Емкостная спектроскопия электронных состояний на границе раздела SiO<sub>2</sub>/n-Si в облученных ионами гелия МОП-структурах

Горбачук Н. И.; Ермакова Е. А.; Поклонский Н. А.; Шпаковский С. В.

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

Горбачук Н. И., Ермакова Е. А.,

Поклонский Н. А., Шпаковский С. В.

2025

https://doi.org/10.29235/1561-2430-2025-61-1-34-46

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 Up ловушек электронами c-зоны и эмиссии Ue электронов из ловушек в c-зону n-Si изменялись в интервале от −0,5 до −9 В. Длительность импульса заполнения ловушек электронами составляла tp = 0,75 мс, а эмиссии электронов из ловушек – te = 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 Nss от потенциальной энергии eψ электрона в n-Si вблизи границы раздела SiO2/n-Si имеет максимум при eψ ≈ EF – 0,1 эВ (здесь e – элементарный заряд, ψ – электрический потенциал, EF – уровень Ферми). Этот максимум после облучения ионами гелия флюенсом 1012 см−2 сдвигается в сторону меньших энергий вплоть до eψ ≈ EF – 0,2 эВ. В облученных структурах на зависимости Nss(eψ) появляется второй максимум в области eψ > 0. Для флюенса облучения 1012 см−2 максимум расположен при eψ ≈ EF + 0,1 эВ. Показана возможность исследования поверхностных состояний методом спектроскопии DLTS в выделенном энергетическом интервале путем варьирования напряжения эмиссии Ue при постоянном значении напряжения заполнения Up и/или варьирования напряжения заполнения Up при постоянном значении напряжения эмиссии Ue.

Горбачук Н. И., Ермакова Е. А., Поклонский Н. А., Шпаковский С. В. Емкостная спектроскопия электронных состояний на границе раздела SiO₂/n-Si в облученных ионами гелия МОП-структурах. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук. 2025;61(1):34-46. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2025-61-1-34-46

Цитирование

Список литературы

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

Источник

Информация

Автор

Горбачук Н. И. Белорусский государственный университет
Ермакова Е. А. Белорусский государственный университет
Поклонский Н. А. Белорусский государственный университет
Шпаковский С. В. ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»

Страницы

34-46

Год издания

2025

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук

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

Источник

Информация

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