Prosiding Pertemuan limiah limu Pengelahuan dan Teknologi Bahan '99
-
Serpong, 19 20 Oklober 1999
ISSN 1411-2213
PENGUKURAN DAN ANALISIS SIFAT LISTRIK SEMIKONDUKTOR SILIKON YANG DIIMPLANT ASI DENGAN BERBAGAI DOSIS ION OKSIGEN PADA ENERGI 60 keY DAN 100 keY Darsonol, Toto Trikasjono2, Kusnanto3 IPusat Penelitian daD Pengembangan Teknologi Maju Batan l Pendidikan Ahli Teknik Nuklir Batan 3Jurusan Teknik Nuklir Fakultas Teknik UGM
ABSTRAK PENGUKURAN DAN ANALISIS SIF AT LISTRIK SEMIKONDUKTOR SILIKON YANG DIIMPLANT ASI DENGAN BERBAGAI DOSIS ION OKSIGEN PADA ENERGI 60 keY DAN 100 keY. Telah dilakukan pengukuran daD analisis karakteristik kelistrikan Semikonduktor Silikontipe N yang diimplantasi dengan ion Oksigen. Implantasi dilakukan pada energi 60 keY daD 100 keY dengan dosis berturut-turut 9,715 x 1016ion-cm-l, 7,731 x 1017ion-cm-l, 2,472 x 1011ion-cm-l, 6,181 x 1011ion-cm-l daD 1,275 x 1019ion-cm-l. Setelah diimplantasi CJplikan di anil pada suhu 1O00.C selama 300 menit. Cuplikan diukur resislivitasnya dengan metoda probe empat titik, kapasitansi diukur sebagai fungsi tegangan bias dengan LCR digital daDtegangan dadalnyaditentukan dengankarakteristikV-I. Tebal Sial untuk energi ion 60 keY diukur secaratidak langsung dengan mengukur besarnya kapasitansi daTiMISyang terbentuk. Darihasil yang diperoleh, nilairesistivitas naik dengan kenaikan dosis ion dan padadosis 1,275x 1019ion-cm-lbesarnyaadalah (3432:1:46)W-cm-luntuk energi 60 keY daD(4271:1:30)W-cm-l untukenergi 100keY. Sedangkannilai CIAmenurunsebagaifungsi dosis ion daDpadadosis 9,715 x 1016ion-cm-l besarnyaadalah (89,9:1: 0,40) pF-cm-l untuk energi 60 keY daD(73,1:1:0,20) pF-cm-l untuk energi 100 keY. Pada pengukuran metoda V-I didapatkan tegangan dadal15 Volt untuk energi 60 keY daDdosis 1,275x 1019ion-cm-l,sedangkanteballapisan Silikon dioksida pada energi 60 keV daDdosis 1,275x 1019ion-cm-l adalah 0,4808 mm. Dapat disimpulkan bahwa nilai resistivitas, tegangan dadal daDteballapisan silikon dioksida akan semakinbesar denganbertambahnyadosis ion dopan, sedangkan nilai kapasitansiper satuan luasnya akan semakin turun. Untuk dosis ion tetap, perubahan energi daTi60 keY menjadi 100 keVmenimbulkan perubahan nilai resistivitas daDkapasitansi sampel. '
ABSTRACT MEASUREMENT AND ANALYSIS ELECTRICAL SILICON SEMICONDUCTOR FOR VARIOUS DOSE OF OXYGEN ION IMPLANTED AT ENERGY 60 keY AND 100 keY. It has been measured and analized the electrical characteristic of the N-type Silicon semiconductor implanted by oxygen. The implantation was carried out at the energy of 60 keY and 100 keY for ion dose 9.715 x 1016ion-cm-l; 7.731 x 1017ion/cml; 2.472 x 1011ion/cml; 6.181 x 1011ionlcml and 1.275 x 1019ionlcml respectively. After implantation the samples were annealed at 1000 .C for duration of 300 minutes. The samples were then characterized their electrical behavior. The four point probe is used to measure their resistivity. Their capacitance were measured as the function ofthe reverse bias voltage with digital LCR meter and their breakdown voltage were measured by determination off- V characteristic. The silicon dioxide layer thickness in the sample was measured indirectly, that is by measuring the amount of capacitance from the MIS shaped. Based on this measurement, the ~::sistivity value increases with increasing ion dose At energy 60 keY and 100 keY their resistivity were (3432:1:46) W/cml and (4271:1:30) W/cml for ion dose of 1.275xl019 ion-cm-l. While theC/A values decrease with increasing ion dose and their values at ion dose of9.715 x 1016ion-cm-l were (89.9:1:0.40) pFI cml for the energy of60 keY and were (73.1:1: 0.20) pF/cml.fortheenergy 100 keY. Based on the V-I measurement method, the breakdown voltage was 15 Volt for the energy of60keV and ion dose of 1.275 x 1O'9ionlcml. Thebiggestthickness of the dioxide Silicon layer in the substrate was 0.4808 mm for the energy of60 keY and ion dose of 1.275 x 1019ionlcml. It was concluded that the resistivity value, breakdown voltage and silicon dioxide layer thickness increased with the increasing oxygen ion doses, on the other hand the capacitance decreased. For fixed ion dose the resistivity and capacitance ofthe sample change due to changing of the ion energy.
