Закономерности распределения междоузельного кислорода в кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

\

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖДОУЗЕЛЬНОГО КИСЛОРОДА В КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО

01.04.10. физика полупроводннкои н диэлектриков 01.04.01. техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

ч

Петух Алла Николаевна

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физнко-математнчсских наук

Минск-2000

Работа выполнена в Белорусском государственном университете

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, доцент Литвинов Валентин Вадимович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Кучинский Петр Васильевич

кандидат физико-математических наук Левченко Владимир Иванович

Оппонирующая организация - Унитарное предприятие «Белмикросистемы»

НПО «Интеграл».

Защита состоится 24 ноября 2000 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертаций Д.02.01.16 при Белорусском государственном университете (220050, г.Минск, проспект Ф.Скорины, 4, комната 206, т.226-55-41).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета

Автореферат разослан «<?3» октября 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

доцент ^ В.Ф.Стельмах

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По всем прогнозам на ближайшее десятилетие кремний остается основным материалом полупроводниковой промышленности. При этом около 80 % используемых монокристаллов выращиваются методом Чохральского, так как только данный метод допускает получение слитков большого диаметра (100-400 мм) с высокой степенью химического и структурного совершенства. Характерной особенностью таких кристаллов является высокое (до - 2 1018 ат/см") содержание кислорода, который может оказывать как полезное, так и вредное влияние на качество пластин и приборов на их основе.

Известно, что нагрев кристаллов при температурах 300-800 °С обуславливает формирование донорных комплексов (так называемых термодоноров и "новых доноров"), а при температурах 700-1250 °С -выпадение твердого раствора кислорода во вторую фазу с образованием окисных преципитатов и микродефектов. С одной стороны, это отрицательно влияет на термостабильностъ электрических свойств и дефектность кремния. С другой стороны, преципитация кислорода в объеме пластин обеспечивает внутреннее геттерирование нежелательных примесей и дефектов из активной области полупроводниковых структур. Внутреннее геттерирование особенно привлекательно для технологии СБИС, использующей низкотемпературные (<950 °С) обработки, при которых коэффициент диффузии металлических примесей становится недостаточным для их эффективного выведения с помощью традиционной техники геттерирования, использующей обратную сторону пластин. Наряду с геттерирующим действием преципитация кислорода предотвращает пластическую деформацию (коробление) пластин

при проведении термических обработок. Формирование кислородосодержащих термодоноров при температурах 300-500 °С также может быть использовано в низкотемпературной технологии производства фотоприемников, детекторов излучений, солнечных элементов и других изделий микро- и оптоэлектроники.

Реализация вышеуказанных положительных свойств кислородных комплексов в технологии изготовления приборов предъявляет высокие требования к уровню содержания и однородности распределения кислорода в кремниевых пластинах. Так, например, для создания внутреннего геттера в процессе изготовления СБИС разброс кислорода в пластинах не должен превышать 10 %. Известно также, что скорость введения термодоноров пропорциональна концентрации кислорода в четвертой степени. Поэтому существует настоятельная необходимость обеспечения контролируемого и однородного внедрения кислорода в процессе роста слитков методом Чохральского. Эта задача к настоящему времени не решена, так как до конца

невыясненным остается механизм внедрения примесей и, в особенности, кислорода при росте кристаллов в условиях гравитационной конвекции расплава Si. Последнее наталкивается на трудности, связанные, прежде всего, с отсутствием прямых экспериментальных методов контроля как потоков расплава Si в процессе роста, так и осевого распределения кислорода в выращиваемых слитках. Все это предопределяет актуальность разработки методики неразрушающего измерения распределения кислорода вдоль оси роста слитков и установление в его осевом распределении закономерностей, связанных с гравитационной конвекцией расплава Si в процессе роста.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась на кафедре атомной физики и физической информатики физического факультета Белгосунивсрситста в рамках:

-хоздоговорной НИР №10820 по теме': "Разработка методики и устройства для контроля кислорода и процессов его преципитации с целью создания эффективных геттеров в пластинах кремния", № гос. регистр. 01860119822, 1997 г.;

-хоздоговорной НИР №10856 по теме: "Разработка методики и устройства для профилирования кислорода в слитках кремния", № гос. регистр. 01880031376, 1990 г.;

-заданий Республиканских научно-технических программ "Синергетика" по теме: "Провести исследование поведения примеси кислорода в кристаллах кремния и германия на основе явления самоорганизации", № гос. per. 19941280, 1991-1995 г.г. и "Синергетика-2" по теме "Установить закономерности и разработать физические принципы контроля нестационарной конвекции расплава кремния в условиях роста кристаллов", выполняемой в 1996-2000 г.г.;

-программы "Модификация поверхности концентрированными потоками энергии" по теме: "Исследовать механизмы электрон-фопонной релаксации энергии на поверхности и в объеме кремния при воздействии излучений ближнего и среднего диапазонов ИК-спектра", выполняемой в 1996-2000 г.г.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось установление закономерностей распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния и выяснение, на этой основе, механизма внедрения кислорода в монокристаллы, выращиваемые методом Чохральского.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

1. Разработать методические основы измерения распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния большого (>100 мм) диаметра.

