La plate-forme Caractérisation CIM PACA

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1 La plate-forme Caractérisation CIM PACA Un partenaire de choix pour la caractérisation chimique de vos matériaux Partenaires:

2 Qui sommes-nous? La plate-forme Caractérisation CIM PACA est une association «loi 1901» dont les Statuts ont été déposés en La plate-forme est localisée sur la zone industrielle de ROUSSET (13790) dans les Bouches-du-Rhône (France). Ses membres sont: des grands industriels (fabricants de semi-conducteurs au niveau mondial) des PME (spécialistes en analyse de surface, en implantation ionique, dans le photovoltaïque, dans le test et l analyse de défaillance de circuits intégrés) l Université Paul Cézanne agissant en son nom propre et pour le compte des laboratoires publics de la région PACA Les activités de la plate-forme sont gérées par un Comité Opérationnel constitué de représentants des membres fondateurs de l association.

3 Pourquoi travailler avec nous? La plate-forme Caractérisation CIM PACA constitue un lieu unique en Europe capable d offrir une complémentarité d expertises: aussi bien en analyse physico-chimique des matériaux qu en analyse de défaillance sur des problématiques touchant des domaines d activité variés (semi-conducteur, photovoltaïque, spatial, etc...) La plate-forme apporte un support analytique efficace à la caractérisation et à la modélisation de procédés, à la résolution de problèmes de défectivité ou de défaillance. Les équipements utilisés sont de dernière génération ; ils sont opérés par des experts. Notre approche: Prendre en compte une problématique dans son ensemble et y apporter une solution globale La plate-forme bénéficie d un agrément au titre du Crédit Impôt Recherche (CIR): en conséquence, les travaux de R&D peuvent être pris en compte dans le cadre du crédit d impôt recherche

4 Notre offre principale La plate-forme Caractérisation CIMPACA assure notamment des prestations de service complètes dans le domaine de la caractérisation chimique des matériaux (avec fourniture d un rapport d analyse détaillé) Elle est capable de répondre à la plupart des demandes grâce à la maîtrise de quatre techniques de micro-analyse complémentaires entre elles (voir page suivante): D-SIMS ToF-SIMS Micro-XPS (ESCA) Nano-AES (Auger) Contacts Vincent GOUBIER Directeur Bureau: +33 (0) Mobile: +33 (0) vincent.goubier@caracterisation.org Catherine GROSJEAN Expert micro-analyse Bureau: +33 (0) catherine.grosjean@caracterisation.org

5 Les complémentarités entre D-SIMS, ToF-SIMS, Micro-XPS et Nano-AES Type d analyse Type d information fournie Profondeur d analyse Possibilité d abrasion ionique pour réalisation de profil Type de résultats Limite de détection D-SIMS ToF-SIMS Micro-XPS Nano-AES Elémentaire Quantitative (avec étalon) Profil de distribution en profondeur d un dopant De quelques nm à plusieurs µm Oui (Césium, Oxygène) Profil de distribution en profondeur Du ppm au ppb (selon les éléments) Moléculaire et élémentaire Semi-quantitative (avec référence) Identification moléculaire et élémentaire + Semi-quantification des ions de masse allant jusqu à uma 0.2/0.5nm Quelques centaines de nm en mode profil Oui (Césium, Oxygène) Microanalyse, imagerie chimique, profils de distribution en profondeur Du ppm au ppb (selon les éléments) Résolution spatiale 10µm * 10µm 0.1µm Résolution chimique Haute résolution en masse (sépare SiH de P) Haute résolution en masse >10000 Elémentaire (tous éléments sauf H) Semi-quantitative Composition atomique de la surface + Proportion relative des différents états chimiques pour chaque élément (degré d oxydation, etc...) 2 à 8nm Quelques centaines de nm en mode profil Oui (Argon) Microanalyse, imagerie chimique, profils de distribution en profondeur, analyse angulaire (profil non destructif) sur qq nm Elémentaire Semi-quantitative Composition atomique de la surface + Identification de l état chimique de certains éléments (oxydé, métallique, etc...) 0.5 à 5nm Quelques centaines de nm en mode profil Oui (Argon) Microanalyse, line scan, imagerie chimique, profils de distribution en profondeur 1% atomique 0.5 à 1% atomique 3µm en imagerie 10µm en microanalyse Résolution en énergie 0.48 ev (FWHM Ag3d5/2) Quelques dizaines de nm (taille de sonde 8nm) Résolution en énergie 2 ev (pic à pic) Neutralisation des charges (pour matériau isolant) Possible Oui Oui Oui Taille de l échantillon Quelques mm2 Quelques cm2 Quelques cm2 Quelques cm2 Mesure destructive Oui Non (si pas de profil) Non (si pas de profil) Non (si pas de profil)

