Méthode de caractérisation (TLM) de la résistance de contact

Les mesures faites avant recuit montre un comportement pas tout à fait ohmique avec une caractéristique symétrique mais non linéaire. Après un recuit à 300°C à l’air, la caractéristique devient linéaire et on obtient des contacts parfaitement ohmiques.

Le contact Ni sur diamant donne en général un contact Schottky, les caractéristiques ohmiques que nous avons obtenu s’expliquent par le fait que l’échantillon utilisé n’a pas subi de traitement thermique ni de traitement oxydant afin d’éliminer l’hydrogène de surface. Cet hydrogène de surface à l’interface entre le diamant et le métal se comporte comme une couche p+ qui affine la barrière de potentiel favorisant ainsi un effet tunnel, et donc la formation de contact ohmique. Cependant, tenant compte de la très mauvaise qualité cristalline de départ du substrat dopée bore, toute comparaison avec les autres échantillons paraît faussée, et donc ne peut se faire.

V.2.3 Méthode de caractérisation (TLM) de la résistance de contact

Afin d’aller plus loin dans l’étude de ces contacts, nous avons profité du fait que les motifs des contacts Si/Al/Si sur la couche p+, bien que n’étant pas de même largeur, pouvaient se prêter

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 I (µ A ) V (V)

Contact Ni non recuit Contact Ni recuit à l'air 5 min à 300°C

à une étude TLM pour une détermination de la résistance de contact. La méthode ainsi que les résultats obtenus sont présentés dans la partie qui suit.

V.2.3.1 Principe

Parmi les diverses méthodes développées pour caractériser les contacts métalliques [COH 83], nous avons choisi la méthode des lignes de transmission (TLM) [BER 69,72] [MUR 69,] à cause de sa simplicité et étant la plus couramment employée .

Une très bonne approximation de la résistance de contact est, dans la limite où les lignes de courant sous les plots sont concentrées près des bords des contacts en regard, sur une distance l_C << d, où d est la longueur des plots :

avec :

ρ : résistivité spécifique de contact

R_□S : résistance carrée du semi-conducteur

w : largeur du contact

Cette hypothèse est valable si R_□S >> R_□M (résistance carrée du métal). Pour déterminer R_C , le motif d’échelle que nous avons utilisé consiste en une topologie de cinq plots rectangulaires de dimensions (w = 590 µm, d = 560, 390, 290,200 et 100 µm) espacés par des distances croissantes (l = 220, 250, 310 et 390 µm). Couche p-Couche p+ Couche p-Couche p+ Contacts Si/Al/Si Substrat Ib (100) Contacts Si/Al/Si Substrat Ib (100) Substrat Ib (100) d l

Figure V.11 : Contacts ohmiques Si/Al/Si utilisés comme motifs TLM sur le DMO576 Nous avons une variation linéaire de la résistance globale sachant que la résistance du semi-conducteur obéit à une loi du type

S l

ρ

, l étant la distance entre deux plots.La mesure de la résistance entre chaque plot permet ainsi d’échelonner les valeurs de résistance en fonction de l’espacement inter-plot. Dans le cas idéal, les points sont alignés et le graphe est une fonction linéaire donnée par l’expression suivante :

l w R R l R sh c + =2 ) ( .

et l’ordonnée à l’origine permet de remonter à la résistance spécifique de contact.

En pratique, on observe généralement une faible dispersion et on trace alors la droite de régression linéaire afin de déterminer la résistance 2 R_C..

Par contre, si R_□M est de l’ordre de R_□S ou supérieure, le modèle précédent ne s’applique plus et dans la limite R_□M > R_□S, les résistances de contact deviennent inversement proportionnelles à la surface du plot (w.d) et non plus à la largeur ou à une fraction du périmètre.

V.2.3.2 Résultats expérimentaux

Avec la méthode des deux pointes, nous avons injecté un courant et mesuré la tension entre deux plots consécutifs séparés par l. Le rapport tension/courant donne la résistance totale R (l) entre ces deux contacts. Les valeurs de résistances mesurées pour les quatre paires de contacts sont tracées en fonction de la distance l.

