1) Design des structures de test

Le design des échantillons répond aux contraintes expérimentales suivantes : taille maximale de l’échantillon de 1cmx1cm pour entrer dans la cellule de mesure ainsi qu’une bonne isolation électrique entre la face arrière de l’échantillon et les électrodes.

Le design choisi est présenté sur la Fig. 3.1. Il comporte une couche diélectrique de SiNx déposée par PECVD sur un substrat en silicium intrinsèque, assurant ainsi une bonne isolation électrique et des électrodes en aluminium, recouvertes par une couche de passivation également en SiNx. Des ouvertures dans la couche de passivation ont été aménagées au niveau des pads métalliques pour permettre le contact électrique. Des tests préliminaires ont mis en évidence la nécessité d’enterrer les électrodes dans le matériau (limiter le rayonnement électromagnétique) et de les passiver (limiter la création d’arc électrique entre la pointe et l’électrode).

Différentes distances inter-électrode ont été envisagées pour notre étude (5µm, 10µm, 20µm, 40µm et 50µm) de façon à mettre en évidence l’influence de cette distance sur la mesure (en particulier sur la faisabilité et la « résolution » de la mesure).

Figure 3.1 : Schéma de conception des électrodes latérales (A) en vue de dessus et (B) en coupe latérale.

A

B

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La réalisation d’électrodes enterrées dans la couche diélectrique représente un défi technologique car l’interface entre l’isolant et le métal doit être de très bonne qualité, c’est-à-dire qu’un contact intime doit exister entre eux (pas de gap d’air) de façon à maitriser l’injection des charges. Pour cela deux procédés de fabrication ont été envisagés (cf. tableau 2).

Les substrats utilisés sont en silicium faiblement dopé (1012 e-/cm3) de façon à assurer une bonne isolation électrique pour les électrodes. Après nettoyage des substrats et le dépôt par PECVD de 300nm de SiNx (Fig.3.2), l’étape critique de la fabrication des électrodes peut commencer, elle comporte trois étapes : la photolithographie pour définir les dimensions des électrodes, la gravure chimique du SiNx pour enfouir les électrodes et le dépôt du métal constituant ces dernières.

Le procédé A (Tableau 3.2) présente des paramètres de procédé standard pour la réalisation d’électrodes par lift-off. Grâce à ce procédé les flancs de la résine forment un angle de 45° avec la surface ce qui est optimal pour une bonne libération de la résine lors du lift-off. Une fois la gravure chimique et le dépôt métallique, par évaporation, réalisés la Fig. 3.6.A nous montre la présence d’un gap d’air entre l’aluminium et le SiNx. Cela entraine, après passivation, un gap d’air de 1µm environ ce qui ne permet pas un contact intime entre l’électrode et le diélectrique (Fig. 3.7.A). Pour remédier à cela le procédé B est proposé. Les principales différences concernent les étapes de photolithographie et de métallisation. Pour l’étape de photolithographie l’utilisation d’une fine couche de LORA (résine non photosensible) ainsi que la diminution du temps de révélation de la AZ nLOF (résine photosensible) et l’augmentation de sa température de PEB (Post Exposure Bake) permet d’augmenter l’angle de la résine (60° au lieu de 45°) de façon à limiter l’effet d’ombrage (Fig. 3.4.B). De plus, la couche d’aluminium est déposée par pulvérisation cathodique ce qui améliore la conformité du dépôt et diminue la dimension des gaps d’air. En effet comme montré sur la Fig. 3.6.A, le gap d’air n’est plus maintenant que de 50nm au maximum. Après passivation aucun gap d’air n’est visible sur le profil AFM (Fig.3.7.B). Les structures obtenues sont visibles sur les Fig. 3.6.C et D.

Un de nos objectifs est l’étude des phénomènes aux interfaces : l’injection et le déplacement de charges électriques. Par conséquent le procédé B sera utilisé par la suite pour réaliser des structures sans gap d’air.

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Procédé A Procédé B

Traitement du Substrat de Silicium : - Nettoyage piranha (H2SO4 : H2O2) - Traitement plasma 02

- Dépôt de 300nm de SiNx par PECVD (Voir Fig. 3.2). Ce dépôt se fait sous une pression de 1.2bar avec un mélange de 30sccm de SiH4, 40 sccm de NH3 et 1200 sccm de N2.

Figure 3.2 : Schéma après dépôt de la couche de SiNx par PECVD Photolithographie : Définition des électrodes

- Dépôt de 2,5µm de NLOF - Exposition aux UV

- Révélation (retrait de la résine exposée aux UV) pendant 30s

- Recuit d’après exposition (PEB) à 110°C Le PEB est là pour inverser l’angle du flan de la résine.

Figure 3.3.A : Schéma du profil obtenu après dépôt et révélation de la couche de résine NLOF

Photolithographie : Définition des électrodes - Dépôt de 350nm de LORA

- Dépôt de 2,5µm de NLOF - Exposition aux UV - Révélation pendant 15s

- PEB (Post Exposure Baking) à 115°C

Figure 3.3.B : Schéma du profil obtenu après dépôt et révélation des couches de résine LORA

et NLOF. Gravure de 70nm de SiNx (durée 35s)

(Vitesse de gravure : 115nm/min)

Figure 3.4.A : Schéma du profil de l’échantillon obtenu après gravure du SiNx.

Gravure de 70nm de SiNx (durée 35s) (Vitesse de gravure : 115nm/min)

Figure 3.4.B : Schéma du profil de l’échantillon obtenu après gravure du SiNx .

Fabrication des électrodes : Dépôt de 70nm d’aluminium par évaporation

Fabrication des électrodes : Dépôt de 70nm d’aluminium par sputtering

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Figure 3.5.A : Schéma du profil obtenu après le

dépôt de la couche d’aluminium par évaporation Figure 3.5.B : Schéma du profil obtenu après le dépôt de la couche d’aluminium par sputtering Libération : retrait de la couche de résine ainsi que l’aluminium déposé par-dessus

Passivation de l’échantillon : dépôt d’une couche de 5nm de SiNx.

Tableau 3.2 : Description des étapes des deux procédés de fabrication étudiés.

Figure 3.6 : Image MEB du gap d’air entre l’isolant et l’électrode métallique avant passivation pour (A) le procédé A et (B) le procédé B. En C et D le résultat obtenu.

C D

106 0 2 4 6 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 hau teur (nm ) Position en x (µm) 0 3 6 9 12 -40 -20 0 20 40 H auteur (nm ) Position en x (µm)

Figure 3.7. : Profil de topographie par AFM entre les électrodes latérales après passivation pour (A) le procédé A et (B) le procédé B