'q~ 22
Prosiding Pertemuall don Preselltas; Ilmiah PPNY-BATAN, Yo!:.vakarta 25-27 April 1995
Buku I
KONTAK OHM UNTUK LAPISAN SEMIKONDUKTOR SILIKON TIPE-N YANG DffiUAT DENGAN IMPLANTASI ION TENAGA TINGGI Sutadji Sugiarto, Sudjatmoko, Sri Sulamdari PPNY-BATAN p.o. Box 1008 Yog)Klkarta55010
ABSTRAK KONTAK
OHM
UNTUK LAP/SAN
SEMIKONDUKTOR
SILIKON
TIPE-N
DIBUAT
DENGAN
IMPLANT ASI ION TENAGA TINGGL Untuk pengujian dan pengoperasian lapisan semikonduktordiperlukan kantak ohm. Telah dilakukan penelitian kontak ohm untuk lapisan semikonduktor silikon tipe-N yang dibuat dengan implantasi ion tenaga tinggi. Ion arsen danfosfordiimplatasikan pada silikon pada tenaga 500 dan 1000 ke V dengan dosis 1013hingga 10/5 em-] pada suhu kamar. Cuplikan dipijarkan pada suhu 900 °c selama 30menit di dalam tablIng pemanas yang dialiri nitrogen. Untuk kontak ohm dievaporasikan campuran (alloy) emas (74%)-antimon (26%) ke pennukaan cuplikan dan diikuti dengan pemijaran pada suhu an tara 300 hingga 575 °c. Pengukuran karakteristik arus-tegangan dilakukan dengan menggunakan Curve Tracer Telequipment CJ71 dan BioRad HL-5900. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tebal bahan kantak ohm, suhu dan waktu pemijaran tergantungpada konsentrasi dopan dipennukaan cuplikan dan untuk cuplikan yang dipakai dalam penelitian tebal bahan 1 J-Lm.suhu pemijaran 550 °c dan lamapemijaran 60 detik diperlukan untuk pembuatan kontak ohm baik
.,>
ABSTRACT OHMIC CONTACTFORN-TYPE SILICONSEMICONDUCTING LAYER FORi.\AEDBY HIGH ENERGY ION JA;fPLANTATION.For testing and operating of semiconducting layers an ohmic contact was required. An investigation on ohmic contactformationfor N-type silicon semiconducting layerfonned by high energy ion implantation was carried out. Arsenic andjJhosphorus ions were implanted into silicon at 500 and 1000 keVenergies with doses between 1013and 10 5 cm-2 and at room temperature. Samples were annealed at 900 °c for 30 minutes in afumace flowed with nitrogen. For ohmic contact, gold (74%)- antimony (26%) alloys were evaporated onto the samples surface andfollowed by annealing at temperature between 300 and 575 °c. Current-voltage characteristics were measuredusingC171 Telequipmentand HL-5900 BioRadCurve Tracers. Experimetal results showed that material thickness, annealing temperature and time depend on the surfacedopantconcentrationandfor the testingsamplesa thicknessof 1 J-Lm. annealing temperatureof550 °c and annealing time of60 seconds were required tofonn a good ohmic contact.
PENDAHULUAN
D
alam makalah sebelumnYa['-3jtelah diuraikan kegunaan implantasi ion tenaga tmggi, metode pengukuran tahanan lapis dan profil konsentrasi daD mobilitas elektron pactalapisan semikondutor tipe-N yang dibuat dengan implantasi ion tenaga tinggi. Dalam penelitian ini dilakukan percobaan pembuatan kontak ohm untuk lapisan ini. Pacta pengujian dan pengoperasian piranti semikonduktor diperlukan kontak ohm untuk penyambungan terminal piranti keterminallain yang diperlukan.Dalam proses pembuatan piranti tahap ini disebut tahap metalisasi alan interkoneksi. Bahan yang lazim dipergunakan adalah aluminium, karena memenuhi persyaratan : tahanan jenis rendah,
SutadjCS~dkk
tahanan kontak ohm rendah, mudah diets a dan dibentuk dan harga murah. Namun bahan ini mempunyai kelemahan yaitu : a. Dapat terjadi proses elektromigrasi [4] : pergerakan atom-atom dalam film logam karena adanya transfer momentum dati elektron pembawa muatan daDpengaruh medan listrik b. Dapat teIjadi korosi c. Dopan tipe-P pactasilikon. Kelemahan butir-c menjadikan aluminium tidak cocok untuk lapisan semikonduktor silikon tipe-N, terlebih lagi apabila lapisan terbenam di dalam substrat seperti lapisan yang dibuat dengan implantasi ion tenaga tinggi. Sebagai pengganti adalah emas yang tidak mempunyai kelemahan butir a daDb. Namun ernas sulit menempel (adhere) ke silikon sehingga diperlukan lapisan perantara.
