РОЗДІЛ 2
РОЛЬ МІКРОНЕОДНОРІДНОГО РОЗПОДІЛУ В ФОРМУВАННІ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА ТРАНСФОРМАЦІЇ СТАНІВ КИСНЮ
В КРЕМНІЇ
Технологічні проблеми, що виникають у виробництві електронних приладів в зв'язку з неоднорідним розподілом кисню в кремнії, стимулюють пошук ефективних засобів контролю неоднорідностей у мікромасштабі. Розробка таких засобів може базуватися на використанні специфічних фізичних властивостей кристалів кремнію, що містять домішкові мікронеоднорідності. З свого боку, вивчення та аналіз цих специфічних властивостей дає змогу не тільки визначити розміри, концентрацію та інші параметри мікронеоднорідностей, але й дає ключ до розуміння властивостей та механізмів утворення таких важливих станів кисню в кремнії як низькотемпературні термодонори. В даному розділі наведено опис наших досліджень впливу мікронеоднорідності просторового розподілу дисперсних атомів кисню і кисневмісних термо- та радіаційних дефектів на оптичні, електричні та магнітні властивості кристалів кремнію. Головні результати цих досліджень опубліковані в [3,4,9,196-200].
2.1. Оптичні неоднорідності в кремнії, зумовлені домішкою кисню
Перші відносно прямі експериментальні дані про мікронеоднорідності розподілу кисню масштабом менше довжини хвилі оптичного поглинання його атомами були отримані методом малокутового розсіювання інфрачервоного світла (МКРС) [201, 202]. Цей метод базується на тому, що розсіювання світла в напівпровідникових кристалах обумовлено головним чином флуктуаціями електронної частини діелектричної проникності ? :
, (2.1)
де m - маса електронів провідності, k=2?/?, ? - довжина світлової хвилі в кристалі, ?n(r) - відмінність електронної густини від її середнього значення в об'ємі зразка, с -швидкість світла у вакуумі. Якщо просторові розміри а таких флуктуацій значно більші за довжину хвилі світла (а???), то розсіювання відбувається в основному вперед, тобто, на малі кути. Експериментальний метод визначення параметрів, які характеризують просторовий розмір і концентрацію центрів розсіювання через кутовий розподіл інтенсивності розсіювання, описано в роботах [202, 203].
Автори [146] методом МКРС в БЗП-кремнії виявили слабкі оптичні неоднорідності з характерним розміром 6 мкм. Вони трактували їх як області з високою локальною концентрацією повільно дифундуючої домішки ("домішкові хмаринки"), що активовані швидко дифундуючими глибокими домішками. З кінетики дифузного розпливання цих "хмаринок" при термообробках близько 1000 оС був визначений коефіцієнт дифузії домішки, що утворює "хмаринки". Його величина виявилася такою ж як у кисню. На цій підставі було зроблено висновок про існування "кисневих хмаринок" в БЗП-кремнії. Крім того, при обговоренні походження "кисневих хмаринок" в [201] припускалось існування залежності між швидкістю охолодження q = dT/dt та їх характерним розміром а: а~q-1/2. Тому очікувалося, що в Чохральському кремнії, де інтегральна концентрація кисню на два порядки вища, а швидкість охолодження значно нижча, ніж у БЗП, характерний розмір "кисневих хмаринок" складе 20 мкм. Однак при дослідженні цього матеріалу з'ясувалось, що характерний розмір розсіючих неоднорідностей знаходиться в межах 4 - 8 мкм, а коефіцієнт дифузії домішки, що їх складає, відрізняється від коефіцієнту дифузії кисню [202]. Автори роботи пояснили цей результат тим, що роль базової нейтральної домішки в більш забрудненому Чохральському кремнії грає не кисень. В той же час, стверджують вони, в цьому матеріалі мають існувати більш крупні "кисневі хмаринки" (а = 20 мкм). Що стосується їх несуттєвого внеску в розсіювання світла в таких кристалах, то це може бути наслідком їх занадто слабкої активації, зумовленої високою фоновою (за межами "хмаринок") концентрацією кисню і ШДД.
Ідея нашого підходу до цієї проблеми полягала у наступному. Якщо "кисневі хмаринки" в кристалах кремнію, вирощених за методом Чохральського, дійсно присутні в прихованому (слабо активованому) стані, то їх можливо активізувати за допомогою термообробки поблизу 450 ?С, при якій активно утворюються кисневмісні термодонори. Адже розсіювання світла відбувається не безпосередньо на неоднорідностях розподілу незаряджених атомів кисню, а на флуктуаціях, тобто неоднорідностях електричного поля в кристалі. У згаданих експериментах по малокутовому розсіюванню світла ці електричні неоднорідності виникають внаслідок декорування "кисневих хмаринок" електрично активними швидкодифундуючими домішками Cu, Au, Fe. Більш сильного ефекту активації можна очікувати при генерації КТД. Адже швидкість генерації КТД пропорційна четвертій степені концентрації кисню. Тому в ході термообробки при 450 ?С в областях кристалу з підвищеною концентрацією кисню мають утворитися термодонори в значно більшій концентрації, ніж в інших частинах кристалу. Будучи іонізованими при кімнатній температурі, термодонори створять електричні неоднорідності, які і має відчути малокутове розсіювання світла. Причому розташування цих неоднорідностей буде відповідати вихідному розташуванню "кисневих хмаринок" або іншими словами мікрофлуктуацій концентрації кисню (МФК), бо коефіцієнт дифузії кисню при 450 ?С дуже малий (~10-19 см2 /с) і вихідний просторовий розподіл атомів кисню не зміниться суттєво навіть за сотні годин термообробки. Результати втілення цієї ідеї викладено у наступних пунктах цього підрозділу.
2.1.1. Особливості проходження світла в кристалах з неоднорідностями
Оскільки флуктуації в розподілі кисню в кремнії мають широкий спектр просторових розмірів з різними концентраціями кисню у флуктуаціях, неоднорідний розподіл термодонорів, утворених в результаті термообробки, теж буде мати широкий спектр як просторових розмірів скупчень КТД, так і концентрацій КТД в цих скупченнях. Неоднорідності розміру a>>? розсіюють світло переважно вперед, а неоднорідності, просторовий розмір яких менший за довжину хвилі світла, будуть давати внесок в ізотропне розсіювання. Неоднорідності я