FR2940458A1 - Dispositif et procede pour la caracterisation de composants electriques ou electroniques. - Google Patents

Abstract

Dispositif intégré (PM) pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques (DUT), en particulier nanométriques, comportant un substrat (S) sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs (P , P , P , P ), au moins trois pistes résistives (R , R , R ) reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission (CPW) comportant un conducteur de signal (C ) et au moins un conducteur de masse (C , C ), dans lequel : - lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un premier plot conducteur à un deuxième et à un quatrième plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot ; - le conducteur de signal de la ligne de transmission est relié audit premier plot conducteur ; et - le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR LA CARACTERISATION DE COMPOSANTS ELECTRIQUES OU ELECTRONIQUES L'invention porte sur un dispositif et un procédé pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques, et plus particulièrement de composants de dimensions nanométriques, tels que des nanotubes, des nanofils, etc. Une caractérisation satisfaisante de ces dispositifs nécessite l'exécution de mesures vectorielles de leur impédance ou de leurs paramètres S en fonction de la fréquence. En principe, ces mesures peuvent être réalisées à l'aide d'analyseurs vectoriels de réseaux du commerce. Cependant, les composants nanoélectroniques présentent des impédances élevées, de l'ordre du kilo-ohm ou plus, alors que les analyseurs de réseaux sont généralement conçus pour caractériser des dispositifs à 50 ohms. Les dimensions de ces composants contribuent également à rendre leur caractérisation difficile. Pour ces raisons, la caractérisation vectorielle d'un composant nanoélectronique tel qu'un nanotube de carbone monofeuillet n'a pu être réalisée que très récemment : voir l'article de J. J. Plombon, Kevin P. O'Brien, Florian Gstrein, Valery M. Dubin et Yang Jiao High-frequency electrical properties of individual and bundled carbon nanotubes Applied Physics Letters 90, 063106 (2007). Auparavant, seules des mesures scalaires avaient été réalisées. L'invention vise à rendre plus simple et plus précise la caractérisation de composants électriques et/ou électroniques, en particulier 25 nanométriques. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant un substrat sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs, au moins trois pistes résistives 30 reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission comportant un conducteur de signal et au moins un conducteur de masse, dans lequel : - lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un premier plot conducteur d'une part à un deuxième et d'autre part en parallèle à un quatrième plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot ; - le conducteur de signal de la ligne de transmission est 5 relié audit premier plot conducteur ; et - le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot. De préférence, la ligne de transmission peut être un guide d'onde coplanaire comprenant un conducteur central de signal et deux 10 conducteurs latéraux, lesdits conducteurs latéraux se rejoignant pour former un anneau de masse qui entoure les plots et les pistes résistives et entre en contact électrique avec ledit troisième plot. Avantageusement, lesdits plots conducteurs peuvent être agencés pour former un quadrilatère, de préférence un carré ou un losange, 15 le premier et le quatrième plots formant des sommets non-adjacents de ce dernier. Les trois pistes résistives peuvent avoir une même valeur de résistance. Que les valeurs de résistance de ces trois pistes soient égales entre elles ou différentes, elles peuvent être supérieures ou égales à 1 kS2. 20 Selon une variante de l'invention, le deuxième et le quatrième plots peuvent être également reliés, par l'intermédiaire de résistances intégrées respectives, à un cinquième et à un sixième plots. Avantageusement, les valeurs desdites résistances intégrées peuvent être au moins égales à trois fois la valeur de résistance la plus élevée desdites pistes 25 résistives. Un composant électronique ou électrique à caractériser peut être connecté entre lesdits deuxième et troisième plots. De préférence, ce composant peut être intégré dans ledit substrat. En variante, le dispositif de l'invention peut comporter des pistes conductrices de contact s'étendant à 30 partir de chacun desdits deuxième et quatrième plots et destinées à former une ligne de mesure à laquelle peut être connecté un composant électrique ou électronique à caractériser. Optionnellement, une piste conductrice isolée peut s'étendre dans une région située entre lesdites pistes électriques de contact, où peut être positionné ledit composant électrique ou électronique à caractériser ; cette piste isolée peut servir d'électrode de grille pour la caractérisation de transistors à effet de champ basés sur des nanotubes de carbone. En tout cas, le dispositif de l'invention et le composant à caractériser forment un pont de Wheatstone, dit aussi pont directionnel lorsqu'il est utilisé dans ce type d'application. Avantageusement, les valeurs de résistance des pistes résistives peuvent être choisies en fonction des caractéristiques estimées du composant à caractériser afin de rendre le pont au moins approximativement équilibré. Dans d'autres variantes de réalisation du dispositif de l'invention : - lesdits deuxième et troisième plots peuvent ne pas être connectés électriquement l'un à l'autre (pont en circuit ouvert) ; - lesdits deuxième et troisième plots peuvent, au contraire, être court-circuités, en particulier par l'intermédiaire d'une section du ou de l'un des conducteurs de masse de la ligne de transmission (pont en court-circuit) ; - lesdits deuxième et troisième plots peuvent également être reliés par une piste résistive, l'ensemble constitué par les quatre plots et les pistes résistives les reliant formant un pont de Wheatstone équilibré. Ces dispositifs ne servent pas directement à la caractérisation d'un composant, mais au calibrage du système utilisé pour effectuer la mesure. Pour que ce calibrage soit effectué dans les meilleures conditions, il est très avantageux que le pont de mesure et les trois ponts de calibrage (en circuit ouvert, en court-circuit et équilibré) soient réalisés sur un même substrat. Ainsi, un autre objet de l'invention est un dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant au moins un pont de mesure, un pont en court circuit et un pont équilibré tels que décrits ci-dessus, intégrés sur un même substrat et identiques sauf en ce qui concerne la connexion éventuelle entre le deuxième et le troisième plot. Le pont de mesure sans le composant à caractériser (à supposer rapporté, et non intégré sur le substrat) peut être utilisé comme pont de calibrage en circuit ouvert. Cependant, il est préférable de prévoir un dispositif à quatre ponts, comportant un pont en circuit ouvert intégré, également identique aux trois autres dispositifs élémentaires sauf en ce qui concerne la connexion entre le deuxième et le troisième plot. D'autres objets de l'invention sont : - L'utilisation d'un pont de mesure tel que décrit ci-dessus pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure connectée alternativement au deuxième et au quatrième plot. - L'utilisation d'un pont de mesure tel que décrit ci-dessus, dans sa variante comportant un cinquième et un sixième plot conducteur, pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure multi-pointes connectée au cinquième et au sixième plots, ainsi qu'au ou aux conducteur(s) de masse de la ligne de transmission. - L'utilisation d'un pont en circuit ouvert, en court-circuit et/ou équilibré tels que décrits ci-dessus pour le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel à l'occasion de la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique, en particulier nanométrique, au moyen d'un pont de mesure selon l'invention. - L'utilisation d'un dispositif composite , comportant trois ou quatre ponts élémentaires, pour effectuer aussi bien le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel que la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique, en particulier nanométrique.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1, l'utilisation d'un analyseur de réseaux vectoriel et d'un pont directionnel pour la caractérisation d'un composant électronique ; - La figure 2, un pont de mesure selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 3, l'utilisation d'un tel pont de mesure pour la 10 caractérisation d'un composant électronique nanométrique ; - La figure 4, trois ponts de calibrage selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 5, un pont de mesure selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; 15 - Les figures 6a, 6b, 6c et 6d, des vues de détail d'un pont de mesure selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 7a, 7b, 7c, 7d et 7e, un premier procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à caractériser ; 20 - Les figures 8a, 8b, 8c, 8d et 8e, un deuxième procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à caractériser ; - Les figures 9a, 9b et 9c, un troisième procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à 25 caractériser ; - La figure 10a, un modèle électrique d'un nanotube de carbone et des résultats de mesure d'un tel nanotube ; - La figure 10b, un graphique permettant de comparer les résultats d'une série de mesures effectuées sur un nanotube de carbone et 30 les résultats théoriques correspondant au modèles de la figure 10a ; et - La figure 11, un graphique illustrant l'effet technique de l'invention.