Kala kunci : Semikonduktor Silikon, Dosis ion, Implantasi, Resistivitas, Metode probe empat titik, Tegangan bias, Tegangan dadal.
l.PENDAHULUAN Semikonduktor merupakan bahan yang sangat penting dalam teknologi pembuatan komponen
238
mikroelektronika, sehingga penelitian-penelitian terns dikembangkan. Jenis bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal Silikon (Si ). Untuk memperoleh sifat-sifat kelistrikan sesuai dengan yang
Pengukuran don AnalJsis Sifat Listrik SemJkonduktor Silikon yang diimplantasi dengan Berbaga/ Dosis Ion Oks/Ken Pada Energi 60keV don 100 keV (Darsono)
diharapkan kristal Silikon tersebut perlu disisipi ion dopan. Proses penyisipan tersebut dinamakan doping clanatom ketidakmumian disebut dopan. Proses doping dapat dilakukan dengan implantasi ion yaitu suatu proses peyisipan atom-atom dopan dalam bentuk ion-ion kecepatan tinggi yang dihasilkan oleh mesin implantasi ion ke dalam suatu target. Implantasi ion sebagai salah satu metoda doping, mempunyai beberapa keunggulan hila dibandingkan dengan metoda-metoda sebelumnya (misalnya: metode paduan, metode difusi atau metode epitaksi) yaitu proses singkat clan pada suhu kamal, homogenitas dopan tinggi, dosis clankedalaman dopan dapat dikontrol dengan teliti, berbagaijenis dopan dapat disisipkan [1,2]. Namun kekurangan teknik ini selain harganya mahal juga adanya efek kerusakan kisi kristal akibat interasksi ion. Bentuk nyata dari kerusakan bisa terdiridari sisipan,substitusiclanvakansi.Efek kerusakan kisi kristal akibat interasksi ion dapat diperbaiki dengan proses aniling pada temperatur tertentu [1,2]. Salah satu pemanfaatan metoda implantasi ion ialah untuk mendapatkanbahan semikonduktor Silikonyang unggul berstruktur SOl (Silicon on insulator) menggunakan teknik SlMOX (Silicon Separated byImplanted Oxygen) untuk pembuatan mikroelektronik canggih [3,4]. Disamping teknik SIMOX pembuatan struktur SOl bisa juga dengan metode Eltran [5] clanmetode ZMR (zone melting recrystalization), wafer bounding, clan homoepitaxialgrowthsepertidijelaskanpada acuan [5,6]. KeunggulanlapisanSilikondioksida dalamwafer Silikon oleh implantasi ion adalah senyawa tersebut mempunyai sifat isolator yang baik, sifat kimianya stabil clanmudah ditumbuhkan secara termal. Sehingga teknologi SOl denganSIMOX menawarkankeuntunganyaitu hamburan lateral minimal yang memungkinkan untuk membuat komponen dengan dimensi kecil, rendahnya kapasitansi parasitik untuk operasi kecepatan tinggi clanarus bocor sangat kecil sehingga penguatan arus akan lebih besar sertakemungkinanpembuatanIC tiga dimensi[5].Dalam teknologi VLSI(very largescale integration)circuit [7,8], di mana MOSFET(metal oxidesemiconductorfield effect transistor) menjadi komponen utama, lapisan Silikon dioksida (SiO2) digunakan sebagai pengisolasi antara komponen clan sebagai oksida gate pada struktur MOS (Metal Oxide Semiconductor ). Apabila digunakan sebagai oksida gate, maka lapisan tersebut diharapkan memiliki kualitas yang baik dengan ketebalan yang minimum. Lapisan isolator tersebut dapat dihasilkan melaluiprosesimplantasiionOksigenpadakristalSilikon memakaimesin implantasi. Namun untuk mewujudkan mikroelektronik canggih menggunakan bahan Silikon berstruktur SOl dengan teknik SIMOX masih banyak fenomena yang masih harus diteliti [9] yaitu bagaimana pengaruh dosis clanenergi pada implantasi ion terhadap cacat kisi yang terbentuk pada Silikon wafer, hubungan dosis terhadap ketebalan insulasi, homogenitas lapisan insulasi yang terbentuk, pengaruh temperatur anil terhadap perbaikan
