L'utilisation d'un plasma hydrogène est souvent employée pour passiver les
dé-fauts du silicium [8, 9], notamment pour améliorer les performances des
transis-tors [10, 11].
En réalisant une passivation des défauts de surface sur les nanols, la largeur
de la zone déplétée deviendra plus petite, et de ce fait, la conduction du courant
sera favorisée. Le tableau IV.4 donne à titre indicatif pour les nanols de 30 nm
et 100 nm de large, les valeurs de résistances mésurées avec la densité de défauts
N
Scalculée aux environs de 10
13cm
−2ainsi que les valeurs auxquelles nous nous
attendons si l'on a N
S=0.
N30nm P30nm
Longueur Mesurée attendue pour N
s=0 Mesurée attendue pour N
s=0
1400 29730.7 24705.9 107958.9 56149.7
1000 21694.5 17647.1 72039.1 40107.0
500 10315.9 8823.5 33934.5 20053.5
200 4449.2 3529.4 13751.1 8021.4
100 1739.2 1764.7 10229.8 4010.7
N100nm P100nm
Longueur Mesurée attendue pour N
s=0 Mesurée attendue pour N
s=0
1400 10378.8 8470.6 26284.3 17816.7
1000 6622.4 6050.4 18710.6 12726.2
500 3730.5 3025.2 9660.5 6363.1
200 1285.8 1210.1 3866.1 2545.2
Tab. IV.4 Valeurs des résistances mesurées et de celles attendues si N
S=0 pour
les nanols de 30 nm et 100 nm de large (en Ω).
Pour le type N, la diérence entre les valeurs de résistances mesurées et
atten-dues n'est pas très grande, ce qui est normal puisqu'avec le niveau de dopage très
élevé, la largeur de déplétion dans les ls n'est que de 1.2 nm. En revanche, pour le
type P, la largeur de déplétion étant de 3.96 nm, la réduction des états d'interface
permettrait de diminuer nettement les résistances. Pour les ls de 100 nm, le gain
serait d'un facteur 1.5 environ et pour les ls de 30 nm, il serait environ de 2 (le
gain serait donc encore plus élevé pour les ls de largeurs inférieures). Nous avons
donc utilisé les échantillons de type P pour tester la passivation de surface.
Nous avons tout d'abord eectué des recuits de 3 minutes sous N
2/H
2pour des
températures de 300 à 500°C, les recuits pouvant induire une passivation des défauts
à l'interface Si/SiO
2[7]. Cependant, nous n'avons observé aucune augmentation de
courant dans les nanols, quelles que soient leurs dimensions.
Nous avons alors envisagé une passivation des défauts de surface par l'hydrogène
atomique. An de pouvoir réaliser des mesures in situ en temps réél lors de l'étape
de passivation, nous avons utilisé une hydrogénation sous ultravide [1214], dans
un bâti monté avec les besoins de l'expérience. Nous avons alors repris les mêmes
IV.5 Passivation des défauts de surface
conditions que celles utilisées dans un autre bâti et qui donne de très bonnes surfaces
Si-H [14] : l'échantillon est chaué à 400°C environ, et de l'hydrogène diatomique,
qui sera dissocié grâce à un lament de tungstène chaué à 1500°C, est introduit à
une pression de 10
−6Torr pendant 10 minutes.
Fig. IV.12 Photographie du montage réalisé pour eectuer une hydrogénation sous
ultravide en mesurant en même temps le courant dans les nanols.
L'image IV.12 présente une photographie du montage réalisé. Nous y retrouvons
au centre l'échantillon xé sur un bloc de cuivre qui sera chaué par eet joule grâce
à un l thermocoax (nickel/chrome) enroulé autour, et un thermocouple a été inséré
dans le bloc an de mesurer la température. Le lament de tungstène qui servira
à dissocier le dihydrogène se trouve à 5 cm environ de la surface. Enn, des ls
électriques sont connectés aux nanols grâce à de la résine époxy conductrice.
Fig. IV.13 Photographie du bâti monté pour eectuer l'hydrogénation sous
ultra-vide.
Une photographie de l'ensemble du bâti est donnée en gure IV.13. Nous pouvons
y voir la pompe turbo-moléculaire, la jauge à vide, la ligne d'arrivée de l'hydrogène
ainsi que la nappe électrique qui servira à chauer par eet joule le bloc de cuivre
CHAPITRE IV. CARACTÉRISATION ÉLECTRIQUE DES
NANOFILS DE SILICIUM
(et donc le substrat) et le lament de tungstène, et qui permettra de mesurer le
courant dans les nanols.
Avant d'introduire l'échantillon dans le bâti, des mesures électriques ont été
réa-lisées à l'air sur l'ensemble des ls, puis quelques ls ont été connectés pour pouvoir
être mesurés in situ.
Comme le bâti est mis à l'air avant de mettre le montage avec l'échantillon, de
nombreuses particules ainsi qu'une pellicule d'eau sont présentes dans le bâti. Un
étuvage est donc nécessaire avant de réaliser l'hydrogénation. Le bâti est alors étuvé
pendant une nuit à 150°C. La pression dans la chambre après cet étuvage est ainsi
de 2x10
−8Torr.
