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Center of MicroNanoTechnology CMi

EPFL - STI - CMI

Résistivimètre 4 pointes
KLA TENCOR – OmniMap RS75.

Table des matières

Introduction

Principe Physique

Capacité de l’équipement

Restriction d'accès

Caractéristiques techniques

Informations

Introduction

L’équipement OmniMap RS75 permet de mesurer la résistivité de films minces sur un isolant ou la résistivité de substrat en silicium.

La gamme de mesure s’étend de 5mW/□ (milli Ohm par carreau) jusque 5 MW/□ pour des plaques de 50 mm à 200 mm de diamètre (2 à 8 pouces).  Le système peut mesurer jusque 1264 points par plaque ce qui permet de dresser une cartographie de la résistance par carreau sur toute la surface de la plaque.

La précision de mesure absolue, corrigée à 23°C, est de ± 1% de l’échelle selon standard NIST / VLSI.

La répétitivité de mesure est inférieure à 0.2% (1 sigma) selon la  procédure définie par Tencor (diamètre de mesure = 1 pouce) et en utilisant la bonne sonde.

Le système est équipé de 4 sondes (3 types différents). Chaque sonde est constituée de 4 pointes en carbure de tungstène. Le rayon des extrémités des pointes et leur espacement sont adaptés pour mesurer un type de film.


 


Principe Physique

La résistivité r est la mesure de la capacité d’un film mince de conduire les porteurs électriques. Dans une couche métallique, les porteurs sont les électrons. Dans un semi-conducteur, les porteurs peuvent être les électrons (matériaux de type n) ou les trous (matériaux de type p). La résistivité, dont l’unité de mesure est l'Ohm.cm (W.cm) est une propriété volumique du matériau. Elle est fonction de la concentration, n, et de la mobilité, m, des porteurs :

avec e la charge électronique.

La résistance par unité de surface est définie comme étant la résistivité divisée par l'épaisseur t du film:

La résistance R d'une piste de longueur l, de largeur w et d'épaisseur t est définie par :

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

Dans de nombreux cas des semi-conducteurs, la concentration des porteurs et par conséquent la résistivité dépendent de la profondeur z. De plus, la mobilité m  dépend de la concentration n.

La résistance par carreau est alors donnée par l'intégrale faite sur l'épaisseur du film:

La mesure est réalisée grâce à une sonde à quatre pointes. La résistivité et la préparation de la surface du matériau sont des facteurs importants pour la précision des mesures. La géométrie de l'échantillon doit être prise en compte pour corriger les mesures brutes.

La sonde utilisée est constituée de 4 pointes en carbure de tungstène alignées et espacées régulièrement. Typiquement, l'espacement des pointes est compris entre 0.025 et 0.062 pouces. Il existe différents types de sonde caractérisée par la force appliquée sur les pointes, le rayon de l'extrémité des pointes, l'espacement entre les pointes. La sonde doit être choisie en fonction de la résistivité, la dureté et de l'épaisseur du film à mesurer.

La résistance par carreau Rs est obtenue en injectant un courant donné I entre les deux pointes extérieures et en mesurant la chute de potentiel V entre les deux pointes intérieures.

Si l'échantillon est considéré comme étant semi-infini en regard de l'espacement s entre les pointes (t»s),  la résistivité s'exprime alors par :

Si l'échantillon est considéré comme un film (t«s), la résistance Rs  et la résistivité r s'exprime alors par :

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

L'espacement entre les pointes peut être déterminé en mesurant directement l'écart entre les empreintes faites par la sonde sur une surface propre et polie. Le facteur de correction k peut être calculé 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 intérieures et l'angle b  entre le rayon passant par le milieu des pointes intérieures et la droite passant par les pointes.


La mesure de résistivité utilisant le facteur de correction k est précise à ±1% au centre de la plaque et à ±2-3% au bord. Etant donné que l'espacement entre les pointes varie légèrement chaque fois que la sonde entre en contact avec la plaque, la précision de mesure est limitée à environ ±0.5% (écart type sur une série de mesures ponctuelles). Une méthode de compensation automatique de l'effet géométrique a été élaborée pour obtenir une plus grande précision. Cette technique consiste à placer la sonde parallèle à un rayon de la plaque (b=0) et à mesurer deux résistances.