akibat implantasiion clansifat kelistrikannya. Mengingat pembentukanlapisanSilikondioksidadalamwafer Silikon melalui proses implantasi ion harus memenuhi stokhiometri kimia maka dihipotesakan bahwa makin besar dosis ion Oksigen makin tebal lapisan dioksida yang terbentuk sehinggaakan mengakibatkan resistivitas Silikonwafer membesar. Namun sebaliknya hal ini akan mengakibatkan kapasitansi per luas;dari Silikon wafer akan mengecil. Untuk energi ion yang berbeda akan menghasilkan posisi kedalaman lapisan dioksida yang berbeda clan ini akan mempengaruhi pada resistivitas clankapasitansi Silikonwafer. Tujuan umum penelitian ini ialah pengembangan teknologi implantasi ion untuk pembuatan bahan SOl dengan teknik SIMOx. Adapun tujuan khusus ialah meneliti sifat kelistrikan semikonduktor Silikon tipe-N yang diimplantasi ion oksegen untuk berbgai dosis pada energi yang berbeda. Sifat kelistrikan yang akan diteliti meliputi resistivitas, konduktivitas clanwatak I-V serta watak C-V pada berbagai dosis clan energi dopan. Disamping itujuga dilakukan perhitungan teballapisan Silikon dioksida yang terbentuk dari masing-masing cuplikan basil implantasi. Sifat-sifat kelistrikan tersebut diperlukansebagai salah satu cara pernbuatan komponen semikonduktor yang memiliki kemampuan tinggi untuk mt;ndukungkemajuan industri mikroelektronika di masa rnendatang.
METODE DAN TATA KERJA Alat Penelitian : a. Implantasiion 100keV/ ImA yang berfungsi sebagai alat untuk mendopingkan Oksigen ke dalam dalam semikonduktorSilikon. b. Probe empat titik digunakan untuk mengukur nilai resistivitaskeping Silikonbaik sebelum clan sesudah diimplantasi. Probe empat titik yang digunakan adalah mode FPP-500 buatan Vecco yang beroperasi pada tegangan220/240Volt (AC)/50Hz. c. LCR-Meter berfungsi untuk mengukur nilai kapasitansidari masing-masingcuplikan. LCR-Meter yang digunakan adalah digital type 4271B, yang beroperasi pada tegangan 220 Volt dengan Frekuensi 1MHz d. Voltmeter clan Ampermeter ( multimeter YF-3140) untukmengukurI-V. Bahan-bahan a. Keping Silikon type-n sebagai bahan yang diimplantasi. b. Gas Oksigen nitrit sebagai bahan yang dicangkokkan. c. Alkohol 90% untuk membersihkan sisa-sisa kotoran yang menempel pada Silikon sebelum diimplantasi. d. Lem peTak (silver paint) clan kawat tembaga sebagai kontak ohmik.
239
Prosiding Pertemuan IlmJah limu Pengetahllan dan Teknologi Bahan '99
-
Serpong, 19 20 Oktober
ISSN 1411-2213
1999
I ftns;.a Kw.a drup 0 I
«((((
NlAlJnntln
---- analy~.r Ir
,h'
. ""'. ' ".. ,
l
"",., "i
AI:t....
- - ---I, --:or---- -----'\"',I""'. I Mw.:.:,Ii"!J , '" -I' - T~AanAan ", .', ".'>",". '\,~,~\ Ttu!JI:1 Findrulclllr ,.,'.' " ..'
1
-
;;!:;
T':!Jtlllgt...
l.Lj
tlnOtll
:>
I" ."',
«'oiHlmli
.
h~mp~
~ ." 'c
\'. chamber \
,.'
~ ,,:
,I .>, "<"""'~
',J"'"
\
"
'\.'
" "
,."".