L'échantillon est alors chaué à 400°C, puis l'hydrogène est introduit à une
pres-sion de 3x10
−6Torr, et le lament de tungstène est chaué par eet joule à 1500°C
environ, le tout pendant 10 minutes. En même temps, nous mesurons l'évolution
du courant pour le l de 500 nm de long et 20 nm de large (gure IV.14a). Nous
pouvons noter deux choses : la première, c'est qu'à une température de 400°C, le
courant dans le nanol est très important puisque nous avons 50 µA pour 0.1 V
aux bornes du nanol. La deuxième est que le courant augmente eectivement lors
de l'hydrogénation, mais en réalité, il s'agit d'un courant induit par les photons
provenant du lament de tungstène. En eet, dès que le lament est arrêté, le
cou-rant redescend aussitôt. An de nous assurer que ce coucou-rant était bien un coucou-rant dû
aux photons, nous avons mesuré le courant dans le nanol (à température ambiante)
lorsque celui-ci était soumis ou non à la lumière d'une lampe halogène, et le résultat
est bien comparable (voir gure IV.14b).
Fig. IV.14 Mesures sur un nanol de 500 nm de long et 20 nm de large.
(a)Evolution du courant au cours de l'hydrogénation. (b)Evolution du courant lors
d'un éclairage fort.
Une fois l'échantillon refroidi, nous l'avons sorti du bâti pour refaire des mesures
sur l'ensemble des nanols. Ces mesures ont été faites immédiatement après la sortie
de l'échantillon du bâti. La gure IV.15 montre les résultats pour le l de 500 nm de
long et 20 nm de large suivi pendant l'hydrogénation : le courant dans le l est resté
du même ordre de grandeur qu'avant l'hydrogénation. Il en est de même pour tous
les ls mesurés de l'échantillon. L'hydrogénation ne semble donc pas avoir passiver
les défauts de surface.
Plusieurs interprétations sont possibles pour expliquer que la passivation des
défauts n'a pas eu lieu. Tout d'abord, la pression d'hydrogène utilisée est
peut-IV.5 Passivation des défauts de surface
Fig. IV.15 Mesures du courant sur un nanol de 500 nm de long et 20 nm de large
avant et après hydrogénation.
être trop faible vu la conguration du bâti. Il n'est pas évident qu'à une pression
d'hydrogène de 10
−6Torr il y ait susamment d'ions créés pour passiver les défauts
de surface. Ensuite, même s'il y a susamment d'ions créés, ceux-ci vont aller dans
toutes les directions, et très peu arriveront sur les nanols. Il faudrait donc appliquer
un potentiel fortement négatif pour attirer ces ions H
+.
Nous avons alors mesuré le courant électronique reçu par un morceau métallique
de molybdène de 1 cm
2porté à 100 V et 200 V en fonction de la pression d'hydrogène
dans la chambre (gure IV.16). Nous pouvons alors remarquer qu'eectivement la
pression d'hydrogène ne devait pas être susante. En eet, le courant électronique
reçu ne varie pas tant que la pression d'hydrogène est inférieure à 5x10
−5Torr, et
au-delà, il commence à chuter indiquant la création d'ions H
+venant compenser les
électrons. Il faudra donc travailler avec une pression d'hydrogène plus importante
pour pouvoir passiver les défauts de surface, et appliquer une polarisation négative
pour attirer les ions H
+vers les nanols.
Nous avons alors réalisé de nouveaux essais en changeant également la
congu-ration du montage pour le chauage de l'échantillon. En eet, le chauage par eet
joule avait une inertie importante (il fallait plusieurs heures pour atteindre 400°C)
et rayonnait dans l'enceinte provoquant une augmentation de la pression dans la
chambre. Nous avons donc choisi un chauage par rayonnement à partir d'une
am-poule halogène de 50W placée dans le bloc de cuivre. Le thermocouple a également
été remplacé par une résistance de platine plus able et le lament de tungstène a
été xé à un autre endroit sur le bâti pour éviter de devoir le sortir trop souvent,
celui-ci étant très fragile une fois qu'il a été chaué à 1500°C. La gure IV.17 montre
une photographie de ce nouveau montage.
Lors de ces expériences, la pression d'hydrogène a été xée à 5x10
−4Torr et
comme l'oxyde du SOI mesure 145 nm et que la tension de claquage de l'oxyde
est de 1V/nm, nous avons appliqué une polarisation de -100 V sur certains ls.
Malheureusement, l'oxyde du SOI a alors claqué puisqu'un courant de plusieurs
milli-ampères a été mesuré. L'hydrogénation a donc été réalisée sans polarisation
CHAPITRE IV. CARACTÉRISATION ÉLECTRIQUE DES
NANOFILS DE SILICIUM
Fig. IV.16 Courant mesuré sur un échantillon métallique de molybdène de 1 cm
2en fonction de la pression d'hydrogène introduite dans la chambre.
Fig. IV.17 Photographie du nouveau montage réalisé pour eectuer une
hydrogé-nation sous ultravide en mesurant en même temps le courant dans les nanols.
Dans le document
Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium
(Page 139-144)