Reservation  -     

Center of MicroNanoTechnology CMi

EPFL - STI - CMI

Rsistivimtre 4 pointes
KLA TENCOR OmniMap RS75.

Table des matires

Introduction

Principe Physique

Capacit de lquipement

Restriction d'accs

Caractristiques techniques

Informations

Introduction

Lquipement OmniMap RS75 permet de mesurer la rsistivit de films minces sur un isolant ou la rsistivit de substrat en silicium.

La gamme de mesure stend de 5mW/□ (milli Ohm par carreau) jusque 5 MW/□ pour des plaques de 50 mm 200 mm de diamtre (2 8 pouces). Le systme peut mesurer jusque 1264 points par plaque ce qui permet de dresser une cartographie de la rsistance par carreau sur toute la surface de la plaque.

La prcision de mesure absolue, corrige 23C, est de 1% de lchelle selon standard NIST / VLSI.

La rptitivit de mesure est infrieure 0.2% (1 sigma) selon la procdure dfinie par Tencor (diamtre de mesure = 1 pouce) et en utilisant la bonne sonde.

Le systme est quip de 4 sondes (3 types diffrents). Chaque sonde est constitue de 4 pointes en carbure de tungstne. Le rayon des extrmits des pointes et leur espacement sont adapts pour mesurer un type de film.


 


Principe Physique

La rsistivit r est la mesure de la capacit dun film mince de conduire les porteurs lectriques. Dans une couche mtallique, les porteurs sont les lectrons. Dans un semi-conducteur, les porteurs peuvent tre les lectrons (matriaux de type n) ou les trous (matriaux de type p). La rsistivit, dont lunit de mesure est l'Ohm.cm (W.cm) est une proprit volumique du matriau. Elle est fonction de la concentration, n, et de la mobilit, m, des porteurs :

avec e la charge lectronique.

La rsistance par unit de surface est dfinie comme tant la rsistivit divise par l'paisseur t du film:

La rsistance R d'une piste de longueur l, de largeur w et d'paisseur t est dfinie par :

Le rapport longueur sur largeur est le nombre de carreaux. Rs est la rsistance par carreau.

Dans de nombreux cas des semi-conducteurs, la concentration des porteurs et par consquent la rsistivit dpendent de la profondeur z. De plus, la mobilit m dpend de la concentration n.

La rsistance par carreau est alors donne par l'intgrale faite sur l'paisseur du film:

La mesure est ralise grce une sonde quatre pointes. La rsistivit et la prparation de la surface du matriau sont des facteurs importants pour la prcision des mesures. La gomtrie de l'chantillon doit tre prise en compte pour corriger les mesures brutes.

La sonde utilise est constitue de 4 pointes en carbure de tungstne alignes et espaces rgulirement. Typiquement, l'espacement des pointes est compris entre 0.025 et 0.062 pouces. Il existe diffrents types de sonde caractrise par la force applique sur les pointes, le rayon de l'extrmit des pointes, l'espacement entre les pointes. La sonde doit tre choisie en fonction de la rsistivit, la duret et de l'paisseur du film mesurer.

La rsistance par carreau Rs est obtenue en injectant un courant donn I entre les deux pointes extrieures et en mesurant la chute de potentiel V entre les deux pointes intrieures.

Si l'chantillon est considr comme tant semi-infini en regard de l'espacement s entre les pointes (ts), la rsistivit s'exprime alors par :

Si l'chantillon est considr comme un film (ts), la rsistance Rs et la rsistivit r s'exprime alors par :

En pratique, l'espacement entre les pointes n'est pas strictement le mme et les dimensions de l'chantillon ne sont pas toujours trs grandes devant l'espacement des pointes (petits chantillons ou mesure en bord de plaque). Ceci conduit introduire un facteur de correction k dans la formulation :

L'espacement entre les pointes peut tre dtermin en mesurant directement l'cart entre les empreintes faites par la sonde sur une surface propre et polie. Le facteur de correction k peut tre calcul pour des plaques circulaires connaissant le rayon r de la plaque, la distance r0 entre le centre de la plaque et le milieu des pointes intrieures et l'angle b entre le rayon passant par le milieu des pointes intrieures et la droite passant par les pointes.


La mesure de rsistivit utilisant le facteur de correction k est prcise 1% au centre de la plaque et 2-3% au bord. Etant donn que l'espacement entre les pointes varie lgrement chaque fois que la sonde entre en contact avec la plaque, la prcision de mesure est limite environ 0.5% (cart type sur une srie de mesures ponctuelles). Une mthode de compensation automatique de l'effet gomtrique a t labore pour obtenir une plus grande prcision. Cette technique consiste placer la sonde parallle un rayon de la plaque (b=0) et mesurer deux rsistances.

La premire rsistance Ra est obtenue classiquement en injectant le courant par les deux pointes externes et en mesurant la tension entre les deux pointes internes.

