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直拉硅单晶是集成电路的基础材料,其根本原因是直拉硅单晶不可避免地含有氧杂质。一方面氧杂质具有提高硅单晶机械强度的作用；另一方面氧杂质原子在集成电路制造过程中会聚集形成氧沉淀并可能诱生二次缺陷,它们可发挥吸除有害金属沾污(内吸杂)的作用。因此,关于直拉硅单晶中氧沉淀的研究就成了非常重要的课题。氧的扩散是直拉硅单晶中氧沉淀的动力学条件,理解氧在硅中的扩散行为是研究氧沉淀的基础。经过几十年的研究,人们对轻掺直拉硅单晶中的氧扩散及其氧沉淀的理解已经非常充分。可是,对于电活性杂质的重掺以及非电活性杂质的共掺如何影响直拉硅单晶中的氧扩散和氧沉淀的研究还相当缺乏。本文通过实验和理论计算,重点研究了重掺磷(P)、硼(B)和共掺锡(Sn)对直拉硅单晶中的氧扩散和氧沉淀的影响规律。此外,还研究了重掺硼单晶中硼和点缺陷相互作用对电学性能的影响。通过上述研究,加深了对直拉硅单晶中杂质、氧和点缺陷之间的相互作用及其对氧扩散和氧沉淀影响的认识。本文取得的主要创新成果如下：(1)利用第一性原理计算,分析了Sn共掺杂对直拉单晶硅中氧扩散的影响及其机理。发现间隙氧原子(Oi)扩散的势垒随着Sn掺杂引起的晶格常数的增加而线性增大；结构分析表明这是由于Si-O-Si键角和Si-O键长增大使Oi原子向Si-Si键中心移动,致使其在相邻Si-Si键间隙位跳跃时的势垒发生变化所致。能量分析表明Sn原子可以与空位结合形成SnV复合体并作为Oi的俘获中心,形成结合能为-2.26eV的稳定SnVO复合体。根据计算结果可以推断高浓度Sn掺杂的单晶硅中的氧扩散将受到抑制,且这种抑制作用在低温时更为显著。(2)研究了电阻率为～3mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的氧扩散行为。实验发现：该单晶硅中的氧扩散受到异常的抑制,其氧外扩散曲线无法被单个余误差函数拟合,而必须被两个余误差函数叠加拟合。根据拟合结果得到两个氧扩散激活能：一个值为2.40±0.05eV,与轻掺硅的激活能接近；另一值为3.80±0.16eV。第一性原理计算结果表明：间隙B(Bi)原子能够与Oi原子结合形成-Bi-Si-Oi-Si-Bi-闭环结构的B-O原子对。B-O原子对跨越一定势垒后能协同滚动迁移。这种B-O原子对的共扩散可能是重掺硼单晶硅中异常氧扩散的机制。(3)利用第一性原理计算,研究了重掺P对直拉单晶硅中氧扩散的影响及其机理。发现P原子能够作为Oi的俘获中心,在其12个等价的第二近邻位上俘获Oi原子形成-P-Si-O-Si-结构的P-O原子对,根据P-O原子对结合能得到800-1100℃范围内Oi扩散势垒的增加值为～0.04-0.07eV,与实验得到的-0.12eV结果相近,表明上述P-O原子对的形成是重掺磷单晶硅中氧扩散被抑制的原因。(4)研究了共掺Sn直拉硅中的氧沉淀和本征点缺陷。实验结果表明Sn对氧沉淀的影响因硅中空位浓度的不同而不同,即：当没有用快速热处理(RTP)注入空位或RTP温度低于1050℃时,Sn掺杂抑制氧沉淀；当RTP温度高于1050℃时,Sn掺杂促进氧沉淀。第一性原理结果表明：Sn一方面能够存储和释放空位,以“水库”的形式调节硅中的自由空位浓度；另一方面Sn能够俘获空位和VO等点缺陷复合体,并成为氧沉淀的异质形核中心。结合实验和计算结果,建立了Sn掺杂对直拉硅中氧沉淀影响机理的物理模型。(5)研究了电阻率为-3mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的氧沉淀行为。实验发现电阻率为重掺B单晶硅中的氧沉淀行为显著不同于轻掺B单晶硅中的氧沉淀行为：重掺B单晶硅经过650℃短时形核处理,即可在后续高温热处理中形成高密度的氧沉淀；1200℃高温热处理无法完全消融原生氧沉淀,表明其原生氧沉淀具有较高的热稳定性。对氧沉淀的形貌、尺寸及氧沉淀形成后的应力进行分析后,结合第一性原理计算提出了有B原子参与形核和进行核心表面修饰的氧沉淀形核物理模型。此外,1200℃高温热处理后经过短时形核和高温长大热处理即可在重掺硼单晶硅内形成良好的洁净区并使之具有较强的内吸杂能力。(6)研究了电阻率为-16mΩ·cm的重掺B直拉单晶硅中的B在不同热处理中的电活性及其物理机制。实验发现：经过高温RTP后,部分B会失活且失活程度随RTP温度升高而增加；后续600-800℃热处理后失活的B会被逐渐重新激活,但300-500℃热处理后则会有更多的B失活。计算结果表明：B的失活是由B原子和自间隙硅原子(I)的相互作用导致的,即：B与RTP引入的I结合为BI原子对而失活。后续300-500℃处理时,BI原子对将克服～0.39eV的势垒继续与B结合为B2I,导致更多的B失活；而600-800℃热处理时,BI和B2I将分别克服～1.03eV和0.95eV的势垒而分解,释放出替代位B原子而使其恢复电活性。