La figure 1 représente un pont de Wheatstone ou pont directionnel constitué par quatre noeuds, numérotés NI - N4 reliés entre eux par trois résistances RI (connectée entre les noeuds NI et N2), R3 (connectée entre les noeuds N3 et N4) et R4 (connectée entre les noeuds N, et N4). Un composant électrique ou électronique à caractériser DUT (de l'anglais Device Under Test ), schématisé par un dipôle d'impédance complexe ZDUT (inconnue), est connecté entre les noeuds N2 et N3. Un générateur sinusoïdal de tension VS, ayant une résistance interne RS, est connecté au noeud NI, tandis que le noeud N3 est relié à la masse. La caractérisation du 1 o composant DUT est effectuée en réalisant un balayage de la fréquence du générateur VS et, pour chaque fréquence, en mesurant (en amplitude et en phase) la tension VM entre les noeuds N2 et N4. Soit VS' la tension entre les noeuds NI et N3. On considère que les tensions VM et VS' sont mesurables. 15 Dans un cas idéal lorsque R1=R2=R3=Ronnt, on peut considérer trois cas particuliers pour ZDUT : • Pour ZDUT=Ronnt, la tension entre les noeuds N4 et N3, appelée V43 est égale à la tension entre les noeuds N2 et N3 appelée V23. La tension VM qui est la différence de ces deux tensions est donc nulle. vS V•s VM _ V23 - V43 2 2 0 / s Vs Vs s VA! V43 2 1 • Pour ZDUT=O (court-circuit parfait), V's v s _ _ V5 2 Vs VM Vs-v, 4 V S • Pour 1/ZDUT=O (circuit ouvert parfait), Vs Vs V's 2 On peut observer que la grandeur mesurée VMN'S dans le cas du court-circuit et du circuit-ouvert possède le même module avec un 25 changement de signe, c'est à dire un déphasage de 180°. Il est connu qu'un pont de Wheatstone idéal est équivalent à un coupleur directif, également idéal. 20 Un coupleur directif idéal est caractérisé par un coefficient de couplage, indiqué par a. Soit al l'amplitude complexe d'une onde injectée à l'entrée de la voie directe d'un tel coupleur, et M l'amplitude complexe de l'onde sortant de sa branche couplée. Le facteur de réflexion I'L (rapport de l'onde réfléchie sur l'onde incidente) d'un dipôle placé sur la voie directe du coupleur directif à l'extrémité opposée du générateur est donnée par M = a FL a, . Si a est connu, une mesure de al et de M permet de déterminer I'L. On peut considérer ces trois cas particuliers de dipôle : Pour FL = 0 (dipôle correspondant à une charge non M =0 réflective), a Pour FL _ -1 (dipôle correspondant à un court-circuit parfait), M = ùa al Pour FL = 1 (dipôle correspondant à un circuit ouvert parfait), M =a al On constate donc que le pont de Wheatstone parfait se comporte comme un coupleur directif parfait avec a=112. Un coupleur directif réel (ou un pont de Wheatstone réel) est caractérisé par trois grandeurs complexes : - La directivité D;, - Les pertes d'insertion Rf - La désadaptation Des Dans un coupleur, la directivité caractérise l'aptitude à dissocier, sur la voie couplée, les ondes venant dans un sens (par exemple 25 du générateur) et de l'autre (par exemple de la charge). On place donc un coupleur sur une ligne dans le sens correspondant au signal à mesurer. Dans le cas d'un coupleur idéal avec une directivité infinie, seule l'onde venant de 20 2940458 s la direction choisie est présente sur la voie couplée. Dans un coupleur réel, il reste une très faible compôsante du signal circulant dans la direction inverse. Les pertes d'insertion correspondent à l'atténuation de l'onde incidente au travers de la voie directe du coupleur. 5 La désadaptation caractérise la variation d'impédance vue par le signal lorsqu'il passe d'un milieu (ou d'un support) à un autre. Plus cette variation est grande, c'est à dire plus la désadaptation est grande, plus grand est le signal qui se trouve réfléchi par le changement de milieu, c'est-à-dire ici par la sortie de la voie directe du coupleur : il existe donc une relation entre la 10 désadaptation et le facteur de réflexion. Fm = M Le facteur de réflexion mesuré ai peut s'exprimer en fonction de ces trois grandeurs par la relation suivante : Fm =Di + Rf'DUT [' DUT étant le facteur de réflexion du dipôle sous test. 15 Pour obtenir les grandeurs D;, Rf et Des caractérisant les imperfections du coupleur directif ou du pont de Wheatstone, il suffit d'effectuer un calibrage consistant à mesurer trois étalons particuliers (charge non réflective, court-circuit et circuit-ouvert) dont les facteurs de réflexions ['DUT sont connus, et résoudre un système de trois équations à trois inconnues. En supposant le calibrage effectué, on peut déduire de la mesure de I'M, le facteur de réflexion ['DUT pour un dispositif sous test quelconque. A partir de ['DUT on déduit par exemple l'impédance ZDUT du dispositif sous test par : Zr)1 I = Zo ['°"~ 1 où Zo représente l'impédance de référence rD T --1 (fixée par la valeur du standard charge non réflective utilisé pour le calibrage). 1 ùDes 'DUT25 Pour la caractérisation à haute fréquence d'un composant macroscopique , c'est à dire de dimensions millimétriques ou en tout cas supérieures à plusieurs micromètres, on peut utiliser un pont constitué de résistances discrètes dont le noeud NI est connecté à un générateur haute fréquence et les noeuds N2 et N4 sont connectés à un détecteur différentiel haute fréquence. Comme expliqué plus haut, la mesure est généralement effectuée à une impédance de 50 Q, ce qui signifie que R,=R3=R4=50 Q. En fait, cela consiste à utiliser un analyseur vectoriel de réseaux dont fait partie ce type de pont.

