离子注入实验报告重点讲义资料.docx

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离子注入实验报告重点讲义资料

离子注入实验报告

材料科学与工程

1实验目的：

（1）了解离子注入原理，掌握注入完成后的退火仪器原理及操作。

（2）学会在样品上制作欧姆接触，四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型，熟悉霍尔测量的原理和装置。

2离子注入原理：

离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。

一般的说,离子能量在1－5KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；10－几百KeV称为离子注入。

离子注入在半导体掺杂领域有很多优点：

注入杂质不受把材料固溶度的限制，杂质的面密度和掺杂深度精确可控），横向扩散小，大面积均匀性好，掺杂纯度高，能够穿透一定的掩蔽膜，在化合物半导体工艺中有特殊意义。

同时离子注入还可应用于金属改性和加工，生物研究等领域。

3离子注入设备

离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦体系统和靶室等组成。

如下图所示：

1．离子源：

由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。

通常使用的有高频等离子源、电子振荡型等离子源（潘宁源）、双等离子源等、双彭源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。

2．加速器：

产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。

3．分析器：

离子分选器。

离子源产生的离子束中往往有几种离子。

用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。

磁分析器：

在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。

磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。

让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。

4．偏转扫描

离子注入机中应该保持高真空。

实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。

中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。

偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。

从而去掉了中性粒子。

5．X,Y扫描器

离子束束斑很小，一般只有微米量级。

给离子束施加磁场或电场，使其在X,Y方向扫描。

在靶上均匀扫描。

6．靶室

放置、取出样品。

可以有给样品加温的装置。

4实验内容：

由小组四人合作完成以下内容：

（a）A角的任务：

完成接收样品；用四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型。

记录：

样品的注入条件；样品退火前后的薄层电阻；退火前后样品的导电类型；上述活动中的现象。

（b）B角的任务：

熟悉退火仪器的原理和操作；操作退火装置，完成样品的退火；归置退火装置。

B角应该记录：

样品的退火条件；退火过程。

（c）C角的任务：

练习在硅片上用铟制作欧姆接触，能够在正式样品上制作出合格的欧姆接触。

C角应该记录上述活动的过程。

（d）D角的任务：

熟悉霍尔测量的原理和装置；负责操作霍尔测量装置测出样品的数据。

D角应该记录：

样品的薄层电阻；注入层载流子的面密度。

4．1四探针及冷热笔测量

4.1.1实验样品：

P型Si衬底上注P。

注入条件：

E=20keV、D=3*1014atom/cm2、束流10mA、RP=253、ΔRP=119

4.1.2四探针法测量原理

四探针法是经常采用的一种测量半导体材料电阻率的方法，原理简单，数据处理简便。

优点在于探针与半导体样品之间不必要求制备合金电极，这样给测量带来方便。

四探针法是用针距约为1mm的四根金属同时排成一列压在平整的样品表面上，如图所示，其中最外部二根（1、4两探针）与恒定电流源连通，由于样品中有恒电流I通过，所以将在探针2、3之间产生压降V。

