硅中氢致缺陷和微缺陷氢沉淀的消除及其应用

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1996.01.012 第18卷第1期 北京科技大学学报 Vol.18 No.1 19962 Journal of University of Science and Technology Beijing Fb.1996 硅中氢致缺陷和微缺陷氢沉淀的消除及其应用 陈燕生 刘桂荣 李怀祥 北京科技大学物理化学系，北京100083 摘要氢气氛下区熔拉制的鼓棱无位错硅单晶，原生晶体经化学腐蚀，观察不到缺陷，包括微 缺陷，但当块状热处理后，经腐蚀常常观察到尺度m数量级的氢致缺陷(p型缺陷、麻坑)和微 缺陷氢沉淀.为了消除这些缺陷，原生单晶需片状供应，片厚应小于1mm,或中照后的区熔 (氢)硅单晶，片状，940℃、0.5h退火，均能消除之.在电力电子器件的应用中，管芯等级合格率可 保持在80%以上. 关键词硅，单晶，氢，沉淀 中图分类号TG111.2 70年代初，我国提出的氢气氛下区熔拉制的鼓棱无位错硅单晶曾普遍推广使用；70年 代末，发现这种晶体再经块状热处理后，观察到了60年代与日本人山列氩加氢区熔工艺控 制的原生硅单晶所观察到的相同的氢致缺陷，引起我国学者的注意，先后发表了一些论 文3~)，本文探讨消除氢致缺陷和氢沉淀的方法· 1实验 (1)单晶制备：在QR一20型区熔炉上，纯氢气氛下，采用一级多晶硅，经一次整形，二 次成晶，拉制直径35m[111]晶向鼓棱无位错硅单晶，经红外分析，区熔（氢）硅单晶中，氧 含量≤5×106个·cm-3,碳含量≤7.73×106个·cm3.(2)中子辐照：在轻水反应堆 中进行.(3)热处理：940℃、0.5h退火，空气气氛.(4)器件制造：在KP200和KK200电力 电子器件流水线上进行， 2实验结果和讨论 2.1氢缺陷形貌观察 大量的实验表明，在纯氢气氛下区熔生长的无位错鼓棱原生硅单晶，一般均观察不到任何 缺陷，包括微缺陷，图2（ā）为原生硅单晶未浸蚀出缺陷的实物像.从图可以看出，浸蚀面为 镜面，但这种原生硅单晶一般经(900±100)℃块状热处理（厚度大于2mm)大部分样品经sirtl 液腐蚀后均能观察到氢致缺陷.图2(b)为经800℃/1块状热处理后浸蚀出缺陷实物像. 宏观看，在硅棒纵截面上有大量的麻坑. 1995-08-07收稿 第一作者男60岁教授

第 18 卷 第 l期 北 京 科 技 大 学 学 报 l,从i年 2 月 oJ aum l o f U in vesr i yt o f S d cen a dn eT hc n o of g y eB ij i n g V d . 18 N d I功 。 1些润巧 硅 中氢致缺 陷和 微缺 陷氢沉淀 的消 除及其应用 陈燕生 刘桂荣 李怀祥 北京科技大学物理 化学 系 , 北京 1〕 X) 83 摘要 氢气氛下区熔拉制的鼓棱 无位 错硅单 晶 , 原 生晶 体经化 学腐 蚀 , 观察 不到 缺 陷 , 包括 微 缺陷 . 但 当块状热处理后 , 经腐蚀常常观察到 尺度 1111 11 数量级 的 氢致 缺 陷 (切 型缺 陷 、 麻 坑 )和微 缺陷 氢沉淀 . 为 了 消 除这些 缺 陷 , 原 生单 晶 需 片状供应 , 片厚应小 于 1 1 l lm , 或 中 照后 的 区 熔 ( 氢 ) 硅单 晶 , 片状 , 9喇〕℃ 、 o j h 退火 , 均能消除之 . 在 电力电子器件的应用 中 , 管芯等级合格率可 保持在 80 % 以 上 . 关键词 硅 , 单晶 , 氢 , 沉淀 中图分类号 T G l l . 2 70 年 代初 , 我 国提 出 的氢 气氛下 区熔拉 制的鼓 棱无 位 错 硅 单晶 曾普遍 推 广使用 ; 70 年 代末 , 发现这 种 晶体再 经块 状热 处理后 , 观 察 到 了 60 年 代 与 日本 人【’ , 2 】氢 加 氢 区熔 工 艺 控 制 的原 生硅单 晶 所观察 到 的相 同 的氢 致 缺 陷 , 引 起 我 国 学 者 的 注 意 , 先 后 发 表 了 一 些 论 文【’ 一 ’ ] . 