Métallisation

Les nanols et les électrodes étant fabriqués, il faut alors réaliser les contacts

ohmiques et les grilles latérales. Pour cela, comme nous l'avons vu dans le chapitre

précédent, la métallisation va se faire par évaporation. Nous allons maintenant voir

quels sont les résines utilisées et les métaux déposés pour les contacts ohmiques et

pour les grilles.

III.4.6.1 Les contacts ohmiques

Généralement, une bi-couche de résine est utilisée lors de la métallisation,

per-mettant d'obtenir un prol en casquette an de faciliter l'étape de lift-o (retrait

de la résine). Cependant, si deux motifs à métalliser sont très proches, comme c'est

le cas pour les ls de longueur 100 nm avec les contacts arrivant aux extrémités

du l (structure de type C), il y a un risque que la résine inférieure située entre

les deux contacts se dissolve totalement, et que la casquette s'eondre. Nous avons

donc utilisé une simple couche de résine dans le cas où le masque comportait des

espacements entre les motifs faibles (100 nm), et une bi-couche dans les autres cas.

Bi-couche de résine Les résines utilisées pour réaliser cette bi-couche sont la

COPO 13% et la PMMA 3% 495K. Lors de l'étape de révélation, la COPO se

dissolvant plus vite dans le développeur que la PMMA, il en résulte un prol de

résine dit prol en casquette comme le montre la gure III.27a. Ainsi, lors du

dépôt métallique, le métal déposé sur la surface ne touchera pas la résine, ce qui

facilitera le lift-o.

III.4 Réalisation par lithographie électronique

Fig. III.27 (a)Prol en casquette obtenu avec deux couches de résines diérentes.

(b)Après dépôt, le métal ne touche pas la résine inférieure, ce qui facilite le lift-o.

De plus, le lift-o sera également plus facile si l'épaisseur de la résine inférieure

(COPO) est au moins deux fois celle de l'épaisseur de métal déposé. Le dépôt

mé-tallique se situant entre 150 nm et 350 nm d'épaisseur, une couche de COPO de 680

nm et une couche de PMMA de 63 nm sont déposées avec les paramètres suivants :

Dépôt de COPO 13%

Vitesse : 2900 tr/min

Accélération : 100 tr/min/s

6

Temps : 12 s

Recuit sur plaque à 80°C pendant 1 minute

Recuit dans une étuve à 170°C pendant 30 minutes

Dépôt de PMMA 3% 495K

Vitesse : 3400 tr/min

Accélération : 1000 tr/min/s

Temps : 12 s

Recuit sur plaque à 80°C pendant 1 minute

Recuit dans une étuve à 170°C pendant 30 minutes

Couche simple Pour la couche unique, une étude sur l'ingénierie de dose a été

faite pour s'assurer des dimensions des diérents gaps. Une épaisseur de 500 nm de

COPO 13% est déposée avec les paramètres suivants :

Vitesse : 4000 tr/min

Accélération : 100 tr/min/s

Temps : 12 s

Recuit sur plaque à 80°C pendant 1 minute

Recuit dans une étuve à 170°C pendant 30 minutes

Ensuite, une variation de dose de 150µC/cm

2

à 305µC/cm

2

par pas de 5µC/cm

2

à 50 keV a été eectuée. Pour le gap de 100 nm, nous pouvons voir sur l'image III.28a

qu'il y a encore des résidus de résine dans les ouvertures pour une dose de 155

µC/cm

2

, et qu'il faut une dose de 160 µC/cm

2

(image III.28b) pour que les motifs

soient correctement ouverts. Cependant, à cette dose, le gap mesure 88 nm, ce qui

est déjà plus petit que la distance de 100 nm voulue, et si l'on augmente encore la

dose, le gap deviendra de plus en plus faible à cause des eets de proximité. Pour

palier à ce problème, nous avons décidé d'utiliser une énergie d'écriture plus élevée,

diminuant ainsi les eets de proximité non désirés.

6L'accélération pour le premier dépôt est mise à 100 tr/min/s pour éviter que les ls ne se cassent lors du démarrage de la tournette.

CHAPITRE III. RÉALISATION DE STRUCTURES 1D SILICIUM

CONNECTÉES

Fig. III.28 Images MEB des ouvertures pour un gap de 100 nm à 50 keV. (a)Avec

une dose de 155 µC/cm

2

, des résidus de résine sont encore présents dans les

ouver-tures. (b)Avec une dose de 160 µC/cm

2

, les motifs sont correctement ouverts, mais

le gap est trop faible.

Nous avons donc réalisé une nouvelle variation de dose (de 200 µC/cm

2

à 355

µC/cm

2

par pas de 5µC/cm

2

), à 100 keV. Les résultats sont bien meilleurs puisque

pour une dose de 260 µC/cm

2

, les motifs sont correctement ouverts et le gap est

mesuré à 97 nm (gure III.29a). Tous les autres gaps (de 200 nm à 1400 nm) sont

également bien dénis pour cette dose (La gure III.29b montre le gap de 200 nm

pour une dose de 260 µC/cm

2

).

Fig. III.29 Images MEB des ouvertures pour un gap de (a) 100 nm et (b) 200 nm

à 100 keV pour une dose de 260 µC/cm

2

.

