Oxygen in Silicon Single Crystals

f


*-1106 см~¹ 515 см~¹


кремния, а также определе­ния его содержания является оптический метод (по спек­трам ИК-поглощения). Опти­ческий метод выгодно отли­чается от других более высо-


17 15 13 11 9 7 5 3 V, 10²см~¹


кой производительностью и простотой. Он является бес­контактным, не разрушающим материал, работает в достаточно широ­ком диапазоне концентраций ([О/] > 5 -10¹⁵ см^-3), толщин образцов и характеризуется приемлемой погрешностью.
Известно, что в монокристаллическом кремнии кислород может присутствовать в различных формах (в атомарно-диспергированном состоянии и в виде различных комплексов). В диспергированном со­стоянии кислород находится в межузельном положении, образуя с двумя соседними атомами кремния квазимолекулу Б!-О-Б!. При этом атомы кислорода, входящие в состав квазимолекулы Si-О-З!, являются оптически активными и имеют целый ряд собственных частот колебаний 1225, 1106 и 515 см^-1 (при Т = 300 К) [36] (рис. 7). С понижением тем­пературы происходит сдвиг, расщепление и изменение интенсивности этих полос. Наиболее интенсивной полосой ИК-поглощения является полоса 1106 см^-1 (9.04 мкм) и поэтому на практике именно эту полосу используют для определения содержания атомарного кислорода в кри­сталле. Оказывается, что концентрация оптически активного кислорода ([0/]_опт) пропорциональна коэффициенту поглощения a_max в максимуме полосы 1106 см^-1:


где К - некоторый коэффициент пропорциональности, который опре­деляется путем сравнения с другими независимыми методами, см^-2.
Значение a_max определяют из оптических измерений, проводимых абсолютным или дифференциальным способами [37]. Абсолютный способ основан на измерении спектральной зависимости коэффициен­та пропускания образца T(v) с учетом поглощения кристаллической решеткой при вычислении [0/]_опт по измеренному T(v). При этом


где Т₁ - коэффициент пропускания в минимуме полосы на зависимости T(v); T₂ - коэффициент пропускания, соответствующий фону при той же


[0/]опт = K«max(1106 см^-1) ,


(8)





(9)


25




частоте (определяется графической интерполяцией); С - коэффициент, учитывающий многократные отражения излучения в образце; d - тол­щина образца; В = 0.52 - коэффициент, который учитывает поглоще­ние кристаллической решеткой образца.
Дифференциальный способ исключает поглощение кристалличе­ской решеткой кремния и, как правило, свободными носителями заря­да. Он основан на измерении кривой относительного пропускания, по­лученной путем сравнения спектров пропускания измеряемого образца и контрольного образца, помещенных в два канала двухлучевого спек­трофотометра. При этом расчетная формула имеет вид:
а max = (1/Cd)- ln(T^T₁). (10)
Следует отметить, что в настоящее время значения градуировочно­го коэффициента К, используемого в различных странах для определе­ния содержания [0,]_опт, сильно различаются. Основные причины такого различия заключаются в следующем: различные свойства образцов из- за их неоднородности по примесному составу, которые приготавлива­лись для оптических и градуировочных измерений; недостаточное раз­решение используемой для градуировки аппаратуры; присутствие в ис­следуемых образцах кислорода не только в виде квазимолекул, но и в виде различных преципитатов; систематические погрешности различ­ного происхождения, в том числе связанные с использованием недос­таточно надежных градуировочных методов; отсутствие сведений о ти­пе проводимости и значении удельного сопротивления р исследуемых пластин; проведение измерений на малом количестве образцов, а так­же в узком диапазоне р и [О] Все эти причины привели к большим разногласиям в оценке градуировочного коэффициента К [К = = (2.45 4.8) • 10¹⁷ см^-2]. В настоящее время в большинстве стран при­нят коэффициент К = 2.45 • 10¹⁷ см^-2 [38].
Точное определение содержания кислорода в кристалле по ИК- спектрам также затруднено появлением в этой области других полос поглощения. Так, в области волновых чисел вблизи v = 1100 см^-1 на­блюдается полоса поглощения решеткой кремния с коэффициентом поглощения в максимуме (а_р= 0.9 см^-1, которая накладывается на ос­новную кислородную полосу (1106 см^-1) ИК-поглощения. Кроме этого, при высоком содержании легирующей примеси наблюдается дополни­тельное поглощение в этой области спектра, обусловленное свобод­ными носителями заряда. Это поглощение необходимо уже учитывать при оценке [0|]_опт для кристаллов n-Si при р < 20 Ом • см и p-Si при р < 50 0м • см. Уменьшение температуры, при которой проводятся оп­тические измерения [0,], приводит к росту чувствительности оптическо­го метода измерения [0,] и к расширению допустимого диапазона удельного сопротивления монокристаллов.
Необходимо отметить, что оптический метод позволяет определять содержание кислорода в кристалле, находящегося только в атомарно диспергированном состоянии. Однако известно, что в монокристаллах


26




кремния, выращенных по методу Чохральского, кислород может нахо-
диться не только в виде квазимолекул Si-О-Б!, но и в виде различных
преципитатов SiО_x, которые образуются в процессе выращивания слит-
ка. Так, в работе [39] было показано, что в некоторых выращенных кри-
сталлах содержание кислорода в различных преципитатах может дос-
тигать 20 % от общей концентрации кислорода. Для растворения ки-
слородных преципитатов и перевода всего кислорода в оптически ак-
тивное состояние необходимо провести диспергирующий отжиг
(обычно Т =1350°С в течение 20 часов) кристалла с последующей за-
калкой. Однако даже после такого отжига в процессе охлаждения кри-
сталла небольшая часть кислорода все же комплексуется на различных
примесях и дефектах решетки, которые практически всегда присутст-
вуют в кристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского.
Кроме этого, кислород, находящийся в различных преципитатах,
имеет две широкие полосы ИК-поглощения с максимумами v =
= 1225 см^-1 (в составе Si0_x преципитатов) и v = 1030 см^-1 (в примесной
атмосфере вокруг дислокаций), которые также накладываются на ос-
новную линию ИК-поглощения межузельного кислорода (v = 1106 см^-1).
Поэтому при оценке [0_!]_опт в кристаллах кремния, содержащих значи-
тельную часть преципитатов, предпочтительно использовать более
слабую кислородную полосу с максимумом v = 515 см^-1, которая не
подвержена влиянию кислородных комплексов.