НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2009, том 45, № 4, с. 389-392
УДК 546.28:621.315.592
РАЗУПРОЧНЕНИЕ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ЛЕГИРОВАНИИ ЗОЛОТОМ
© 2009 г. Д. И. Бринкевич*, С. А. Вабищевич**, Н. В. Вабищевич**, В. С. Просолович*
*Белорусский государственный университет, Минск **Полоцкий государственный университет, Новополоцк e-mail: brinkevich@bsu.by Поступила в редакцию 24.01.2008 г.
Установлено, что диффузионное легирование золотом приводит к разупрочнению структуры монокристаллов кремния. Преципитация кислорода подавляет указанный процесс вследствие взаимодействия диффундирующих атомов золота Au; с кислородом и захвата их растущими преципитатами.
ВВЕДЕНИЕ
Кремний является базовым материалом современной микроэлектроники. Кроме того, на его основе изготавливаются сенсоры, микро- и наноэлек-тромеханические системы и другие гибридные продукты нанотехнологий. В связи с этим особую важность приобретает исследование изменения его механических свойств (модуля Юнга, твердости, износостойкости и т.д.) при различных технологических обработках.
Легирование кремния золотом широко используется для снижения времени жизни носителей заряда и, соответственно, повышения быстродействия полупроводниковых приборов [1]. На основе кремния, легированного золотом, изготавливаются высокочувствительные фотоприемники ИК-диапазона [2]. Однако прочностные свойства указанных материалов практически не изучены. Актуальность таких исследований обусловлена тем, что на последующих стадиях процесса изготовления полупроводниковых приборов (окисления, диффузии, посадки в корпус и т.д.) пластины кремния подвергаются температурным и механическим воздействиям, приводящим к их короблению и образованию микротрещин. Указанные процессы приводят к снижению выхода годных приборов и во многом определяются прочностными свойствами имплантированных пластин.
Цель данной работы - исследование влияния диффузионного легирования Аи на микротвердость кремния.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Пластины кремния получали методом Чохраль-ского. В экспериментах использовали пластины бездислокационного кремния марки КЭФ-20 с различной концентрацией кислорода (таблица). Концентрацию кислорода в междоузельном положении измеряли методом ИК-поглощения по полосе
1106 см-1. Плотность дислокаций, выявляемых селективным травлением, во всех образцах не превышала 102 см-2.
Микротвердость (Н) измеряли на приборе ПМТ-3 по стандартной методике вдоль направления (100). В качестве индентора использовали алмазный наконечник в форме четырехгранной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине 136°. Нагрузку на индентор варьировали в пределах 0.5-2Н .
Выбор нагрузки обусловлен двумя обстоятельствами:
- глубина проникновения индентора должна быть достаточно большой для исключения влияния поверхности;
- при индентировании отпечаток не должен разрушаться.
При нагрузке 0.50 Н глубина проникновения индентора составляла ~1 мкм, что позволяло минимизировать влияние обработки поверхности. Доля не пригодных (разрушенных) для измерения Н отпечатков при максимальной нагрузке не превышала 10%. При каждом измерении на поверхность пластины наносили не менее 50 отпечатков; измеряли обе диагонали отпечатка и по их усредненному значению, согласно [3], рассчитывали величину Н.
Изменение концентрации межузельного кислорода в кремнии в процессе термообработки при 925°С в течение 5 ч
< No х 10-17, см-3 NAu х 10-14, см-3
образца исходный термообработка диффузия Au
1 6.9 6.9 6.9 3.1
2 8.9 8.2 9.8 5.3
3 9.6 5.9 4.0 7.0
4 10.1 4.0 2.8 9.5
0.5 1.0 1.5 2.0
Нагрузка, Н
Рис. 1. Зависимости микротвердости от нагрузки для исходных (1, 1') и термообработанных (2, 2) пластин кремния при концентрации кислорода 6.9 х 1017 (1, 2) и 10.1 х 1017 см-3 (1', 2').
Результаты измерений обрабатывали с использованием методов математической статистики [4]. Это позволило установить, что имело место нормальное (гауссово) распределение величин микротвердости. При этом погрешность измерения Н составляла 2% (с доверительной вероятностью 0.95).
Диффузию золота осуществляли из пленки, нанесенной на поверхность пластин кремния (толщина 2 мм) химическим осаждением из раствора на основе дицианаурата калия, в атмосфере водорода при 925°С в течение 5 ч. После диффузии нарушенный поверхностный слой толщиной до 100 мкм удаляли шлифовкой с последующей полировкой поверхности пластин.
Содержание золота в образцах контролировали методом нейтронно-активационного анализа (таблица). Часть образцов (контрольные) идентично термообрабатывали без диффузии золота. Концентрация примеси Ли в этих образцах в процессе термообработки практически не изменялась и была близка к концентрации золота в исходных пластинах (~5 х 1012 см-3). Концентрацию золота в электрически активном состоянии контролировали методом измерения эффекта Холла в температурном интервале 78-300 К по стандартной методике в режиме постоянных электрического и магнитного полей [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Было установлено, что микротвердость исходных монокристаллов кремния близка к 9.8 ГПа (при нагрузке 100 г) и практически не зависит от концентрации кислорода (N0 в диапазоне И0 = (6.9-10.1) х х 1017 см-3 (рис. 1). Зависимости микротвердости от нагрузки для всех образцов имели вид, характерный для непластичных (твердых) кристаллов (рис. 1 и 2).