Une introduction générale aux techniques de caractérisation vectorielle de dipôles est fournie par les notes applicatives de la société Hewlett-Packard n° 1287-1 et 1287-2, accessibles sur Internet aux URL http://www.hpmemory.org/an/pdf/an_1287-1 .pdf et http://www.hpmemory.org/ an/pdf/an_1287-2.pdf respectivement.

Comme expliqué plus haut, ces techniques ne peuvent être transposées directement à la caractérisation de composants nanoélectroniques , tels que des transistors à nanotubes, en raison de l'impédance élevée de ces derniers et de leurs petites dimensions, qui rendent difficile la réalisation d'un contact satisfaisant avec les sondes d'un analyseur de réseaux du commerce. L'idée à la base de l'invention consiste à réaliser un pont de Wheatstone intégré sur un substrat sensiblement isolant dont l'impédance et les dimensions sont compatibles avec celles du composant à caractériser. Un tel pont intégré sert, pour ainsi dire, d'interface entre le composant (microscopique, à haute impédance) et l'analyseur de réseaux (macroscopique, prévu pour une utilisation à 50 S2). Des ponts auxiliaires, de préférence intégrés sur le même substrat que le pont de mesure, servent au calibrage du banc de mesure. Un pont de mesure PM intégré est représenté sur la figure 2 Ce dispositif, dont les dimensions sont de 380 pm x 380 pm est réalisé sur un substrat S de silicium à haute résistivité siltronix (100) , recouvert d'une 2940458 io fine couche d'oxyde, dont la résistivité est supérieure à 8000 S2 cm. Il comporte : - quatre plots conducteurs PI, P2, P3 et P4, disposés de manière à former un carré ; - un guide d'onde coplanaire CPW (de l'anglais CoPlanar Waveguide ) constitué par un conducteur central Cc, relié au premier plot PI, et deux conducteurs latéraux Cu, CL2 qui forment un anneau entourant les quatre plots, et entrent en contact électrique avec le plot P3, opposé au premier plot PI ; - trois pistes résistives RI, R3 et R4, identiques entre elles, reliant les plots P, et P2, P3 et P4 ; P4 et PI respectivement ; - un dispositif à caractériser DUT, connecté entre les plots P2 et P3. L'utilisation d'un guide d'onde coplanaire dont les conducteurs 15 latéraux entourent le pont de Wheatstone n'est pas essentielle, et toute autre ligne de transmission (comportant au moins un conducteur de signal et un conducteur de masse) pourrait être utilisée. Cependant, le mode de réalisation décrit ici présente les meilleures performances à haute fréquence. Les métallisations (plots et guide d'onde) sont réalisées en 20 Ti/Au (une couche de Ti de 50 nm d'épaisseur superposée à une couche d'Au de 300 nm). Les pistes résistives sont en NiCr, déposé par pulvérisation cathodique en utilisant un cible Ni/Cr 80/20 et une puissance à radiofréquence de 150 W, ce qui donne une résistivité de 1 pQ m. Toutes les étapes de masquage sont réalisées par 25 lithographie à faisceau d'électrons. La réalisation des pistes résistives lors d'une même étape technologique permet d'assurer une très faible dispersion des valeurs de résistance. Ainsi, même si des fluctuations des valeurs absolues de résistance sont possibles, les rapports entre ces valeurs sont déterminés d'une manière très précise. 30 En général, au moins l'ordre de grandeur de l'impédance du dipôle à caractériser est connu avant d'effectuer la mesure. Cette connaissance est exploitée pour assurer que le pont de mesure incluant ce 5 10 li dipôle soit approximativement équilibré. Typiquement, cela implique que les pistes résistives RI, R3 et R4 aient une impédance de l'ordre de 1kS2 ou plus. Pour caractériser le dipôle DUT, c'est à dire mesurer son impédance complexe en fonction de la fréquence, le pont de la figure 1 doit être connecté à un générateur de signaux haute fréquence, généralement un synthétiseur, et un détecteur. L'impédance du générateur n'a pas d'impact en théorie sur le fonctionnement du pont. Néanmoins en utilisant un générateur 50Q, les signaux au niveau du détecteur seront fortement atténués à cause de l'impédance du pont (de l'ordre de 1n2). Le système de détection doit présenter une impédance beaucoup plus grande que celle du pont, la partie réactive (généralement capacitive) de cette impédance devant être la plus faible possible. La capacité parasite du détecteur combinée à la résistance du pont fixe la bande passante du système. La figure 3 montre l'utilisation du pont de mesure PM de la figure 1 en combinaison avec un analyseur vectoriel de réseaux VNA (de l'anglais Vector Network Analyser ), intégrant un synthétiseur et un détecteur de signaux à radiofréquence. Un signal sinusoïdal à haute fréquence (plusieurs MHz ou GHz) est généré par l'analyseur VNA, au niveau du port P01 et injecté dans le pont par l'intermédiaire d'une sonde à haute fréquence coplanaire classique avec trois contacts masse-signal-masse, dont le contact central de signal est connecté au conducteur central C, du guide d'onde coplanaire CPW, et les deux contacts de masse sont connectés aux deux conducteurs latéraux CL,, CL2 de ce même guide. La détection est effectuée à l'aide d'une sonde passive à haute impédance (par exemple une sonde Cascade Microtech FPM x100) comportant un seul contact de signal, reliée au port P02 de l'analyseur VNA via un amplificateur faible bruit LNA et large bande possédant un gain de 20dB (100 en linéaire) qui permet de compenser l'atténuation du signal au travers de la sonde haute impédance (5kS2 : 50Q=100).