2. Провести экспериментальное исследование профилей распределения кислорода в кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского.

3. Установить роль гравитационной конвекции расплава в распределении кислорода вдоль оси роста слитков кремния.

Объекты исследований. Объекты исследований: пластины и слитки п- и р-типа проводимости, выращенные методами зонной плавки и Чохральского с удельным сопротивлением (0,3-400) £1см и с концентрацией междоузельного кислорода в диапазоне от 11015 до 1,5'Ю18 см"3.

Методология и методы проведения исследований. Концентрация кислорода в пластинах кремния определялась из измерений спектров поглощения в области полосы 9 мкм с помощью двухлучевого спектрометра "Спекорд 75 ИР". Для контроля радиального распределения кислорода в пластинах использовались специальные приставки, реализующие фокусировку световых пучков и измерения методом угла Брюстера.

Для измерений осевого распределения кислорода в слитках кремния использовался макет ИК-спектрометра, методические основы работы которого разработаны в данной работе.

Удельное сопротивление монокристаллов измерялось четырехзондовым методом на промышленной установке "ИУС-3".

Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в том, что впервые:

1. Разработаны методические и метрологические основы работы спекгрометров, предназначенных для неразрушшощего и экспрессного контроля осевого распределения кислорода в слитках кремния большого (100-200 мм) диаметра.

2. Обнаружены полосы четырехфононного поглощения света решеткой кремния в области полосы междоузельного кислорода при 5,8 мкм.

3. Определён показатель степени (1,68) для спектральной зависимости коэффициента поглощения света свободными носителями заряда в области длин волн < 12 мкм в кристаллах кремния с концентрацией носителей заряда < МО17 см"3.

4. Обнаружены крупномасштабные (~ 1 см) осцилляции концентрации кислорода вдоль оси роста слитков кремния и доказана их связь с нестационарной гравитационной конвекцией расплава в процессе роста.

5. Определены критические числа Рэлея для перехода от турбулентного к квазипериодическому и от квазипериодического к стационарному режимам конвекции расплава кремния в ростовой системе Чохральского.

Практическая значимое^ полученных результатов. Разработанная методика регистрации коэффициента поглощения света кремнием в области полосы 5,8 мкм использована при создании макета инфракрасных спектрометров нового типа, которые предназначены для неразрушающего контроля концентрации и распределения кислорода вдоль оси роста промышленных слитков кремния. Макеты таких спектрометров, изготовленные в рамках хоздоговорных НИР, проходят испытания и используются на 11Г10 "Интеграл" (Минск), НПО "Элма" (Москва) и на заводе "Камертон" (Пинск), а также в учебном процессе и при выполнении госбюджетных НИР на кафедре атомной физики и физической информатики.

Выявленные закономерности осевого распределения кислорода в монокристаллах кремния в зависимости от аспектного отношения расплава могут быть использованы для оптимизации условий выращивания однородных слитков кремния методом Чохральского.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методика экспрессных измерений концентрации и распределения кислорода в слитках кремния большого (100-200 мм) диаметра.

2. Экспериментальное обнаружение крупномасштабных (~1 см) осцилляций концентрации кислорода вдоль оси роста слитков кремния, выращенных методом Чохральского.

3. Модель внедрения кислорода в кристаллы кремния, учитывающая концентрационные колебания кислорода в расплаве и нестационарный перенос потоков расплава в ходе роста слитков методом Чохральского.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Постановка задачи и обсуждение результатов выполнены совместно с руководителем. Соискатель принимал непосредственное участие в получении и обработке всех результатов, представленных в работе. Соавторы работ принимали участие в проведении отдельных экспериментов и интерпретации экспериментальных данных.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993), 14-й конференции конденсированных сред (Мадрид, 1994), Всесоюзной конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-96" (Москва, 1996), 11 и III Международных конференциях "Взаимодействие излучения с твердым телом" (Минск, 1997 и 1999), 4-м, 5-м, 6-м и 7-м Международных семинарах

по синергетике и нелинейной динамике сложных систем (Минск, 1996, 1997, 1998 и 1999).