0.5 1.0 1.5 2.0
Нагрузка, Н
Рис. 2. Зависимость микротвердости от нагрузки для исходных (1, 1') и диффузионно-легированных золотом (2,2') пластин кремния при концентрации кислорода 6.9 х 1017 (1, 2) и 10.1 х 10" см-3 (1', 2').
Микротвердость уменьшалась при увеличении нагрузки от 0.5 до 1Н, а при дальнейшем ее возрастании Н изменялась незначительно. Такое приповерхностное упрочнение монокристаллов кремния, по мнению авторов [6], обусловлено димеризацией химических связей на поверхности полупроводника и формированием микрорельефа поверхности.
При проведении диффузии золота наблюдалось снижение микротвердости монокристаллов кремния (рис. 2), причем в образцах с высокой концентрацией кислорода эффект разупрочнения выражен слабее (кривые 2 и 2'). Однако термообработка контрольных образцов (без диффузии золота) при температуре 925°С в течение 5 ч приводила к возрастанию микротвердости (рис. 1, кривые 2, 2'). Аналогичный эффект наблюдался авторами [7, 8] в процессе отжига при более низких (150-800°С) температурах. Изменения микротвердости в рассматриваемом случае были ниже (2-5%), чем при 800°С (~8% [8]), но превышали соответствующие показатели (1.5-2%) для низкотемпературного (150°С) отжига [7].
В материалах с концентрацией межузельного кислорода свыше 8 х 1017 см-3 в процессе термообработки контрольных образцов имела место интенсивная преципитация кислорода (таблица) [9]. Ее эффективность существенно возрастала при увеличении содержания кислорода в межузельном положении, и при N0 = 10.1 х 1017 см-3 доля преци-питировавшего кислорода достигала ~75%. В образцах с пониженным содержанием кислорода (^ = 6.9 х 1017 см 3) удаления атомов данной примеси из межузельного положения практически не наблюдалось (таблица). Следует отметить, что для образцов, где имела место интенсивная преципитация кислорода (рис. 1, кривая 2'), рост Н был выражен слабее. На основании этих данных можно за-
РАЗУПРОЧНЕНИЕ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ЛЕГИРОВАНИИ
391
ключить, что преципитация кислорода приводит к снижению микротвердости кремния.
Полученные экспериментальные данные могут быть объяснены следующим образом.
В процессе термообработки монокристаллического кремния при температурах, близких к 900°С, происходила трансформация В-дефектов - агломератов собственных межузельных атомов кремния 81;, стабилизированных атомами углерода [10], которые способны формировать точечные дефекты межузельного типа (и/или их комплексы), что приводит к упрочнению кристалла [11]. При нагреве В-дефекты испускают собственные межузель-ные атомы. Освободившиеся атомы углерода, имеющие меньший ковалентный радиус (0.77 А [11]), чем у атомов 81 (1.17 А [12]), сжимают решетку кремния, вызывая уменьшение длины связи и, соответственно, упрочняют кристалл. Указанные обстоятельства и определяют, по-видимому, наблюдавшийся нами эффект упрочнения кремния при термообработке.
Существенное влияние на механические свойства монокристаллического кремния оказывает и примесь кислорода. Как известно [13], атомы кислорода препятствуют росту и размножению дислокаций при деформации кремния и, соответственно, должны способствовать упрочнению материала. Об упрочняющем влиянии примеси межузельного кислорода свидетельствует также тот факт, что микротвердость полученного бестигельной зонной плавкой безкислородного кремния существенно ниже (5-10%) микротвердости 81, полученного методом Чохральского. Таким образом, процесс преципитации кислорода, сопровождающийся удалением атомов кислорода из межузельного положения, должен приводить к разупрочнению монокристаллов кремния. Кроме того, преципитация кислорода сопровождается генерацией собственных межузельных атомов [14], что должно способствовать подавлению описанной ранее трансформации В-де-фектов в процессе нагрева и, соответственно, снижению величины микротвердости.
Таким образом, в кислородсодержащем 81 существуют два конкурирующих процесса, влияющих на поведение микротвердости при нагреве: первый связан с преципитацией кислорода и приводит к уменьшению микротвердости, второй - с трансформацией В-дефектов и с образованием в ходе термообработки структурных дефектов межузельного типа, приводящим к повышению микротвердости кремния. Экспериментальные данные указывают на то, что преобладающим является второй процесс.
При проведении диффузии золота физическая картина изменения механических свойств монокристаллического кремния становится иной. Это обусловлено следующими причинами. В кремнии п-ти-па компенсирующий акцепторный центр золота представляет собой отрицательно заряженный
атом в узле решетке Аи. [9]. Атомы золота диффундируют в кремнии по междоузлиям, и переход их в электрически активное положение замещения осуществляется с участие
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.