Oxygen in Silicon Single Crystals

Размягчение кремния из-за преципитации примесей
Из технологии производства полупроводниковых приборов хорошо известно, что длительная термообработка пластин кремния, выращен­ных по методу Чохральского, в области температур 1000°С значительно уменьшает их механическую прочность. Это явление связано с преци­питацией пересыщенного твердого раствора кислорода в кристалле кремния.
В работе [314] при изучении зависимости сдвигового напряжения от деформации для исходного бездислокационного кристалла кремния,


71




выращенного по методу Чохральского, прошедшего отжиг различной длительности при 1050°C, показано, что характер изменения зависи­мостей аналогичен поведению кривых при увеличении исходной плот­ности дислокаций в высокочистом кристалле кремния. Такое измене­ние механических свойств связано с образованием кислородных пре­ципитатов и различного рода дефектов межузельного типа (дислокационные петли и диполи, дефекты упаковки и т. п.), сопутст­вующих преципитации кислорода. Следовательно, размягчение пластин Si (Чохр.) вследствие преципитации кислорода вызвано генерацией дефектов, которые могут действовать как эффективные центры гене­рации дислокаций при деформации. Механическую прочность кристал­лов Si (Чохр.), которая была до отжига при 1050°C, можно восстано­вить, подвергнув отожженный кристалл термообработке при 1300°C, при которой преципитаты, созданные при 1050°C, растворяются в мат­рице кремния. Дефекты, связанные с преципитатами, также уничтожа­ются таким высокотемпературным отжигом.
На образование преципитатов и связанных с ними дефектов силь­ное влияние оказывает термическая история кристалла. Если кисло­родсодержащий кристалл кремния вначале отжечь при 1300°C, затем охладить его до 1050°C и проводить при этой температуре отжиг, то никакого заметного образования как преципитатов, так и связанных с ними дефектов, не происходит даже после продолжительных термооб­работок, и при этом механическая прочность пластин остается вы­сокой. С другой стороны, если кристалл отжечь при 1300°C, а затем охладить до комнатной температуры, то последующий отжиг при 1050°C приведет к образованию многочисленных преципитатов и де­фектов и, следовательно, к резкому уменьшению напряжения течения. Все эти факты говорят о том, что зародыши преципитатов или дефек­тов, которые приводят к размягчению пластин, образуются во время охлаждения пластин от высокой температуры до комнатной и/или во время нагревания от комнатной температуры до 1050°C. Термооб­работка же при 1300°C уничтожает центры зарождения кислородных преципитатов, которые затем при более низкой температуре не растут.
Кроме этого, известно, что плотность дефектов упаковки, которые образуются одновременно с кислородными преципитатами, не ока­зывает влияния на прочностные характеристики кристалла, т. е., веро­ятнее всего, они не являются источниками дислокаций. Согласно ди­намике дислокаций сами кислородные преципитаты также не могут быть источниками тех дислокаций, которые приводят к размягчению кристал­ла. Наиболее вероятными источниками дислокаций являются призмати­ческие дислокационные петли, которые выдавливаются преципитатами во время термообработки в процессе их роста вследствие большого внутреннего избыточного давления.
В работе [95] предложен наиболее вероятный механизм размяг­чения кислородсодержащего кристалла кремния во время термооб­работки, который заключается в следующем. На ранней стадии процес­


72




са кластеризации кислорода образуются преципитаты небольшого раз­мера, из которых, вследствие внутреннего избыточного давления вы­давливается небольшое количество дислокационных петель. Выдав­ленные дислокации довольно быстро блокируются кислородными ато­мами и становятся неподвижными, поскольку на этой стадии преци­питации в кристалле имеется большое количество растворенного кис­лорода.
По мере роста преципитатов с увеличением продолжительности от­жига с каждого преципитата будет выдавливаться все большее число петель и одновременно с этим будет происходить уменьшение кон­центрации растворенного в матрице кислорода. Поэтому большинство дислокационных петель уже не будет сдерживаться атомами кисло­рода, и они теперь смогут саморазмножаться в кристалле, что приве­дет к его размягчению. Описанный механизм образования дислокаций в кислородсодержащем кристалле кремния достаточно хорошо объяс­няет экспериментально наблюдаемую взаимосвязь между ме­ханической прочностью и концентрацией преципитированного кис­лорода.