Опублнкованность результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях в научных журналах, 1 статье в сборнике научных трудов, 1 докладе по материалам конференции и 3 тезисах докладов. Общее количество страниц опубликованных материалов - 70.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав и заключения. Работа изложена на 125 страницах, включая 42 рисунка и 6 таблиц. Список использованных источников состоит из 119 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В общей характеристике работы обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи, научная новизна и практическая значимость, изложены основные защищаемые положения, приводятся сведения об апробации и опубликованности результатов, структуре и объеме работы, о связи с важными темами НИР.

В первой главе представлен обзор литературы о механизме внедрения кислорода и других примесей в монокристаллы кремния, выращиваемые методом Чохральского. Дано феноменологическое описание эффекта сегрегации на основе одномерной модели Бартона-Прима-Слихтера и ее модификаций. Обсуждается влияние гравитационной, капиллярной и принудительной конвенций расплава на неоднородное распределение кислорода в слитках кремния. Приведено математическое, описание нестационарной гравитационной конвекции жидкостей в системе Рэлея-Бенара и обсуждаются особенности частотного спектра осцилляции температуры в жидкостях с низким и высоким значением числа Прандтля. Анализ экспериментальных результатов исследования профилей и равновесного коэффициента распределения кислорода в кремнии выявил необходимость разработки прямых методов определения концентрации кислорода в слитках и установления на этой основе закономерностей его распределения при росте в реальной системе Чохральского.

Во второй главе приведены физические и метрологические основы метода инфракрасной колебательной спектроскопии, который использовался в работе для анализа радиального распределения кислорода в пластинах кремния, а также при разработке методики и аппаратуры для неразрушающего контроля распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния.

Представлен спектр поглощения междоузельного кислорода (О,) в Б]' и показана принадлежность полосы при 5,8 мкм (1720 см"1) комбинационной моде антисимметричного валентного колебания квазимолскулы 51-0-51.

Описаны методические основы, техника измерений и анализа абсолютных и дифференциальных спектров пропускания, а также погрешности определения содержания кислорода в пластинах толщиной 0,5 -5 мм стандартным методом инфракрасного поглощения в области полосы 9 мкм. Результаты проведенных расчётов показывают, что высокоточный (5-10%) контроль содержания кислорода в промышленных пластинах толщиной 0,5-0,7 мм возможен при условии проведения дифференциальных измерений в отсутствии интерференционных эффектов и при корректном учёте вклада в пропускание многократного внутреннего отражения. Эго ограничивает применение для таких измерений стандартных фурье-спектрометров и двухлучевых спектрофотометров типа «Спекорд 75 ИР», характеризующихся спектральным разрешением < 2 см"1. Нежелательные эффекты, связанные с интерференцией и неопределённостью учёта многократно отражённых лучей в промышленных пластинах (шероховатости или легирование обратной стороны) устранялись в работе путем установки пластин в измерительном отсеке спектрофотометра под углом Брюстера.

Для профилирования кислорода в пластинах Б) была изготовлена и использована онтико-механическая приставка к спектрофотометру «Спекорд 75 ИР». Плоские и сферические зеркала приставки обеспечивали уменьшение сечения пучков света в плоскости пластины с размера 7x25 мм2 до размера 1,5x4,5 мм2 при общих потерях света <40 %. Система снабжена сканирующим устройством для плавного автоматического перемещения исследуемой пластины относительно светового луча со скоростью 0,25 мм/с. Оптические зеркала и сканирующее устройство смонтированы на плите, которая жестко крепится в измерительном отсеке спектрофотометра. Для повышения чувствительности определения изменений пропускания выходной сигнал спектрофотометра компенсировался и усиливался высокоточным компаратором напряжений Р 3003, а затем регистрировался на самописце К 201.

Разработанная методика профилирования кислорода в пластинах и изготовленный макет оптико-механической приставки прошли успешные испытания и были использованы в Центральной заводской лаборатории НПО "Интеграл" для контроля промышленных пластин кремния.

В третьей главе изложена разработанная методика прямых экспрессных измерений распределения кислорода вдоль оси роста слитков большого (100200 мм) диаметра.