(,,"""
1
~
"'engull:ur UU~ Ion
..L
Gambar 1. Skema Sistem Implantasi Ion
Cars Penelitian Mula-mula semikonduktor Silikon dipotong dengan luas permukaan tertentu. Potongan semikonduktor Silikon dengan ukuran sekitar 1x 1 em tersebut dibersihkanmemakai alkoholdaDHF 5 % untuk menghilangkan kotoran daDlapisan Silikonoksida yang menempel, kemudian langsung diukur resistivitasnya dengan probe empat titik. Langkah selanjutnya dibersihkandengan alkohol. Keping Silikon yang telah dibersihkan diletakkan dalam tempat target dengan skema peralatan implantasi ion seperti pada Gambar I. Proses implantasinya dengan eara menentukan dosis ion dopan divariasi antara 9,715 x 1016ionlem2 hingga 1,279 1019ion/em2 dengan eara mengatur besamya arus berkas ion dari sistem ion sebesar 100mA daD200 mA masing-masingpada energi 60 keV daD 100 keV. Cuplikan yang telah diimplantasi kemudian dianil pada suhu 1000"Cselama300 meRit dengan tujuan memulihkan kembali susunan atom kristal yang telah rusak akibat implantasi. Pengukuran resistivitas keping dari bahan yang diimplantasi daD telah melewati proses anil dilakukan dengan menggunakan probe empat titik type FPP 5000. Setelah euplikan dianil, diukur resistivitas lapisnya (sheet resistivity) daD diberi kontak ohmik, kemudian diukur kapasitansinya fungsi bias mundur dari 0 sampai dengan 39,9 Volt, interval 2,5 Volt menggunakan LCR-meter digital.Tegangandadal diperoleh dengan karakteristik arus tegangan. Oari karakteristik ini diperoleh tegangan dadal (breakdown voltage) untuk masingmasing euplikan. Untuk setiap euplikan hanya dapat satu kali dilakukan pengukuran tegangan dadalnya, schab euplikan yang telah diperoleh tegangan dadalnya akan rusak.
240
BASIL DAN PEMBABASAN Pengaruh dosis terhadap perubahan resistivitas SOl Semikonduktor bulk bertipe-N yang konduksi listriknya disebabkan oleh elektron sebagai pembawa muatan mayoritas daD hole sebagai pembawa muatan minoritas,setelahdiimplantasidengan ion dopan Oksigen yang bervalensi 6, maka semikonduktor tersebut akan terbentuk lapisan Silikon dioksida pada kedalaman dan tebal tertentu tergantung daii besamya dosis daDenergi ion dopan. Pembentukan lapisan dioksida basil proses implantasi ion dopan Oksigen pads substrat Silikon terseb";t harns memenuhiproses stokhiometri. Ketebalan lapisan insulator yang terbentuk ini tergantung pads besamya dosis ion, Bila lapisan insulator makin tebal maka akan mengakibatkanresistivitasSilikonwaferjuga makin besar. Pengaruh dosis daD energi ion dopan terhadap perubahan resistivitas lapis SOl ditunjukkan pads gambar 2 daD3.
II.AlleY
0
lI.m01e
I
7.73£+17
2.47£01
00111I0Il 00pIn
1IoII.cm.2)
e.1ee+1e
1.28E+18
Gamba, 2. Grafik hubungan antara dosis ion dopan terhadapresistivitaslapis SOl
Pengukuran daft Anal/s/s Slfat Llstrlk Semlkonduktor Energl60 keV daft 100 keV (Darsono)
SlIIkon yang dl/mp/antasl dengan Berbagal Dos/s Ion Okslgen Pada
Pada Gambar 2 yaitu untuk energi 60 keY menunjukkanbahwasemakinbesardosision dopanmaka nUairesistivitas lapis SOl akan semakin besar. Terlihat bahwa pada dosis 9,715 1016ion-cm-2dan 7,731 1017ioncm-2,nUai resistivitas lapis SOl naik seeara bertahap/ landai berarti terbentuknya lapisan Silikon dioksida masih relatifkeeU,hat inidisebabkanpada dosistersebut, struktur SOl belum dapat dieapai seeara optimum. Pada pembentukan lapisan Si02 terkuburdidalam substrat ini akan memenuhi proses stokhiometri. Sedangkan pada dosis 2,472 10" ion-cm-2,kenaikanresistivitasSOl seeara tajamlcuramberartiketebalanSi02semakinbesar,terbukti kenaikan resistivitasSOl meneapai 2285,3 %. Pada dosis ion 6,18 1018ion-em-2dan 1,28 1019ion-em-2kenaikan resistivitas lapis SOl landail datar karena dimungkinkan terbentuknya lapisan Silicon On Insulator sudah optimum.
..
