15、半导体中氧的原子构型研究

半导体中氧的原子构型研究

1. 引言

在半导体技术中，氧在硅晶体里有着多样的存在状态。采用切克劳斯基（CZ）提拉技术从石英坩埚中生长的硅晶体含有氧，在真空精炼的浮区（FZ）材料中也有氧存在，不过FZ材料中的残余氧背景浓度约为(10^{13})原子/立方厘米，远低于CZ材料。氧与硅的亲和力源于Si - O键的强度，在像HOSi(CH₃)₃这样的分子中，Si - O键能约为 - 5.6 eV，比硅中的Si - Si键（约 - 2.3 eV）更强。

室温下，红外（IR）吸收测量显示，新生长的CZ硅中的氧大多呈分散态，即间隙氧（(O_i)）。在硅熔点（1412°C）附近，氧的溶解度约为(2.1×10^{18})原子/立方厘米。但室温下的平衡溶解度比新生长晶体中分散氧的浓度低几个数量级，这使得新生长的CZ硅在室温下处于氧过饱和状态。对材料进行退火处理会使氧沉淀成各种形式的二氧化硅（(SiO_2)）沉淀物，这可视为氧在硅中的第二种物理状态。通过退火，能从氧分散态转变为氧完全沉淀态，且此过程可逆，在高温（ - 1300 - 1350°C）下溶解沉淀物并淬火至室温，氧又可重新分散。高温时，氧会从近表面区域向外扩散，只有在材料内部才能测量到完整的(O_i)浓度。

高分辨率X射线衍射测量表明，硅中分散的氧会使平均晶格间距略有增加，且与氧浓度成正比，这意味着孤立氧原子附近的晶格会局部膨胀。微沉淀物中最常见的二氧化硅形式是无定形相，其密度与硅相近。无论氧以何种形式存在，都会导致材料膨胀并产生内应力，大沉淀物产生的应力可通过位错生长来释放。沉淀物的化学计量比、分布、结构和尺寸等参数取决于退火条件。

第VI族掺杂元素S、Se和Te在硅中是双施主，这是由于它们以替代位置存在，如同P、As、