Физической основой предложенного метода является регистрация междоузельного кислорода по ИК-поглощению в области полосы с максимумом при 5,81 мкм (рис. 1а) . Для комнатных температур измерения контур данной полосы найден гауссовым с полушириной 31,6 см"1. По результатам измерений пластин с различным содержанием (21017-1,5Ю18 см"3) междоузельного кислорода установлена линейная зависимость между коэффициентами поглощения в максимумах полос (ао) при 5,81 и 9 мкм:

а0(9л(кл<) = 67 ■ й0(5,8,икл() (1)

Приведены результаты исследования «фонового» поглощения кремния в области полосы 5,8 мкм. Из измерений и анализа спектров поглощения зонного кремния большой толщины (> 10 см) установлено, что изменение коэффициента решеточного поглощения (а.ф) в области волновых чисел 14001920 см"1 может быть описано комбинацией 4-х полос с гауссовым контуром:

а (у) = 4,4-10 Зе ' 50 ; +8>6-КГ3с> ^ 130 ; ь

+ 2,2-10 е ^ ио 1 +4,4-10"'е (2)

Полосы при 1580, 1780 и 1920 см"1 наблюдались впервые и их частотное положение соответствует возбуждегапо комбинаций из четырех фононов акустического и оптического спектра. Коэффициент четырехфононного поглощения составляет величину 10"2-10"3 см"1, что делает возможным пропускание света из области полосы при 5,8 мкм через слои кремния, сопоставимые по толщине с диаметром (100-200 мм) слитков, выращиваемых методом Чохральского.

Установлена экспериментальная зависимость коэффициента поглощения света свободными носителями заряда (а„) в кремнии для длины волны световых квантов < 12 мкм и образцов с концентрацией носителей

заряда <11017 см"3:

а,(у)= Апу'" (3)

Определенный показатель степени (1,68) отличается от полученного (2) в классическом приближении Друде и согласуется с квантово-механической моделью рассеяния носителей заряда на акустических и оптических фононах. Соотношение (3) использовано в разработанных спектрометрах не только для учета фонового поглощения в области полосы 5,8 мкм при определении

V, СМ

Рис. I. Спектры пропускания слитков кремния (а), светофильтров (б) и светофильтров с учетом паров волы (в)

содержания кислорода, но и для контроля концентрации носителей заряда в слитках кремния.

Сущность предложенного метода для определения распределения концентрации кислорода и носителей заряда вдоль оси роста слитков кремния большого (100-200 мм) диаметра заключается в измерении коэффициентов пропускания трех пучков света из области волновых чисел V], Уг, Уз, одно из которых (у2) соответствует максимуму полосы поглощения 5,8 мкм, а два других V] и у3 находятся за ее пределами в спектральной области 1500-2200 см"', через боковую поверхность слитков и в расчете концентрации кислорода (N0) и носителей заряда (п) в области зондируемого участка слитка на основе соотношений:

^тт) 1п—- - г —-—-—

(4)

п = (СЛУ]^\п(тх/Т;)-М (5)

где Т], Тг и Т3 - коэффициенты пропускания света слитками в области волновых чисел У],у2 и у3 соответственно; г, С, В, и М- величины, определяемые выбором волновых чисел (уьу2 и уз) и частотной зависимостью коэффициентов поглощения свободными носителями заряда (3) и решеткой (2); с! - диаметр слитка; К=1,6Ю19 см"2- коэффициент, определенный из соотношения (1) при значении калибровочного множителя 2,45'Ю17 см"2, который согласно стандарта АБТМ устанавливает связь концентрации кислорода и коэффициента поглощения в максимуме девятимикронной полосы; у0 и Дуо - волновое число в максимуме и полуширина полосы 5,8 мкм, V2 и Лу2 - волновое число и спектральная полуширина используемых пучков света.

В разработанных спектрометрах, реализующих данный принцип измерений, формирование световых пучков осуществлялось с помощью глобара и трех узкополосных (30-45 см"') фильтров с дисперсионным контуром (рис. 16). Экспрессность измерений достигается установкой фильтров на вращающемся с частотой 33 Гц диске модулятора. Это обеспечивает возможность съема и статистического накопления сигналов пироэлектрического приемника в процессе непрерывного сканирования светом слитка вдоль оси роста. Слитки размещаются в отсеке перемещаемой

каретки с приводом от шагового двигателя. Процесс измерений проводится в автоматическом режиме под управлением программы в оболочке Windows 3.11.

4 Установлено, что истинная полуширина пропускания фильтров модифицируется узкими колебательными полосами пог лощения света парами воды, находящимися в окружающей атмосфере (рис.1в). Эффективное значение полуширины пропускания фильтров (AV2) для данного состояния окружающей среды определялось в процессе калибровки спектрометра перед каждым циклом измерений. Калибровка включает в себя проведение стандартных измерений в слитке с известным значением концентрации кислорода и расчет ДУ2 на основе соотношения (4).