6 Exemples d applications Avec la technique D-SIMS Analyse des semi-conducteurs (distribution de dopants, de contaminants ou d éléments majoritaires dans différents matériaux comme Si, poly-si, SiO2, SiON, ONO, FSG, BPSG, SOI, SiGeC, NiSi, SiC, MnGe, multicouches métalliques, etc...) Calibration des simulateurs de procédé Caractérisation de jonctions ultrafines (Ultra Shallow Junctions) Avec la technique ToF-SIMS Analyse moléculaire et élémentaire de surface Recherche en parallèle de tous les ions présents (identification d éléments non connus avec une grande sensibilité) Détermination de structures moléculaires de polymères Analyse d isolants et de matériaux fragiles (technique d ionisation douce) Analyse de multicouches (cellule photovoltaïque, miroir de télescope, etc...) En cas de délamination de couches, recherche de contaminants à l interface Avec la technique Micro-XPS Analyse des états chimiques de surface (passivation, résidus de nettoyage, etc...) Analyse d isolants (pas d effet de charge) Analyse de matériaux fragiles (poudre, etc...) Mesure non destructive d épaisseur de films minces inférieures à 10nm Avec la technique Nano-AES Analyse de pads (analyse de la contamination en surface et en profondeur) Caractérisation de défauts submicroniques (particule, filament, tâche, etc...), Analyse de micro-sections préparées par FIB (pas d effet d ombrage grâce à l utilisation d un analyseur coaxial, possibilité de préparation FIB sur la plate-forme)

7 [atm/cm3] [atom/cm3] Exemples de délivrables en D-SIMS [atom/cm3] 1.E+22 1.E+21 Cameca IMS 7F multi delta de bore dans Si 02+ energie d'impact 500eV, fuite à oxygène Mise en évidence de la qualité de résolution en profondeur de notre équipement sur des multi-deltas de bore (voir ci-contre) 1.E+20 1.E+19 1.E [nm] Calibration des simulateurs de procédé: superposition de profils d arsenic et profils simulés 1.E+22 1.E+21 1.E+20 1.E+19 1.E+18 As 3keV 1.4e15 atm/cm² in Si As profiles acquired with 2 different angles and Sentorus Process simulations As 68.5 As 45.6 TAURUS CTRIM ANALYTIC Jonctions ultrafines: overlay de profils de bore avec et sans recuit 1.E+23 1.E+22 1.E+21 1.E+20 1.E+19 1.E+18 1.E+17 Cameca IMS 7f, Overlay des profils Bore [B], Slot 1 [B], Slot 2 [B], Slot 3 [B], Slot 4 [B], Slot 5 [B], Slot 6 [B], Slot 7 [B], Slot 8 1.E+17 1.E+16 1.E+16 1.E [nm] 1.E [nm]

8 Exemples de délivrables en ToF-SIMS Intensity [counts] Pad alu n ayant pas été en contact avec une bande adhésive Pad alu n ayant pas été en contact avec une bande adhésive Pad alu ayant été en contact avec l adhésif n R1 Pad alu ayant été en contact avec l adhésif n C1 Al Si C2H3 C3H5 C3H7O C2H5 C3H7 C4H9 CH3O C2H5O C4H7 C8H12N Analyse comparative de surface de pads alu ayant été en contact ou non avec une bande adhésive l analyse élémentaire et moléculaire pour les masses entre 10 et 100 met en évidence des différences majeures (voir ci-contre) Profils en profondeur acquis en parallèle sur différentes espèces Pad alu ayant été en contact avec l adhésif n C2 Délamination d une boule de bonding mise en évidence des éléments Na, Cl, K et F à l interface Substance Mass Color Al Si Ti Cr Fe Ni SiO Cu Si2N Depth / nm