La première résistance 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 résistance Rb est obtenue en injectant le courant entre la première et la troisième pointe et en mesurant la tension entre la seconde et la quatrième pointe.

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

Dans le cas idéal d'une répartition équidistante 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 précision de mesure de ±0.5% avec un écart type de ±0.1­0.2% sur une série de mesures ponctuelles.

Capacité de l’équipement

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

·         Le système est équipé de 4 sondes: une pour les films métalliques exceptés l'or et le cuivre, une pour les films d'or ou de cuivre , une pour les films de polysilicium dopé et  une pour les substrats en silicium.


 


Restriction d'accès

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

·         Les plaques ne doivent pas être couvertes de couches organiques (polymère, résine, ...).

·         Les plaques doivent être propres.

·         Pour éviter les problèmes de contamination croisée avec les autres équipements, il est impératif d'utiliser la brucelle à vide pour manipuler les plaques.

Caractéristiques techniques

Le contact électrique entre l'extrémité des pointes et la surface de la plaque est un paramètre critique pour la mesure de résistivité. L'utilisation d'une même sonde pour tout type de matériaux peut conduire à des résultats erronés.

L'aluminium est un matériaux de faible dureté et s'oxyde facilement. Au fur et à mesure de l'utilisation de la sonde sur un tel matériau, de fines particules d'aluminium s'incrustent dans les extrémités des pointes. L'aluminium aplanit la surface des pointes de la sonde et s'oxyde, rendant ainsi les extrémités plus lisses et isolantes. La mesure de résistivité d'une plaque en silicium polie et recouverte d'un oxyde natif avec une telle sonde donne des résultats erronés étant donné que l'indentation et la pénétration de la couche d'oxyde natif sont faibles et par conséquent les contacts électriques le sont aussi.

Une sonde ayant des pointes de faible rayon fonctionne très bien pour des couches métalliques. La résistance de contact et l’indentation du matériau ne posent aucun problème. Les plaques en silicium et les plaques avec des couches implantées peuvent avoir des résistances de contact élevées. La résistance effective est fonction de la résistance de tous les points de contact.

Etant donné que chaque pointe de sonde n’a pas  un point de contact singulier mais a plutôt une multitude de points de contact dus à la rugosité de la surface du carbure de silicium, la résistance de contact d’une pointe est le résultat de la mise en parallèle d’une multitude de résistances de contact. La résistance de contact globale décroît avec le nombre de points de contact. Ceci est réalisé en augmentant le rayon de l’extrémité des pointes.

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

Pour les films fortement implantés (plus de 1014 ions/cm2) ou pour les substrats de faible résistivité (inférieure à 10W.cm), les sondes recommandées sont celles dont les pointes ont un rayon de 4,0 mil de pouce (0,102 mm).

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

Pour les films faiblement implantés (moins de 5.1012 ions/cm2) ou pour les substrats de forte résistivité (supérieure à 100 W.cm), les sondes recommandées sont celles dont les pointes ont un rayon de 20,0 mil de pouce (0,508 mm).

Les mesures effectuées sur des surfaces non polies peuvent poser problème. Les discontinuités de surface réduisent le nombre des points de contact. En augmentant la force appliquée sur les pointes à 200 grammes (communément fixée à 100 gr.), les problèmes de contact sur les surfaces rugueuses sont généralement résolus. 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 adapté.


