離子注入實驗報告

1、離子注入實驗報告 材料科學(xué)與工程 1 實驗?zāi)康模海?）了解離子注入原理，掌握注入完成后的退火儀器原理及操作。 （2）學(xué)會在樣品上制作歐姆接觸，四探針法測量樣品退火前后的薄層電阻；用熱電筆法測量退火前后樣品的導(dǎo)電類型，熟悉霍爾測量的原理和裝置。2 離子注入原理： 離子注入是利用某些雜質(zhì)原子經(jīng)離化后形成帶電雜質(zhì)離子，離子經(jīng)過一定的電場加速，直接轟擊靶材料實現(xiàn)摻雜或其他作用。一般的說,離子能量在15KeV的稱為離子鍍；0.1-50KeV稱作離子濺射；10幾百KeV稱為離子注入。離子注入在半導(dǎo)體摻雜領(lǐng)域有很多優(yōu)點：注入雜質(zhì)不受把材料固溶度的限制，雜質(zhì)的面密度和摻雜深度精確可控)，橫向擴散小，大面積均勻

2、性好，摻雜純度高，能夠穿透一定的掩蔽膜，在化合物半導(dǎo)體工藝中有特殊意義。同時離子注入還可應(yīng)用于金屬改性和加工，生物研究等領(lǐng)域。3離子注入設(shè)備離子注入設(shè)備通常由離子源、分析器、加速聚焦體系統(tǒng)和靶室等組成。如下圖所示：1離子源：由產(chǎn)生高密度等離子體的腔體和引出部分（吸極）組成。通常使用的有高頻等離子源、電子振蕩型等離子源（潘寧源）、雙等離子源等、雙彭源、轉(zhuǎn)荷型負(fù)離子源、濺射型負(fù)離子源等。2加速器：產(chǎn)生強的電場，將離子源出來的離子加速到所需要的能量。3分析器：離子分選器。離子源產(chǎn)生的離子束中往往有幾種離子。用分析器可以從這些離子中選擇出所需要的。磁分析器：在離子通道上加磁場，離子在磁場中偏轉(zhuǎn)。磁場一

3、定時離子在磁場中的運動半徑由離子的荷質(zhì)比和能量決定。讓選中離子的偏轉(zhuǎn)半徑正好可以準(zhǔn)直地進(jìn)入管道。4偏轉(zhuǎn)掃描離子注入機中應(yīng)該保持高真空。實際上其中不可避免的有殘留的氣體分子，離子在行進(jìn)過程中可能和其碰撞并且交換電荷變成中性原子。中性原子的能量、電荷屬性和離子不同，注入到靶材料上會引起注入不均勻。偏轉(zhuǎn)掃描是在離子束進(jìn)入靶室前給其施加電場，電場使其中的離子偏轉(zhuǎn)進(jìn)入靶室，中性原子則不被偏轉(zhuǎn)而不進(jìn)入靶室。從而去掉了中性粒子。5X,Y掃描器離子束束斑很小，一般只有微米量級。給離子束施加磁場或電場，使其在X,Y方向掃描。在靶上均勻掃描。6靶室放置、取出樣品。可以有給樣品加溫的裝置。4 實驗內(nèi)容： 由小組四人

4、合作完成以下內(nèi)容：（a）A角的任務(wù)：完成接收樣品；用四探針法測量樣品退火前后的薄層電阻；用熱電筆法測量退火前后樣品的導(dǎo)電類型。記錄：樣品的注入條件；樣品退火前后的薄層電阻；退火前后樣品的導(dǎo)電類型；上述活動中的現(xiàn)象。（b）B角的任務(wù)：熟悉退火儀器的原理和操作；操作退火裝置，完成樣品的退火；歸置退火裝置。B角應(yīng)該記錄：樣品的退火條件；退火過程。（c）C角的任務(wù)：練習(xí)在硅片上用銦制作歐姆接觸，能夠在正式樣品上制作出合格的歐姆接觸。C角應(yīng)該記錄上述活動的過程。（d）D角的任務(wù)：熟悉霍爾測量的原理和裝置；負(fù)責(zé)操作霍爾測量裝置測出樣品的數(shù)據(jù)。D角應(yīng)該記錄：樣品的薄層電阻；注入層載流子的面密度。41四探針及