9 CPS Exemples de délivrables en Micro-XPS CPS Relative compositions Profil de distribution en profondeur des différents états chimiques du silicium dans un échantillon (profils réalisés par analyse angulaire - AR-XPS) _slot24.vms : Ti 2p/8 Exp Variable 0 d Pass Energy: 20 W.F.: -4.8 Total Acquisition Time (mins) (298.5 (ms) x 5 x 403) Acquired On: 2009/12/ 9 19:30:0 Source: Mono(Al (Mono)) (225 W) x 10 2 Caractérisation des différents états chimiques du titane à la surface de 2 échantillons ayant eu un nettoyage différent les proportions relatives sont sensiblement différentes entre les 2 échantillons _slot25.vms : Ti 2p/7 Exp Variable 0 d Pass Energy: 20 W.F.: -4.8 Total Acquisition Time (mins) (298.5 (ms) x 5 x 403) Acquired On: 2009/12/ 9 20:47:29 Source: Mono(Al (Mono)) (225 W) x TiOxFy % TiO2 % TiN % Name Ti 2p 3/2 TiN Ti 2p 3/2 TiO2 Pos At% T i 2p 3/2 TiO2 T i 2p 3/2 TiN Name Ti 2p 3/2 TiOxFy Ti 2p 3/2 TiN Ti 2p 3/2 TiO2 Pos At% T i 2p 3/2 TiOxFy T i 2p 3/2 TiN 40 T i 2p 1/2 TiN T i 2p 1/2 TiO T i 2p 1/2 TiOxFy T i 2p 1/2 TiO2 T i 2p 1/2 TiN T i 2p 3/2 TiO Binding Energy (ev) CIMPACA - Characterization Platform Binding Energy (ev) CIMPACA - Characterization Platform 0.0 slot 24 slot 25 slot 24 slot 25

10 Exemples de délivrables en Nano-AES Intensity Intensity Intensity Image SEM et image chimique associée d un filament Caractérisation d un pit (composé de cuivre) Image SEM Cuivre Aluminium Silicium Profil de distribution en profondeur des éléments constitutifs d un pad (présence d une conta fluor en surface du pad) Analyse d un défaut (composé de Ti) en fond de via 28oct.124_1.lin: Sample 4.1 PHI USA 28oct.124_2.lin: Sample 4.1 PHI 28oct.124_3.lin: USA Sample 4.1 caractérisation sous la forme de line scans 2005 Oct kv 0 FRR e+005 max 2005 Oct kv 0 FRR e+005 max 2005 Oct kv 0 FRR e+005 max O1 (NormLine Binom3) O1 (NormLine Binom3) O1 (NormLine Binom3) (ci-dessous) ou par image chimique (ci-contre) x oct.124_1.lin x oct.124_2.lin x oct.124_3.lin 2 Line 1 W2 Line 2 W2 Ti 2 Ti Line 3 2 Ti Al Al O Al2 Al2 1.8 W Ti1 Al O Ti1 1.8 O1 1.8 O1 O W W W2 Al2 Ti1 O1 PHI USA Al Ti 0.6 Ti Ti 0.4 Ti Distance (µm) Distance (µm) Distance (µm) Un traitement des données a posteriori a permis d identifier les différents états chimiques de l aluminium FOV: 1.0 µm kev 0.2 µm FOV: 1.0 µm kev 0.2 µm FOV: 1.0 µm kev 0.2 µm F Sample Via 10 10/28/2005 F Sample Via 10 10/28/2005 F Sample Via 10 10/28/2005