Приведены результаты статистического анализа погрешности измерений разработанных спектрометров. Показано, что инструментальная погрешность определения концентрации кислорода в интервале значений ог 21017 до 2 10'8 см"5 не превышает ±110'6 см"3 для слитков кремния с концентрацией свободных носителей заряда не более 31015 см'3. Относительная погрешность определения концентрации носителей заряда в интервале значений МО14 до 3 1015 см"3 составляет 5-10 %. В четвертой главе представлены результаты исследования распределения кислорода в кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского.

Рост кристаллов осуществлялся на стандартных установках из шихты массой 18-20 кг без вращения тигля. Диаметры тигля и слитков равны 330 и 100 мм соответственно. Частота вращения слитков составляла 3-5 об/мин, а скорость их вытягивания варьировалась от слитка к слитку в пределах 0,8-1,2 мм/мин.

Профилирование кислорода в пластинах Si проводилось на спектрофотометре «Спекорд 75 ИР» с опто-мсханичесой приставкой, обеспечивающей пространственное разрешение 1,5 мм. Распределение концентрации кислорода и легирующих примесей (бора или фосфора) вдоль оси роста слитков измерялось с помощью разработанного спектрометра.

Показано, что радиальное распределение кислорода в пластинах Si толщиной 0,5 мм характеризуется неоднородностью 3-10 % и спадом концентрации на 30-50 % у края пластин. Разброс абсолютных значений концентрации кислорода от пластины к пластине, вырезанных из разных частей одного слитка, может составлять до 30 % и является следствием его неоднородного внедрения в ходе роста кристаллов.

Установлено, что распределение концентрации кислорода вдоль оси роста слитков кремния характеризуется как макроскопическими изменениями в пределах слитка, так и наличием микроскопических осцилляций с масштабом - 1 см (рис.2). Такие крупномасштабные осцилляции концентрации кислорода вдоль оси роста слитков Si наблюдались впервые.

N jqH Высота расплава, мм

„^ f2 3 2

СМ

10

8

10 9 8 7

60 100 200 300

Время вытягивания, мин

Рис. 2. Зависимость концентрации кислорода от времени вытягивания двух слитков (а и б) кремния р-типа, диаметром 100 мм.

, 1 1 . 1 — Ак 1 "а) II ш 1

1 ' 1 б) 1 ----1- . 11 A/VVv

Обнаружено также, что характер этих осцилляций претерпевает резкие изменения при понижении высоты расплава до 1 см: хаотическая динамика осцилляций сменяется квазипериодической с последующим переходом к стационарному распределению.

На основе корреляционного анализа временных реализаций концентрации кислорода, полученных путем преобразования координаты экспериментальных профилей распределения с учетом скорости вытягивания слитков, установлено, что корреляционная размерность для динамики внедрения кислорода в растущие кристаллы соответствует турбулентному (3,66) и квазипериодическому (2) режимам нестационарной гравитационной конвекции в гидродинамических системах Рэлея-Бенара. Определены критические числа Рэлея для перехода расплава от турбулентного к нестационарному квазипериодическому (1,64104) и от нестационарного квазипериодического к стационарному (3,3.103) режимам конвекции расплава в реальной ростовой системе Чохральского.

Фурье-анализ экспериментальных профилей распределения кислорода и легирующей примеси фосфора вдоль оси роста слитков показал, что в частотном спектре осцилляций концентрации кислорода доминируют две моды на несоизмеримых частотах ^=1,6 10~3 и Г2=6 10"4 Гц, а осциллящш концентрации фосфора характеризуются лишь одной высокочастотной модой Значения частот в спектре осцилляций обеих примесей отличаются от частоты вращения слитка (5-^8'10'2 Гц) и по порядку величины соответствуют обратному времени для переноса импульса (-310"3 Гц) в условиях нестационарной гравитационной конвекции жидкостей с низким (« 1) числом Прандтля.

На основе сопоставления частотных спектров и профилей распределения кислорода и легирующей примеси предложена модель внедрения кислорода в кристаллы 81, отличающаяся от известной модели Бартона-Прима-Слихтера учетом концентрационных колебаний кислорода в расплаве и нестационарного переноса потоков расплава в направлении градиента температуры и между боковыми стенками тигля. Нестационарное вращение конвективных валов вдоль оси роста обуславливают флуктуации температуры в расплаве и, как следствие, осциллящш эффективного коэффициента распределения кислорода и фосфора с частотой

Частота характерная лишь для осцилляций концентрации кислорода в слитках, связывается с его концентрационными колебаниями у фронта кристаллизации, которые вызваны нестационарным переносом кислорода из приповерхностных слоев и от стенок тигля вследствие волнообразного поперечного смещения конвективных валов, предсказанного теоретической моделью Буссе.