rsSN O:-n6-3T18
ProsidiJtg PertemllOIl dml Presentasi Ilmioh PPNY-BATAN. Yo;:vakarta 25-27 April 1995
Kontak ohm didefinisikan sebagai suatu kontak yang tidak menambah impedansi parasitik pacta struktur dan tidak mengubah keseimbangan konsentrasi pembawa sehingga tidak mempengaruhi karakteristik piranti [5]. Nilai tahanan kontak ohm didefinisikan sebagai : 1
Ro
=
(~ 5=0
(1)
Pacta sistem logam-semikonduktor dengan doping rendah, transport arus didominasi arus emisi termionik. Nilai tahanan kontaknya adalah '«
PERCOBAAN Implantasi ion tenaga tinggi dilakukan dengan menggunakan mesin implantasi ion 2 MeV di universitas Surrey, Inggris. Bahan silikon yang diimplantasi mempunyai spesifikasi berikut : tipe :P
-
tahananjenis : 10 ohm.cm
-
sudut miring: 7 sudut putar : 30 suhu : kamar diameter celah : 2 inch.
orientasi
:d
- diameter : 3 inch - permukaan : 1 mukadipolismekanis. Sedangparameterimplantasiadalah:
- dopan
Ro = -L (2)
- Arsen tenaga 500 keV dosis 1013cm-2
Sedang pacta sistem logam-semikonduktor dengan doping tinggi, transport arus didominasi oleh arus tunneling. Nilai tahanan kontaknya adalah
- Arsen tenaga 500 keY dosis 1014cm-2
qA' T exp (q BN/kT)
.
41t (8, m) Ro ;,: exp[
I~
h
""
""BN
flff
(3)
dimana : .
23
BllkllI
k
= tetapanBoltzman
h q A' Es
= = = =
tetapan Planck muatan elektron tetapan Richardson permitivitas silikon
m'
=
massa efektif
T = suhu (Kelvin)
-
- Fosfortenaga 1000 keY dosis 1015cm-2 Setelah implantasi cuplikan dipijarkan pacta suhu 900 °c selarna 30 menit didalam sebuah tabung . pemanas (furnace) yang dialiri nitrogen. Bahan kontak ohm, emas (74%)-antimon (26%) diuapkan pacta permukaan cuplikan dengan penampang lingkaran bergaristengah 0,5 mIDdenganjarak antara dua titik 5 mID.Tebal film bahan divariasi : 1800, 3600 dan 10000 JlID.Cuplikan kemudian dipijarkan pactasuhu antara 300 hingga 575°C selama antara 15 hingga 180 detik. Tampang cuplikan terlihat pacta Gambar 1.
emas + N Sb
.~
+ N Sb
substrat
R
=
2 (Re + RSb) + RN
Gambar 1. Ta11lpallgc/lplikal/.
waktu pemijaran akan ditentukan untuk mendapatkan kontak ohm yang baik : tahanan rendah.
lSSN 0216~3128
Sutadji S., dkk.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BAT AN, Yogyakarta 25-27 April/fl9S
Buku I
24
1;0
Pengukuran karakteristik arus-tegangan dilakukan dengan menggunakan kurva tracer Telequipment model Cl71 dengan penarnpil osiloskop daTIBioRad model HL-5900 dengan penarnpil monitor daTI plotter.
120
HASIL DAN PEMBAHASAN
90
! Hasil pengukuran terlihat pactagarnbar 2,3,4 daTI5 yaitu :
..
60
JO
..
60-
20
4-0 T.g.~g."
60
60
100
(IDY)
< 4.-
Gambar 4. K arakteristik
cuplikan silikon diimplantasVosjor tenaga 1000 keV dosis 101 cm-2, suhu pemijaran 55oDc, tebal film 10.000 A, variasi waktu pemijaran 30 hingga 180 detik
2.
2.
