Optická diagnostika poruch v křemíku

Mgr. Richard Štoudek, Ph.D.

Disertační práce

Optical charakterization of defects in silicon

Anotace:

Disertační práce se zabývá optickou diagnostikou poruch v mříži křemíku. Monokrystalický Si stále zůstává nejpoužívanějším materiálem polovodičového průmyslu. Naším cílem bylo pomocí infračervené absorpční spektroskopie studovat jednak některé bodové defekty (intersticiální kyslík, substituční uhlík, dusík) v Czochralskiho i zonálním křemíku, ale i nebodové poruchy, které vznikají žíháním pouze v Czochralskiho křemíku (termodonory, kyslíkové precipitáty). Měření propustnosti křemíkových desek ve středním infračerveném oboru při teplotě kapalného dusíku zvyšuje citlivost metody stanovení koncentrace intersticiálního kyslíku i substitučního uhlíku oproti měření při pokojové teplotě. Toho lze s výhodou využít zejména u zonálního křemíku, který obvykle obsahuje velmi malé koncentrace příměsových atomů. V případě žíhaných vzorků Czochralskiho křemíku jsme mohli díky nízkoteplotním měřením rozlišit absorpční pásy intersticiálního kyslíku a kyslíkových precipitátů. Takto získaná absorpční spektra precipitátů SiOx byla dále analyzována pomocí modelu efektivního prostředí, což nám dovolilo určit tvar, objemový podíl a stechiometrii těchto inkluzí. Pomocí infračervené absorpční spektroskopie lze identifikovat kuličkové a destičkové precipitáty se stechiometrií blízkou SiO2, nelze ovšem stanovit jejich rozměry a koncentrace. Tato metoda byla aplikována na tři série žíhaných vzorků Czochralskiho křemíku, který byl vždy slabě legován bórem. Zkoumali jsme zde převážně vlivy různých parametrů na precipitaci intersticiálního kyslíku. Jednalo se jednak o parametry dané podmínkami růstu monokrystalu (poloha vzorku v ingotu, legování dusíkem), ale i o efekty následných žíhacích operací (např. nukleačního předžíhání). Konzistentnost naší analýzy potvrzuje skutečnost, že pro téměř všechny žíhané vzorky je úbytek koncentrace intersticiálního kyslíku ve velmi dobré shodě s množstvím kyslíku vázaného v precipitátech SiOx.

Abstract:

In this dissertation we deal with optical diagnostics of defects in silicon lattice. Single-crystal Si still stays the most used material of semiconductor industry. Our goal was to use the infrared absorption to study point defects (interstitial oxygen, substitutional carbon, nitrogen) in the Czochralski and floating-zone silicon, and also other defects resulting from annealing in Czochralski silicon (thermodonors, oxygen precipitates). The accuracy of determination of the concentration of both interstitial oxygen and substitutional carbon by measurement of transmittance of silicon wafers in the mid-infrared range is higher at the temperature of liquid nitrogen than at the room temperature. This can be used particularly for the floating-zone silicon, which usually contains very small concentrations of impurity atoms. In the case of annealed samples of Czochralski silicon we could separate the contributions of interstitial oxygen and oxygen precipitates using low-temperature measurements. The absorption spectra of the SiOx precipitates were analysed using effective-medium models, allowing us to specify the shape, volume fraction and stoichiometry of inclusions. With the use of infrared absorption spectroscopy, we are able to identify spherical and disc-shaped precipitates of the stoichiometry close to SiO2; however, it is impossible to determine their dimensions and concentrations. This method has been applied to three series of annealed samples of the Czochralski silicon, which was always slightly doped by boron. We have examined the influence of different parameters on the precipitation of the interstitial oxygen. These were parameters related to growth conditions (position of the sample in ingot, nitrogen doping), and also related to subsequent annealing operations (e.g., nucleation pre-annealing). The consistence of our analysis is confirmed by the fact that, for almost all annealed samples, the decrease of concentration of interstitial oxygen is in very good agreement with the amount of the oxygen fixed in the SiOx precipitates.

Klíčová slova

křemík, intersticiální kyslík, substituční uhlík, dusík, kyslíkové precipitáty, Czochralskiho metoda, infračervená spektroskopie, silicon, interstitial oxygen, substitutional carbon, nitrogen, oxygen precipitates, Czochralski method, infrared spectroscopy

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 9. 2008

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 30. 9. 2008
• Vedoucí: prof. RNDr. Josef Humlíček, CSc.
• Oponent: Mgr. Jan Šik, Ph.D., Mgr. Filip Kadlec, Dr.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika (čtyřleté) / Fyzika pevných látek