, то избыток кислорода диффундирует на поверхность кристалла и в приповерхностной области установится более низкое значение [O,]s, соответствующее равновесному значению предельной растворимости [O,]^. Следовательно, самая высокая растворимость кислорода в приповерхностной области кристалла кремния [O,]s достигается в случае диффузии кислорода в кристалл, выращенный методом Б3П, в направлении {111} из окисляющей среды (среды водяных паров), а самая низкая, которая считается равновесным значением, получается при отжиге кислородсодержащего Si, выращенного по методу Чохральского, находящегося в равновесии с защитной пленкой SiO2. На рис. 15 приведены зависимости растворимости кислорода в кристалле кремния от температуры, полученные при отжиге в окис- 41 Рис. 15. Зависимости растворимости ки- слорода в кристалле кремния от темпе- ратуры, полученные при отжиге кристал- ла в окисляющей среде (2) и среде инертного газа (1) [66] ляющей среде и в среде инертного газа (N2). Повышенная растворимость кислорода в кремниевых пластинах в окисляющей среде оказывает существенное влияние на технологию изготовления МОП структур, поскольку окисление пластин Si приводит к большему значению концентрации кислорода в приповерхностной области, чем это ожидается из кривой равновесной растворимости. Кроме этого, в процессе внутреннего генерирования, при создании обедненной зоны при высокой температуре необходимо учитывать влияние среды отжига. Следует отметить особенность поведения растворимости кислорода в кремнии при низких температурах. Как видно из рис. 14, при Т < 850°С величина [0^рав мало изменяется с температурой и не описывается формулой (16) [69]. По всей видимости, это связано с тем, что при низких температурах преципитаты имеют довольно малый размер (10 нм) и поэтому энергия границы раздела Si-Si02 оказывает существенное влияние на предел растворимости кислорода в кристалле кремния. ОСОБЕННОСТИ РАСТВОРИМОСТИ КИСЛОРОДА В КРЕМНИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Исследование растворимости кислорода при Т < 850°С показало, что в этой области температур наблюдается отклонение [0/]рав от экспоненциальной зависимости (16) (рис. 14). В работе [71] были проведены исследования растворимости кислорода в кристалле кремния при Т < 650°С. С этой целью кислородсодержащие кристаллы Si, полученные методом Чохральского, подвергали длительному отжигу, после которого ИК-методом определяли ту часть кислорода, которая выпадает во вторую фазу [0/]0- [OJ(f). Полученные экспериментальные данные сравнивали с теорией Хэма [72, 69] для диффузионно-лимитируемого 42 роста преципитатов, которая учитывает увеличение радиуса преципитата с увеличением времени термообработки гпр(£), предполагая, что во время отжига концентрация преципитатов (n) и коэффициент диффузии кислорода (Do) не изменяются. Эта теория привела к следующему решению диффузионного уравнения [69, 71 ]: [0,](t) - концентрация межузельного кислорода, которая остается в матрице после времени t, [0,]рав - концентрация кислорода в матрице, находящегося в равновесии с преципитатами (предел растворимости); [0,]0 - исходная концентрация кислорода при t = 0; [0]пр - концентрация кислорода в преципитате, [0]пр = 4.65 • 1022 см-3: Оо - коэффициент диффузии кислорода в кремнии; n - средняя плотность преципитатов; R - радиус сферической области, которая окружает преципитат, определяемый требованием 4/3nR3n = 1. Функция f([0,](t) - [0,]рав) описана в работе [69]. Следовательно, получив из ИК-измерений значения [0,]0 и [0,](t), тогда величины [0,]рав и К можно рассчитать подгонкой этих величин в уравнении (17) методом наименьших квадратов. Если предположить, что все преципитаты сферической формы с радиусом rnp(t), то выпавшая во вторую фазу часть кислорода за время t которое при длительных временах отжига (при t <*>) будет иметь вид: Предполагается, что в процессе отжига величина n не изменяется и все частицы второй фазы растут с одинаковой скоростью (т. е. имеют один и тот же размер rnp(t). Совсем не обязательно, чтобы преципитаты были однородно распределены по всему объему кристалла, поскольку градиенты примесной концентрации в матрице существуют лишь вблизи границ растущих преципитатов, а диффундирующий атом проделывает большой путь в матрице в трех измерениях с малой вероятностью быть захваченным растущей частицей. Следует также отметить, что уравнение (20) описывает рост сферических преципитатов, однако оно Download 1.39 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|