FR2992734A1 - Procede de caracterisation electrique d'une structure soi a quatre electrodes et dispositif associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de caractérisation électrique d'une structure SeOI, la structure SeOi étant constituée d'une couche de diélectrique disposée entre une couche mince semi-conductrice et un substrat semi-conducteur, la structure SeOI ayant été disposée sur une plaque métallique et sur laquelle quatre électrodes ont été disposées sur la couche mince semi-conductrice alignées sur une même rangée, la plaque métallique permettant d'appliquer une tension V de grille dans le substrat semi-conducteur, deux des électrodes situées aux extrémités de la rangée définissant respectivement une source et un drain.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des semi-conducteurs et concerne plus particulièrement un procédé de caractérisation d'une structure de type semiconducteur sur isolant (Se01).

ETAT DE LA TECHNIQUE Les structures SeOls sont de plus en plus utilisées en microélectronique. Un exemple connu est la structure Silicium sur isolant (en anglais, « Silicon on Insulator», (SOI)).

Une structure Se01 est, de manière connue en soi, constituée d'un substrat support en matériau semi-conducteur, d'une couche d'isolant de diélectrique (par exemple une couche d'oxyde, SiO2) sur le substrat et une couche mince (ou film) en matériau semi-conducteur (c'est-à-dire présentant une épaisseur inférieure à 50 nm) sur la couche d'isolant.

Avant d'utiliser une structure Se01 pour la fabrication d'une structure semi- conductrice, il convient de la caractériser afin d'évaluer la qualité de la structure : qualité cristalline de la couche semi-conductrice, de la couche d'oxyde, etc. Une caractérisation importante est la caractérisation des propriétés électriques puisque ces propriétés sont directement liées aux performances d'une structure semi-conductrice. On connait du document S. Cristoloveanu et S. Williams : « Point-Contact Pseudo-MOSFET for In-Situ Characterization of As-Grown Silicon-on-Insulator VVafer », IEEE Electron. Device, Vol. 13, n°2, décembre 1992, pages 102-104, une technique de caractérisation électrique d'une structure SOI par mesure Pseudo- MOS. Une telle mesure consiste à utiliser la capacité d'une structure SOI à se comporter comme un transistor lorsque celle-ci est disposée sur un support métallique et lorsque une tension est appliquée sur le fil de Silicium. L'application de la tension permet de générer un canal de conduction (électrons ou trous) à l'interface entre la couche d'oxyde et le film de Silicium.

La figure 1 illustre schématiquement le montage utilisé pour une mesure Pseudo-MOS dans le cas du structure Se01 du type SOI. Cette méthode fait appel à un support métallique 10 en contact avec le substrat support 1 (ici en Silicium) de la structure Se01, et à deux électrodes Ps, PD assurant les contacts électriques sur le film 3 semi-conducteur (ici en Silicium). Le support 10 métallique permet d'appliquer une tension en face arrière de la structure Se01 (tension de grille VG). Les deux électrodes Ps, PD jouent le rôle de source et de drain par lesquelles passe un courant Id. La mesure pseudo MOS, se déroule en imposant une tension fixe Vd aux bornes des électrodes Ps, PD (par exemple Vd=200mV). La caractérisation de la structure Se01 consiste alors à mesurer le courant Id en fonction de la tension de grille VG. La connaissance du courant Id en fonction de VG permet de remonter aux grandeurs de mobilité (p) de porteurs (trous et électrons), à la densité de défauts d'interface (Dit), de la tension de bande plate (VFB), de la tension de seuil (VT), à la charge de la couche de diélectrique (ou couche d'isolant) (Qbox). Toutefois cette méthode impose une pression au niveau des électrodes d'au moins 70 g de manière à obtenir un contact ohmique optimal pour minimiser les résistances séries (en effet, il ne faut pas de résistance de contact), dans le cas contraire les résistances de contact ont une influence sur la mesure.

Par conséquent deux problèmes majeurs apparaissent : - dans le cas d'un film de Silicium fin (c'est-à-dire inférieur à 50 nm), les électrodes peuvent alors traverser la couche de silicium et donc fausser la mesure ; - dans le cas d'une couche d'oxyde fine, les déformations de la couche de silicium induites par la pression des pointes, se traduisent par une déformation locale de la couche d'oxyde de silicium, des courants de fuite peuvent alors apparaître voire par une destruction mécanique de la couche de diélectrique dans d'un film mince (inférieur à 50 nm) sur isolant mince (inférieur à 50 nm).