Равновесный коэффициент распределения кислорода в определен равным 0,25 и его значение согласуется с имеющимися экспериментальными данными по распределению кислорода в 5| лишь при учете концентрационных колебаний в расплаве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проделанной работы сделаны следующие выводы:

1. Разработан метод определения распределения концентрации кислорода и носителей заряда вдоль оси роста слитков кремния большого (100-200 мм) диаметра, который заключается в измерении коэффициентов пропускания трех полихроматических пучков света из области волновых чисел \'Ь \>2, V?, одно из которых (Уг) соответствует максимуму полосы поглощения 5,8 мкм, а два других У| и V;? находятся за ее пределами в спектральной области 1500-2200 см"1, через боковую поверхность слитков и в расчете концентрации кислорода и легирующих примесей па основе установленных спектральных зависимостей коэффициента поглощения света свободными носителями заряда и решеткой, а также коэффициента пропускания узкополосных фильтров [2,4].

2. Обнаружены крупномасштабные (~1 см) осцилляции концентрации междоузельного кислорода и легирующих примесей вдоль оси роста слитков кремния, выращенных методом Чохральского. На основе анализа экспериментальных профилей распределения кислорода при различной высоте расплава показано, что наблюдаемые осцилляции концентрации примеси вызваны нестационарной гравитационной конвекцией расплава в ходе роста слитков. Установлено, что корреляционная размерность для динамики внедрения кислорода в процессе роста и критические числа Рэлея для перехода к стационарному распределению примесей соответствуют турбулентному и квазипериодическому режимам нестационарной гравитационной конвекции в гидродинамических системах Рэлея-Бенара [3, 5, 9].

3. В частотном спектре осцилляций концентрации междоузельного кислорода вдоль оси роста слитков кремния обнаружены две доминирующие моды на несоизмеримых частотах ^=1,610"3 и 10"' Гц. На основании сопоставления частотных спектров распределения концентрации легирующей примеси и кислорода предложена модель внедрения кислорода в кристаллы кремния, учитывающая концентрационные колебания кислорода в расплаве и нестационарный перенос потоков расплава в ходе роста слитков методом Чохральского. Первая частота (Г)), присутствующая в спектре осцилляций концентрации легирующих примесей, вызвана нестабильностью потоков расплава в направлении

градиента температуры, а другая (£г) наблюдается лишь для примеси кислорода и определяется его нестационарным переносом из приповерхностных слоев и от стенок тигля к фронту кристаллизации за счет волнообразного поперечного смещения конвективных валов. Равновесный коэффициент распределения кислорода в кремнии определен равным 0,25 и его значение согласуется с экспериментальными данными по распределению кислорода в кремнии при учете его концентрационных колебаний в расплаве [5, 7,10].

4. Обнаружены новые полосы решеточного поглощения кремния при 1920, 1780 и 1580 см"1, частотное положение которых соответствует возбуждешпо комбинаций из четырех фононов акустическою и оптического спектра. Определен показатель степени (1,68) в спектральной зависимости коэффициента поглощения света свободными носителями заряда в кремнии п- и р-типа проводимости для длин волн световых квантов < 12 мкм и образцов с концентрацией носителей заряда < ПО17 см" 3. Это значение согласуется с квантово-механической моделью рассеяния носителей заряда на акустических и оптических фононах и удовлетворительно описывает спектральную зависимость коэффициента фонового поглощения кремния в области полосы междоузельного кислорода при 5,8 мкм [2, 6, 8].

5. Разработана процедура и алгоритм калибровки спектрометров для определения концентрации и распределения междоузельного кислорода вдоль оси роста слитков кремния при различном состоянии окружающей среды, которые основаны на использовании эталонных пластин с известным содержанием междоузельного кислорода и экспериментально установленного коэффициента пропорциональности между коэффициентами поглощения в максимумах полос при 9 и 5,8 мкм междоузельного кислорода в кремнии. Показано, что инструментальная погрешность разработанных спектрометров при определении концентрации кислорода в слитках кремния диаметром 100-200 мм не превышает ± МО16 см"3 [4].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Контроль кислорода в промышленных пластинах кремния методом угла Брюстера / В.В.Литвинов., Г.В.Пальчик, А.Н.Петух, В.И. Уренев; Гродненский ун-т,- Гродно, 1988.-11 е.- Дсп. в ВИНИТИ 05.08.88,- №6297-В88 // Сб. научн. трудов по физике.- С. 51-61.