本 文探讨消 除氢致 缺 陷和氢沉 淀 的方法 . 1 实 验 ( l) 单晶制 备 : 在 Q R 一 20 型 区熔 炉上 , 纯 氢气 氛下 , 采用 一级多晶硅 , 经一次 整形 , 二 次成 晶 , 拉 制 直 径 35 ~ 【1川 晶 向鼓棱 无 位错 硅单 晶 , 经 红外分析 , 区熔 (氢 ) 硅单 晶 中 , 氧 含 量 毛 s x lo l6 个 · cnr 一 , , 碳 含 量 毛 .7 73 x l0 16 个 · cnI 一 , . ( 2) 中子 辐 照 : 在 轻 水 反 应 堆 中进行 . ( 3) 热 处理 : 9 40 ℃ 、 .0 5 h 退火 , 空 气气 氛 . (4) 器 件 制 造 : 在 K P Zo 和 K KZ o 电 力 电子器 件 流水线 上进 行 . 实验结果 和讨论 氢 缺陷形 貌 观察 大量 的实验表 明 , 在纯 氢气 氛下 区 熔 生长 的无 位错鼓 棱原 生硅 单 晶 , 一 般均观 察 不到任 何 缺 陷 , 包括微 缺 陷 . 图 2 ( a) 为原生硅 单 晶未 浸蚀 出缺 陷的 实物 像 . 从 图可 以 看 出 , 浸 蚀 面 为 镜 面 , 但 这种 原 生硅单 晶一 般经 ( 90 士 10 )℃ 块状 热处理 ( 厚度 大于 2 ~ ) 大 部 分 样 品经 s训 液腐 蚀后 均能 观 察到氢 致缺 陷 . 图 2 ( b) 为经 80 ℃ / hl 块 状 热 处理 后 浸 蚀 出 缺 陷 实物 像 . 宏观 看 , 在硅 棒纵 截面 上有大 量 的麻坑 . 1卯5 一 08 一 07 收 稿 第 一作者 男 印 岁 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 01. 012

22宣姜的形或机量 匪制黄霍商餐曹1建 盗群氯静萋度远远大于固

第 18 卷 第 l期 北 京 科 技 大 学 学 报 l,从i年 2 月 oJ aum l o f U in vesr i yt o f S d cen a dn eT hc n o of g y eB ij i n g V d . 18 N d I功 。 1些润巧 硅 中氢致缺 陷和 微缺 陷氢沉淀 的消 除及其应用 陈燕生 刘桂荣 李怀祥 北京科技大学物理 化学 系 , 北京 1〕 X) 83 摘要 氢气氛下区熔拉制的鼓棱 无位 错硅单 晶 , 原 生晶 体经化 学腐 蚀 , 观察 不到 缺 陷 , 包括 微 缺陷 . 但 当块状热处理后 , 经腐蚀常常观察到 尺度 1111 11 数量级 的 氢致 缺 陷 (切 型缺 陷 、 麻 坑 )和微 缺陷 氢沉淀 . 为 了 消 除这些 缺 陷 , 原 生单 晶 需 片状供应 , 片厚应小 于 1 1 l lm , 或 中 照后 的 区 熔 ( 氢 ) 硅单 晶 , 片状 , 9喇〕℃ 、 o j h 退火 , 均能消除之 . 在 电力电子器件的应用 中 , 管芯等级合格率可 保持在 80 % 以 上 . 关键词 硅 , 单晶 , 氢 , 沉淀 中图分类号 T G l l . 2 70 年 代初 , 我 国提 出 的氢 气氛下 区熔拉 制的鼓 棱无 位 错 硅 单晶 曾普遍 推 广使用 ; 70 年 代末 , 发现这 种 晶体再 经块 状热 处理后 , 观 察 到 了 60 年 代 与 日本 人【’ , 2 】氢 加 氢 区熔 工 艺 控 制 的原 生硅单 晶 所观察 到 的相 同 的氢 致 缺 陷 , 引 起 我 国 学 者 的 注 意 , 先 后 发 表 了 一 些 论 文【’ 一 ’ ] . 本 文探讨消 除氢致 缺 陷和氢沉 淀 的方法 . 