Type de la sonde

Description


Application

Rayon de l'extrémité

Force

Distance entre les pointes

A

1,6 mil
0,041 mm

100 gr.
0,98 N

40 mil
1,016 mm

Résistivité faible
Films métalliques, ni or ni cuivre

A
"Au et Cu"

Résistivité faible
Films d'or ou de cuivre

C

8,0 mil
0,203 mm

100 gr.
0,98 N

40 mil
1,016 mm

Résistivité forte
Film polysilicium dopé

E

1,6 mil
0,041 mm

200 gr
1,96 N

62,5 mil
1,588 mm

Substrat silicium

Pour garantir la précision de mesure, le centre de la sonde doit être à une distance suffisante du bord du film conducteur ou du substrat silicium. Pour un chargement manuel de la plaque, la distance minimale est donnée 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 système peut travailler selon différents mode :

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

-          Possibilité de réitérer l’étalonnage initial effectué sur la plaque ou d’enchaîner les autres mesures

-          Possibilité d’effectuer les mesures en mode « SINGLE CONFIG » ou en mode « DUAL »

Mode « AUTO RANGE – AUTO RUN » :

Avant de commencer la série de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat en un point proche du centre de la plaque, légèrement décalé du centre. Le système recherche automatiquement la pleine échelle du courant en commençant par la valeur définie dans le champ « AMPERAGE » et en l’augmentant jusqu’à obtenir la tension fixée dans le champ « VOLTAGE ».

Le système remplace alors la valeur dans le champ « AMPERAGE » par la nouvelle valeur et enchaîne 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 utilisé en production.

Mode « MANUAL – PAUSE » :

Ce mode permet d’effectuer un test spécifique pour une plaque donnée. Avant de commencer la série de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat, applique la valeur définie dans le champ « AMPERAGE » et affiche la tension mesurée. Le système permet à l’opérateur d’entrer une autre valeur de courant avant de commencer les mesures (PAUSE).

Mode « MANUAL – AUTO RUN » :

Ce mode permet d’effectuer un test spécifique pour une plaque donnée. Avant de commencer la série de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat, applique la valeur définie dans le champ « AMPERAGE » et affiche la tension mesurée. Le système enchaîne les mesures  (AUTO RUN) en utilisant pour chaque site la même valeur de courant. Une mauvaise valeur de courant donne des résultats erronés.

Mode « AUTO RANGE AND PAUSE» :

Avant de commencer la série de mesures, la sonde 4 pointes contacte le substrat en un point proche du centre de la plaque, légèrement décalé du centre. Le système recherche automatiquement la pleine échelle du courant en commençant par la valeur définie dans le champ « AMPERAGE » et en l’augmentant jusqu’à obtenir la tension fixée dans le champ « VOLTAGE ».

Le système remplace alors la valeur dans le champ « AMPERAGE » par la nouvelle valeur et affiche la tension mesurée. Le système permet à l’opérateur d’entrer une autre valeur de courant avant de commencer les mesures (PAUSE).

Mode « DUAL» :

Ce mode doit être utilisé pour la plupart des mesures. Le mode « DUAL » utilise le ratio des deux tensions mesurées Va et Vb permettant de calculer les résistances Ra et Rb utilisées pour déterminer le facteur de correction géométrique k (cf. Principe Physique).

Mode « SINGLE CONFIG» :

Ce mode doit être utilisé uniquement lorsque le mode « DUAL » pose problème. Va seul est mesuré et le facteur de correction géométrique n’est pas utilisé. Dans ce cas les mesures effectuées près du bord du film risquent d’être erronées.

Par défaut la tension est souvent fixée à 7.5mV. Le système cherche la valeur du courant telle que la tension mesurée soit égale à la tension fixée.

Le courant optimum est déterminé en augmentant sa valeur lentement tout en mesurant la résistance par carreau (R/□). La valeur de courant appliquée initialement est définie dans le champ « AMPERAGE ».

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

-          Si R/□ décroît lorsque le courant augmente, la cause la plus probable est le courant de fuite dans le film ou le substrat. Le courant optimum n’est pas le plus élevé.

-          Si R/□ croît lorsque le courant augmente, la cause la plus probable est un échauffement local du film (dans le cas où le coefficient de température de la résistance est positif). Le courant optimum n’est pas le plus élevé.

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

Informations

Repère utilisé pour les points de mesure :

Bibliographie :

·         "Omnimapâ RS75 Family User’s 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.