Nous avons obtenu dans un premier temps un graphe avec une pente négative, ce qui ne nous permet pas de déterminer la résistance de contact. Comme les motifs utilisés n’ont pas les mêmes dimensions, nous avons fait deux hypothèses :

i) nous supposons que la résistance de contact dépend de la longueur et de la largeur (demi-périmètre w + d) du plot, c'est-à-dire R_C(w + d) = constante. Dans ce cas, nous avons normalisé les valeurs de résistance inter-plot R par rapport au plus grand demi-périmètre, mais comme le montre la figure V.12, la pente obtenue est toujours négative. Le modèle n’est donc pas adapté pour ce cas. Ceci est probablement lié à la

présence de SiC, matériau semi-conducteur dopé par l’aluminium, comme couche intermédiaire entre le métal et le diamant.

Figure V.12 : caractéristique R(l) à 300 K de la couche p+ (DMO576) par mesure TLM, après normalisation sur le demi-périmètre (w + d) du plus grand plot

ii) Nous supposons que la résistance de contact R_C est proportionnelle à la surface w.d du plot, et donc nous normalisons les résistances inter-plot R par rapport à la plus grande surface. La figure V.13 représente le graphe tracé après normalisation, la pente obtenue est positive et nous permet alors de déterminer R_C. Ce modèle semble être donc le mieux adapté pour les contacts que nous avons utilisés.

Figure V.13 : caractéristique R(l) à 300 K de la couche p+ (DMO576) par mesure TLM après normalisation sur la surface (w .d) du plus grand plot

0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 L (mm) 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 L (mm)

La résistivité de contact déterminée à partir de ce graphe est de 1,1.10-4 Ω.cm2. Cette valeur est acceptable pour des composants mettant en jeu des trous (≈1020 B.cm-3), avec des plots de contacts de 300 µm² en moyenne, et reste dans la limite des valeurs pour un bon contact ohmique (inférieure à quelques 10-4 Ω.cm² [TYA91]). Elle est en accord avec la valeur de 2.10-4

Ω.cm² obtenue par Werner et al. sur des contacts Al/Si déposés sur du diamant CVD [WER03]. Cela dit, pour des structures de plus faibles dimensions, il nous semble nécessaire d’augmenter très sensiblement le dopage afin de réduire les résistivités de contact d’au moins un ordre de grandeur.

V.2.4 Conclusion

Nous avons étudié le contact ohmique en testant différentes métallisations telles que Au/Ti, Si/Al/Si et Ni sur des couches p- et p+ et déterminé la résistivité de contact sur une couche p+ en utilisant la séquence Si/Al/Si. Cette étude a également montré qu’il est presque impossible d’avoir sur les deux types de couches utilisées des contacts ohmiques réalisés en Au/Ti sans avoir à faire un recuit intermédiaire, c'est-à-dire un recuit juste après le dépôt de titane et avant de recouvrir avec l’or, où mettre une fine barrière (TiN par exemple) pour empêcher la diffusion entre l’or et le titane.

Le contact Si/Al/Si sur couche p+ possède une résistivité de contact de ρ_C = 1,1.10-4 Ω.cm2, et on peut considérer que c’est un bon résultat puisqu’elle reste dans la limite des valeurs acceptables dans la littérature pour faire des composants [TYA91]. Cette valeur obtenue ne varie pas lorsqu’on monte jusqu’à 500°C à l’air. Donc ce type de contact que nous avons réalisé est thermiquement stable et le mécanisme tunnel (d) semble bien être prépondérant car il est indépendant de la température. C’est un résultat assez intéressant puisque jusqu’ici, la plupart des études de tenue en température ont été menées soit sous vide, soit sous atmosphère d’azote [WER94].

Nous sommes donc capables de réaliser des contacts ohmiques (Ni et Si/Al/Si) avec de faibles résistances de contact, sur des couches de diamant fortement dopées bore, mais aussi qui marchent (Si/Al/Si) sur des couches très faiblement dopées bore.