Емкостная спектроскопия электронных состояний на границе раздела SiO₂/n-Si в облученных ионами гелия МОП-структурах

Исследовались МОП-структуры Al/SiO₂/n-Si/Al, изготовленные на пластинах (100) монокристаллического кремния n-типа проводимости, выращенного методом Чохральского. Удельное электрическое сопротивление кремния – 4,5 Ом · см при комнатной температуре. Толщина термически сформированного в сухом кислороде слоя SiO₂ – 420 нм. Толщина осажденного поверх SiO₂ слоя алюминия – 0,7 мкм. Площадь алюминиевой металлизации – 1,85 × 1,85 мм². При комнатной температуре структуры облучались ионами гелия (кинетическая энергия одного иона 5 МэВ). Флюенс облучения варьировался от 10¹⁰ до 10¹³ см⁻². По выполненным в программе SRIM расчетам средний проективный пробег иона гелия в структуре составлял ≈ 24 мкм. Измерения модуля импеданса Z и угла сдвига фаз φ между током и напряжением выполнялись в диапазоне частот от 20 Гц до 2 МГц на измерителе LCR E4980A. Амплитуда сигнала – 40 мВ. Постоянное напряжение смещения U изменялось в пределах от –40 до 40 В. МОП-структуры находились в темноте при комнатной температуре. Спектры DLTS регистрировались с помощью емкостного спектрометра СЕ-7С в диапазоне температур 80–300 К. Значения напряжения импульсов заполнения U_p ловушек электронами c-зоны и эмиссии U_e электронов из ловушек в c-зону n-Si изменялись в интервале от −0,5 до −9 В. Длительность импульса заполнения ловушек электронами составляла t_p = 0,75 мс, а эмиссии электронов из ловушек – t_e = 20 мс. Установлено, что для облученных ионами гелия флюенсами ≤10¹² см⁻² структур Al/SiO₂/n-Si/Al зависимость емкости от частоты в режиме обеднения определяется перезарядкой поверхностных электронных состояний на границе раздела SiO₂/n-Si. Показано, что в исходных структурах для быстрых (время перезарядки менее 1 мкс) поверхностных состояний зависимость энергетической плотности состояний N_ss от потенциальной энергии eψ электрона в n-Si вблизи границы раздела SiO₂/n-Si имеет максимум при eψ ≈ E_F – 0,1 эВ (здесь e – элементарный заряд, ψ – электрический потенциал, E_F – уровень Ферми). Этот максимум после облучения ионами гелия флюенсом 10¹² см⁻² сдвигается в сторону меньших энергий вплоть до eψ ≈ E_F – 0,2 эВ. В облученных структурах на зависимости N_ss(eψ) появляется второй максимум в области eψ > 0. Для флюенса облучения 10¹² см⁻² максимум расположен при eψ ≈ E_F + 0,1 эВ. Показана возможность исследования поверхностных состояний методом спектроскопии DLTS в выделенном энергетическом интервале путем варьирования напряжения эмиссии U_e при постоянном значении напряжения заполнения U_p и/или варьирования напряжения заполнения U_p при постоянном значении напряжения эмиссии U_e.

1. Sze, S. M. Physics of semiconductor devices / S. M. Sze, K. K. Ng. – Hoboken: Wiley, 2007. – X + 816 p. https://doi.org/10.1002/0470068329

2. Вавилов, В. С. Действие излучений на полупроводники / В. С. Вавилов, Н. П. Кекелидзе, Л. С. Смирнов. – М.: Наука, 1988. – 190 с.

3. Барабан, А. Н. Электроника слоев SiO2 на кремнии / А. Н. Барабан, В. В. Булавинов, П. П. Коноров. – Л.: Ленингр. ун-т, 1988. – 304 с.

4. Nicollian, E. H. The Si-SiO2 interface electrical properties as determined by metal-insulator-silicon conductance technique / E. H. Nicollian, A. Goetzberger // The Bell System Technical Journal. – 1967. – Vol. XLVI, № 6. – P. 1055–1133. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1967.tb01727.x

5. Белоус, А. И. Космическая электроника: в 2 кн. / А. И. Белоус, В. А. Солодуха, С. В. Шведов. – М.: Техносфера, 2015. – Кн. 2. – 488 с.

6. Емкость и электропроводность полупроводниковых структур на переменном токе: учеб. пособие / Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, Т. М. Лапчук, Д. А. Кириленко. – Минск: БГУ, 1997. – 62 с.

7. Комплексная электрическая емкость структур Al/SiO2/n-Si, облученных высокоэнергетическими ионами ксенона / Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, С. В. Шпаковский [и др.] // Опто-, микро- и СВЧ-электроника. – 2018: сб. науч. ст. I Междунар. науч.-техн. конф., Минск, Беларусь, 22–26 окт. 2018 г. / Ин-т физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси; ред.: Н. С. Казак, А. С. Чиж, В. В. Малютина-Бронская. – Минск, 2018. – С. 132–135.

8. Емкость в режиме сильной инверсии cтруктур Al/SiO2/n-Si, облученных ионами ксенона / Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, С. В. Шпаковский [и др.] // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. VIII Междунар. науч. конф., Минск, Беларусь, 10–11 окт. 2018 г. / БГУ; редкол.: В. Б. Оджаев (отв. ред.) [и др.]. – Минск, 2018. – С. 192–196.

9. Электрические потери в имплантированных ионами ксенона структурах Al/SiO2/n-Si / Н. И. Горбачук, Н. А. Пок лонский, С. В. Шпаковский [и др.] // Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2019): материалы 13-й Междунар. конф., Минск, Беларусь, 30 сент. – 3 окт. 2019 г. / БГУ; редкол.: В. В. Углов (отв. ред.) [и др.]. – Минск, 2019. – С. 139–142.