5、冷熱筆測量4.1.1實驗樣品：P型Si襯底上注P。注入條件：E=20keV 、D=3*1014 atom/cm2、束流10mA、RP=253、RP=1194.1.2四探針法測量原理四探針法是經(jīng)常采用的一種測量半導(dǎo)體材料電阻率的方法，原理簡單，數(shù)據(jù)處理簡便。優(yōu)點在于探針與半導(dǎo)體樣品之間不必要求制備合金電極，這樣給測量帶來方便。四探針法是用針距約為1mm的四根金屬同時排成一列壓在平整的樣品表面上，如圖所示，其中最外部二根（1、4兩探針）與恒定電流源連通，由于樣品中有恒電流I通過，所以將在探針2、3之間產(chǎn)生壓降V。該電流I、壓降V與樣品方阻R 的關(guān)系為R 上式中C為修正因子，它與樣品的形狀及四探針的

6、位置有關(guān)，探針確定以后，對一定形狀的樣品，C就是一個常數(shù)。對于厚度為ts的薄片樣品，通常以方塊電阻來估計電阻率的高低，兩者之間有如下簡單關(guān)系：= Rts4.1.3冷熱筆測量原理從統(tǒng)計物理的角度，可以將平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體看作一個等溫、等容的系統(tǒng)。其中載流子和電離原子實構(gòu)成了一個電中性平衡系統(tǒng)。近似可以將載流子看成近獨立的電子氣或者是近獨立的空穴氣。當(dāng)給半導(dǎo)體的一部分區(qū)域加熱的時候，載流子就會由高溫區(qū)域向低溫擴散。相當(dāng)于給載流子系統(tǒng)施加了一個非靜電力，這個非靜電力推動載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域運動。由于載流子本身帶電，于是就會在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間形成電動勢。如果這時在半導(dǎo)體高溫和低溫

7、之間連接閉合回路，則回路中就出現(xiàn)電流。通過上面的分析我們知道，在半導(dǎo)體內(nèi)部，溫度差永遠(yuǎn)是驅(qū)動載流子從高溫端向低溫端流動。那么在外電路，應(yīng)該是載流子從低溫端流向高溫端。如果載流子主要是電子，在外電路就會有由低溫端到高溫端的電子流，即外回路中的電流由高溫端到低溫端。如果載流子主要是空穴，則外回路中的電流相反。冷筆和熱筆跟半導(dǎo)體接觸，在冷熱筆之間會有電流通過。通過冷熱筆之間的電流計顯示的電流方向就可以判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。4.1.4實驗步驟退火前后冷熱筆和四探針測量1、清洗樣品 (1)用酒精棉球輕輕擦洗樣品表面。 (2)將樣品用洗耳球吹干后夾出放在盛清水的燒杯里涮洗幾秒鐘。 (3)加一些水在一干凈的

8、塑料杯中。 (4)倒入少許（水的110到15）氫氟酸。 (5)將樣品夾著在里面涮5秒鐘左右。 (6)取出吹干。(7)將樣品用洗耳球吹干后夾出放在盛清水的燒杯里涮洗幾秒鐘。 (8)取出吹干。2、測量 (1)將熱筆通電加熱后斷電。先將冷筆和樣品接觸。 (2)再用加熱到足夠溫度的熱筆點一下樣品，可以看到萬用表數(shù)字變化。結(jié)合電路連接判斷出半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。四探針測量1清洗硅片2檢查儀器連接3抬高探頭，取下探頭保護(hù)套4將探頭降低固定5放置樣品6將探針壓緊樣品7調(diào)節(jié)電流，記錄電流、電壓數(shù)據(jù)8測量樣品尺寸，確定修正因子9計算樣品方塊電阻4.1.5實驗記錄和數(shù)據(jù)處理：1、 退火之前的冷熱筆和四探針測量冷熱筆測