La mesure est effectuée en deux phases, dans lesquelles la sonde haute impédance est connectée alternativement aux plots P2 et P4 du pont. Le paramètre mesuré par l'analyseur VNA pour chacune de ces deux positions est le facteur de transmission S21p1 et S21p2 (grandeurs vectorielles). Le facteur de réflexion du DUT est relié à la différence D21_DUT=S21p1_DUT - S21 p2_DUT• Comme expliqué plus haut, la mesure proprement dite doit être précédée d'une étape de calibrage, qui met en oeuvre trois ponts additionnels, PCA, PCC, PEQ représentés sur la figure 4 afin de mesurer respectivement la directivité, la perte en transmission et la désadaptation. Dans le pont PCA, les plots P2 et P3 sont isolés entre eux, autrement dit le dipôle DUT du pont PM est remplacé par un circuit ouvert. Dans le pont PCC, au contraire, les plots P2 et P3 sont court-circuités, le dipôle DUT étant remplacé par un tronçon du conducteur CL1 du guide d'onde CPW. Dans le pont PEQ, le dipôle DUT est remplacé par une piste résistive R2 rendant le pont équilibré ; dans le cas le plus simple, R1=R2=R3=R4.

Avantageusement, les quatre ponts PM, PCA, PCC et PEQ sont réalisés simultanément sur le même substrat, afin d'assurer que le pont de mesure et les ponts de calibrage soient strictement identiques entre eux, sauf en ce qui concerne la liaison (ou l'absence de liaison) entre les plots P2 et P3. En variante, seuls trois ponts peuvent suffire, le pont en circuit ouvert PCA étant utilisé pour la caractérisation d'un composant rapporté. La caractérisation du dipôle DUT nécessite donc huit mesures élémentaires (deux pour chaque pont) et la résolution d'un système de trois équations linéaires (pour déterminer la directivité, la perte en transmission et la désadaptation à partir des trois mesures de calibrage).

Les sondes haute impédance sont fragiles, et leur bande passante est limitée par la présence de capacités parasites. Pour pallier ces problèmes, le pont intégré de la figure 5 comporte deux résistances R5, R6 (en serpentin) connectées en série entre les plots P2, P4 et deux plots additionnels P5, P6, qui peuvent être utilisés comme plots de contact pour une sonde de mesure à haute fréquence e à 50Q. On peut par exemple utiliser une sonde à cinq contacts de type masse- signal-masse-signal-masse. Les deux contacts de signal sont connectés aux plots P5, P6, les contacts de masse externes sont connectés aux conducteurs latéraux du guide d'onde coplanaire CPW et le conducteur de masse central est connecté à un plot de masse P7 situé entre les plots de signal P5 et P6. Ce plot P7 peut être relié à la masse directement, ou seulement par l'intermédiaire de la sonde. L'intégration des résistances avec le pont permet de diminuer les capacités parasites, et donc d'augmenter la bande passante, et d'utiliser des sondes présentant une plus grande résistance mécanique. En outre, la reproductibilité des mesures se trouve améliorée.

