8、硅中氧浓度测量全解析

硅中氧浓度测量全解析

1. 引言

了解硅样品中氧含量主要有两个原因。从研究角度看，需将氧浓度与晶体中的物理现象（如沉淀、溶解度、扩散以及与其他缺陷的相互作用）联系起来，这有助于理解氧对硅的电学、机械和光学性能的影响，为相关现象的理论建模提供依据。从实际应用角度而言，大多数硅器件和电路由切克劳斯基（Czochralski）晶体切割的晶圆制成，这类晶体氧浓度相对较高。由于氧对硅的多种性能有重要影响，在集成电路、传感器和其他半导体器件制造中，控制晶圆中的氧含量十分必要。尽管精确知晓氧含量很理想，但在制造过程控制中，若特定氧含量材料的特性能与器件性能和成品率充分关联，精确测量并非必需。在日常生产中，红外吸收光谱法因具备精确、无损和快速的特点，成为测定氧含量的常用方法。

在2000 - 500 cm⁻¹（波长范围5 - 20 µm）的中红外区域，辐射吸收主要有三种机制：晶格吸收、杂质吸收和自由载流子吸收。纯硅在此区域通常是透明的，但存在多个由多声子跃迁产生的晶格吸收带。硅表面的高反射率导致只有约一半的入射辐射能透过样品，不过硅样品内的多次反射可能使实际透过率超过50%。氧、碳和氮等杂质在此光谱范围内也有吸收带，其中间隙氧的主要吸收带位于1107 cm⁻¹，该带由Si - O - Si键的不对称伸缩振动吸收产生，是测量氧浓度最常用的吸收带，但它与位于1118 cm⁻¹的较强晶格带重叠，测量时需加以考虑。此外，还有多个与氧相关的吸收带，如515 cm⁻¹、560 cm⁻¹、1013 cm⁻¹、1227 cm⁻¹和1720 cm⁻¹等，不同的吸收带具有不同的特性和应用场景。对于p型电阻率小于约4.5 kΩ·cm（p = 3 x 10¹⁵ atoms/cm³）和n型电阻率小于0.5 Ω·cm（n = 1 x 10¹⁶