Choix des métaux An de savoir si un contact métal/semi-conducteur est un

bon contact ohmique, la méthode généralement employée est celle des TLM, pour

Transmission Line Model. Cette méthode, mise au point par Shockley en 1964 et

développée par Reeves et al. [48] en 1982, permet d'obtenir la résistance de contact

par des mesures de résistances entre des plots de tailles identiques à des distances

variables déposés sur le matériau semi-conducteur (voir gure III.30).

III.4 Réalisation par lithographie électronique

Fig. III.30 Représentation des mesures TLM en quatre points.

Pour mesurer les résistances, une mesure en 4 points est eectuée. Celle-ci permet

de s'aranchir des résistances de contact entre les pointes et le métal : un courant

est injecté entre les pointes 1 et 3 et la tension associée est mesurée par les pointes

2 et 4 (voir gure III.30). La résistance totale mesurée en fonction de la distance l

qui sépare les contacts ohmiques vaut alors :

R

_T

= ^R

^sh

W ×l+ 2R

_C

(III.5)

avecR

_sh

correspondant à la résistance supercielle du matériau semi-conducteur,

W la longueur des contacts et R

C

la résistance de contact entre le métal et le

semi-conducteur. En prenant l'hypothèse que la résistance supercielle sous les contacts

est la même que celle en dehors des contacts,R

_C

vaut :

R

_C

= ^R

^sh

W ×L

_t

coth ^d

L

_t !

(III.6)

avec d la largeur des contacts et L

_t

la longueur de transfert (distance

caracté-ristique sur laquelle se produit le transfert de courant entre le contact ohmique et

le semi-conducteur). Les valeurs typiques de L

_t

sont de l'ordre du micron, ainsi, en

prenant une largeur de contact beaucoup plus grande, l'équation III.6 se simplie et

donne :

R

_C

= ^R

^sh

W ×L

_t

(III.7)

Enn, la résistance spécique du contact ohmique ρ

C

qui correspond à la

ré-sistance de l'interface métal/semi-conducteur rapportée à une unité de surface et

exprimée en ohms.cm

2

est donnée par la relation :

ρ

_C

=L

²_t

R

_sh

(III.8)

Un bon contact ohmique est alors caractérisé par une résistance de contactR

_C

<1

CHAPITRE III. RÉALISATION DE STRUCTURES 1D SILICIUM

CONNECTÉES

Fig. III.31 Courbe schématique obtenue par les mesures TLM, avec les diérentes

valeurs caractéristiques des contacts ohmiques.

Toutes ces valeurs peuvent être déduites de la courbe représentant la résistance

totale en fonction de la distance inter-plot (voir gure III.31).

Dans la littérature, pour réaliser un contact ohmique sur du silicium de type P,

l'aluminium est généralement employé [49]. Cependant, une couche de Ti ou de TiN

est préconisée pour former une barrière de diusion et éviter ainsi la diusion de

l'aluminium dans le silicium [50, 51]. Pour le silicium de type N, une métallisation

en titane/or donne de bon contacts ohmiques.

Nous avons donc choisi d'utiliser pour le type N un contact en Titane/Or (500/1000

Å) et pour le type P un contact en Titane/Aluminium/Nickel/Or (120/2000/400/1000

Å). Les résultats des mesures TLM sont présentés sur la gure III.32 et les

caracté-ristiques des contacts correspondants sont données dans le tableau III.4.

Fig. III.32 Courbes obtenues par les mesures TLM pour le type P (a) et pour le

type N (b).

Comme nous pouvons le constater, à cause du fort taux de dopage de nos

échan-tillons, les contacts sont directement ohmiques, sans avoir besoin de recuit.

III.4 Réalisation par lithographie électronique

Type P Type N

R

_C

(Ω.mm) 0.152 0.644

ρ

_C

(Ω.cm

2

) 1.42 10

⁻7

6.06 10

⁻6

L

_t

(µm) 0.09 0.922

R

_sh

(Ω/2) 1754.7 696.5

coecient de corrélation r

2

0.99995 0.99997

Tab. III.4 Caractéristiques des contacts ohmiques.

Dépôt des métaux et lift-o Lors du dépôt, an d'éliminer la couche d'oxyde

natif présente en surface, le substrat est plongé dans du BHF (Buered-HF, aussi

appelé BOE (Buered Oxide Etchant), mélange de 6.3% de HF et de 34.8% de NH

4

F

dans notre cas) pendant 5 secondes juste avant la métallisation faite par évaporation.

Une fois les métaux déposés, le lift-o se fait en plongeant l'échantillon dans un

bain d'acétone. La résine se dissout et emmène avec elle le métal présent au-dessus,

ne laissant sur la surface que le métal qui était en contact direct avec le substrat.

III.4.6.2 Métallisation des grilles

Pour la métallisation des grilles latérales, une bi-couche classique en COPO 13%

et PMMA 3% 495K est utilisée (voir III.4.6.1). Ensuite, un dépôt de 100 Å de

titane suivi de 500 Å d'or est eectué. Le lift-o s'eectue de la même façon que

précédemment en plongeant le substrat dans un bain d'acétone.

La gure III.33 présente des images MEB et AFM des diérentes structures de

nanols avec grilles latérales obtenues.

III.4.7 Gravure locale des nanols pour former une barrière

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