该电流I、压降V与样品方阻R□的关系为

R□

上式中C为修正因子，它与样品的形状及四探针的位置有关，探针确定以后，对一定形状的样品，C就是一个常数。

对于厚度为ts的薄片样品，通常以方块电阻来估计电阻率的高低，两者之间有如下简单关系：

ρ=R□•ts

4.1.3冷热笔测量原理

从统计物理的角度，可以将平衡状态下半导体看作一个等温、等容的系统。

其中载流子和电离原子实构成了一个电中性平衡系统。

近似可以将载流子看成近独立的电子气或者是近独立的空穴气。

当给半导体的一部分区域加热的时候，载流子就会由高温区域向低温扩散。

相当于给载流子系统施加了一个非静电力，这个非静电力推动载流子在半导体内部由高温区域向低温区域运动。

由于载流子本身带电，于是就会在高温区域和低温区域之间形成电动势。

如果这时在半导体高温和低温之间连接闭合回路，则回路中就出现电流。

通过上面的分析我们知道，在半导体内部，温度差永远是驱动载流子从高温端向低温端流动。

那么在外电路，应该是载流子从低温端流向高温端。

如果载流子主要是电子，在外电路就会有由低温端到高温端的电子流，即外回路中的电流由高温端到低温端。

如果载流子主要是空穴，则外回路中的电流相反。

冷笔和热笔跟半导体接触，在冷热笔之间会有电流通过。

通过冷热笔之间的电流计显示的电流方向就可以判断半导体的导电类型。

4.1.4实验步骤

退火前后冷热笔和四探针测量

1、清洗样品

（1）用酒精棉球轻轻擦洗样品表面。

（2）将样品用洗耳球吹干后夹出放在盛清水的烧杯里涮洗几秒钟。

（3）加一些水在一干净的塑料杯中。

（4）倒入少许（水的1／10到1／5）氢氟酸。

（5）将样品夹着在里面涮5秒钟左右。

（6）取出吹干。

（7）将样品用洗耳球吹干后夹出放在盛清水的烧杯里涮洗几秒钟。

（8）取出吹干。

2、测量

（1）将热笔通电加热后断电。

先将冷笔和样品接触。

（2）再用加热到足够温度的热笔点一下样品，可以看到万用表数字变化。

结合电路连接判断出半导体的导电类型。

四探针测量

1．清洗硅片

2．检查仪器连接

3．抬高探头，取下探头保护套

4．将探头降低固定

5．放置样品

6．将探针压紧样品

7．调节电流，记录电流、电压数据

8．测量样品尺寸，确定修正因子

9．计算样品方块电阻

4.1.5实验记录和数据处理：

1、退火之前的冷热笔和四探针测量

冷热笔测量结果：

-70mV说明载流子类型为p型

L=1cm、a=0.7cmC取4.0095

四探针数据如下表:

V（mV）

5.2

5.5

5.8

6.2

平均5.66

I（μA）

30.00

50.35

60.40

70.15

平均52.73

R□

=4.0095*5660/52.73=430.4Ω

2、退火之后的冷热笔和四探针测量

冷热比测量结果：

23mV说明载流子类型为n型

四探针数据如下表:

V（mV）

3.8

4.8

5.7

6.7

平均5.25

I（μA）

50.00

60.16

70.13

80.13

平均65.11

R□

=4.0095*5250/65.11=323.3Ω

4.1.6结果分析：

退火之前用冷热笔测量结果显示载流子为P型，说明Si中注入的P并未被激活，退火后冷热笔测量结果显示载流子为n型，说明在退火过程中间隙杂质运动到晶格位置能够为半导体稳定提供载流子，注入离子得到激活，退火后样品的方块电阻减小，说明退火过程中迁移率得到恢复。