Ces problèmes rendent alors la mesure Pseudo-MOS impossible sur des structures SOI avec une couche d'oxyde fine et/ou un film de silicium fin. Pour pallier ces problèmes, une mesure à quatre électrodes a été développée. Une telle méthode est par exemple décrite dans le document A. M. lonescu et D. Munteanu : « A Novel In-Situ SOI Characterization Technique : The Intrinsic Point-Probe MOSFET », IEEE Electron. Device, Vol. 22, n°4, avril 2011. La figure 2 illustre schématiquement le montage utilisé pour cette mesure à quatre pointes. Comme cela est illustré sur cette figure, on dispose quatre électrodes P1, P2, P3, P4 alignées sur une même rangée. Cette méthode consiste à imposer un courant Id aux bornes des électrodes P1, P4, situées aux extrémités de la rangée et à mesurer la tension V23=VD aux bornes des électrodes P2, P3 situées entre les électrodes extrêmes en fonction de la tension de grille VG. Comme précédemment, la connaissance du courant ID en fonction de VG permet de remonter aux grandeurs de mobilité (ph, pie ) de porteurs (trous et électrons), à la densité de défauts d'interface (D,t), de la tension de bande plate (VFB), de la tension de seuil (VT), à la charge de la couche de diélectrique (ou couche d'isolant) (Qbox). Contrairement à la mesure présentée précédemment, cette mesure est indépendante de la pression exercée par les électrodes. Un inconvénient de cette méthode et qu'il est nécessaire d'attendre une certaine durée (plusieurs heures) pour stabiliser le signal. En effet, les grandeurs électriques ne sont stables que lorsque la tension V23=VD. En outre, des effets transitoires dus au substrat semi-conducteur sous-jacent rendent les effets transitoires sur la tension V23 non stable. En effet, le pallier atteint par la tension V23 n'est pas toujours le même ce qui rend difficile la répétabilité des mesures. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier les inconvénients des procédés de caractérisation connus en proposant une mesure utilisant quatre pointes, dont deux servent uniquement à mesurer une tension. En particulier, l'invention propose un procédé de caractérisation électrique d'une structure Se01, la structure SeOi étant constituée d'une couche de diélectrique disposée entre une couche mince semi-conductrice et un substrat semiconducteur, la structure Se01 ayant été disposée sur une plaque métallique et sur laquelle quatre électrodes ont été disposées sur la couche mince semi-conductrice alignées sur une même rangée, la plaque métallique permettant d'appliquer une tension VG de grille dans le substrat semi-conducteur, deux des électrodes situées aux extrémités de la rangée définissant respectivement une source et un drain, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'application d'une tension VD entre le drain et la source, le procédé étant en outre caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune d'une pluralité de tensions électriques de grille VG ; une mesure du courant ID entre le drain et la source et d'une tension V23 entre les deux électrodes situées entre le drain et la source, l'ensemble formé par la structure Se01 et la plaque métallique définissant un transistor à effet de champ à grille isolée dès lors que la tension de grille VG est appliquée, le procédé comprenant en outre une étape de détermination d'au moins un caractéristique électrique de la structure Se01 en fonction des mesures effectuées. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : à partir des mesures on détermine une expression du courant de drain ID en fonction de VG pour obtenir une grandeur de mobilité des électrons, une tension de seuil, le courant de drain en fonction de VG s'exprimant par la fonctionnelle suivante : = 4,53 CBG, (VG VT) y23 avec CBOX= EBOX/e où EBOX est la - 1+ 0,(VG- VT,) permittivité de la couche de diélectrique et où e est l'épaisseur de la couche de diélectrique ; 01 est un facteur de réduction de mobilité permettant d'ajuster la fonctionnelle aux mesures ; VG est la tension de grille ; VT est la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe des abscisses dans la partie positive de la tension VG lie est la mobilité, à faible champ, des électrons obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie positive de la tension VG à partir de l'expression du courant de drain ID en fonction de VG on détermine une fonction F23 fonction de VG s'exprimant par la fonctionnelle suivante : F'(VG)= I D = y 4,53CBOX (VG VFB avec 11 V23 gni gm=dlD/dVG la transconductance, c'est-à-dire la dérivée calculée à partir des données de mesures du courant ID par VG et VFB la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe des abscisses, dans la partie négative de la tension VG et th la mobilité, à faible champ, des trous obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie négative de la tension VG ; - la tension Vo entre le drain et la source est comprise entre 10mV et 1V ; - la couche de diélectrique présente une épaisseur inférieure à 50nm ; la couche semi-conductrice est choisie parmi le groupe suivant : Silicium, Alliage de Silicium-Germanium, Materiaux IIIV GaN, InGaN, GaAs, InP, InGaAs, Germanium ; la couche de diélectrique en matériau choisi parmi le groupe suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium ou oxynitrure, nitrure d'aluminium, oxyde d'aluminium, nitrure d'aluminium, oxyde d'hafnium Et l'invention concerne un dispositif de caractérisation d'une structure Se01 constituée d'une couche d'une couche de diélectrique disposée entre une couche mince semi-conductrice et un substrat semi-conducteur, le dispositif comprenant une plaque métallique configurée pour supporter la structure Se01 et quatre électrodes adaptées pour être disposées sur la couche mince semi-conductrice selon une même rangée, le dispositif étant configuré pour la mise en oeuvre d'un procédé de caractérisation électrique selon l'invention. Les avantages de l'invention sont multiples.