1 实 验 ( l) 单晶制 备 : 在 Q R 一 20 型 区熔 炉上 , 纯 氢气 氛下 , 采用 一级多晶硅 , 经一次 整形 , 二 次成 晶 , 拉 制 直 径 35 ~ 【1川 晶 向鼓棱 无 位错 硅单 晶 , 经 红外分析 , 区熔 (氢 ) 硅单 晶 中 , 氧 含 量 毛 s x lo l6 个 · cnr 一 , , 碳 含 量 毛 .7 73 x l0 16 个 · cnI 一 , . ( 2) 中子 辐 照 : 在 轻 水 反 应 堆 中进行 . ( 3) 热 处理 : 9 40 ℃ 、 .0 5 h 退火 , 空 气气 氛 . (4) 器 件 制 造 : 在 K P Zo 和 K KZ o 电 力 电子器 件 流水线 上进 行 . 实验结果 和讨论 氢 缺陷形 貌 观察 大量 的实验表 明 , 在纯 氢气 氛下 区 熔 生长 的无 位错鼓 棱原 生硅 单 晶 , 一 般均观 察 不到任 何 缺 陷 , 包括微 缺 陷 . 图 2 ( a) 为原生硅 单 晶未 浸蚀 出缺 陷的 实物 像 . 从 图可 以 看 出 , 浸 蚀 面 为 镜 面 , 但 这种 原 生硅单 晶一 般经 ( 90 士 10 )℃ 块状 热处理 ( 厚度 大于 2 ~ ) 大 部 分 样 品经 s训 液腐 蚀后 均能 观 察到氢 致缺 陷 . 图 2 ( b) 为经 80 ℃ / hl 块 状 热 处理 后 浸 蚀 出 缺 陷 实物 像 . 宏观 看 , 在硅 棒纵 截面 上有大 量 的麻坑 . 1卯5 一 08 一 07 收 稿 第 一作者 男 印 岁 教 授

·52· 北京科技大学学报 199%年No.1 表1不同温度下氢在硅中的溶解度 温度 按文献[)]计算浓度按文献[8]计算浓度 /℃ o 原子/am-3 原子/cm) 500 3.4×10 1000 3.6×10-6 1.8×104 20×104 1200 4.0 ×10-6 1.8×105 20×1015 1300 1.7 ×10-5 8.5×105 4.8×105 1400 53,×105 2.7×106 1.2×106 1420* 0.458×10-1 2.3×109 1.3×106 ◆液态硅，其余为固态硅 脉冲气相色谱测量硅中氢的浓度结果表明在含氢区熔硅单晶中氢的浓度一般在 1.75×10~3%~4.80×103%范围，该值比表1计算的结果要大得多，说明含氢区熔硅中的氢 是过饱和的，其浓度已与直拉硅中的氧浓度在同一数量级上，并且主要以硅一氢键的形态存 在于硅的四面体间隙、八面体间隙和反键间隙之中.虽然过饱和，但氢并未破坏硅的结构，故 原生硅单晶观察不到氢致缺陷；当硅一氢键在500℃再热处理时即开始断裂，过饱和度很高 的氢原子将脱溶分解，聚集成氢泡，而氢泡中分子态氢的内压力则成为带状、裂缝和放出棱柱 位错的推动力，形成压印棱柱位错环，氢泡渐渐由圆变扁1. (②)裂缝中氢的压力的计算 用于计算氢压最有利的情况是仅在一个方向放出位错的裂缝，如像图4所示被裂缝面印 压出来的棱柱位错环在氢压推力、位错环之间的相互排斥力及晶格摩擦阻力的共同作用下形 成位错环的塞集群.随着裂缝表面积的移动，位错环数目的增加从而使位错群的总能量有所 增加·如果忽略相对小得多的裂缝表面积增大引起的表面能变化，根据文献[6]，当位错环间 距比位错环半径小很多时，位错环的自能和相互作用与直线形位错的相应关系式近似，可以 把位错应力场的有效距离取为8R,R为位错环半径，由直线形位错塞积群总能量导出裂缝中的 氢压为： a=品-2eD ub 式中n为位错环数，4为切变换量，b为位错柏格斯矢量，L为位错环周长，D为波松比，A 为裂缝面面积，D为8R. 为了具体地算出氢压，以图4所示的裂缝作为例子.取a=0.5429nm,b=22 a/2=0.3838nm,v=0.266,μ=7.5MPa,t(700℃)=49MPa,量出R=0.01mm,n=114, 代人上式得到裂缝中的氢压P代n)的数量级为l03MPa. 2.3 氢缺陷消除途径及其在电力电子器件中的应用 (1)硅片热处理 把3种区熔工艺方法（常规、后热、后冷)生长的单晶各切成Im的薄片，装人硅 舟，在1000℃保温1h,然后化学浸蚀和金相方法在试样厚度的1/2处检查缺陷，经过近100 个试样的重复实验，得到常规方法下整个硅片上缺陷>3个；后热方法下整个硅片上缺陷 ≤2个；在后冷方法下整个硅片上未发现缺陷· 这些结果表明，后冷区熔工艺生长的硅单晶，切成1m的硅片，进行热处理将观察不

