1、硅中氧的奥秘：从晶体生长到器件性能的全方位解析

硅中氧的奥秘：从晶体生长到器件性能的全方位解析

1. 硅单晶生长技术概述

在半导体行业，硅是主导材料，其单晶生长是制造电子器件的关键起始步骤。目前，有两种技术在硅单晶生产中占主导地位，分别是浮区法（FZ）和提拉法（CZ，更准确应称为Ted - Little法）。据估计，约80%用于器件制造的单晶硅是通过提拉法生产的，即CZ硅，因此我们对这种晶体尤为关注。

在Ted - Little法中，单晶从装在石英或玻璃状二氧化硅（SiO₂）坩埚的熔体中提拉生长。坩埚与硅熔体接触的表面会逐渐溶解，发生反应SiO₂ + Si → 2SiO，使硅熔体富含氧。大部分氧原子以挥发性一氧化硅（SiO）的形式从熔体表面蒸发，但仍有部分氧原子通过晶体 - 熔体界面掺入硅晶体中，这些氧原子会极大影响硅晶体的电、化学、机械和物理性质。

2. 氧在硅中的早期发现与特性

1954年，首次通过热处理引起的硅单晶电阻率大幅变化现象，证明了硅单晶中存在氧，但当时并未将该现象与氧联系起来。两年后，通过红外吸收光谱法，首次证实CZ硅单晶中含有作为杂质的氧，且其浓度比通常的掺杂杂质高一个数量级。同时，将氧浓度与9μm或1106cm⁻¹处的红外吸收带强度相关联，并很快得出了氧在硅中的溶解度。

基于红外吸收分析可知，掺入硅中的氧原子主要占据硅晶格中的间隙位置，平均位于沿四个等效（111）键方向的两个相邻硅原子中间。两个相邻硅原子放弃共价键，与间隙氧原子形成等腰三角形，Si - O距离为1.6 Å，Si - Si距离基本不变（2.34 Å），Si - O - Si键角约为100°。由于晶体对称性，非线性Si - O - Si桥有六个等效位置，且这些位置之间的转变频繁，因为转变不需要破坏化学