10. Influence of radiation defects on electrical losses in silicon diodes irradiated with electrons / N. A. Poklonski, N. I. Gor bachuk, S. V. Shpakovski [et al.] // Semiconductors. – 2010. – Vol. 44, № 3. – P. 380–384. https://doi.org/10.1134/S1063782610030188

11. Equivalent circuit of silicon diodes subjected to high–fluence electron irradiation / N. A. Poklonski, N. I. Gorbachuk, S. V. Shpakovski, A. Wieck // Technical Physics. – 2010. – Vol. 55, № 10. – P. 1463–1471. https://doi.org/10.1134/S1063784210100117

12. Диэлектрические потери структур Al/SiO2/n-Si, облученных электронами с энергией 3.5 МэВ / Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, С. В. Шпаковский [и др.] // Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2015): материалы 11-й Междунар. конф., Минск, Беларусь, 23–25 сент. 2015 г. / БГУ; редкол.: В. М. Анищик (отв. ред.) [и др.]. – Минск, 2015. – С. 136–138.

13. Электрическая емкость структур Al/SiO2/n-Si, облученных ионами гелия с энергиями 5 МэВ / Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, С. В. Шпаковский [и др.] // Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2016): сб. докл. Междунар. науч. конф., Минск, Беларусь, 22–25 нояб. 2016 г.: в 3 т. / НПЦ НАНБ по материаловедению; редкол.: Н. М. Олехнович (пред.) [и др.]. – Минск, 2016. – Т. 2. – С. 39–41.

14. Impedance spectroscopy: Theory experiment and applications / ed. by E. Barsoukov, J. R. Macdonald. – Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2005. – xviii + 596 p. https://doi.org/10.1002/0471716243

15. Lang, D. V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors / D. V. Lang // Journal of Applied Physics. – 1974. – Vol. 45, № 7. – P. 3023–3032. https://doi.org/10.1063/1.1663719

16. Dmitriev, S. G. Semiconductor surface potential relaxation in the MIS structure in the presence of convective currents in insulator and through its boundaries / S. G. Dmitriev // Semiconductors. – 2011. – Vol. 45, № 2. – P. 188–191. https://doi.org/10.1134/S1063782611020072

17. Давыдов, В. Н. Программа расчета параметров МДП-структуры по методу Термана / В. Н. Давыдов, П. Е. Троян, Н. Г. Зайцев // Известия Томского политехнического университета. – 2006. – Т. 309, № 8. – С. 47–51.

18. DLTS-спектроскопия радиационных дефектов в облученных ионами гелия структурах Al/Si3N4/n-Si / Н. И. Горбачук, Н. А. Поклонский, Е. А. Ермакова [и др.] // Прикладные проблемы оптики, информатики, радиофизики и физики конденсированного состояния: материалы седьмой Междунар. науч.-практ. конф., Минск, Беларусь, 18–19 мая 2023 г. / Ин-т приклад. физ. проблем им. А. Н. Севченко Белорус. гос. ун-та; редкол.: Ю. И. Дудчик (гл. ред.), И. М. Цикман, И. Н. Кольчевская. – Минск, 2023. – С. 272–274.

19. C–V and DLTS studies of radiation induced Si–SiO2 interface defects / I. Capan, V. Janicki, R. Jacimovic, B. Pivac // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 2012. – Vol. 282. – P. 59–62. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2011.08.065

20. Hara, T. DLTS analysis of interface and near-interface bulk defects induced by TCO-plasma deposition in carrier-selective contact solar cells / T. Hara, Y. Ohshita // AIP Advances. – 2024. – Vol. 14, № 1. – Art. ID 015202. https://doi.org/10.1063/5.0177685

21. Energy state distributions of the Pb centers at the (100), (110), and (111) Si/SiO2 interfaces investigated by Laplace deep level transient spectroscopy / L. Dobaczewski, S. Bernardini, P. Kruszewski [et al.] // Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 92, № 24. – Art. ID 242104. https://doi.org/10.1063/1.2939001

22. Traps at the bonded interface in silicon-on-insulator structures / I. V. Antonova, O. V. Naumova, D. V. Nikolaev [et al.] // Applied Physics Letters. – 2001. – Vol. 79, № 27. – P. 4539–4540. https://doi.org/10.1063/1.1428412

23. Ziegler, J. F. SRIM – The Stopping and Range of Ions in Matter / J. F. Ziegler, J. P. Biersack, M. D. Ziegler. – Chester, MD: SRIM Co., 2008. – 398 p.

24. Цифровой емкостный спектрометр СЕ-6 / H. H. Дедович, В. А. Кузьминых, А. Н. Лазарчик [и др.] // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. III Междунар. науч. конф., Минск, Беларусь, 25–26 сент. 2008 г. / БГУ; редкол.: В. Б. Оджаев (отв. ред.) [и др.]. – Минск, 2008. – С. 16–19.

25. Hazdra, P. Influence of radiation defects on formation of thermal donors in silicon irradiated with high-energy helium ions / P. Hazdra, V. Komarnitskyy // Materials Science and Engineering B. – 2009. – Vol. 159–160. – P. 346–349. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2008.10.008

26. Defect reactions associated with the dissociation of the phosphorus–vacancy pair in silicon / V. P. Markevich, O. Andersen, I. F. Medvedeva [et al.] // Physica B. – 2001. – Vol. 308–310. – P. 513–516. https://doi.org/10.1016/S09214526(01)00737-2