Le procédé selon l'invention ne nécessite pas d'appliquer une quelconque pression par les électrodes sur le film de Silicium. Aucun effet dû à des résistances parasites n'est obtenu. De ce fait, la caractérisation est possible même pour des couches de Silicium et/ou d'oxyde fines c'est-à-dire présentant une épaisseur inférieure à 50 20 nm. Enfin, il n'est pas nécessaire d'attendre une quelconque stabilisation du signal pour effectuer la mesure. La caractérisation est par conséquent plus rapide qu'avec un procédé à quatre pointes de type connu. En outre, l'invention est aussi rapide qu'avec une méthode à deux pointes 25 mais utilise deux électrodes qui ne servent qu'à mesure une tension flottante V23 qui correspond à la chute de potentielle interne au canal de conduction. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la 30 description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre les figures 1 et 2 déjà discutées : - la figure 3 illustre un schéma d'un montage utilisé pour une mesure conforme à l'invention ; - les figures 4a et 4b illustrent respectivement un schéma électrique équivalent d'un montage utilisé pour une mesure de l'art antérieur et un schéma équivalent d'un montage pour une mesure conforme à l'invention ; - la figure 5 illustre des courbes obtenues avec des mesures effectuées conformément à l'invention. - les figures 6a et 6b illustrent respectivement une mesure de la mobilité des trous et de la mobilité des porteurs en fonction de la pression exercée par les électrodes sur le film de Silicium selon un procédé connu et selon le procédé de l'invention ; DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec la figure 3 un schéma d'un montage utilisé pour mettre en oeuvre un procédé de caractérisation d'une structure Se01 selon un mode de réalisation de l'invention.

Une structure Se01 est disposée sur une plaque 10 métallique et quatre électrodes P1, P2, P3, P4 sont disposées sur la couche 3 mince de Silicium selon une même rangée. De manière avantageuse on note que la couche semi-conductrice de la structure Se01 est en matériau choisi parmi le groupe suivant : Silicium, Alliage de Silicium-Germanium, MateriauxII1V GaN, InGaN, GaAs, InP, InGaAs, Germanium. En outre, on note que la couche de diélectrique en matériau choisi parmi le groupe suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium ou oxynitrure, nitrure d'aluminium, oxyde d'aluminium, nitrure d'aluminium, oxyde d'hafnium En revenant à la figure 3, les électrodes P1, P2, P3, P4 sont de préférence équi-réparties sur une rangée, une distance d séparant chaque électrode. Les électrodes présentent un diamètre inférieur à 100 !am, typiquement compris entre 2 et 100 !am. Deux des électrodes P1, P4 situées aux extrémités de la rangée définissent respectivement une source S et un drain D.