4IICIO
I
I
E-IOOkeV
Pengaruh dosis terhadap perubahan teballapisan SOl Pengukuran teballapisan keping SUikondioksida pada penelitian ini menggunakan tara tidak langsung yaitu dengan mengukur besarnya kapasitansi lapisan deplesi dari struktur MIS (Metal Insulator Semiconductor) yang terbentuk. Metode ini dapat dUakukan karena energi ion dopan masih relatif keeil (60 keY) sehingga lapisan Si02 pada kedalaman yang sangatdangkalatau masihpada permukaankristaISilikon. Dengan demikian setelah permukaan Silikon terimplantasi, dilapisi dengan Aluminium pada ruang hampa, maka persambungan MIS yang terbentuk dapat dianggap sebagai kapasitor plat sejajar daD pemisah kedua plat merupakan fungsi tegangan yang dikenakan. Setelahbesarnya kapasitansi lapisandeplesi terukur tebal lapisan Si02 dapat dihitung. Graflk hubungan antara waktu implantasiterhadap teballapisan Si02 pada energi 60 keV yang ditunjukkanpada Gambar 4. Dari graflk terlihat bahwa dengan dosis semakin
4g3000
0.1 I
g25ClO
=
10.&
500 00
I
~ 0.4 .-
10lIO
1
r.-6ObV
I.m."
7.73E+11
2.47E+18
USE+"
Do_Ion DupIn Ifon-Cm"
Gambar J. Grafik hubungan antara dosis ion dopan terhadapresistivitaslapis SOl denganenergi 100 keY
Pada Gambar 3 terlihat bahwa kenaikan resistivitas lapis SOl pada energi 100keY menunjukkan adanya keeenderungan semakin besar dosis ion dopan maka nUairesistivitas lapis SOl akan bertambah seeara tajam. Hal ini disebabkan untuk dosis yang sarna, ionion yang berenergi lebih besar (E= I00 keV) akan masuk kedalam target lebih dalam, daTi pada ion-ion yang berenergi lebih rendah (E=60 keV), ini disebabkan tumpang tindihnya kerusakan akibat dosis ion yang berenergi tinggi lebih besar dibandingkan dengan yang berenergi rendah. PerUakuumum dari kelima dosis yang digunakan dengan energi 60 keY daD 100 keY adalah nilai resistivitas lapis SOl akan semakin tinggi dengan bertambahnya dosis ion yang dimplantasikan pada semikonduktor Silikon terse but, dengan demikian terbentuknya lapisan SiUkon dioksida juga semakin besar. Terbukti pada pengukuran resistivitaslapisuntuk dosis yang sarna (1,28 1019ion-em-2),diperoleh nilai resistivitas lapis untuk energi 60 keY adalah (3432:t 46) O-em-2,sedangkan untuk energi 100 keY sebesar (4271 :t 30 ) O-cm-2. Pada kenaikan dosis ion dopan tertentu, nUai resistivitas lapis SOl mempunyai perubahan yang sangat keeil daD hampir konstan dikarenakan ion-ion Oksigen yang diimplantasikan pada substrat Silikon sudah meneapai optimum/ jenuh.
jo.s J 0.2
I
... 0.1
°
°
50
1111
150
DI
2!0
.
1150
WIIdu ..... Gambar 4. Grafik hubungan antara waktu implantasi terhadap tebal laplsan Sial dengan energi 60 keY, I = 200 I1A
tinggi diperoleh lapisan Si02 semakin tebal. Untuk dosis yangsama, ion-ionyang berenergi besar (lOOkeV)akan masuk ke dalam target semikonduktor akan lebih dalam daTi pada ion-ion yang berenergi rendah (60 keY), sehinggaresistivitas lapisSOl akan lebih besardari yang berenergi lebih rendah. Didapatkan pada dosis 2,472 1018ion-em-2daDenergi 60 keY, tebal Si02 sebesar 0,266 Ilm. Dibandingkan dengan penelitian-penelitian yang telah dilakukan sebelumnya perbedaannya relatif keeil. PeneUtian yang telab dilakukan oleh Burke DE., dkk [10]untukdosis2,0 1018ion-cm-2pada suhu annealing 1210 °C lama anil 360 menit teballapisan Si02 yang diperoleh sebesar 0,318 f.1m. HasH simulasi dengan perangkat lunak SRIM (Stoping and range Ion in Matter) versi 96 [11] untuk 60 ke V dan 100 ke V ion Oksigen
yang ditembakkan pada substrat Silikon sejumlah 99.999 ion setelah keseluruhan proses Implantasi diIakukan, diperoleh distribusi jarak tempuh ion (ion ranges ), pada energi60 keV sebesar 0,13 f.1msedangkan pada energi 100 ke V sebesar 0,21 j.lI1\.
'UI
ho"dlng
Pel1emuan 11m/allllmu Pengetttlruan dan TeinDlogl Bahan '99
Snpong, 19-2001ctober/91J9 Pengaruh tegangan bias terhadap perubahan ,
ISSN 1411-2213
'
240 '+CI.TIIIII"'C28'1a
klplsitlnsi
2-'-C3a'lllc
~
2111-..........-.