9、量結(jié)果：-70mV說明載流子類型為p型L=1cm、a=0.7cm C取4.0095四探針數(shù)據(jù)如下表:V(mV)5.25.55.86.2平均5.66I(A)30.0050.3560.4070.15平均52.73R=4.0095*5660/52.73=430.42、 退火之后的冷熱筆和四探針測量冷熱比測量結(jié)果：23mV說明載流子類型為n型四探針數(shù)據(jù)如下表:V(mV)3.84.85.76.7平均5.25I(A)50.0060.1670.1380.13平均65.11R=4.0095*5250/65.11=323.34.1.6結(jié)果分析：退火之前用冷熱筆測量結(jié)果顯示載流子為P型，說明Si中注入的P并未被激

10、活，退火后冷熱筆測量結(jié)果顯示載流子為n型，說明在退火過程中間隙雜質(zhì)運動到晶格位置能夠為半導(dǎo)體穩(wěn)定提供載流子，注入離子得到激活，退火后樣品的方塊電阻減小，說明退火過程中遷移率得到恢復(fù)。42退火操作原理及過程1退火及其作用將樣品加熱到一定溫度，并且保持一定時間的工藝稱為退火。退火工藝有著廣泛的應(yīng)用。在一定的高溫下，離子注入樣品中的穩(wěn)定的缺陷群可以分解成結(jié)構(gòu)比較簡單的缺陷；缺陷能以比較高的速度移動，逐漸湮滅或者被晶體中的位錯、雜質(zhì)或表面吸收。非晶層存在時，晶體可以沿著“晶體非晶層” 界面生長。消除缺陷，恢復(fù)晶格是退火的作用之一。在退火過程中間隙雜質(zhì)運動到晶格位置能夠為半導(dǎo)體穩(wěn)定提供載流子。激活雜質(zhì)是

11、退火的作用之二。2退火的方式（1）熱退火給樣品加熱升溫達(dá)到退火的目的稱為熱退火。特點：成本低；退火時間長；晶格恢復(fù)不太好、雜質(zhì)擴散嚴(yán)重。（2）激光退火激光照射樣品使其加溫達(dá)到退火的目的稱為激光退火。分為脈沖激光退火和連續(xù)激光退火。激光脈沖退火的機理是：脈沖激光照射樣品，樣品表層經(jīng)歷如下過程：短時間內(nèi)溫度升高熔化冷卻再結(jié)晶固-液表面推進(jìn)到表面。從而使晶格恢復(fù)，雜質(zhì)激活。脈沖激光退火的特點：雜質(zhì)的電激活率高；損傷恢復(fù)好；效率低。連續(xù)激光退火的機理：固相外延再結(jié)晶。連續(xù)激光退火的特點：退火過程中雜質(zhì)分布發(fā)生變化很小，某些效果比熱退火好；效率低。（3）電子束退火機理和連續(xù)激光退火一樣。分為脈沖電子束和

12、連續(xù)電子束退火。比較激光退火，電子束退火的束斑均勻性好，能量轉(zhuǎn)換效率高；可能在樣品中引入缺陷，使用受限制。（4）紅外快速等溫退火和白光快速退火在真空中將石墨塊加熱到12001300作為紅外源，樣品在紅外光的照射下迅速被加熱達(dá)到退火的目的。白光快速退火指用大功率白熾燈作為加熱源加熱樣品達(dá)到退火的目的。紅外快速等溫退火和白光快速退火的特點：時間短，雜質(zhì)擴散??；效率高；均勻性和重復(fù)性好。白光快速退火升溫時間更快，設(shè)備簡潔；不適合進(jìn)行連續(xù)長時間加熱的退火。3退火過程 退火軟件：具有退火裝置檢查、設(shè)定和操作引導(dǎo)；具有控制界面。能引導(dǎo)使用者檢查并設(shè)定好實驗裝置，完成退火操作，可以保存數(shù)據(jù)。首先，把實驗儀器