10
60
'-."...
loV)
2. K arakteristik
Gambar
arus-tegangan
100
arus-tegangan
cuplikUlIsilikon diimplantasVosjor tenaga 1000 keV dosis 101 cm-2, suhu pemijaran 550°C waktu 60 detik.
150
120 150
120
90 .:;-
.
9.
... 1:
60
," 60
JO
'0
0 0
20
,0 &. . ,"g..go" (.;v)
8.
'00 20
40 ~.g."ga"
Gambar
3. K arakteristik
60
60
100
(I1Y)
arus-tegangan Gambar
cuplikan silikon diimplantasVosjor tenaga 1000 keV dosis 101 cm-2, waktu pemijaran 60 detik, tebalfdm 10.000 A, variasi suhu pemijaran 450 hingga 575 Dc.
5. K arakteristik
arus-tegangan cuplikan silikon dii11lplantasijosjor dan arsenik, tebal fibn 10.000 A, suhu pemijaran 550°C waktu pemijaran 60 detik
rSSN o"2T6-3128
Sii-tiidji S.,-dkk.
-~-
Prosidillg Pertemuall tinll Preselltasi !/miah PPNY-BATAN, YoRI'akarta 25-27 April 1995
25
Bllku!
Gambar 2, karakteristik arus-tegangan cuplikan silikon diimplantasi fosfaT tenaga 1000 keV dosis 1015cm-2, suhu pemijaran 550 °c waktu 60 detik, variasi tebal film 1800, 3600 dan 10.000 angstrom. Dalam keadaan ini antimon yang terdifusi cukup tinggi sehinggakonsentrasi cukup tinggi, yang menjadikan hubungan arustegangan linear. Tampak apabila ketebalan besar menjadikan tahanan rendah karena konsentrasi yang tinggi. b. Gambar 3, karakteristik arus-tegangan cuplikan silikon diimplantasi fosfaT tenaga 1000 keY dosis 1015cm-2,waktu60 detik, tebalfilm 10.000 angstrom, variasi suhu pemijaran antara 450 hingga 575 Dc.Dalarnkeadaan ini antimonyang terdifusi cukup tinggi sehingga konsentrasi cukup tinggi yang menjadikan hubungan arustegangan linear. Tarnpakapabila suhu pemijaran tinggi tahanan kontak rendah karena konsentrasi tinggi. c. Gambar 4, karakteristik-ams tegangan cuplikan silikon diimplantasi fosfaT 1000 keY dosis 1015 cm-2, suhu pemijaran 550 DC,tebal film 10.000 angstrom, variassi waktu pemijaran 30 hingga 180 detik. Dalarn keadaan ini antimon yang terdifusi gayut waktu pemijaran. Untuk waktu singkat antimon yag terdifusi rendah sehingga konsentrasi rendah yang menjadikan hubungan arus-tegangan eksponensial. Untuk waktu lama antimon yang terdifusi tinggi sehingga konsentrasi tinggi yang menjadikan hubungan ams-tegangan linear. Tampak apabila waktu pemijaran lama tahanan kontak rendah karena konsentrasi tinggi. d. Gambar 5, karakteristik arus-tegangan cuplikan silikon diimplantasi fosfaTfun arsen, tebal film 10.000angstrom, suhu pemijaran 550 °c, waktu pemijaran 60 detik. Terlihatjikadosis implantasi besar tahanan total menjadi rendah. Dari Garnbar 2, 3 daTI4 dapat dirangkum infonnasi bahwa untuk mempertinggi tingkat doping diperlukan : jumlah dopan yang cukup. kecepatan difusi dopanyang tinggi daTIwaktu difusi dopanyang lama, sehinggajumlah dopan yang actadi pemmkaan menjadi cukup tinggi. Gambar 4 menunjukkan juga bahwajika tingkat dopan masih rendah transport arus didominasi oleh emisi terrnionik dimana
tebal film Au(74%)Sb(26%) angstrom suhu pemijaran : 550 °c
a.
ISSN o216=3f28
-
. 10.000
waktu pemijaran : 60 detik.
Nilai-nilai ini lebih besar dibandingkan dengan nilai-nilai besaran yang sarna untuk pembentukan kontak ohm pacta cuplikan lapisan semikonduktor silikon yang dibuat dengan implantasi tenaga rendah [6Jkarena tingkat doping untuk implantasi tenaga rendah dapat mencapai 1018- 10'9cm-3di per mukaan cuplikan.