Les électrodes sont de préférence en tungsten (W) ou en carbure de tungstène (WC). Des électrodes en Osmium peuvent aussi être utilisées et permettent un contact plus doux avec le matériau. Les contacts avec la couche semi-conductrice de la struture Se01 sont de type Kelvin ; aucun courant ne passe à travers ces électrodes.

La plaque 10 métallique permet d'appliquer une tension électrique VG de grille au substrat 1 support de la structure Se01. Le procédé consiste à fixer une tension VD entre le drain D et la source S. Cette tension VD est typiquement comprise entre 10mV et 1V.

Ensuite, on fait varier une tension de grille VG et, pour chaque valeur de la tension VG, on mesure un courant (ID) entre le drain D et la source S et une tension V23 entre les deux électrodes P2, P3 situées entre le drain et la source. La très forte impédance aux bornes des deux électrodes P2, P3 situées entre le drain D et la source S permet d'avoir un courant quasi nul passant au travers des électrodes. Ainsi, les résistances de contact au niveau du drain D et de la source S n'ont aucun impact sur la mesure. Par conséquent, le procédé est indépendant de la pression exercée sur le film de Silicium de sorte qu'il est possible d'appliquer une très faible pression sur ce film.

En outre, le fait de mesurer la tension V23 entre les deux électrodes P2, P3 situées entre le drain D et la source S couplé au fait de forcer la tension VD entre le drain D et la source S permet de ne pas attendre que le signal se stabilise contrairement à la technique à quatre électrodes de l'art antérieur où pour mesurer V23 il convenait d'attendre V23=VD en forçant le courant ID.

On a illustré sur la figure 4a un schéma électrique équivalent d'une mesure conforme à l'art antérieur à quatre pointes et sur la figure 4b un schéma équivalent d'une mesure conforme à l'invention. Comme on peut le constater sur ces figures, dans le procédé de l'invention la mesure de la tension V23 se fait entre les deux résistances 1=tc contrairement à la mesure de l'art antérieur où le fait de mesurer le courant ID rend dépendante la mesure des résistances Rp. A partir de la mesure de la tension V23 entre les deux électrodes P2, P3 situées entre le drain D et la source S et de la mesure du courant ID circulant entre le drain et la source on peut déduire plusieurs caractéristiques électriques de la structure SOI. S'agissant des électrons, à partir de la mesure du courant ID en fonction de VG, on peut déterminer dans le cas de contacts de Kelvin la fonctionnelle suivante : ID = 4,53 C BOX 0 ( (VG VT) V" 14_ (VG -VT VT, avec - CBox= EBOX/e où EBOX est la permittivité de la couche d'isolant et où e est l'épaisseur de la couche d'isolant ; - 01 est un facteur de réduction de mobilité permettant d'ajuster la fonctionnelle aux mesures ; - VG est la tension de grille ; - VT est la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe des abscisses dans la partie positive de la tension VG _ lie est la mobilité, à faible champ, des électrons obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie positive de la tension VG. S'agissant des trous, comme pour les électrons on peut déterminer dans le cas de contacts de Kelvin une fonctionnelle issue de l'expression du courant ID ci-dessus et donnée par l'expression suivante : F23 (VG ) - I D = y 4,53CBoxi2h (VG VFB) 1 V23 gm avec gm=dlD/dVG la transconductance (soit la dérivée calculée à partir des données de mesures du courant ID par VG) et VFB la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe des abscisses, dans la partie négative de la tension VG et th la mobilité, à faible champ, des trous obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie négative de la tension VG.

A partir de l'expression F23 en fonction de VG on peut remonter à la valeur de la charge de pièges à porteurs (Dit). Ce paramètre est déterminé à partir de la pente sous le seuil Sw. La quantité de charges dans l'isolant enterré QBox est obtenu à partir de l'analyse de la tension de bandes plates VFB.