L'utilisation de résistances intégrées de structure linéaire, et pas en serpentin, permet de réduire ultérieurement les capacités parasites. En revanche, cela nécessite une étape spécifique de dépôt par pulvérisation d'un matériau à haute résistivité comme par exemple le NiCr. La valeur des résistances R5, R6 est supérieure aux résistances RI, R2 et R3 d'au moins un facteur trois. Un autre avantage d'utiliser une sonde multi-contacts est que le nombre de mesures à effectuer est divisé par deux, car la sonde ne doit pas être connectée successivement aux deux plots de mesure comme dans le cas de la figure 3. Bien entendu, le pont de mesure à haute impédance de la 20 figure 5 est, de préférence, fourni avec les ponts de calibrage correspondants (non représentés). Il est intéressant de noter que la géométrie du pont de la figure 5 est différente de celui de la figure 3 : les plots de mesure ne sont pas disposés en quadrilatère, mais forment plutôt un pentagone irrégulier ; 25 d'ailleurs, les plots PI et P3 ne se distinguent pas réellement des conducteurs Cc et CL,/CL2 du guide d'onde coplanaire CPW. Sur la droite de la figure, le conducteur CL1 entre en contact avec deux métallisations rectangulaires MI, M2 qui constituent à leur tour les conducteurs latéraux d'un deuxième guide coplanaire CPW2 d'une voie de mesure pour nano-composants rapportés. 30 Cette voie de mesure, qui convient tout particulièrement à la caractérisation de transistors à nanotube de carbone monofeuillet (SWNT) est représenté plus en détail sur les figures 6a û 6d.

Sur les figures 6a ù 6c on peut voir qu'une première piste conductrice de contact TI s'étend du plot P2 vers le plot P3 et réciproquement une deuxième piste de contact T2 s'étend du plot P3 vers le plot P2. Les deux pistes de contact se prolongent par des doigts DI, D2 respectifs, dont la largeur est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres (800 nm dans l'exemple de la figure). Un espacement E, également de quelques centaines de nanomètres (800 nm dans l'exemple de la figure), sépare les extrémités de ces doigts. Comme le montre la figure 6d, un nanotube de carbone SWNT peut être positionné, par exemple grâce à des techniques connues de diélectrophorèse, au niveau de l'espacement E, et être connecté électriquement aux doigts DI, D2 par dépôt d'une bicouche B en Palladium / Or (30 / 80 nm). Ces techniques de diélectrophorèse sont décrites dans l'article de A. Vijayaraghavan, S. Blatt, D. Weissenberger, M. Oron-Cari, F. Hennrich, D. Gerthsen, H. Hahn et R. Krupke; Nano Lett. 2007, 7, (6), 1556-1560. Une fine électrode D3 en aluminium, isolée par une couche d'oxyde (2 nm d'épaisseur) et reliée au deuxième guide d'onde coplanaire CPW2, s'étend au-dessous de l'espacement E pour servir d'électrode de grille du transistor formé par le nanotube SWNT connectée aux électrodes DI, D2 servant de contacts de drain et de source. Les figures 7a ù 7e, 8a ù 8e et 9a ù 9c montrent plus en détail trois procédés de fabrication d'un pont de mesure intégré selon l'invention 25 comportant un nanotube de carbone à caractériser. Le premier procédé (figures 7a ù 7e) se base sur une modification du substrat S par greffage localisé de molécules afin d'obtenir l'absorption préférentielle d'un nanotube (ou d'un autre nano-objet) au niveau d'un emplacement de mesure E. Ce procédé comporte : 30 - Figure 7a : fabrication des résistances en Ni/Cr par une étape de lithographie électronique comportant : le dépôt d'une couche de résine, le dessin d'un motif de lithographie dans la résine par faisceau d'électrons, le développement de la résine, le dépôt d'un alliage Ni/Cr par pulvérisation cathodique, le retrait de la résine restante (lift-off). - Figure 7b : fabrication de la structure du pont par lithographie électronique. - Figure 7c : préparation d'une zone collante au niveau de l'emplacement de mesure E par : dépôt de résine ; dessin de la zone collante par faisceau d'électrons, développement de la résine, greffage d'une monocouche moléculaire d'amino-propyl-triethoxy-silane (APTS) en phase gaz, puis retrait de la résine. - Figure 7d : dépôt d'une goutte de solution de nanotubes de carbone dans du NMP (N-methyl-pyrrolidone) sur le wafer, ou immersion du wafer dans une telle solution. Les nanotubes ne "collent" que sur la zone greffée par l'APTS, l'excès de solution est rincé ; ce processus stochastique est répété jusqu'à obtention d'un seul nanotube correctement positionné, avec l'orientation voulue, dans l'emplacement de mesure. Figure 7e : dépôt de contacts électriques en Pd/Au sur le nanotube par une nouvelle étape de lithographie électronique. Le deuxième procédé (figures 8a û 8e) se base sur une technique de diélectrophorèse. Ce procédé comporte : - Figure 8a : fabrication des résistances en Ni/Cr par une étape de lithographie électronique, comme dans le cas du premier procédé. - Figure 8b : fabrication d'électrodes (en Au) locales T1/D,, T2/D2 aux extrémités de l'emplacement de mesure E par une nouvelle étape de lithographie électronique ; - Figure 8c : dépôt d'un nanotube entre ces électrodes, comportant : le dépôt d'une goutte de solution de nanotubes sur le substrat S au niveau de l'emplacement E, la pose de deux pointes sur les électrodes, l'application d'un champ électrique alternatif (typiquement 10 V, 15 MHz pendant une durée de 3 minutes) ; rinçage ; - Figure 8d : dépôt des contactes B de Pd/Au sur le nanotube SWNT déposé par une nouvelle étape de lithographie électronique ; - Figure 8e : fabrication de la structure du pont par lithographie électronique. Le troisième procédé (figures 9a û 9c) est une variante du deuxième procédé comprenant aussi la fabrication d'une grille isolée pour faire fonctionner le nanotube comme un transistor à effet de champ. Ce procédé débute par la fabrication d'une grille D3 en aluminium et l'oxydation de sa surface pour former l'isolant de grille (figure 9a). Ensuite, on fabrique les résistances calibrées en Ni/Cr et les électrodes en Ti/Au, et on dépose un nanotube de carbone par diélectrophorèse au-dessus de la grille (figure 9b, correspondant aux figures 8a û 8d du deuxième procédé). Enfin, on fabrique la structure du pont par lithographie électronique (figure 9c). De la même façon, une électrode de grille peut être utilisée en combinaison avec la méthode de dépôt par greffage moléculaire (premier procédé).

