Investigation of the oxygen-related lattice defects in Czochralski silicon by means of electron microscopy techniques

Abstract

The results are discussed of a systematic study by means of optical microscopy, high-resolution and high-voltage electron microscopy of the lattice defects introduced in Czochralski silicon wafers with a high interstitial oxygen concentration during single and two-step heat treatments. In the low temperature region 550 to 1000 °C, rod-shaped coesite precipitates, platelike amorphous SiOx precipitates, 60° and 90° dislocation dipoles, and prismatic loops may be identified. The oxygen precipitation behaviour is shown to be consistent with a homogeneous nucleation mechanism. The dislocation dipoles and loops grow due to the supersaturation of the silicon self-interstitials which is induced by the precipitation of the oxygen. After a subsequent high temperature step (1150 °C) the defect spectrum changes severely. A wide range of different types of defects can be distinguished: Frank-type stacking faults, (a/6) 〈114〉-type stacking faults, elongated dislocation loops, prismatic loops, truncated octahedral amorphous SiOx precipitates, and platelike SiOx precipitates with prismatic dislocation loops. These defects nucleate heterogeneously on the defects present due to the low-temperature step. The different mechanisms involved will be discussed. Es werden die Ergebnisse einer systematischen Untersuchung mittels optischer Mikroskopie, hochauflösender und Hochspannungs-Elektronenmikroskopie von Gitterdefekten diskutiert, die in Czochralski-Siliziumwafer mit hoher Konzentration von Zwischengittersauerstoff während Ein- und Zwei-Stufen-Wärmebehandlungen eingeführt werden. Im Tieftemperaturbereich 550 bis 1000 °C lassen sich stäbchenförmige Coesit-Präzipitate, plättchenförmige amorphe SiOx-Präzipitate, 60° - und 90° - Versetzungsdipole und prismatische Schleifen identifizieren. Es wird gezeigt, daß das Verhalten der Sauerstoffpräzipitate konsistent mit einem homogenen Keimbildungsmechanismus ist. Die Versetzungsdipole und Schleifen wachsen infolge der Übersättigung mit Silizium-Zwischengitterstörstellen, die durch die Ausfällung des Sauerstoffs induziert werden. Nach einem folgenden Hochtemperaturschritt (1150 °C) ändert sich das Defektspektrum in starkem Maße. Ein breiter Bereich von unterschiedlichen Defekttypen läßt sich unterscheiden: Franksche Stapelfehler, (a/6) 〈114〉-Stapelfehler, ausgedehnte Versetzungsschleifen, prismatische Schleifen, verkürzte oktaedrische amorphe SiOx-Präzipitate und plättchenförmige SiOx-Präzipitate mit prismatischen Versetzungsschleifen. Diese Defekte entstehen durch heterogene Keimbildung an den Defekten, die infolge des Niedertemperaturschritts vorhanden sind. Die unterschiedlichen beteiligten Mechanismen werden diskutiert.