北 京 科 技 大 学 学 报 表 1 不同温度下氮在硅中的溶解 度 1望赶i 年 N b . 1 温度 / ℃ 义洲) 1 0 汉】 1 2(X) 1〕田) 1喇叉) 14加 * 按文献 【7] 计算浓度 /% 原子 /rm 一 ’ 按文 献 【8] 计算浓度 原子 /cIn 一 3 10v101010 XX 40OR ,` .之4.23L 1010 X .36.40.17 5 · 3 乙 0 . 4另 一 6 一 6 一 5 一 5 1 . 8 x 10 1` 1 . 8 x 10 15 8 . 5 x l 口 5 2 . 7 x l口 6 又3 x l理 9 * 液态硅 , 其余为固态硅 脉 冲 气 相 色 谱测 量 硅 中 氢 的浓 度 结 果 表 明 在 含 氢 区 熔 硅 单 晶 中 氢 的 浓 度 一 般 在 l . 75 x or 一 , % 一 .4 80 x l 0 一 3 % 范 围 , 该值 比表 1计算的结果要 大得 多 , 说明含氢 区熔硅 中的氢 是 过饱和 的 , 其 浓度 已 与直 拉硅 中的氧 浓度 在 同 一数 量 级上 , 并 且 主要 以 硅 一 氢 键的形 态存 在 于硅 的 四 面体间 隙 、 八面体 间隙和反 键间隙之 中14] . 虽然过 饱和 , 但 氢并未破坏硅 的结构 , 故 原 生硅单晶 观察 不到 氢致缺 陷 ; 当硅 一 氢键在 5 0 ℃ 再热 处理 时 即 开 始 断裂 , 过 饱和度 很 高 的氢原 子将 脱溶分解 , 聚集 成氢 泡 , 而 氢泡 中分子 态氢 的 内压力则 成为带 状 、 裂缝和放出棱柱 位错 的推动 力 , 形成压 印棱 柱位错 环 , 氢泡渐 渐 由圆变 扁「5 ] . (2 ) 裂缝中氢 的压力 的计算 用于 计算氢压 最有 利 的情 况是 仅在 一个方 向放 出位 错 的裂 缝 . 如像 图 4 所示 被裂 缝 面 印 压 出来 的棱柱 位错 环在 氢压推力 、 位错 环之 间的相互 排斥 力及 晶格 摩擦 阻力 的共 同作用下 形 成位 错环 的塞 集群 . 随着裂缝表 面积 的移 动 , 位错 环数 目的增 加从而使 位错 群 的总能量 有所 增加 . 如 果忽 略相 对小得 多 的裂缝表 面积 增大 引起 的表 面能变 化 , 根 据 文献【6 ] , 当位 错环 间 距 比 位错 环半 径小很 多 时 , 位 错环 的 自能 和相 互作 用与 直线形 位错 的相 应关 系式 近似 , 可 以 把位错 应力 场 的有效 距 离取为 SR , R 为位错环半径 . 由直线形位错塞积群总能量 导 出裂 缝 中的 氢压 为: P ( n ) = 3 1 / Z n 拼b Z无 2 二 a ( l 一 v ) A 4 拼( l 一 v ) T e ’ / , D 拼 b 式 中 n 为位错 环数 , 拜 为切 变换 量 , b 为位错 柏格 斯矢 量 , L 为位 错环 周长 , 。 为 波松 比 , A 为裂缝面面积 , D 为 S .R 为 了 具 体 地 算 出 氢 压 , 以 图 4 所 示 的 裂 缝 作 为 例 子 . 取 a 二 0 . 5 42 9 力rL n , b = 21 2 a 2/ = 0 . 3 8 3 8 n rL n , v = 0 . 2 6 6 , 拜 = 7 . 