4．2退火操作原理及过程

1．退火及其作用

将样品加热到一定温度，并且保持一定时间的工艺称为退火。

退火工艺有着广泛的应用。

在一定的高温下，离子注入样品中的稳定的缺陷群可以分解成结构比较简单的缺陷；缺陷能以比较高的速度移动，逐渐湮灭或者被晶体中的位错、杂质或表面吸收。

非晶层存在时，晶体可以沿着“晶体－非晶层”界面生长。

消除缺陷，恢复晶格是退火的作用之一。

在退火过程中间隙杂质运动到晶格位置能够为半导体稳定提供载流子。

激活杂质是退火的作用之二。

2．退火的方式

（1）热退火

给样品加热升温达到退火的目的称为热退火。

特点：

成本低；退火时间长；晶格恢复不太好、杂质扩散严重。

（2）激光退火

激光照射样品使其加温达到退火的目的称为激光退火。

分为脉冲激光退火和连续激光退火。

激光脉冲退火的机理是：

脉冲激光照射样品，样品表层经历如下过程：

短时间内温度升高熔化冷却再结晶固-液表面推进到表面。

从而使晶格恢复，杂质激活。

脉冲激光退火的特点：

杂质的电激活率高；损伤恢复好；效率低。

连续激光退火的机理：

固相外延再结晶。

连续激光退火的特点：

退火过程中杂质分布发生变化很小，某些效果比热退火好；效率低。

（3）电子束退火

机理和连续激光退火一样。

分为脉冲电子束和连续电子束退火。

比较激光退火，电子束退火的束斑均匀性好，能量转换效率高；可能在样品中引入缺陷，使用受限制。

（4）红外快速等温退火和白光快速退火

在真空中将石墨块加热到1200－1300℃作为红外源，样品在红外光的照射下迅速被加热达到退火的目的。

白光快速退火指用大功率白炽灯作为加热源加热样品达到退火的目的。

红外快速等温退火和白光快速退火的特点：

时间短，杂质扩散小；效率高；均匀性和重复性好。

白光快速退火升温时间更快，设备简洁；不适合进行连续长时间加热的退火。

3．退火过程

退火软件：

具有退火装置检查、设定和操作引导；具有控制界面。

能引导使用者检查并设定好实验装置，完成退火操作，可以保存数据。

首先，把实验仪器准备好，闭合开关，打开退火软件，设置退火温度为8400C，启动开始加热，对样品进行半个小时的退火。

因为加热温度会有产生一定的漂移，整个的退火过程中，温度和时间的关系如下图：

开始的温度是854.70C左右，后面温度逐渐趋于所设置的退火温度。

图1.温度与时间的曲线关系

4．3制作欧姆接触的原理及过程

本实验要求在硅片上用铟制作合格的欧姆接触，那么什么才是欧姆接触呢？

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在于活动区而不在接触面。

本次实验中的金属和半导体分别是铟和硅。

欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：

（1）金属与半导体间有低的界面能障；

（2）半导体有高浓度的杂质掺入。

前者可使界面电流中热激发部分增加;后者则使界面空乏区变窄，电子有更多的机会直接穿透，而同使Rc阻值降低。

制作接触的步骤：

（1）固定样品，打开照明灯和电烙铁电源。

（2）点铟，尽量使4个触点大小均匀，高低一致。

（3）电笔通电，给触点通电，看到指示灯亮。

（4）电笔断电

（5）取下样品，指示灯断电。

完了之后检验其I-V特性，看是否是欧姆接触，方法如下：

（1）将样品固定在样品架子上。

（2）熟悉晶体管图示仪的判读和操作。

（3）手拧连接插件的螺母松动，将样品架子和连接插件插入后将螺母拧紧。

（4）将图示仪接线夹子和连接插件的不同端连接，测量样品的接触判断其是否为欧姆接触。

（5）手拧连接插件的螺母松动，将样品架子从中拔出。

（6）若接触均为欧姆接触则进入下一步，否则重新做接触。

确定是欧姆接触以后，就可以将样品安装在架子上进行测量了，具体操作如下：

（1）手拧仪器上样品接口的螺母松动，将样品架子和连接插件插入后将螺母拧紧。

（2）将样品小心放置。

（3）进入测量程序。

4．4霍尔测量原理及过程

即用范德堡法测半导体电荷面密度和薄层电阻。

4．4．1范得堡法测量半导体方块电阻原理：

设样品满足如下条件，则任意形状样品的方块电阻可以测量。

A.接触点在样品的边界上；B.接触点足够小；C.样品厚度均匀；D.样品表面均匀连续，没有孤立的空洞。

如图所示。

若A、B间通有电流IAB时，测得D、C两点的电电势差为VDC，则可定义以电阻量纲的量：

同理可以定义：

根据有关的电学知识可以得到：

上式中f为修正因子，由

决定。

需要说明的是：

在实际测量中，为了减小接触等各种因素带来的误差，常常将IAB改变方向得到两个

，再求平均作为

代入公式计算方块电阻。

4．4．2范德堡法测量半导体载流子浓度或面密度原理：

保持样品电流I一定。

参照上面可以定义

：

施加磁场B。

测量样品在加磁场前后

的变化

可以得到：

其中t为样品厚度。

即：

或者：

其中σ为载流子面密度。

需要说明的是：

在实际测量中，为了减小接触等各种因素带来的误差，常常将I改变方向、将B改变方向得到四个

，再求平均作为

代入公式计算方块电阻。

4．4．3实验操作、数据记录及结果计算

实验操作

1．把样品盒插入磁场中。

2．开伏特表，电流表，电源开关，磁场开关等。

3．分别记录以下各组值：

1档正电流；负电流；2档正电流；负电流

3档正电流；正电流正磁场；关磁场；正电流负磁场

3档负电流；负电流正磁场；关磁场；负电流负磁场

4．把3组数据分别记录下来，输入霍尔测量程序中，将计算结果记录下来。

5．关掉各个电源开关，整理仪器。

实验数据记录如下：

测量方块电阻

电流I（单位mA）

电压V（单位mV）

1档ABDC

2档BCAD

正100

2.51

19.43

负100

2.02

19.72

=3.67

*102欧cm

测量载流子面密度

电流I（单位mA）

电压V（单位mV）

B＞0

B＜0

正100

17.32

17.56

负100

-17.30

-17.53

………….

由公式

计算后取平均得：

σ平均=2.09*1018cm-3