Graflk hubungan antara dosis ion dopan terhadap nilai kapasitansi per luas (CIA) disajikan pacta Gambar S.
-
-
:!!III
......
l"Et...v...e-.~] .rD ~2!0 1&.,&-
1l1li
g 110
OU5U~Wqm.~.m.~.~u ., .. --I'11III
tOO
Gambar 6. Grafik hubungan kapasitansi tethadap tegangan bias mundur untuk dosls Ion dopan 2,472.10. ion.cm,zpadaenetgi 60 keY
50
U2C+lf
1,'/IE,'1 Dolilion
t41E+l.
"'81.18
1,211.,.
Dopan (ion.cm")
Gambar S. Otafik hubungan antata dosis ion dopan terhadapQUaiCIA denganvariasienetgi ion dopan
Dari graflk tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Karena basil implantasi dengan energi masih cukuprendah60keV maka lapisanSilikondioksidaberada pada permukaan, sehingga keping Silikon tersebut akan terbentuk metal, insulator dan semikonduktor. Dengan demikian cuplikan tersebut akan menjadipersambungan MIS daDberlaku sebagai dioda Schottky. Pada masingmaslngtipe persambunganteroapatpenumpukanmuatan negatif dan positij. sehigga dapat dianggap sebagai kapasitor. Pada gambar tersebut terlihat babwa semakin besar dolls yang diimplantasikan, semakin leecH kapasitansinya, balk untuk energi 60 keY maupun 100 keV. Hal tersebut dikarenakan semakm besar dolls ion Oksigen yang diimplantasikan pada kepmg Silikon mateRlapisan Silikon dioksida yang terbentuk akIn semakin tebal, sehingga lapisan deplesinya (depletion layer) semakin besar yang akan menyebabkan kapasitansinya semakin turun. Pada dosis yang sarna ion yang berenergi tinggi (100 keV) akan mempunyal d:azhdo?p1:A 1:hh1:i:arJ
energi IOOkeV dihasiikansebesar(73,1:i: O,20)pF-cm4. Karakterisasikapasitansi lapisandeplesi fungsltegangan bias Mondor (reverse bias) nilainya akan dlpengaruhi oleh tegangan bias tersebut. Grafik hubungan antara kapasitansi sambungan MIS fungsi tegaltgan bias Mondor pada energi 60 keY dengalt dosis 2,412 10" ion-cm,2disajikanpada Gambar6. Garnbar 6 menunjukkan babwa tegangan bias mundur akan mempengaruhi nilai kapasitansi dati MIS yang terbentuk. Dengan demikian kelakuan kapasitansil tegangan dapat memberikan informasi tentang swktur
_.
sambungan MIS tersebut. Terlihat bahwa untuk tegangan
bias Mondor semakin besar, mengakibatkan nilai kapasitansinya akin menurun atau mengecil. Pada keadaan ini daerah deplesi W membesar, dengan kala lain W membesar dengan naiknya bias mundur seperti halnya daerah moRtaR ruang pada sambungan p-n. Naiknya tegangan bias mundur menyebabkan elektron akan bergerak dalam arab yang berlawanan sehingga dipermukaan akIn terbentuk lapisan deplesi yang membesar daD mengakibatkan kapasitansinya akIn mengecil. Ketikategangan bias mundur, VRdikontakkan dengan sistim diode Schottky, sehingga rapat ams total yang mengalir, I=lo(e"VRlkT -1) mendekati
10-+ I l1li10,karena
VIljauh lebih besar darl kT/e. Pada dosis yang sarna terlihatbahwa dengan naiknya energi ion dan kedalaman penelusupan (penetration); menyebabkan kapasitansi lapisan deplesi akIn menurunl mengecil. Hal ini disebabkan oleh naiknya jangkauan yang terurai sehmgga deviasijangkauan (AR,) membesar. Penentuan perubaban kapasitansi dengan pengamh tegangan bias ini sangat penting karena akan menentukan balk tidaknya
karakteristik piranti semikonduktor yang dlbuat, dikarenakan Ida tiga daerah kerja apabila struktut tersebut diberikan tegangan bias. Pada saat tegangan politiC dikenakan pada MIS dengan substrat tipe-N, elektron akIn terakumulasi pada permukaan semikonduktor sehingga kondlsi ini disebut daerah akumulasi. Bila tegangan bias diubah menjadi lebih negatif, maka elektron akan bergerak dalam arab yang berlawanan sehingga dlpermukaan akIn terbentuk lapisan deplesi. Selanjutnya dengan bertambahnya teganLan negatif, maka akan terbentuk lapisan mversi atau pembalikan karena daerab permukaan ini berubah tipe konduktivitasnya (inversion region). Potensial barier (barrier potential) pada bidIng mutt logarn semikonduktor, dengan snafU lapisan deplesi Itau lapisan inversi tersebut dimuka sarna halnya dengan sumbungau p-n didalarnkristal semikonduktor. Deugau demikian basil pengukuran kapasitansi laplsan deplesi fungsi tegangan bias mundur pada sambungan logam insulator sernikonduktor dapat untuk menentukan
Pengukuran dan Ana/isis Sifat Listrik SemikJ;tfliiktfjliYiltRimYn)fgijJli'hiPlltlifiti{:ae'~ka;rBe;iJlig~lhb~lsibWO'ksih~ii'P1da t£1tergl60'kuJtdan 100 keV (Darsono) .,-'" ""~,,,'h~ - .\1,"<';'" __""""'-':,~i"
""
,-, " ..