5 M aP , : (7 X() oC ) = 4 9 M aP , 量 出 R = 0 . o l m , n = 1 14 , 代入 上式 得到 裂缝中 的氢压 代n) 的数量级 为 1护 M aP . 2 3 氮缺陷消 除途 径及其 在电力 电子器 件 中的应 用 ( l) 硅片 热处理 把 3 种 区 熔工 艺 方 法 (常 规 、 后 热 、 后 冷 ) 生 长 的单 晶各 切 成 l l n nn 的薄 片 , 装人 硅 舟 , 在 1X( H) ℃ 保温 】h , 然后 化学浸 蚀和金相 方法 在 试样厚 度 的 1 / 2 处检查 缺 陷 , 经 过近 10 个试样 的重 复实 验 , 得到 常规方 法下整 个 硅 片上 缺 陷 > 3 个 ; 后 热 方 法 下 整 个 硅 片 上 缺 陷 簇 2 个 ; 在 后冷 方法 下整 个硅 片上 未发 现缺 陷 . 这些 结果 表 明 , 后 冷 区熔 工 艺生长 的硅 单晶 , 切 成 l r n刀n 的硅 片 , 进行 热处理将观察 不

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北 京 科 技 大 学 学 报 表 1 不同温度下氮在硅中的溶解 度 1望赶 i年 N b . 1 温度 /℃ 义洲) 1 0汉】 1 2X() 1〕田) 1喇叉) 14加 * 按文献 【7] 计算浓度 /% 原子 /mr 一 ’ 按文 献 【8] 计算浓度 原子 /ncI 一 3 v10101010 XX OR40 ,` .之4.23L 1010 X .36.40.17 5 · 3 乙 0 . 4另 一 6 一 6 一 5 一 5 1 . 8 x 10 1` 1 . 8 x 10 15 8 . 5 x l 口 5 2 . 7 x l口 6 又3 x l理 9 * 液态硅 , 其余为固态硅 脉 冲 气 相 色 谱测 量 硅 中 氢 的浓 度 结 果 表 明 在 含 氢 区 熔 硅 单 晶 中 氢 的 浓 度 一 般 在 l . 75 x or 一 , % 一 .4 80 x l 0 一 3 % 范 围 , 该值 比表 1计算的结果要 大得 多 , 说明含氢 区熔硅 中的氢 是 过饱和 的 , 其 浓度 已 与直 拉硅 中的氧 浓度 在 同 一数 量 级上 , 并 且 主要 以 硅 一 氢 键的形 态存 在 于硅 的 四 面体间 隙 、 八面体 间隙和反 键间隙之 中14] . 虽然过 饱和 , 但 氢并未破坏硅 的结构 , 故 原 生硅单晶 观察 不到 氢致缺 陷 ; 当硅 一 氢键在 5 0 ℃ 再热 处理 时 即 开 始 断裂 , 过 饱和度 很 高 的氢原 子将 脱溶分解 , 聚集 成氢 泡 , 而 氢泡 中分子 态氢 的 内压力则 成为带 状 、 裂缝和放出棱柱 位错 的推动 力 , 形成压 印棱 柱位错 环 , 氢泡渐 渐 由圆变 扁「5 ] . (2 ) 裂缝中氢 的压力 的计算 用于 计算氢压 最有 利 的情 况是 仅在 一个方 向放 出位 错 的裂 缝 . 如像 图 4 所示 被裂 缝 面 印 压 出来 的棱柱 位错 环在 氢压推力 、 位错 环之 间的相互 排斥 力及 晶格 摩擦 阻力 的共 同作用下 形 成位 错环 的塞 集群 . 随着裂缝表 面积 的移 动 , 位错 环数 目的增 加从而使 位错 群 的总能量 有所 增加 . 如 果忽 略相 对小得 多 的裂缝表 面积 增大 引起 的表 面能变 化 , 根 据 文献【6 ] , 当位 错环 间 距 比 位错 环半 径小很 多 时 , 位 错环 的 自能 和相 互作 用与 直线形 位错 的相 应关 系式 近似 , 可 以 把位错 应力 场 的有效 距 离取为 SR , R 为位错环半径 . 由直线形位错塞积群总能量 导 出裂 缝 中的 氢压 为: P ( n ) = 3 1 / Z n 拼b Z无 2 二 a ( l 一 v ) A 4 拼( l 一 v ) T e ’ / , D 拼 b 式 中 n 为位错 环数 , 拜 为切 变换 量 , b 为位错 柏格 斯矢 量 , L 为位 错环 周长 , 。 