Ces techniques, décrites en relation au dépôt de nanotubes de carbone, peuvent être adaptées au dépôt d'autres nano-objets tels que des nanotubes de carbone dopés, par exemple au bore ou à l'azote ; des nanotubes de nitrure de bore, au d'autres types encore de nanotubes ; des nanofils de matériaux semiconducteurs (silicium, GaAs, InP...) ou métalliques (or, palladium, platine...). Un pont comportant une voie de mesure pour nano-objets, comme celui représenté sur les figures 5 et 6a û 6d nécessite d'une étape de calibrage supplémentaire pour caractériser ladite voie de mesure. Ainsi, après avoir calibré le pont par trois mesures en circuit ouvert, court circuit et sur charge adaptée (voir la figure 4), il est nécessaire d'effectuer une quatrième mesure avec un pont identique à celui utilisé pour caractériser le nano-objet, mais vide. Cette quatrième mesure permet d'obtenir les caractéristiques électriques de la voie de mesure, qui peut être modélisée par une capacité parasite de quelques femto-farad (1fF=10-15 F), en parallèle au nano-objet.

Cette valeur de capacité est extraite à partir de la partie imaginaire de l'admittance, obtenue par conversion du facteur de réflexion (paramètre S) en paramètre Y.

Après ces étapes de calibrage, le facteur de réflexion du nanotube est mesuré par rapport aux plans de référence PR1, PR2 situés aux extrémités des voies de mesure. Le paramètre S ainsi mesuré est converti en paramètre Z pour donner l'impédance du nanotube.

Comme le montre la figure 10a, le nanotube est modélisé par un réseau distribué RSLSCp connecté en série à deux résistances de contact Rc, l'ensemble Rp ù RSLSCp ù Rp étant connecté en parallèle à la capacité parasite de la voie de mesure (en l'espèce, 5fF). Les points sur la figure 10b montrent les valeurs, en fonction de la fréquence, de la partie réelle et de la partie imaginaire d'un nanotube de carbone connecté à un pont de mesure selon l'invention. Les lignes continues représentent les valeurs théoriques correspondantes, obtenues à partir du modèle de la figure 10a avec des valeurs optimisées pour les paramètres R,, Rs, Ls et C. Ces valeurs, et les valeurs normalisées (par unité de longueur) correspondantes sont données dans le tableau suivant : Elément R, Rs C, Ls Valeur extraite -9 kQ 30kS2 -30fF -280 nH Valeur -8.2 kS2/pm -37.5 kS2/pm -37.5 fF/Nm -350 nH/pm normalisée La figure 11 met en évidence l'effet technique obtenu grâce à l'invention. Ce graphique représente l'incertitude de la mesure d'une résistance de valeur R comprise entre 100 S2 et 100 kQ, à une fréquence comprise entre 300kHz et 6 GHz en utilisant une sonde de mesure conventionnelle à 50 S2 (lignes LI : plage 300 kHz ù 1,3 GHz ; L2: plage 1,3 GHz ù 3 GHz ; L3: plage 3 GHz ù 6GHz) et un pont de mesure selon l'invention ayant une impédance caractéristique de 3,5 kS2 (lignes L4: plage 300 kHz ù 1,3 GHz ; L5: plage 1,3 GHz ù 3 GHz ; L6: plage 3 GHz ù 6GHz). Les mesures ont été effectuées avec un analyseur de réseaux vectoriel Agilent 8753ES équipé d'une connectique de métrologie APC Imm. La figure montre qu'aux valeurs d'impédance typiques des composants nanoélectroniques (1 ù 10 kS2), l'invention permet de réduire l'incertitude de la mesure de deux ù trois ordres de grandeur. Ce résultat est obtenu grâce à un dispositif (pont de mesure) simple et pouvant être fabriqué à coût réduit par des techniques microélectroniques conventionnelles, et en utilisant des méthodes de mesure conventionnelles.

