Oxygen in Silicon Single Crystals

Таблица 14. Сопоставление данных, полученных в результате отжига [302]


Вид термо- Тип дефектов Плотность, [O_i]₀-[O_i] (t), N-щ.ц , см'³ Термоакцеп- обработки см^-3 10¹⁷ см^-3 торы
^с Eta ^{- E}v = 0.5 эВ, см^-3
32 ч;
3 • 10¹¹ 64 ч;
8 • 10¹¹


7 • 10¹²


1.2 • 10¹³


1 • 10¹¹


< 10¹⁰


600°С, N₂


800°С, N₂


1 200°С (2 ч), N₂ 800°С (240 ч)
1 200°С (2 ч) 0₂/НС! + 800°С (240 ч), N2 900°С (64 ч), N2


Стержнеподобные дефекты частично трансформирующ иеся в дислока­ционные петли и маленькие преци­питаты
Неправильной формы преципи­таты
Неправильной формы преципи­таты и дополни­тельные комплек­сы дефектов
Относительно большие преци­питаты Пластинчатопо­добные преципи­таты совместно с вытянутыми дис­локациями


240 ч; 1 • 10¹¹


64 ч; 0.1 120 ч; 0.9 240 ч; 2.5


240 ч; 2 • 10¹¹
2 • 10¹¹


3 • 10¹⁰


64 ч; 7 • 10⁹


8 ч; 0.1 32 ч; 2.9 64 ч; 4.7


32 ч; 2.5 • 10¹⁴ 64 ч; 4.7 • 10¹⁴

5. 
   • 10¹³
   
6. 
   • 10¹³
   

< 10¹³ < 10¹³


Такие исследования в рамках нескольких методик: DLTS, эффекта Холла, ПЭМ и ИК-спектроскопии позволили сделать вывод [116, 302] о связи образования глубоких уровней акцепторной природы с преципи­тацией кислорода, точнее с структурными дефектами, образующимися в кристаллах кремния при преципитации кислорода. Полагают, что оп­ределяющим в образовании глубоких уровней является существование


201




большого пересыщения межузельных атомов кремния, вызванного ростом кислородных преципитатов и ведущего к началу образования вторичных дефектов. Данные таких сопоставлений для некоторых тем­ператур отжига, полученные в [302], представлены в табл. 14.
Характерно (табл. 14), что предварительная высокотемпературная обработка при 1200°C в атмосфере O₂ или O₂ + 2 % НС! приводит к за­медлению образования глубоких ТА, ТД-II и преципитации кислорода в процессе последующих отжигов при 800°С. Это еще раз подтверждает наличие взаимосвязи между образованием электрически активных цен­тров кислородной природы (ТА и ТД-II) с процессами преципитации кислорода.


202

Г Л А В А 5. ПРЕЦИПИТАЦИЯ КИСЛОРОДА В КРЕМНИИ

1. 
   ПРЕЦИПИТАЦИЯ КИСЛОРОДА В КРИСТАЛЛЕ КРЕМНИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ СОПУТСТВУЮЩИХ ЕЙ ДЕФЕКТОВ
   

Кристаллы кремния, выращенные по методу Чохральского, обычно содержат фоновую примесь кислорода на уровне предела раствори­мости при температуре расплава. С понижением температуры раст­воримость кислорода в кремнии уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому при всех температурах (вплоть до Т = 1200°С) кисло­род в кристалле будет находиться в пересыщенном состоянии. Во вре­мя термообработки (при температуре выше 400°С, когда подвижность атомов кислорода становится заметной) кислород будет образовывать различные комплексы (преципитаты), поскольку это приводит к пони­жению свободной энергии кристалла. Морфология, размер и плотность этих преципитатов зависят от температуры и продолжительности отжи­га, исходной концентрации кислорода, присутствия различных леги­рующих и фоновых примесей (и прежде всего углерода), а также от термической истории кристалла. Образование кислородных преципита­тов, как правило, сопровождается генерацией из них межузельных атомов кремния, которые в зависимости от температуры отжига и не­которых других условий образуют дислокационные диполи, петли или дефекты упаковки. Для удобства классификации кислородных преци­питатов и сопутствующих им дефектов весь температурный интервал обычно разбивают на четыре области. Рассмотрим образование этих дефектов в этих температурных областях.
T = 400-600°С- Отжиг кислородсодержащего кристалла кремния при таких низких температурах не приводит к образованию каких-либо дефектов [196]. Однако из экспериментальных данных известно, что термообработка таких кристаллов в области температур Т = 350-500°С приводит к образованию донорных центров (ТД-I), в состав которых входят атомы кислорода. Поскольку даже с помощью высокоразреша­ющей электронной микроскопии в кристаллах кремния, подверженных низкотемпературному отжигу, не обнаруживаются дефекты, следова­тельно ТД-I это маленькие комплексы содержащие несколько атомов кислорода.
После очень длительных термообработок (свыше 400 ч) в этой об­ласти температур наблюдается образование некоторых дефектов в ви­де длинных полосок длиной до нескольких микрон (так называемые rod-like или RLD-дефекты) [147, 272, 290]. Образование таких стержне­подобных дефектов наблюдается в температурном диапазоне Т = 465- 750°С [272]. Отличительной чертой низкотемпературных RLD-дефектов, образованных при Т < 600°С, от аналогичных высокотемпературных яв­ляется то, что их большая плоскость параллельна плоскости (113)_Si