La seconde rsistance Rb est obtenue en injectant le courant entre la premire et la troisime pointe et en mesurant la tension entre la seconde et la quatrime pointe.

Le facteur de correction k ne dpend alors que du rapport x = Ra/ Rb.

Dans le cas idal d'une rpartition quidistante des pointes (S1=S2=S3) et d'un film mince infini (r=∞), k et x valent:

L'utilisation de cette technique permet d'obtenir une prcision de mesure de 0.5% avec un cart type de 0.10.2% sur une srie de mesures ponctuelles.

Capacit de lquipement

         Le porte-substrat permet de mesurer la rsistivit sur 1 plaque dont le diamtre est compris entre 50mm et 200mm.

         Le systme est quip de 4 sondes: une pour les films mtalliques excepts l'or et le cuivre, une pour les films d'or ou de cuivre , une pour les films de polysilicium dop et une pour les substrats en silicium.


 


Restriction d'accs

         Les substrats autoriss sont les plaques de silicium, verre (float glass, pyrex, ...) ou quartz.

         Les plaques ne doivent pas tre couvertes de couches organiques (polymre, rsine, ...).

         Les plaques doivent tre propres.

         Pour viter les problmes de contamination croise avec les autres quipements, il est impratif d'utiliser la brucelle vide pour manipuler les plaques.

Caractristiques techniques

Le contact lectrique entre l'extrmit des pointes et la surface de la plaque est un paramtre critique pour la mesure de rsistivit. L'utilisation d'une mme sonde pour tout type de matriaux peut conduire des rsultats errons.

L'aluminium est un matriaux de faible duret et s'oxyde facilement. Au fur et mesure de l'utilisation de la sonde sur un tel matriau, de fines particules d'aluminium s'incrustent dans les extrmits des pointes. L'aluminium aplanit la surface des pointes de la sonde et s'oxyde, rendant ainsi les extrmits plus lisses et isolantes. La mesure de rsistivit d'une plaque en silicium polie et recouverte d'un oxyde natif avec une telle sonde donne des rsultats errons tant donn que l'indentation et la pntration de la couche d'oxyde natif sont faibles et par consquent les contacts lectriques le sont aussi.

Une sonde ayant des pointes de faible rayon fonctionne trs bien pour des couches mtalliques. La rsistance de contact et lindentation du matriau ne posent aucun problme. Les plaques en silicium et les plaques avec des couches implantes peuvent avoir des rsistances de contact leves. La rsistance effective est fonction de la rsistance de tous les points de contact.

Etant donn que chaque pointe de sonde na pas un point de contact singulier mais a plutt une multitude de points de contact dus la rugosit de la surface du carbure de silicium, la rsistance de contact dune pointe est le rsultat de la mise en parallle dune multitude de rsistances de contact. La rsistance de contact globale dcrot avec le nombre de points de contact. Ceci est ralis en augmentant le rayon de lextrmit des pointes.

Pour les films mtalliques, les sondes recommandes sont celles dont les pointes ont un rayon de 1,6 mil de pouce (0,102 mm).

Pour les films fortement implants (plus de 1014 ions/cm2) ou pour les substrats de faible rsistivit (infrieure 10W.cm), les sondes recommandes sont celles dont les pointes ont un rayon de 4,0 mil de pouce (0,102 mm).

Pour les films implantation ionique moyenne (5.1012 1014 ions/cm2) ou pour les substrats de rsistivit moyenne (1 100 W.cm), les sondes recommandes sont celles dont les pointes ont un rayon de 8,0 mil de pouce (0,203 mm).

Pour les films faiblement implants (moins de 5.1012 ions/cm2) ou pour les substrats de forte rsistivit (suprieure 100 W.cm), les sondes recommandes sont celles dont les pointes ont un rayon de 20,0 mil de pouce (0,508 mm).

Les mesures effectues sur des surfaces non polies peuvent poser problme. Les discontinuits de surface rduisent le nombre des points de contact. En augmentant la force applique sur les pointes 200 grammes (communment fixe 100 gr.), les problmes de contact sur les surfaces rugueuses sont gnralement rsolus. Pour les plaques vierges, le choix d'une sonde de rayon de pointes de 1,6 mil (0.041 mm) et de force de 200 grammes est mieux adapt.