KESIMPULAN Dalam penelitian ini telah dilakukan percobaan pembuatan kontak ohm pacta lapisan semikonduktor silikon tipe-N yang dibuat dengan implantasi ion tenaga tinggi. Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa : untuk pembuatan kontak ohm diperlukan tebal film bahan, suhu pemijaran daTI waktu pemijaran yang tegantung pacta dosis implantasi. Untuk cuplikan yang dipergunakan dalam penelitian diperlukan : tebal film AuSb 10.000 angstrom, suhu pemijaran 550 °c daTIwaktu pemijaran 60 detik.
DAFTAR PUSTAKA 1. SUTADJI SUGIARTO, "Pengamh Suhu Anil Pacta Tahanan Lapis Lapisan Semikonduktor Silikon Diimplantasi Arsen Tenaga 500 keV", disampaikan pactaPPI PD IPTEK Nuklir, PPNY, Yogyakarta, 26-28 April 1994. 2. SUTADJI SUGIARTO, "Metode Pengukuran Tahanan Lapis Lapisan Semikonduktor Silikon Hasil Implantasi Ion Tenaga Tinggi", Prosiding PPI KIM-1994, Jakarta, 2-3 Nopember 1994. 3. SUTADJI SUGIARTO, "Profil Konsentrasi daTI Mobilitas Elektron Pacta Lapisan Semikonduktor Silikon Tipe-N Hasil Implantasi Arsen Tenaga 500 keV", disarnpaikan pactaPPI PD IPTEK Nuklir, PPNY, Yogyakarta, 26-28 April 1994. 4. SZE S.M., "VLSI Technology", McGraw Hill, Singapore, 1981 5. YANG E.D., "Introduction to Physics of Semiconductor Devices", McGraw Hill, New York, 1980. 6. HL-5900 BioRad Manual, Herts, 1990.
Sutadji S., dkk.
26
Prosiding Pertemuan don Presentasi llmialt PPNY-BATAN, Yo!:}'akarta 25-27 April 1995
Bukul
arus yang cukup pada cuplikan dan tidak mempengaruhi nilai tahanan lapisan cuplikan.
TANYA-JAWAB B.A. Tjipto Suyitno Apakah tidak actakemungkinan timbul panas saat terjadi tumbukan antara ion dengan target? Karena pemah teIjadi saat sampel Al yang tipis (:I: 0,3 mm) diimplantasidengan arus ion yang cukup besar Al tersebut meleleh, sehingga kondisi proses pactasullo kamar tidak teIjadi. Masalah judul menurut saya, kontak ohmnya itu dibuat secara implantasi,pactahal tidak tapi secara evaporasi? Kenapa kontak ohmnya diambil dari paduan Au-Antimon, bukan Au saja dan apa efek antimonnya terhadap kontak ohm yang teIjadi? Sebetulnya apa arti fisis dari kontak ohm itu, daTI apa bedanya dengan kontak listrik biasa? Sutadji Sugiarto - Bisa terjadi panas. Oleh karenanya target harus dipasang kontak dengan pemegang target. - Jadi yang dibuat dengan implantasi adalah lapisan N nya. - Antimon dipergunakan untuk mempertinggi konsentrasi dopan dipermukaal1 agar tercipta kontak ohm "baik". Kontak ohm adalah kontak yang bersifat ohmik, tidak (misal exponensial) mampu memberikan
Sutadji S., dkk.
Agus Baskoro Tadi disebutkan untuk membuat kontak ohmyang baik salah satunya disyaratkan jumlah atom pcngotor pactasemi konduktor tinggi kenapa Al menjadi jelek karena alasan Al sebagai dopan. Apakah ha1ini justru akan semakin baik karena jumlah pengotomya bertambah. Berapa jumlah konsentrasi pengotor optimum untuk menghasilkan kontak ohm yang baik. Sutadji Sugiarto Karena Al dopan ripe P, sedang lapisannya ripe N
-
Minimum 1018cm-3,namun tergantung eDEN.
-Adianto
-
Apa kelebihan methode pembuatan kontak ohm yang bapak lakukan dengan methode yang lain kalau melihat bahwa pembuatan kontak ohm yang bapak lakukan kelihatan "Complicated"?
Sutadj~ Sugiarto Kami kirajustru yang paling sederhana.
ISSN O:H6..::3128
/