[147, 272, 290]. Большая ось низкотемпературных стержнеподобных дефектов, как и аналогичных высокотемпературных, параллельна на­правлению [110].
Плотность этих дефектов сильно зависит от времени отжига. Так, если первые RLD-дефекты наблюдаются после 400 ч отжига при T = = 465°С, то после 1000 ч отжига при этой температуре их концентрация достигает порядка N_RLD = 2 • 10¹¹ см^-3 (при малой концентрации углеро­да в кристалле) [147]. С увеличением длительности отжига наб­людается также увеличение размеров стержнеподобных дефектов. Кроме этого, установлено, что процесс образования этих дефектов за­висит от исходных концентраций кислорода и углерода, а также от типа и концентрации легирующей примеси. В общем случае уменьшение исходной концентрации кислорода, как и увеличение концентрации фо­новой примеси углерода, приводит к уменьшению плотности RLD- дефектов. Также установлено, что в кислородсодержащем кристалле кремния, легированном примесями n-типа образуется меньше стерж­неподобных дефектов, чем в кристаллах p-типа при одинаковых исход­ных концентрациях кислорода [147].
При очень длительных отжигах (порядка 1000 ч) наряду с RLD-де­фектами образуются маленькие дислокационные петли (loopities) раз­мером порядка 20-40 нм [290]. Как правило, эти петли наблюдаются вблизи стержнеподобных дефектов.
Первоначально предполагалось, что RLD-дефекты представляют со­бой коэситную (сильно сдавленную кристаллическую) SiO₂ фазу [58, 196]. Однако дальнейшие исследования [147, 272] показали, что, по всей видимости, эти дефекты являются скоплением межузельных ато­мов кремния в виде гексагональной кристаллической структуры крем­ния. Одним из доказательств этого является преобразование RLD - дефектов в дислокационные петли, как это наблюдали авторы работ [147, 304] при отжиге кристалла кремния, содержащего RLD-дефект, под электронным микроскопом. Этот экспериментальный факт под­тверждает, что стержнеподобные дефекты являются скоплением межу­зельных атомов кремния. RLD-дефекты также образуются в кристаллах кремния и при других условиях, а именно [147, 272]:
а) при ионной имплантации различных типов ионов и последующем отжиге. Большая плоскость этих дефектов параллельна плоскости (113)_Si. Их образование не зависит от типа имплантированных ионов. После отжига при температуре не выше 800°С стержнеподобные де­фекты становятся более отчетливой формы. Однако после длительного отжига (-50 ч) они практически не увеличиваются в размере. Обычно RLD-дефекты, полученные в результате имплантации ионов, являются более тонкими по толщине, чем аналогичные дефекты, созданные тер­мообработкой кислородсодержащего кристалла кремния;
б) в результате электронного облучения при невысоких темпера­турах. В этом случае также наблюдаются RLD-дефекты с большой плоскостью, параллельной плоскости (113)_Si;
в) в результате длительного отжига (> 400 ч) в диапазоне темпера­


204




тур Т = = 465-750°С кислородсодержащего кристалла кремния. При отжиге образуются стержнеподобные дефекты как с плоскостью

113. 
     _Si, так и с плоскостью (100)_Si.