为 波松 比 , A 为裂缝面面积 , D 为 S .R 为 了 具 体 地 算 出 氢 压 , 以 图 4 所 示 的 裂 缝 作 为 例 子 . 取 a 二 0 . 5 42 9 力rL n , b = 21 2 a 2/ = 0 . 3 8 3 8 n rL n , v = 0 . 2 6 6 , 拜 = 7 . 5 M aP , : (7 X() oC ) = 4 9 M aP , 量 出 R = 0 . o l m , n = 1 14 , 代入 上式 得到 裂缝中 的氢压 代n) 的数量级 为 1护 M aP . 2 3 氮缺陷消 除途 径及其 在电力 电子器 件 中的应 用 ( l) 硅片 热处理 把 3 种 区 熔工 艺 方 法 (常 规 、 后 热 、 后 冷 ) 生 长 的单 晶各 切 成 l l n nn 的薄 片 , 装人 硅 舟 , 在 1X( H) ℃ 保温 】h , 然后 化学浸 蚀和金相 方法 在 试样厚 度 的 1 / 2 处检查 缺 陷 , 经 过近 10 个试样 的重 复实 验 , 得到 常规方 法下整 个 硅 片上 缺 陷 > 3 个 ; 后 热 方 法 下 整 个 硅 片 上 缺 陷 簇 2 个 ; 在 后冷 方法 下整 个硅 片上 未发 现缺 陷 . 这些 结果 表 明 , 后 冷 区熔 工 艺生长 的硅 单晶 , 切 成 l r n刀n 的硅 片 , 进行 热处理将观察 不

·54· 北京科技大学学报 1996年No.1 3 结论 (I)在氢气氛下拉制的区熔硅单晶中，氢呈过饱和态，在原生晶体中氢主要以Si一H键态 存在于晶体间隙中，不破坏硅的晶体结构，一般观察不到氢缺陷和氢沉淀；当硅棒于 500℃以上热处理时，Si一H键断裂，氢在硅中聚集，在内部氢压的作用下逐渐发展成带状和裂 缝，并且在600℃以上产生印压位错.充分发展的典型氢致缺陷是位于{111}面上近扁圆 形裂缝沿着与裂缝相交的3个<110>方向放出棱柱位错环， (2)根据裂缝旁边塞积的位错环数目，算出其中氢压的数量级达到I03MPa. (3)采用后冷区熔工艺，晶体冷却速度控制在12.4℃mm、厚度小于1mm的硅片，再热 处理将观察不到氢致缺陷；中照后的区熔（氢）硅单晶，经940℃/0.5h热处理，微缺陷氢 沉淀也将消除，用无氢沉淀的硅片制备电力电子器件管芯等级合格率在80%以上· 致谢肖志纲、苑联雨、赵慧霞参加了部分实验，原子能院陈炳贤对硅单晶进行了中子辐照，清华大学电 力电子厂王培清同志、冶金部自动化院郑慧秀同志制作了功率器件，在此一并致谢， 参考文献 1 Sugita Y,硅晶体中缺陷结构的X一射线观察，J Appl Phys,1965(4分962~974 2 Yukimoto Y.在硅晶体中观察到的异常缺陷的来源和结构.Japan J Appl Phys.1968(4纱348~357 3崔树范等.硅单晶中的硅氢键和氢致缺陷.中国科学，A辑，1983(11火1033~1042 4崔树范等.硅单晶中硅氢键的存在及其影响.物理学报，1979(6：791~795 5蒋柏林等.氢气氛区榕硅单晶热处理缺陷形成机理.物理学报，1980(10吵1283~1291 6 Hirth J P,Lothe J.Theory of Dislocations.Mlcgraw-Hill.1968 7曹志荣等.稀有金属手册（上）.北京：冶金工业出版社，192 8 Papazian H.