13、準(zhǔn)備好，閉合開關(guān)，打開退火軟件，設(shè)置退火溫度為8400C，啟動開始加熱，對樣品進(jìn)行半個小時的退火。因為加熱溫度會有產(chǎn)生一定的漂移，整個的退火過程中，溫度和時間的關(guān)系如下圖：開始的溫度是854.70C左右，后面溫度逐漸趨于所設(shè)置的退火溫度。圖1.溫度與時間的曲線關(guān)系43制作歐姆接觸的原理及過程 本實驗要求在硅片上用銦制作合格的歐姆接觸，那么什么才是歐姆接觸呢？歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，使得組件操作時，大部分的電壓降在于活動區(qū)而不在接觸面。本次實驗中的金屬和半導(dǎo)體分別是銦和硅。欲形成好的歐姆接觸，有二個先決條件：（1）金屬與半導(dǎo)體間有低的界面能障；（

14、2）半導(dǎo)體有高濃度的雜質(zhì)摻入。 前者可使界面電流中熱激發(fā)部分增加;后者則使界面空乏區(qū)變窄，電子有更多的機會直接穿透，而同使Rc阻值降低。制作接觸的步驟：（1）固定樣品，打開照明燈和電烙鐵電源。（2）點銦，盡量使4個觸點大小均勻，高低一致。（3）電筆通電，給觸點通電，看到指示燈亮。（4）電筆斷電（5）取下樣品，指示燈斷電。完了之后檢驗其I-V特性，看是否是歐姆接觸，方法如下：（1）將樣品固定在樣品架子上。（2）熟悉晶體管圖示儀的判讀和操作。（3）手?jǐn)Q連接插件的螺母松動，將樣品架子和連接插件插入后將螺母擰緊。（4）將圖示儀接線夾子和連接插件的不同端連接，測量樣品的接觸判斷其是否為歐姆接觸。（5）手

15、擰連接插件的螺母松動，將樣品架子從中拔出。（6）若接觸均為歐姆接觸則進(jìn)入下一步，否則重新做接觸。確定是歐姆接觸以后，就可以將樣品安裝在架子上進(jìn)行測量了，具體操作如下：（1）手?jǐn)Q儀器上樣品接口的螺母松動，將樣品架子和連接插件插入后將螺母擰緊。（2）將樣品小心放置。（3）進(jìn)入測量程序。44霍爾測量原理及過程即用范德堡法測半導(dǎo)體電荷面密度和薄層電阻。441范得堡法測量半導(dǎo)體方塊電阻原理：設(shè)樣品滿足如下條件，則任意形狀樣品的方塊電阻可以測量。A.接觸點在樣品的邊界上；B.接觸點足夠??；C.樣品厚度均勻；D.樣品表面均勻連續(xù)，沒有孤立的空洞。如圖所示。若A、B間通有電流IAB時，測得D、C兩點的電電勢差

16、為VDC，則可定義以電阻量綱的量：同理可以定義：根據(jù)有關(guān)的電學(xué)知識可以得到：上式中f為修正因子，由決定。需要說明的是：在實際測量中，為了減小接觸等各種因素帶來的誤差，常常將IAB改變方向得到兩個，再求平均作為代入公式計算方塊電阻。442范德堡法測量半導(dǎo)體載流子濃度或面密度原理：保持樣品電流I一定。參照上面可以定義：施加磁場B。測量樣品在加磁場前后的變化可以得到：其中t為樣品厚度。即： 或者：其中為載流子面密度。需要說明的是：在實際測量中，為了減小接觸等各種因素帶來的誤差，常常將I改變方向、將B改變方向得到四個，再求平均作為代入公式計算方塊電阻。443 實驗操作、數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果計算實驗操作1把樣品盒插入磁場中。2開伏特表，電流表，電源開關(guān)，磁場開關(guān)等。3分別記錄以下各組值： 1檔 正電流；負(fù)電流； 2檔 正電流；負(fù)電流 3檔 正電流；正電流正磁場；關(guān)磁場；正電流負(fù)磁場 3