"..-.
'II!
10 ~~y~ @q§e~trJt~i;p@q$;tJfl!\l. (o.41lffi~t:poncentt a(r.oW, hQID08 c;;O!dani iYlidatitik fp'l1neaktrtempun yili leg angan 1o9i.!!E!ij11>iYc~J..uJHq\&rmJmgRtltAwi -tWteMialnbarij{ier clan \:ltdaclah)iaRg.pating:besal::'hat ini'dikarenaklmtk:edalaiiian ibtfga,!1ganig(lp~
fg!M"~~tY~~~ib.Mi~n;.?'5
1(1'1'1
(\i?e j,,) K araktensasl":' I V danpen~ ntQaq j egan~nMaa I 'it..!\""y '\"'" \;':"\V't"" .L". !;.1r' i t. ,:h,,'H ,U-J '
"
'
"
"
,,
,
,
Ij)peneluBupan'.} ion\dopatl\Oksigen
lpada'sllbgtraf'Silikon
'Kar akteristik "1ni1 's...t~ gangan metYgikutMistrib' usi::s.aU&. "" :":' ' n" , '" , ,"'--' , ~, -t_":,ADC\':I"' lckan .!:UWI:'J'P'"J.an~ d lb uahe IuhimenunJu aCliUlya,respon ,
,
iF, n '\Peligujiati1Imrakteristik'M\1g'.t'egan~hrd1tri MIS terhadapteganganbias yang diberikanJI:)engau-demikian (cyung'dibuatxda lalki"P~oetiti;1nfiIf~ijerhijti'Ht?untuk \.liaikhywdosigdarl\energi idn:ddpMt yangliiitltp tan~an !' cmengeHlhuh<\\e'$amya,~tegangah :kIfu:fa1Jrii~iHgfln1aslihg "padatarget '1Iaknn~enyeb:lbkan\tsetnakiin''beSar tebat t
auplikah dengan -~vari'asi,'dos:ist'dah \'encrgi,)iooi dopan .Iliapi$anl'SiIUson ,orokSida 'sehiriggk"Sem'akiJl~ tinggi r Ok sig en(y angr~clap atdij e~!'tsk\1fi.lis e01\gai!:'b'er ik ut. ..,\tegang~n~i1daMari: MIS,yang terberttuk. !radi sambuhgan Semikonduktor yang telah diitriplantaSi"f(emticlian diukur 'MlSC,yang dibu:at 'pacla peneliti'an?ini S'Udah dapat , karakteristik'1-V,dengan'diberiitegangah'6iasmtiju 'Oigunakan,sebagai diod'a walaupun belumsesempurna lforwardbias :Vo/fage ) clan teganganbiaS'1mundur. hila dibandingkan dengan MIS yang dihasilkan dari Besarnya dosis clan energi ion dopan OksJgen akan fabrikasi. .! .fJ
menentukan karakteristik I-V clan tegangan dadaI persambungan (junction) MIS yang terbentuk. Selain itu tegangan dadaljuga bergantung pada energi selanya. Pada sambungan MIS saat diberi tegangan bias mundur melebihi arus maksimum maka akan terjadi tegangan dadal. Bila diberi tegangan bias mundur melebihi besarnya tegangan dadal, maka akan terjadi kerusakan pada MIS yang terbentuk. Dengan mengetahuitegangan dadal dari MIS yang terbentuk, maka bahan yang telah diimplantasi dapat digunakan dengan balk sesuai batas kemampuannya, yaitu tegangan yang dipakaitidak boleh melebihi tegangan dadalnya, Grafik yang menunjukkan karakterisasi arustegangan serta besarnya tegangan dadal pada dosis 1,2751019ion-em'2clanenergi ion dopan60 keY disajikan pada Gambar 7.
1!!1 ~T2 -13
,
~
i
M ~ ~
(
Tegangan(Volt!