气体在硅中的渗透、溶解和扩散.J Appl Phys,I9S6(2)I561~I571 Removal of the Hydrogen Induced Defects Microdefects in FZ(H)Silicon and Application in Thyristors Chen Yansheng Liu Guirong Li Huaixiang Department of Physical Chemistry,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Monocrystalline dislocation-free silicon is grown by FZ in pure hydrogen atmos- phere.Defects including microdefects can not be observed in as-grown monocrystalline dislocation-free silicon afteretching.But hydrogen induced defects and microdefects in FZ(H)Si will be always observed as FZ(H)Si rod after annealing.In order to remove the hydrogen induced defects and microdefects,the as-grown FZ(H)Si rod had to cut into the wafer which thickness is less than Imm or NTD FZ(H)Si wafer is treatmented at the 940 C /0.5h.The qualified ratio was greater than 80%in the application of msnufacturing thyristors. KEY WORDS monocrystalline silicon,hydrogen,precipitation

· 抖 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19天 i年 N O . 1 3 结论 ( )l 在氢 气 氛下拉 制 的区 熔硅 单 晶 中 , 氢呈 过饱和态 , 在 原生晶体中氢主要以 is 一 H 键态 存 在 于 晶 体 间隙 中 , 不 破 坏 硅 的 晶 体结 构 , 一 般 观 察 不 到 氢 缺 陷 和 氢 沉 淀 ; 当 硅 棒 于 50 ℃ 以 上 热处理时 , is 一 H 键断裂 , 氢在硅 中聚集 , 在 内部氢压的作用 下逐渐发展成带状和裂 缝 , 并且 在 6 0 ℃ 以 上产 生印 压位错 . 充 分发 展 的典型 氢致缺 陷是 位 于 { 1 11} 面 上 近扁 圆 形裂 缝沿 着 与裂缝 相交 的 3 个 < l or > 方 向放 出棱 柱位错 环 . (2 ) 根 据裂缝旁边塞 积的位 错 环数 目 , 算 出其 中氢压 的数量 级达 到 10 , M aP . (3 ) 采 用后冷 区 熔工 艺 , 晶体冷却速度控制在 12 .4 ℃ 知 m 、 厚度小 于 1 ~ 的硅 片 , 再 热 处理 将观 察不 到氢致 缺 陷 ; 中照 后 的 区 熔 (氢 ) 硅 单 晶 , 经 9 4D ℃ 0/ .s h 热 处 理 , 微 缺 陷氢 沉淀 也将 消除 . 用 无氢沉 淀 的硅 片制备电力 电子器 件管 芯等级合 格率 在 80 % 以上 . 致谢 肖志纲 、 苑联雨 、 赵慧霞参加 了部分实验 , 原子能院陈炳 贤对硅单晶进行 了 中子 辐 照 , 清华大 学 电 力 电 子厂 王培 清同志 、 冶金部 自动化院郑慧秀 同志 制作了 功率器件 , 在此一 并致谢 . 参 考 文 献 Sguj at Y . 硅晶体 中缺陷结构的 X 一 射 线观察 . J AP IP P h岁 , l % 5 (4) : % 2 一 9 74 Y uk 加的ot Y . 在硅 晶体 中观察到的异常缺陷的来源和结构 . 」却翻 J AP IP P h” . 