УДК 621.315; 539.2
ЗАХАРОВ А.Г., КОЛПАЧЕВ А.Б., АРЗУМАНЯН Г.В.
ЭЛЕКТРОННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ КРЕМНИЯ
С ТОЧЕЧНЫМИ И ПЛОСКИМИ ДЕФЕКТАМИ
Таганрогский государственный радиотехнический университет, 347928, Таганрог, ГСП-17А, пер.
Некрасовский, 44, тел.: (86344) 61663; e-mail: egf@tsure.ru
Одной из основных задач современной микроэлектроники, является создание
и изготовление сверхскоростных интегральных схем (ИС), способных обрабатывать
все возрастающий объем информации в различных сферах деятельности человека. С
этой точки зрения особый интерес представляют активные элементы из
чередующихся тонких (≈1-5 нм) слоев полупроводника и металла, получивших
название транзисторов с металлической базой. К материалу базы предъявляется
целый ряд требований, связанных как с условиями токопереноса через базу, так и
определяемых технологией изготовления транзистора. Этим требованиям
удовлетворяют такие металлы как вольфрам, титан, тантал, молибден и другие.
Отсутствие надежных данных об электронном энергетическом строении
(ЭЭС) гетероструктур, содержащих тонкие слои металла, не позволяет строить
достоверные физические модели элементов ИС, сформированных на основе таких
структур, а следовательно выбирать оптимальные технологические режимы их
формирования.
Для теоретического исследования ЭЭС кремния выбран метод, основанный на
кластерном варианте теории многократного рассеяния электронной волны на
системе кристаллических muffin-tin (МТ) потенциалов. На основе данного метода
разработан универсальный комплекс программ на языке программирования
Фортран-90, обеспечивающий возможность исследования локальных изменений
электронного
строения
твердого
тела,
обусловленных
различными
кристаллографическими дефектами.
Для применения данной методики к исследованию ЭЭС кремния с
кристаллографическими дефектами необходимо было получить модель ЭЭС
бездефектного кремния, которая наиболее полно отражает его особенности.

Соответственно были выполнены расчеты ЭЭС бездефектного кремния в рамках
различных моделей распределения потенциала и проведено сравнение полученных
спектров с известными литературными данными.
Анализ
результатов
вычислительных
экспериментов
показал,
что
принципиальных отличий в расчетных спектрах, при рассмотрении кластеров из 87
и более атомов, не имеется. Вместе с тем, увеличение числа атомов в кластере
приводит к существенному увеличению времени расчета. Вследствие этого, в
качестве модели, применяемой для исследования ЭЭС кремния с дефектами, выбран
кластер, состоящий из 87 атомов, с зарядами МТ-сфер, равными заряду сферы
радиуса 0.260 постоянной решетки кремния (0.543 нм) и обменным потенциалом в
приближении локального функционала электронной плотности.
С целью апробации разработанной методики, было исследовано влияние
точечных дефектов (структурной вакансии, атомов замещения и дефектов типа
структурная вакансия + атом замещения металла, связанных с атомами титана или
вольфрама) в кремнии на его ЭЭС. Все исследования проводились без учета
релаксаций кристаллической решетки кремния, вызванные дефектами.
Расчеты ЭЭС кремния, содержащего структурную вакансию, показали, что ее
присутствие приводит к существенным изменениям ЭЭС близлежащих к ней атомов
кремния (Si). В частности, в области запрещенной зоны кремния возникают
дополнительные электронные состояния, связанные как с p-состояниями атомов Si
(Еv + 0.2 эВ.), так и с p-состояниями вакансии (Ес - 0.2 эВ). Эти результаты
находятся в хорошем согласии с теоретическими и экспериментальными данными и
объясняются понижением симметрии ближайшего окружения в области
структурной вакансии.
Исследования ЭЭС кремния, содержащего атом замещения титана или
вольфрама, показали, что в запрещенной зоне кремния не возникают глубоких
энергетических уровней (ГУ). На основе этих результатов высказано
предположение, что атомы d-металлов в замещающей позиции не создают ГУ в
кремнии, а наблюдаемые в экспериментах ГУ, скорее всего, связаны с более
сложными дефектами, в состав которых входит примесный атом металла.

С комплексом структурная ваканси+примесный атом замещения титана, в
кремнии связано два ГУ: Ec - 0.30 эВ, обусловленный p-состояниями Si и d-
состояниями титана, и Ec - 0.51 эВ обусловленный p-состояниями титана и d-
состояниями вакансии. С комплексом структурная вакансия + примесный атом
замещения вольфрама связан один ГУ - Ec - 0.24 эВ, обусловленный d-состояниями
вольфрама и p-состояниями атомов Si. Эти результаты также находятся в хорошем
согласии с экспериментальными DLTS спектрами.
В работе исследовалось ЭЭС и распределение кристаллического потенциала
следующих
гетероструктуры:
кремний-моноатомный
слой
вольфрама
(100)-кремний (Г1); кремний-моноатомный слой титана (110)-кремний (Г2);
кремний-титан-кремний, с различной толщиной металлического слоя (два (Г3),
четыре (Г4) или шесть (Г5) монослоев). Модели рассматриваемых гетероструктур
представляли собой кристаллический кремний, в котором одна или несколько его
атомных плоскостей замещены атомами металла. При этом рассматривались
различные, по отношению к границе раздела кремний-металл, атомы кремния и
металла. Для расчета ЭЭС атома данного типа строился кластер с центром на
рассматриваемом атоме. В состав этого кластера входили как атомы металла, так и
атомы кремния из областей, прилежащих к металлическому слою. Такой подход
позволил учесть влияние атомов всех типов, составляющих ближнее окружение
данного атома, а следовательно, прослеживать локальные изменения ЭЭС
различных атомов кремния в гетероструктре.
Результаты исследований показали, что во всех указанных гетероструктурах
электронное строение атомов кремния, расположенных на расстоянии ≥1.2
постоянных решетки от границы раздела металл-полупроводник, не отличается от
ЭЭС кристаллического кремния, а у атомов двух-трех близлежащих к границе
раздела атомных плоскостей кремния отсутствует запрещенная энергетическая зона
между состояниями, соответствующими валентной зоне и состояниями,
соответствующими зоне проводимости, что может привести к существенному
увеличению электропроводности этих слоев.
Распределение потенциала в этих гетероструктурах имеет достаточно
сложный вид. Атомы металла, близлежащие к границе раздела металл-кремний,

скорее всего, образуют потенциальную яму глубиной 1.25 эВ, 0.95 эВ, 0.78 эВ и 0.75
эВ (соответственно для Г2, Г3, Г4 и Г5) относительно потенциала атомов
бездефектного кремния. По краям этой потенциальной ямы, из-за различия
электронного строения атомов двух-трех близлежащих к границе раздела атомных
плоскостей кремния, возникает тонкий переходной слой с повышенным значение
потенциала (1.3 эВ, 0.328 эВ, 0.325 эВ, 0.324 эВ, и 0.323 эВ, соответственно для Г1,
Г2, Г3, Г4 и Г5). В гетероструктурах Г5 и Г6 внутри потенциальной ямы возникает
потенциальный барьер высотой ≈0.15 эВ и ≈0.32 эВ соответственно для Г4 и Г5. Эти
результаты, свидетельствуют о некорректности общепринятой энергетической
модели гетероструктуры в виде прямоугольной потенциальной ямы, при
прогнозирования их электрофизических свойств.