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

Abstract

Исследовались МОП-структуры Al/SiO_2/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 SiO_2 – 420 нм. Толщина осажденного поверх SiO_2 слоя алюминия – 0,7 мкм. Площадь алюминиевой металлизации – 1,85 × 1,85 мм^2. При комнатной температуре структуры облучались ионами гелия (кинетическая энергия одного иона 5 МэВ). Флюенс облучения варьировался от 10^10 до 10^13 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 ≤10^12 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 SiO_2/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 10^12 см^−2 сдвигается в сторону меньших энергий вплоть до eψ ≈ EF – 0,2 эВ. В облученных структурах на зависимости N_ss(eψ) появляется второй максимум в области eψ > 0. Для флюенса облучения 10^12 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 Ue при постоянном значении напряжения заполнения U_p и/или варьирования напряжения заполнения U_p при постоянном значении напряжения эмиссии U_e.