Claims (22)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif intégré (PM) pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques (DUT), en particulier nanométriques, comportant un substrat (S) sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs (PI, P2, P3, P4), au moins trois pistes résistives (RI, R3, R4) reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission (CPW) comportant un conducteur de signal (Cc) et au moins un conducteur de masse (Cu, CL2), dans lequel : - lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un 10 premier plot conducteur (PI) d'une part à un deuxième (P2) et d'autre part en parallèle à un quatrième (P4) plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot (P3) ; - le conducteur de signal de la ligne de transmission est relié audit premier plot conducteur ; et 15 - le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot.
2. 2. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ligne de transmission est un guide d'onde coplanaire comprenant un conducteur central de signal et deux conducteurs latéraux, 20 lesdits conducteurs latéraux se rejoignant pour former un anneau de masse qui entoure les plots et les pistes résistives et entre en contact électrique avec ledit troisième plot.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel lesdits plots conducteurs sont agencés pour former un quadrilatère, le premier et le 25 quatrième plots formant des sommets non-adjacents de ce dernier.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le quadrilatère est un carré ou un losange.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les trois pistes résistives présentent une même valeur de 30 résistance.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les trois pistes résistives présentent des valeurs de résistance supérieures ou égales à 1 kQQ.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième et le quatrième plots sont également reliés, par l'intermédiaire de résistances intégrées respectives (R6, R7), à un cinquième (P5) et à un sixième (P6) plots.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les valeurs desdites résistances intégrées sont au moins égales à trois fois la valeur de 10 résistance la plus élevée desdites pistes résistives.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un composant électronique ou électrique à caractériser (DUT) est connecté entre lesdits deuxième et troisième plots.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel ledit 15 composant électronique ou électrique à caractériser (DUT) est intégré dans ledit substrat.
11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant des pistes conductrices de contact (TI, DI, D2, T2) s'étendant à partir de chacun desdits deuxième et quatrième plots et destinées à former 20 une ligne de mesure à laquelle peut être connecté un composant électrique ou électronique à caractériser.
12. 12. Dispositif selon la revendication 11, comportant également une piste conductrice isolée (D3) s'étendant dans une région (E) située entre lesdites pistes électriques de contact, où peut être positionné 25 ledit composant électrique ou électronique à caractériser.
13. 13. Dispositif (PCA) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots ne sont pas connectés électriquement l'un à l'autre.
14. 14. Dispositif (PCC) selon l'une des revendications 1 à 8, 30 dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont court-circuités.
15. 15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont court-circuités par l'intermédiaire d'une section du ou de l'un des conducteurs de masse de la ligne de transmission.
16. 16. Dispositif (PEQ) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont reliés par une piste résistive, l'ensemble constitué par les quatre plots et les pistes résistives les reliant formant un pont de Wheatstone équilibré.
17. 17. Dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant les trois dispositif élémentaires suivants, intégrés sur un même substrat : un selon l'une des revendications 9 à 12, un dispositif selon la revendication 14 ou 15 et un dispositif selon la revendication 16 ; ces trois dispositifs élémentaires étant identiques sauf en ce qui concerne la connexion éventuelle entre le deuxième et le troisième plot.
18. 18. Dispositif selon la revendication 17, comportant également un quatrième dispositif élémentaire selon la revendication 13, également intégré sur le même substrat et identique aux trois autres dispositifs élémentaires sauf en ce qui concerne la connexion entre le deuxième et le troisième plot.
19. 19. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure connectée alternativement au deuxième et au quatrième plot.
20. 20. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure multi-pointes connectée au cinquième et au sixième plots, ainsi qu'au ou aux conducteur(s) de masse de la ligne de transmission. 5
21. 21. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 12 à 16 pour le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) à l'occasion de la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique selon la revendication 20.
22. 22. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 17 ou 18 pour effectuer le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel selon la revendication 21 et pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique selon la revendication 20. 10