,
:.1"
KESIMPULAN Berdasarkan data yang cliperoleh dan basil pembahasan, dapat ditarik kesimpulan bahwa : I. Lapisan Silikon dioksida yang terbentuk pada energi 60 keV masih dipennukaankristalSilikon,terbuktidati karakteristik arus-tegangan yang terbentuk sehingga susunan perangkat terse but menyerupai dioda Schotky-barrier, 2. Diperoleh nilai resistivitas lapis pada closistertinggi adalah (3432:t 46) O-cm-2untuk energi 60 keY, clan pada energi 100 keY sebesar (4271:t 30) O-em-2, sedangkan nilai CIA terkeeil (89,9 :t 0,40) pF-em"2 energi 60 keY clan(73, I :t 0,20) pF-em"2pada energi lookeV, 3. Pada pengukuran metode I-V didapatkan tegangan dadal terbesar adalah 15 volt, sedangkan hasil perhitungan tebal lapisan'Silikon dioksida terbesar padadosis 1,2751O19ion-cm-2denganenergi60keV adalab0,4808/lID. 4. Didapatkannilai resistivitas lapis, tegangan dadal clan tebal lapisan Silikon dioksida akan semakin besar dengan bertambahnya dosis ion dopan, sedangkan nilai kapasitansi per satuan luas akan semakin keei!.
,~
~
Gombar 7, Grafik karakteristik arus-tegangan pada dosis ion dopan 1,275 1019 ioncm-2 untuk energi 60 keY, arus 200 JlA
Gambar 7 adalah karakteristik arus-tegangan untuk tiga titik pengukuran, yang diimplantasi dengan energi 60 keY, dosis ion dopan 1,275 1019ion-em"2,suhu anil 1000 °C, resistivitas lapis 3432,5 O-cm"2clantebal lapisanSilikondioksidasebesar0,4808/lID,menghasilkan tegangandadaI7,5Volt, 15Voltdan 10,0 Volt. Darigraftk arus-tegangan untuk ketiga titik pengukuran menunjukkan bahwa besarnya tegangan dadal tidak ...
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Bapak A. Sunarto clan Bapak Sumaryadi alas bantuan yang telah diberikannya selama penulis melaksanakan penelitian di laboratorium Akselerator Batao Yogyakarta sehingga paper ini dapat tersusun.
DAFT AR PUST AKA [1]. RYSSEL,H. AND RUGE, I. Ion Implantation, John Wiley and Sons Ltd, New York, USA, (1986). [2]. Sudjatmoko,AkseleratorImplantaSiion, Pada Diklat pengenal an daD aplikasi Akselerator Pusdiklat
,-, , -, ",.. -,"'_..n.'_'.'--"_'II!""~H_'"~.,-,_..,,,~-.~--~,~-,
,,-".-
'_'_',0,"'_-
-" ~,':'-
Prosiding Pertemaan llmiah lima Pengetahuan don Teknologi Bahan '99
-
Serpong, 19 20 Oktober 1999
Pusdiklat Badan Tenaga Atom Nasional, (1998). [3]. STURN, J.C., ET.AL., "Silicon-On-Insulator and Buried Metals in Semiconductors", Material Research Society, vol. 107, Boston USA, (1987) [4]. ALLES, M.I., Thin-Film SOl Emerges, IEEE Spectnun, June (1997) [S]. SULHADI, DADI RUSDIANA dan SUKIRNO, "Fabrikasi Wafer SOl dengan metoda Eltran", Simposium Fisika Nasional XIX, Yogyakarta, (1998). [6]. SUKIRNO, "Simulasi Implantasi ion Oksigen pada substrate Silikon dengan energi JOO - 400 Kev
dengan Software TRIM', Simposium Fisika NasionalXN, (1996). [7]. TSAUR B-Y, "Assessment of Silicon On Insulator Tecnologiesfor VLSf', Material Research Society, vol. 107,Boston USA, (1987)
ISSN 1411-2213
[8]. Ibis Technology Corporation, Semiconductor International of The Industrial Source Book for Processing, Assembly and Testing, Danvers, April (1997) [9]. COLINGE, J.P., ET,AL., "Physical and Technical problems of SOl Structure and Device", NATO ASI Series-3,HighTechnology,volA,Nedherland,(1995) [10].BURKEDE dkk, "Precipitateand defect Formation in Oxygen Implanted Silicon On Insulator Materiaf', Material Research Society, vol. 107, BostonUSA, (1987) [11].ZIEGLERJF,etal. "The Transportof Ions in Matter (TRIM96)". Yoktown, New York IBM-Research, 1996.
Ke Daftar Isi
244
