Oxygen in Silicon Single Crystals

Влияние дислокационно-примесного взаимодействия на механическую прочность кристалла кремния
Присутствие некоторых примесей в кристалле вызывает заметное увеличение механической прочности кремния при определенных ус­ловиях. Прежде всего, это такие примеси, как кислород и азот, кото­рые хорошо захватываются дислокациями и сдерживают их подвиж­ность. В работе [95] проведено исследование влияния присутствия не-


68










О 5 10
Деформация сдвига, %


Рис. 26. Зависимость напряжения сдвига от деформации для бездисло- кационных кристаллов высокочистого кремния (6) и легированных кислоро­дом (1-4) или азотом (5) до концен­траций: 1 - 4 • 10¹⁷; 2 -5.5 • 10¹⁷; 3 - 2.5 • 10¹⁷; 4 - 9 • 10¹⁷; 5 - 5.5 • 10¹⁵ см^-3 [95]


Рис. 27. Зависимости напряжения сдвига от деформации для исходно дислокацион­ных кристаллов (N_d ~ 10⁶ см^-2) кремния с различным содержанием кислорода, по­лученные методом растяжения при 800°С со скоростью сдвиговой деформации 10^-4 с^-1 [313]: 1 - [О/] < 110¹⁶ см^-3; 2 -[О/] =


= 1.510¹⁷ см^-3; 3 -
[О/] = 7-10¹⁷ см^-3; 5-


[О,] = 4-10¹⁷ см^-3; 4 - [О/] = 9 • 10¹⁷ см^-3


которых примесей, в частности кислорода, на механическую прочность кристаллов кремния. На рис. 26 приведены зависимости сдвигового напряжения от деформации для исходно бездислокационных кристал­лов кремния, легированных кислородом в различных концентрациях, а также для чистого кристалла и кристалла Si, легированного азотом в концентрации [N] = 5.5 10¹⁵ см^-3, деформированных при 900°С со ско­ростью сдвиговой деформации 10^-4 с^-1.
Порог текучести кристаллов не имеет строгой зависимости от кон­центрации примесей и может считаться приблизительно постоянным. С другой стороны, видна значительная разница в механических свойствах исходно дислокационных кристаллов Si, легированных вышеука­занными типами примесей. На рис. 27 показаны зависимости сдвиго­вого напряжения от деформации при 800°С со скоростью 10^-4 с^-1 для кристаллов кремния с различным содержанием кислорода, которые ис­ходно имели дислокации с N_d « 10⁶ см^-2. С увеличением концентрации


69




кислорода резко возрастает значение порогового напряжения, после которого начинается пластическая деформация. При легировании кри­сталла кремния азотом в концентрации [N] = 5.5 10¹⁵ см^-3 наблюдается эффект упрочнения кристалла, аналогичный кристаллу с содержанием [O_i] = 1,510¹⁷ см^-3.
Анализируя экспериментальные результаты, можно сделать вывод, что увеличение концентрации кислорода в дислокационном кристалле кремния оказывает тот же эффект механического упрочнения, что и уменьшение плотности дислокационных источников. Примесь кисло­рода и азота хорошо геттерируются на дислокациях и сдерживают их движение, если кристалл находится при повышенных температурах без приложенного давления. Сдерживание дислокаций может быть нас­только сильным, что большая часть из них не способна двигаться даже при больших деформациях, и следовательно они не являются дис­локационными источниками при деформации. Упрочнение кристаллов кремния вследствие легирования их легкими элементами происходит только в исходно дислокационных кристаллах и связано с блоки­рованием движения дислокаций этими примесями.
Механизм упрочнения бездислокационньх пластин кремния путем легирования примесями
Из технологии производства полупроводниковых приборов и ин­тегральных схем хорошо известно, что пластины Si (Чохр.) лучше про­тивостоят короблению вследствие термических напряжений по срав­нению с Si (БЗП) кремнием. Такой эффект, по всей видимости, связан с упрочнением пластин вследствие легирования их примесью кисло­рода. Коробление становится более серьезной проблемой, если уменьшается размер компонент интегральных схем, а также когда ис­пользуется большой диаметр слитка. Oбычно кремниевые пластины, используемые для изготовления приборов, вырезаются из бездислока- ционных кристаллов. Oднако в результате термических отжигов в этих пластинах могут генерироваться дислокации, которые приводят к ко­роблению. В работе [95] предлагается механизм термической обработ­ки, согласно которому исходно бездислокационные пластины кремния меньше подвергаются короблению при термоциклировании, если они легированы такими примесями как кислород и азот.
В процессе производства приборов кремниевые пластины подвер­гаются многократному термоциклированию от комнатной температуры до высоких температур. В случае, если имеет место небольшое короб­ление пластины, то после некоторого количества термических циклов в зависимости от профиля температурной кривой оно может резко воз­расти. Термические напряжения создаются в пластине только во время ее нагрева или охлаждения из-за неоднородного распределения тем­пературы, в то время как при высоких температурах эти напряжения практически отсутствуют.
В пластине кремния всегда имеются некоторые неоднородности на


70




краю пластины, которые действуют как центры генерации дислокаций. Такие центры генерации во время термических циклов при нагревании или охлаждении могут генерировать дислокации. Центры генерации та­кого рода существуют в любых пластинах независимо от чистоты обра­ботки материала. Следовательно, на периферийной области пластины, как правило, генерируются дислокации, по крайней мере, в микроско­пическом масштабе. По всей видимости, глубина проникновения дис­локаций из периферийной области в глубь кристалла будет тем мень­ше, чем выше концентрация примесей, обладающих блокирующим действием.
В отсутствие блокирующих примесей происходит распространение генерированных дислокаций в глубь пластины, которые при дальней­ших термических циклах могут саморазмножаться вследствие терми­ческих напряжений, возникающих во время нагревания или охлаждения пластины. С увеличением числа термических циклов плотность дис­локаций постоянно возрастает, что приводит к смягчению пластины. После определенного количества циклов пластина начинает течь и по­является заметное коробление.
С другой стороны, если в пластине кремния присутствуют примеси, которые эффективно блокируют дислокации, то большинство генери­рованных дислокаций, образованных в предшествующем цикле, будут тормозиться, поскольку пластина находится при повышенных темпе­ратурах без напряжения. Если термические напряжения во время на­грева или охлаждения имеют такую величину, что блокированные дис­локации не освобождаются от своих примесных атмосфер, то плот­ность дислокаций может сохраняться низкой даже после определенно­го числа термических циклов и, таким образом, пластины будут иметь высокую механическую прочность. Следовательно, пластины кремния, легированные кислородом или азотом, обладают высокой сопротив­ляемостью к короблению, вызванному термическими напряжениями. Легирование материала примесями, которые эффективно захватываются дислокациями и блокируют их подвижность, не является методом упроч­нения самого кремния, а есть метод, предотвращающий пластины от размягчения. Примеси, обладающие сильным взаимодействием с дисло­кациями, а также имеющие большие коэффициенты диффузии, являются эффективными для подавления термического коробления пластин.