12、硅中的本征点缺陷：原理与研究进展

硅中的本征点缺陷：原理与研究进展

1. 引言

点缺陷在晶体固体中影响着许多基础和技术上重要的现象。它们最为人熟知的作用是作为原子输运过程（如扩散）的载体，以及某些激活过程（如固体变形动力学）的参与者。同时，点缺陷也是扩展晶体缺陷（如点缺陷簇、堆垛层错和位错）的起源，这些扩展缺陷对半导体器件有害。

在氧沉淀方面，点缺陷也扮演着重要角色。1977 年，人们意外发现，当硅样品在氧化环境中退火时，氧沉淀会受到抑制。后续研究证实了这一现象，并且此前已经确定硅的热氧化会导致过量的自间隙原子注入到硅衬底中。基于氧原子聚集形成 SiO₂ 沉淀会产生局部应变这一事实，有人提出氧沉淀可以用以下反应来建模：
2xOᵢ + ySiᵢ ⇌ xSiO₂ + (y - x)Siₛ
其中下标 i 表示间隙配置。过量的硅自间隙原子会使反应向左移动，从而抑制沉淀。许多实验观察也证实了氧化环境对氧沉淀的抑制作用。

反之，氧沉淀可能会导致自间隙原子的产生。这一预测也通过观察堆垛层错的生长、磷的增强扩散和锑的扩散抑制等现象得到了证实。在重掺杂锑的硅中，氧沉淀受到抑制，对此有多种解释。一种解释认为氧热施主是胚胎沉淀的前驱体，而高电子浓度会降低热施主的形成速率；另一种解释则涉及点缺陷在沉淀成核中的作用，例如晶格空位与锑原子的络合可能会减少沉淀成核所需的空位可用性。

在硅的扩散研究中，直到 1968 年，人们一直默认介导硅中扩散的点缺陷是空位。然而，Seitz 在 1950 年就提出了间隙机制的扩散。Seeger 和 Chik 在 1968 年认为，硅在高温下的自扩散以及 III 族和 V 族掺杂剂的扩散更可能通过间隙机制而不是空位机制进行，但缺乏明确的实验证据。Hu 在 1974 年提