Влияние примесных атомов родия и иридия на ёмкостные характеристики Si-SiО2 структур

Известно [1], что взаимодействие атомов примеси, введенной в полупроводниковую подложку с собственными дефектами переходного слоя на границе раздела полупроводник - диэлектрик может существенным образом влиять на её электрофизические характеристики. Исследования влияния амфотерных примесей родия (Rh) и иридия (Ir) на характеристики границы раздела кремний-диоксид кремния, получаемой термическим окислением поверхности Si показывают, что легирование полупроводниковой подложки атомами этих элементов позволяет управлять свойствами границы раздела Si-SiO2 [2,3]. Поскольку атомы Rh и Ir имеют сходную конфигурацию внешних электронных оболочек (4d8 и 5s1 для Rh и 5d7 6s2 для Ir) и близкие значения ионных радиусов (порядка 0,65 Å) [4] можно предположить, что взаимодействие этих примесей с дефектами полупроводниковой подложки и переходного слоя МДП структур должны определяться одними и теми-же механизмами.

В связи с этом в данной роботе приводится результаты исследований влияния Rh и Ir на ёмкостные характеристики МДП структур. Исследуемые образцы формировалась при термическом окислении кремниевой подложки, предварительно легированной примесями Rh и Ir. Окисление проводилось в хлорсодержащей среде при температуре 900°С. Толщина полученного слоя SiO 2 составляла 900-1000 А. Управляющий электрод диаметром 2 мкм² наносился на поверхность SiO₂ путем вакуумного напыления алюминия. На противоположной стороне структуры формировались омические контакты к кремниевой подложке. В качестве подложки использовались пластины n-Si марки КЭФ-15 с кристаллографической ориентацией (100).

Измерение электрофизических характеристик границ раздела полученных образцов проводились при помощи методов высокочастотных C-V характеристик изотермической релаксации ёмкости. Для выявления эффектов, связанных с влиянием примеси Rh и Ir те же измерения, проводилось и для контрольных структур, изготовленных путем аналогичных термообработок и окисления на основе нелегированного кремния.

Исследования показали, что в легированных структурах темновые С-V характеристики сдвинуты, по сравнению с контрольными в сторону отрицательных напряжений (рис. 1), что свидетельствует об увеличение положительного заряда на границе раздела Si- SiO2.

Рис.1 С-V характеристики контрольных Рис. 2. Спектры распределения плотности МОП-структур  (кривая 1) и структур поверхностных  состояний  по ширине легированных родием (кривая 2) и иридием запрещенной    зоны    кремния    для

(кривая 3)                                  нелегированных  структур   (кривая 1), структур, легированных родием (кривая 2) и перидием (кривая 3)

На рис.2 приведены спектры распределения плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны кремния легированных Rh и Ir и контрольных структур. Из представленных зависимостей видно, что введение примесей Rh и Ir в кремниевую подложку ведет к увеличению значений плотности поверхностных состояний и усложнению спектра их распределения.

Так, в структурах с примесью родия наблюдаются локальные пики в распределении плотности поверхностных состояний при энергиях Ес -0,16 ±0,03 эВ, Ес - 0,34±0,03 эВ и Ес - 0,55 ±0,03 эВ, а в структурах с примесью иридия аналогичные пики наблюдаются при энергиях Ес - 0,33 ± 0,03 эВ и Ес -0,55 ±0,03 эВ. Следует заметить, что высота пиков в легированных структурах меняется от образца к образцу в пределах 40÷50%, что указывает на неоднородность параметров приповерхностного слоя у границы раздела Si-SiО2. Также обращает на себя внимание совпадение значений энергий, при которых наблюдаются максимумы в распределении плотности состояний и близкие по абсолютным значениям изменения величины поверхностного заряда в структурах, легированных Rh и Ir, что подтверждает высказанное ранее предположение о сходных механизмах, определяющих поведения указанных примесей в переходном слое у границы раздела. Кроме того, энергетическое положение максимумов плотности поверхностных состояний в легированных структурах совпадает с приведенными в [5] значениями энергии ионизации примесных центров, создаваемых родием и иридием в запрещенной зоне Si (Ес-0,33 и Ес-0,55 для Rh и Ес-0,32 и Ес-0,58 для Ir). Это указывает на примесный характер данных пиков, обусловленных наличием атомов Rh и Ir на границе раздела Si-SiО2. Наличие же максимума плотности поверхностных состояний при энергиях Ес-0,16 эВ может быть обусловлено собственными дефектами кремниевой подложки и переходного слоя у границы раздела (например, А-центрами), возникающими в процессе термообработки, связанных с диффузией примеси и термическим окислением.

Более высокая температура диффузии Rh приводит к увеличению концентрации таких дефектов. Поэтому в структурах, легированных Rh этот локальный максимум ярко выражен, а в структурах, легированных иридием практически отсутствует. Отметим также, что атомы примеси Rh и Ir могут создавать энергетические уровни и в нижней половины запрещенной зоны Si, однако их возникновение сильно зависит от условий диффузионного легирования, последующего охлаждения и термообработки [5]. Поэтому в спектре поверхностных состояний исследованных структур однозначное установление их не удается.

Таким образом, в результате проведенных исследований обнаружено, что легирование полупроводниковой подложки атомами Rh и Ir ведет к увеличению значений плотности поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2. Совпадение энергетического положения максимумов плотности поверхностных состояний с энергиями ионизации глубоких центров, создаваемых атомами Rh и Ir в запрещённой зоне Si, свидетельствует о том, что наблюдаемое увеличение поверхностного заряда обусловлено присутствием атомов примеси Rh и Ir в переходном слое на границе раздела Si-SiО2. Обнаруженная в кремнии разница между значениями локальных максимумов плотности поверхностных состояний и значениями скоростей поверхностной генерации свидетельствует о том, что поверхностные состояния, обусловленные наличием примеси Rh и Ir на границе раздела являются эффективными генерационными центрами. Более значительное увеличение поверхностных генерационных токов по сравнению с объемными в легированных структурах объясняется процессами перераспределения примеси в полупроводниковой подложке при ее термическом окислении.

Литературы

• [1] . Берман Л.С., Лебедев А.А. Ёмкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках Л.: Наука, 1981-176с.

• [2] . Власов С.И., Зайнабидинов С.З., Насиров А.А. Влияние ирридияя на тензочуствительность МДП-структур // Известия АН УзССР-1988, №2, С.58-60.

• [3] . Власов С.И., Насиров А.А., Зайнабидинов С.З., Парчинский П.Б., Абдуазимов В. Влияние протонного облучения на плотность поверхностных состояний в МДП-структурах с примесью Rh // Узбекский физический журнал-1994, №2, С.З 1-33.

• [4] . Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки М.: Метеллургия, 1990 - 336с.

• [5] . Акчурин Р.Х., Андрианов Д.Г., Берман Л.С. и др. Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями - под редакцией Фистуля В.И. М.: Металлургия, 1987 - 232 с.

"Экономика и социум" №6(85) 2021