1968 (4) : M S 一 357 崔树 范等 . 硅单 晶 中的硅氢键和 氢致缺陷 . 中国 科学 , A 辑 , 198 3 ( 1 :1) 103 一 l俱2 崔树 范等 . 硅单 晶 中硅氢键的 存在及其影响 . 物理学 报 , 19 7 9 均二 79 1一 795 蒋柏林等 . 氢气氛 区熔硅单晶热处理缺陷形成机理 . 物理学报 . 19 80 ( 1:0) 128 3 一 1 29 1 H id h J P , 切hte J 厂11切ry of D 15 1附iot 佰 . 树电爪w 一 H il . 11汉沼 曹志 荣等 . 稀有金 属手册 (上 ) . 北京 : 冶 金工 业出版社 , 1卯2 h P叼 an H . 气体在硅 中 的渗透 、 溶解和 扩散 . J AP PI hP ” , 1956 (2 升 156 1一 15 71 R e f lo va l o f the H y d r o g e n I n d u ce d M i c r o de 丘℃st i n F Z 归) S i li co n a nd AP P l ica t i o n i n hT y r is t o sr C h en aY ns h en g L 故 uG 砚r 。刀g 刀 月“ ia x at ng 众P a rt me n t o f P h ys i e a l C h e 而 s t yr , U S T B , B e i j i n g 1 0 00 8 3 , P R C A 硬汀R A C I , M o n o a 了s at l ine d is fo ca t io n 一 丘比 s il ico n 15 g or wn b y F Z in P uer h yd or g e n a t lr 幻s - hP er . L 兄七允 i n c lud ing ha cor d e 七允 ca n 加t be o h 记vr ed in as 一 g or wn noI no c yr s at l i n e d i s l o ca t i o n 一 fr e e s ili e o n a ft e r e t e h i n g . B u t h y d r o g e n i n d u ce d d e fe e t s a n d 而 e r o d e fe e t s i n F z (H ) 5 1 w ill b e a lw a y s o b s e r v e d a s F z (H ) 5 1 r o d a ft e r a n n e a li n g . I n o r d e r t o r e m o v e t h e h y d r o g e n i n d u e d d e fe e t s a n d 而 e r o d e fe c t s , t h e a s 一 g r o wn F 双H ) 5 1 r o d h a d t o e u t i n t o t h e w a fe r w h i c h t h i e k n e s s 1 5 l es s t h a n l nmr o r N T D F Z (H ) 5 1 w a fe r 1 5 t r e a tme n t e d a t t h e 9 4() oC / 0 . 5 h . T h e q u a liif e d r a t i o w a s g r e a t e r t h a n 8 0 % i n t h e a P P lica t i o n o f ms n u af e t u r i n g t h y r i s t o sr . K E Y W O R D S mo n o c yr s at lli n e s il co n , h dy or g en , p叨p iat t io n