Méthode TLM linéaire

Figure II-29 : Photo MEB : le fond et le flanc du mésa.

Les 10 étapes de fabrication des contacts ohmiques de ce process sont présentées dans l’annexe B.

Les contacts ohmiques ainsi fabriqués ont été caractérisés par la méthode TLM linéaire dont les motifs sont représentés dans la Figure II-27. La surface des contacts est de 150x75µm². Les distances entres les contacts sont de 5µm, 10µm, 20µm, 30µm, 40µm. La distance entre les contacts et le mésa d’isolation est de 5µm. Le principe de la méthode TLM est présenté dans le paragraphe suivant.

II.6.2. Méthode TLM linéaire

La méthode TLM (Tranfert Length Method) linéaire est une méthode de caractérisation des résistances spécifiques de contact métal/semi-conducteur proposée par W. Schockley en 1964 [132]. Cette méthode consiste à réaliser un motif constitué d'un mesa d'isolation sur lequel sont déposés plusieurs contacts ohmiques rectangulaires (de largeur w et de longueur d) espacés de différentes distances l comme représentés sur la Figure II-27. La procédure de caractérisation consiste en une mesure dite « quatre fils ». Pour cela, on injecte un courant entre deux pointes posées sur deux contacts voisins et on mesure ensuite la différence de potentiel à l’aide des deux autres pointes positionnées à proximité des premières, comme indiqué sur la Figure II-30. Le dépôt métallique est alors supposé constituer une équipotentielle. Cette hypothèse est largement satisfaite dans notre cas grâce

à la couche d'or de 150nm déposée à la surface du contact. La mesure « quatre fils » permet de s'affranchir des résistances mal contrôlées entre les pointes et le contact métallique : elle n'affecte pas le courant qui traverse la structure, la chute de potentiel aux bornes de ces résistances dans le circuit de mesure de la tension est négligeable puisque la mesure de tension est faite à courant très faible.

Figure II-30 : Vue en coupe d’un motif TLM et circuit électrique équivalent : (résistance de contact (r_c), et résistance de couche (R_sh).

La tension et le courant mesurés entre deux contacts voisins permettent de connaître la résistance existant entre ces deux contacts. Comme l’illustre la Figure II-30, cette résistance peut être considérée comme étant la somme (montage en série) des résistances des deux contacts (supposées égales et notées r_C) et de la résistance de la couche semi-conductrice située entre les deux contacts :

w l R r

R_T = 2 _c+ _sh (II.6)

où Rsh est la résistance par carré de la couche semi-conductrice.

Si les contacts sont ohmiques et homogènes, la courbe de la résistance totale R_T en fonction des distances l_i est une droite (Figure II-31). L’ordonnée à l’origine vaut deux fois la valeur de la résistance de contact rC. La pente de cette droite vaut Rsh/w. Un fit linéaire de

l'équation II.6 aux points expérimentaux permet ainsi la mesure de la résistance de contact (r_c) et de la résistance de couche (R_sh).

Figure II-31 : Courbe caractéristique R_T(l_i) d’un motif TLM linéaire.

Comme l’intensité du courant mesuré entre deux contacts voisins d’un motif TLM dépend de la largeur du contact (voir Figure II-28), la résistance rc en dépend aussi. La résistance r_c est plus faible pour un contact plus large. Pour pouvoir comparer la résistance des contacts de différentes largeurs, la résistance de contact est normalisée par rapport à la largeur du contact et s’exprime en Ω.mm :

w r mm

R_c(Ω. )= _c. (II.7)

La caractérisation de la résistance de contact R_C ne donne pas suffisamment d’informations sur la qualité du contact métal/semi-conducteur. La notion plus complète est la résistance spécifique de contact. Cette notion est clarifiée dans les paragraphes suivants.

Dans le cas de contacts verticaux (par exemple le contact d'une diode couvrant la toute sa surface active), les lignes de courant sont perpendiculaires à l’interface du contact/semi-conducteur et sont réparties régulièrement (Figure II-32). La résistance de ce contact est inversement proportionnelle à son aire (A). La constante de proportionnalité est appelée la résistance spécifique du contact. Elle est égale au produit de la résistance de contact (r_c) et de l’aire (A) du contact exprimée en centimètre carré. Le contact peut être caractérisé complètement par sa résistance spécifique de contact qui s’exprime en Ω.cm².