On a illustré sur la figure 5, les fonctions ID et F23 en fonction de VG. On a reporté en outre sur cette figure les différents paramètres que l'on peut en déduire. Le procédé de l'invention a été testé sur une structure Se01 du type SOI. Sur les figures 6a et 6b sont respectivement illustrées la mobilité des trous (exprimée en cm2N.$) et la mobilité des électrons (exprimée en cm2N.$) en fonction de la pression (exprimée en g) que les électrodes de drain D et de source S exercent sur le film de Silicium obtenue avec la technique pseudo-MOS et avec le procédé de l'invention. Sur ces figures les marqueurs carrés correspondent aux mesures effectuées selon l'invention tandique que les marqueurs en forme de cercle correspondent aux mesures effectuées avec la technique pseudo-MOS. On voit bien sur ces figures l'indépendance, de la technique de l'invention, à la pression que les électrodes de source S et de drain D exercent sur le film de Silicium de la structure SOI.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation électrique d'une structure Se01, la structure SeOi étant constituée d'une couche de diélectrique (2) disposée entre une couche (3) mince semi-conductrice et un substrat (1) semi-conducteur, la structure Se01 ayant été disposée sur une plaque (10) métallique et sur laquelle quatre électrodes (P1, P2, P3, P4) ont été disposées sur la couche mince semi-conductrice alignées sur une même rangée, la plaque (10) métallique permettant d'appliquer une tension VG de grille dans le substrat (1) semi-conducteur, deux des électrodes (P1, P4) situées aux extrémités de la rangée définissant respectivement une source (S) et un drain (D), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'application d'une tension VD entre le drain (D) et la source (S), le procédé étant en outre caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune d'une pluralité de tensions électriques de grille VG ; une mesure du courant ID entre le drain et la source et d'une tension V23 entre les deux électrodes situées entre le drain (D) et la source (S), l'ensemble formé par la structure Se01 et la plaque (10) métallique définissant un transistor à effet de champ à grille isolée dès lors que la tension de grille VG est appliquée, le procédé comprenant en outre une étape de détermination d'au moins un caractéristique électrique de la structure Se01 en fonction des mesures effectuées.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à partir des mesures on détermine une expression du courant de drain ID en fonction de VG pour obtenir une grandeur de mobilité des électrons, une tension de seuil, le courant de drain en fonction de VG s'exprimant par la fonctionnelle suivante : 254,53 C Boxlt0 (VG VT) V23 1 ± (VG - avec C130x= EBOX/e où EBOX est la permittivité de la couche de diélectrique et où e est l'épaisseur de la couche de diélectrique ; 01 est un facteur de réduction de mobilité permettant d'ajuster la fonctionnelle aux mesures ; VG est la tension de grille ; VT est la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe 30 des abscisses dans la partie positive de la tension VG; 1-te est la mobilité, à faible champ, des électrons obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie positive de la tension VG.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel à partir de l'expression du courant de drain ID en fonction de VG on détermine une fonction F23 fonction de VG s'exprimant par la fonctionnelle suivante : F23 (VG ) -I D -'14,53C BOX h(V G -VFB) -\IV23g m avec grn=d1D/dVG la transconductance, c'est-à-dire la dérivée calculée à partir des données de mesures du courant ID par VG et VFB la tension de seuil, c'est-à-dire l'intersection de la tangente avec l'axe des abscisses, dans la partie négative de la tension VG et ith la mobilité, à faible champ, des trous obtenue en déterminant la pente de la tangente à la courbe dans la partie négative de la tension VG.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la tension VD entre le drain (D) et la source (S) est comprise entre 1 OmV et 1V.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche de diélectrique présente une épaisseur inférieure à 50nm.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la couche semiconductrice est choisie parmi le groupe suivant : Silicium, Alliage de Silicium-Germanium, Materiaux 111V GaN, InGaN, GaAs, InP, InGaAs, Germanium
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche de diélectrique est en matériau choisi parmi le groupe suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium ou oxynitrure, nitrure d'aluminium, oxyde d'aluminium, nitrure d'aluminium, oxyde d'hafnium
8. 8. Dispositif de caractérisation d'une structure Se01 constituée d'une couche d'une couche de diélectrique (2) disposée entre une couche (3) mince semi-conductrice et un substrat (1) semi-conducteur, le dispositif comprenant une plaque (10) métallique configurée pour supporter la structure Se01 et quatre électrodes adaptées pour être disposées sur la couche (3) mince semi-conductrice selon une même rangée, le dispositif étant configuré pour la mise en oeuvre d'un procédé de caractérisation électrique selon l'une des revendications précédentes.