Type de la sonde

Description


Application

Rayon de l'extrmit

Force

Distance entre les pointes

A

1,6 mil
0,041 mm

100 gr.
0,98 N

40 mil
1,016 mm

Rsistivit faible
Films mtalliques, ni or ni cuivre

A
"Au et Cu"

Rsistivit faible
Films d'or ou de cuivre

C

8,0 mil
0,203 mm

100 gr.
0,98 N

40 mil
1,016 mm

Rsistivit forte
Film polysilicium dop

E

1,6 mil
0,041 mm

200 gr
1,96 N

62,5 mil
1,588 mm

Substrat silicium

Pour garantir la prcision de mesure, le centre de la sonde doit tre une distance suffisante du bord du film conducteur ou du substrat silicium. Pour un chargement manuel de la plaque, la distance minimale est donne dans le tableau ci-dessous :

Type de la sonde

Distance entre les pointes

Distance minimale entre le centre de la sonde et le bord du film conducteur

A

40 mil / 1,016 mm

6 mm

C

40 mil / 1,016 mm

6 mm

E

62,5 mil / 1,588 mm

7 mm

Le systme peut travailler selon diffrents mode :

-          Possibilit de fixer la valeur de la tension ou de fixer la valeur du courant.

-          Possibilit de ritrer ltalonnage initial effectu sur la plaque ou denchaner les autres mesures

-          Possibilit deffectuer les mesures en mode  SINGLE CONFIG  ou en mode  DUAL 

Mode  AUTO RANGE AUTO RUN  :

Avant de commencer la srie de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat en un point proche du centre de la plaque, lgrement dcal du centre. Le systme recherche automatiquement la pleine chelle du courant en commenant par la valeur dfinie dans le champ  AMPERAGE  et en laugmentant jusqu obtenir la tension fixe dans le champ  VOLTAGE .

Le systme remplace alors la valeur dans le champ  AMPERAGE  par la nouvelle valeur et enchane les mesures (AUTO RUN) en utilisant pour chaque site la nouvelle valeur de courant.

AUTO RANGE AUTO RUN est le mode le plus rapide et le plus couramment utilis en production.

Mode  MANUAL PAUSE  :

Ce mode permet deffectuer un test spcifique pour une plaque donne. Avant de commencer la srie de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat, applique la valeur dfinie dans le champ  AMPERAGE  et affiche la tension mesure. Le systme permet loprateur dentrer une autre valeur de courant avant de commencer les mesures (PAUSE).

Mode  MANUAL AUTO RUN  :

Ce mode permet deffectuer un test spcifique pour une plaque donne. Avant de commencer la srie de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat, applique la valeur dfinie dans le champ  AMPERAGE  et affiche la tension mesure. Le systme enchane les mesures (AUTO RUN) en utilisant pour chaque site la mme valeur de courant. Une mauvaise valeur de courant donne des rsultats errons.

Mode  AUTO RANGE AND PAUSE :

Avant de commencer la srie de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat en un point proche du centre de la plaque, lgrement dcal du centre. Le systme recherche automatiquement la pleine chelle du courant en commenant par la valeur dfinie dans le champ  AMPERAGE  et en laugmentant jusqu obtenir la tension fixe dans le champ  VOLTAGE .

Le systme remplace alors la valeur dans le champ  AMPERAGE  par la nouvelle valeur et affiche la tension mesure. Le systme permet loprateur dentrer une autre valeur de courant avant de commencer les mesures (PAUSE).

Mode  DUAL :

Ce mode doit tre utilis pour la plupart des mesures. Le mode  DUAL  utilise le ratio des deux tensions mesures Va et Vb permettant de calculer les rsistances Ra et Rb utilises pour dterminer le facteur de correction gomtrique k (cf. Principe Physique).

Mode  SINGLE CONFIG :

Ce mode doit tre utilis uniquement lorsque le mode  DUAL  pose problme. Va seul est mesur et le facteur de correction gomtrique nest pas utilis. Dans ce cas les mesures effectues prs du bord du film risquent dtre errones.

Par dfaut la tension est souvent fixe 7.5mV. Le systme cherche la valeur du courant telle que la tension mesure soit gale la tension fixe.

Le courant optimum est dtermin en augmentant sa valeur lentement tout en mesurant la rsistance par carreau (R/□). La valeur de courant applique initialement est dfinie dans le champ  AMPERAGE .

-          Si R/□ est constant en fonction du courant, le courant optimum est le courant maximum donnant la tension fixe dans le champ  VOLTAGE .

-          Si R/□ dcrot lorsque le courant augmente, la cause la plus probable est le courant de fuite dans le film ou le substrat. Le courant optimum nest pas le plus lev.

-          Si R/□ crot lorsque le courant augmente, la cause la plus probable est un chauffement local du film (dans le cas o le coefficient de temprature de la rsistance est positif). Le courant optimum nest pas le plus lev.

Si R/□ est grand (respectivement petit), la valeur du courant permettant datteindre la consigne en tension est petite (respectivement grande).

Informations

Repre utilis pour les points de mesure :

Bibliographie :

         "Omnimap RS75 Family Users Guide for StatTrax Version 6.3 volume 2 of 2" , KLA Tencor, Appendix A and D, 1996.

         "VLSI Technology", S. M. Sze, Mc Graw-Hill International Editions, 1988.

         "Thin film Deposition - Principles & Practice", D. L. Smith, Mc Graw-Hill International Editions, 1995.