Oxygen in Silicon Single Crystals

i


Рис. 92. Зависимости плотности кислородных Ю⁵-


преципитатов при дости-
M/QUMM LJO/^LII I |01_||у1П / О \ IЛ





800 1000
т,°с


10°


600 800 1000
т,°с


от температуры термооб­работки [197]


205




структуру [197, 290]. Образование пластинчатых преципитатов наб­людается до температуры порядка Т = 1000°С. С увеличением тем­пературы отжига с Т = 600°С до Т = 1000°С их плотность уменьшается с 10¹¹ см^-3 до 10⁷ см^-3, но при этом их размер возрастает с 1.5 нм до 1000 нм [197] (рис. 92). Маленькие преципитаты имеют сферическую форму, однако по мере роста они становятся больше пластинчатой формы с плоскостью параллельной плоскости (100 )_Si.
Пластинчатая форма преципитатов обусловлена тем, что плоскость параллельная плоскости (100)_Si, является формой с минимальной энер­гией упругого напряжения (АБ_е). Детальные теоретические расчеты морфологии преципитатов приведены в [305] и описаны в следующем параграфе. В работе [197] было показано, что преципитация межу­зельного кислорода при отсутствии ростовых дефектов и различных примесей (прежде всего углерода), которые могут быть центрами за­рождения преципитатов, может быть хорошо описана классической мо­делью гомогенного зарождения [306].
Эта теория развита в предположении, что образованные преципи­таты имеют сферическую форму. Если радиус зародыша преципитата меньше некоторого критического значения, которое увеличивается с температурой отжига, то он будет сжиматься (растворяться), в то вре­мя как зародыши, которые больше критического радиуса будут расти. В работе [197] было показано, что образование пластинчатых преципи­татов хорошо описывается теорией гомогенного зарождения.
Образование кислородных преципитатов приводит к упругим напря­жениям в матрице кремния вследствие различия молекулярных объе­мов окисла и матрицы, которые частично ослабляются эмиссией межу- зельных атомов кремния из преципитата в матрицу. Количество атомов кремния, которые генерируют в результате присоединения в пре­ципитат одного атома кислорода, может быть рассчитано по формуле [197]:
Р = ( -P_SlO2)/ 2p_SlQ2 » 0.5, (143)
k/³
где p_Sl и p_SlO2 - молекулярные плотности Si и SiO₂.
При наличии упругого напряжения в преципитате, т. е. на начальной стадии роста преципитата, значение р является несколько ниже. Сле­довательно, уменьшение степени пересыщения твердого раствора ки­слорода вследствие его преципитации приводит к пересыщению мат­рицы кремния собственными межузельниками. Для уменьшения сте­пени пересыщения матрицы межузельными атомами кремния эти ато­мы образуют дислокационные петли размерами порядка 20-150 нм [196,197, 290].
T = 700-900°С. В этой области температур образование стержне­подобных дефектов не наблюдается. Образуются лишь пластинчатые преципитаты, состоящие из аморфной фазы SiO_x [196, 197, 290]. Пре­ципитаты имеют явно выраженную квадратную форму. Их большая плоскость параллельна (100)_Si, а ребра направлены вдоль [110]. Во


206







Рис. 93. Вид правильного усеченного октаэдра (а) и его проекций вдоль [001] (б), [111] (в) и [110] (г) [197]


время роста пластинчатых преципитатов в этом интервале температур также происходит эмиссия межузельных атомов кремния. Коэффи­циент эмиссии для этого случая составляет в = 0.5. Однако при таких температурах дислокационные диполи не образуются. Вместо них, особенно при Т > 850°С, образуются совершенные дислокационные петли, являющиеся стоком для межузельных атомов кремния. Дисло­кационные петли, в свою очередь, могут быть достаточно эффективны­ми центрами зарождения кислородных преципитатов. Так, за 24 ч от­жига при 870°С более 20-25 % преципитированного кислорода осаж­дается на дислокационных петлях [196].