11 Description des équipements D-SIMS, ToF-SIMS, Micro-XPS et Nano-AES

12 CAMECA IMS7f (D-SIMS) La Spectroscopie de Masse d'ions Secondaires (SIMS) est une technique d'analyse physico-chimique de l'extrême surface à très grande sensibilité. Elle est basée sur la détection des ions secondaires produits sous l'effet d'un bombardement d'ions primaires incidents qui érodent simultanément l échantillon. Elle permet de faire des analyses élémentaires en profil en profondeur (du nm au micron) sur des solides avec une très grande sensibilité (du ppm au ppb selon les éléments). Il est possible notamment d analyser des distributions de dopants dans le silicium. Concernant la résolution latérale, la taille minimale d'analyse est de l ordre de 10*10 µm et dépend de la concentration cherchée Principales caractéristiques de l équipement: Petit échantillon (taille de l ordre de 7mm*7mm) Haute résolution en masse (sépare 30SiH de P) Travail possible sur des zones < 50µm 2 (avec réduction de sensibilité) Bon vide ultime (Spec 7e-10 mbar) Jusqu à 500eV d impact en O2 + (Shallow B) Jusqu à 3keV d impact en Cs- ( As,P) Jusqu à 500eV d impact en Cs + Possibilité de fuite à oxygène pour réduire le transitoire de surface» Un profilomètre AlphaStep (KLA-Tencor) est utilisé pour mesurer la profondeur des cratères SIMS, ce qui permet ainsi la calibration en profondeur des profils réalisés

13 ION-TOF 5 (ToF-SIMS) La Spectroscopie de Masse d'ions Secondaires à Temps de Vol (ToF-SIMS) est basée sur le mode statique d'émission ionique secondaire. Par opposition au SIMS dynamique (D-SIMS), méthode d'analyse élémentaire qui par essence dégrade et érode la surface bombardée, le ToF-SIMS met en œuvre une dose totale d'ions primaires inférieure à ions par cm² soit un ion primaire pour 1000 atomes de la surface. Le ToF SIMS est en conséquence une méthode d'ionisation douce et permet l'analyse moléculaire de surface. Sa principale application est l'analyse élémentaire et moléculaire à très haute sensibilité de traces en extrême surface. Il est possible grâce à un dispositif de balayage du faisceau d'ions primaires d obtenir une cartographie à une résolution submicronique des différents éléments et espèces moléculaires présents à la surface. Il est possible également, en couplant l'acquisition avec une séquence d'abrasion, de tracer un profil de composition à très haute résolution en profondeur.

14 KRATOS Axis Nova (Micro-XPS) La spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) permet de déterminer la composition chimique de la surface de tout matériau solide (profondeur analysée inférieure à 10 nm). Soumis à un flux de photons X, le matériau émet par effet photoélectrique des électrons qui sont alors analysés en nombre (aspect quantitatif) et en énergie (identification des éléments et espèces chimiques). Les informations obtenues permettent : d identifier tous les éléments (sauf H) et de déterminer leur concentration atomique (détection limite de 1 %) de déterminer la nature des liaisons, l environnement local et/ou le degré d oxydation de la plupart des éléments de mettre en évidence les ségrégations superficielles (analyse en résolution angulaire et/ou décapage ionique) La résolution spatiale est de 3µm en mode imagerie et de 10 µm en mode micro-analyse Il est également possible de faire des profils en profondeur en abrasant progressivement l'échantillon avec un faisceau d argon

15 PHI 700 (Nano-AES) Le Nano-AES permet de faire des analyses élémentaires de surface (0.5 à 5nm de profondeur) sur solides pour des éléments > à 0.5-1% en concentration. Soumis à un flux d électrons, le matériau émet des électrons Auger qui sont alors analysés en nombre (aspect quantitatif) et en énergie (identification des éléments et espèces chimiques). La nanosonde Auger à balayage utilise un canon d'électrons à effet de champ et est dotée d'une source d'ions Argon pour la pulvérisation des surfaces, permettant la réalisation de profil de distribution en profondeur. Le faisceau d'électrons peut être balayé pour produire des images chimiques Auger. Elle donne dans certains cas une information sur l'état de liaison des atomes (oxydé, métallique...) La résolution latérale est de l'ordre de grandeur de celle d'un SEM (analyse de particule de taille 50 nm)