2. Разработка методики контроля распределения кислорода в слитках кремния / Литвинов В.В., Петух А.Н., Покотило Ю.М., Чуясов В.Н., Уренев В.И. // Вестник БГУ. Сер. 1.- 1992,- № 2,- С.80.

3. Хаотическая динамика конвективного течения расплава в кремнии в реакторе Чохральского / Литвинов В.В., Петух Л.Н., Покотило Ю.М., Уренев В.И. // Неорганические материалы,- 1995,- Т. 32, № 2,- С. 274-275.

4. Литвинов В.В., Петух А.П., Покотило Ю.М. Методика экспрессного спектроскопического контроля распределения кислорода и легирующих примесей в слитках кремния //ЖПС.- 1997,- Т. 64, № 5,- С.655-659.

5. Литвинов В.В., Петух А.Н., Покотило Ю.М. Микронеоднородность распределения кислорода в слитках кремния большого диаметра // Изв. вузов. Цв. металлургия,- 1997,- № 5.- С.29-32.

6. Литвинов В.В., Петух А.Н., Покотило Ю.М. Идентификация полос четырехфонопного поглощения в кристаллах кремния // ЖПС,- 2000,- Т.67, № 2,- С. 275-277.

7. Litvinov V.V., Petuch A.N., Pokolilo Ju.M. Critical parameters of the non-ststionary melt convection during silicon Czochralski growth // Advances in Synergetics: Proceedings of the International Conference "Advances & Trends in Synergetics" 2nd International school "Foundation of Sinergetics", 4th workshop "Mind, Brain & Neurocomputers" / Belarysian State University. - Minsk, 1997. -V.9. - P.l 11-114.

8. Новый метод оптической диагностики кислорода и легирующих примесей в промышленных слитках кремния / Литвинов В В., Петух А.Н., Покотило Ю.М., Уренев В.И. // Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии: Тез. докл. науч. конф., Гродно, 5-7 июля 1993 г. / Ин-т физики Академии Наук Респ. Беларусь., Гродненск. гос. ун-т им.Я.Куиалы.- Гродно, 1993,- С.250-252.

9. Turbulent flow study of silicon melt in the Czochralski reactor / Litvinov V.V., Petuch A.N., Pokotilo Ju.M., Urenev V.I. // Abstr. of 14-th General Conf. Condensed Matter Division, Madrid, 28-31 March 1994,-Madrid, 1994.-p.32.

Ю.Литвинов В.В., Петух А.Н., Покотило Ю.М. Микронеоднородность распределения кислорода в слитках кремния большого диаметра // Кремний-96: Тез. докл. научн. конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния, Москва, 19-22 ноября 1996 г. / МИСиС.- Москва, 1996,- С.209.

РЕЗЮМЕ

Петух Алла Николаевна "Закономерности распределения междоузелыюго кислорода в кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского"

Ключевые слова: кремний, метод Чохральского, междоузельный кислород, ИК-поглощение, фононы, свободные носители заряда, равновесный коэффициент сегрегации, распределение примеси.

Целью работы являлось установление закономерностей распределения междоузелыюго кислорода вдоль оси роста слитков кремния и выяснение, на этой основе, механизма внедрения кислорода в монокристаллы, выращиваемые методом Чохральского.

В работе разработаны методические и метрологические основы работы спектрометров нового типа, предназначенных для неразрушающего контроля осевого распределения кислорода в слитках кремния большого ( > 100 мм) диаметра.

Обнаружены крупномасштабные осцилляции (~1 см) концентрации кислорода и легирующих примесей вдоль оси роста слитков кремния. Установлена зависимость характера наблюдаемых осцилляций от высоты расплава. Показано, что корреляционная размерность для динамики внедрения кислорода в процессе роста кристаллов соответствует турбулентному и квазипериодическому режимам нестационарной гравитационной конвекции в гидродинамической системе Рэлея-Бенара.

Определены критические числа Рэлея для перехода от турбулентного к квазипериодическому и от квазипериодического к стационарному режимам конвекции расплава кремния в ростовой системе Чохральского.

На основе сопоставления частотных спектров распределения концентрации кислорода и легирующих примесей предложена модель внедрения кислорода в кристаллы кремния, учитывающая концентрационные колебания кислорода в расплаве и нестационарный перенос потоков расплава в ходе роста слитков. Равновесный коэффициент распределения кислорода в кремнии определен равным 0,25.

Разработанная методика экспрессных измерений и установленные закономерности распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния могут быть использованы для оптимизации условий выращивания однородных кристаллов, а также для диагностики свойств и анализа кинетики формирования кислородосодержащих кластеров в полупроводниковом кремнии.