Dans le cas de contacts horizontaux, la détermination de la résistance spécifique de contact est plus compliquée. En effet, contrairement au cas de contacts verticaux, les lignes de courant dans le semi-conducteur sont parallèles au plan du contact ; la densité de courant passant à travers l'interface semi-conducteur/métal varie d’un point à l’autre de cette interface. Ceci est dû à un phénomène de concentration des lignes de courant en début de contact (Figure II-32).

La propension d’un contact horizontal à étaler les lignes de courant est caractérisée par sa longueur de transfert LT (Figure II-32). Une grande longueur de transfert signifie que le contact devra avoir une longueur importante pour ne pas limiter le passage du courant. Ce paramètre est donc important pour les réalisations technologiques car il permet de prévoir la longueur minimale du contact qu’il est nécessaire de déposer pour ne pas nuire à sa résistance R_C. Dans la pratique, on considère qu’une longueur de contact égale à 3 à 5 L_T est suffisante pour que la longueur du contact n’ait plus d’influence sur sa résistance [131].

Figure II-32 : Répartition des lignes de courant dans un contact métal/semi-conducteur vertical et horizontale [133].

Le paramètre L_T est lié à la métallisation déposée, par l’intermédiaire de ρ_C, et à la résistance par carré de la couche de semi-conducteur sous le contact (Équation II-8). Celle-ci est notée Rsk. Elle est généralement proche de Rsh, la différence provenant de l’alliage qui peut se former lors du recuit entre le semi-conducteur et le métal [133].

sk C T R L ρ = (II.8)

Dans le cas où la longueur du contact est très supérieure à la longueur de transfert (L_T), cette dernière peut être déterminée à partir de la droite R(l_i) d’un motif TLM linéaire.

- En supposant que la longueur du contact est très supérieure à la longueur de transfert LT , on peut écrire :

w L r T C C . ρ ≈ (II.9)

- En émettant l’hypothèse que la résistivité de la couche de semi-conducteur entre les contacts est égale à la résistivité sous le contact, l’Équation II.8 devient :

sh C T R L ρ = (II.10) - D’où w R L w L R L r T Sh T Sh T C . . . 2 = = (II.11)

- En combinant l’Équation II.6, l’Équation II.11, on peut écrire : ) 2 ( _T sh T l L w R R = + (II.12)

Ainsi, pour une résistance RT = 0, la longueur l vaut -2LT. La longueur de transfert peut donc être déduite de l’intersection entre la courbe des résistances mesurées et l’axe des abscisses (Figure II-33).

Figure II-33 : Extraction graphique du paramètre LT à partir des mesures TLM linéaires.

La résistance spécifique de contact est ainsi obtenue à partir de l’Équation II.9 ou partir de l’Équation II.10 :

w L r_{C T} C = . . ρ (II.13) ou ρ_c =R_sh.L²_T (II.14)

Cette valeur permet de vérifier si le courant circule plutôt via la périphérie devant ou par toute la surface des contacts. Plus la valeur de ρc est grande, plus la surface nécessaire à la circulation du courant est importante. De manière générale, on considère qu’un contact ohmique est de bonne qualité, dès lors que sa résistance spécifique de contact est égale ou inférieure 1.10^-5Ω.cm², ce qui correspond à une longueur de transfert inférieure à 20µm. De fait, pour des résistances spécifiques de contact de cet ordre de grandeur, un contact de 100µm de longueur sera tout à fait acceptable. Cependant, la circulation se faisant sur une faible longueur, il sera nécessaire d’augmenter la largeur du contact pour diminuer la densité surfacique du courant et éviter ainsi la dégradation du contact[132].

En conclusion, la méthode TLM linéaire est une méthode très pratique pour la caractérisation des contacts. Elle permet d’évaluer la résistance de contact R_c(Ω.mm), la résistance par carré de couche de semi-conducteurs R_sh(Ω/), et la résistance spécifique de contact ρ_c(Ω.cm²) des contacts horizontaux dans le cas où la longueur du contact (d) est très supérieure à la longueur de transfert (L_T).