РЭЗЮМЭ

Нятух Лла М1калаеуна «Заканамернасщ' размеркавання лпжвузельнага юслароду у крышталях крэмпно, вырашчаных мстадам Чахральскага».

Ключавыя словы: кромнш, мстад Чахральскага, м1жвузельны юсларод, 1Ч-паглынанне, фаноны, свабодныя носьбта зараду, раунаважны каэфщыент сегрэгацьп, размеркаванне нрымесг

Мэтай работа з'яулялася устанауленне заканамернасцей размеркавання лпжвузельнага юслароду уздоуж восп росту злпкау крэмнпо 1 высвятленне на гэтай падставе мехажзму укаранення ю'слароду у монакрышта;н, вырашчваемые метадам Чахральскаг а. .

У рабоце распрацаваны метадычныя 1' метралапчныя асповы работы спектрометрау новага тыну, прызначаных для неразбуральнага кантролю восевага размеркавання ю'слароду у златках крэмнпо вялжага (> 100 мм) дыямстру.

Выяулены буйнамаштабныя асцыляцьн 1 см) канцэнтрацьп юслароду 1 лепруючай прымеа уздоуж воа росту гнткау крэмтю. Установлена залежнасць характару гэтых асцыляцый ад вышыш расплаву. Наказана, што карэляцыйная размернаснь для дынамш укаранення ю'слароду у працэсс росту крышталяу адпавядае турбулентнаму I квазшерыядычнаму рэжымам несгацыянарнай гравггацыинай канвекцьп' у пдрадынам1чнай сютэме Рэлея-Бенара.

Вызначаны крытычныя л1чбы Рэлея для пераходу ад турбулснтнага да квазшерыядычнага 1 ад квазшерыядычнага да станыянарпага рэжыму канвекцьп расплаву крэмш'ю у роставай астэме Чахральскага.

На аснове супастаулення частотных спектрау размеркавання канцэнтрацьп юслароду 1 лепруючай прымеа прапанавана мадэль укаранення ю'слароду у крышташ крэмш'ю, якая ул1чвае каицэптрацыйныя ваганш юслароду у расплаве 1 нестацыянарны перанос патокау расплаву у ходзе росту злггкау. Раунаважны каэфщыент размеркавання кпсларолу у крэмнп вызначаны роуным 0,25.

Распрапаваная методыка экспрэсных вымярэнпяу 1 устан0Уленыя заканамернасщ размеркавання уздоуж воа' росту злггку крэмнпо могуць выкарыстоувацца для аптымгзацьп умоу вырошчвання аднародных крышталяу, а таксама для дыягностыю улаацвасцей 1 аналпу кшэтыю фармавання юслародаутрымл!ваючых кластэрау у пауправадшковым крэмнп.

SUMMARY

Petuch Alia Nikolaevna «Regularities of the interstitial oxygen distribution in the silicon crystals grown by Czochralski method».

Key words: silicon, Czochralski method, interstitial oxygen, IR-absorption, phonons, free carrier charges, equilibrium segregation coefficient, impurity distributions.

Purpose of the work is to establish the regularities of the interstitial oxygen distribution in the silicon crystals and, using it, to clear up the oxygen implantation mechanism in the crystals grown by Czochralski method.

The method and metrology bases of the new type spectrometer work intending for non-destructive control of the oxygen distribution along the growth axis of the big diameter (> 100 mm) silicon ingots have been developed.

Bigscale (till ~1 cm) oscillation of the oxygen and doped impurity concentration along the growth axis of the silicon ingots were detected. Dependence between character of the observed oscillation and melt height was established. It was shown that correlation dimension for dynamics of the oxygen entrance during crystal growth was correspondence to turbulent and quasiperiodica! regimes of the non-stationary gravity convection in the Rayleigh-Benard hydrodynamics system.

Critical Rayleigh numbers for transition from turbulent to quasiperiodical and from quasiperiodical to stationary convection regimes of the silicon melt in the Czochralski growth system were defined.

Using comparison of the oxygen and impurity concentration distribution frequency spectrums, model for oxygen implantation into silicon crystal which takes into account oxygen concentration oscillations in the melt and non-stationary transfer of the melt flows during crystal growth was proposed. Oxygen distribution coefficient in silicon was estimated about 0,25.

Developed method of the express measurements and establishing of the regularities in the oxygen distribution along the silicon ingots growth axis can be used for optimization of the condition under growth of the homogeneity crystals and can be used for diagnostic of tire properties and analysis of the kinetics of the formation of the oxygen-containing clusters in semiconductor silicon.