La plate-forme Caractérisation CIM PACA

Un partenaire de choix

pour

la caractérisation chimique de vos matériaux

Partenaires:

Qui sommes-nous ?

• La plate-forme Caractérisation CIM PACA est une association « loi 1901 » dont les Statuts ont été déposés en 2005.

• 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.

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

• 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)4 42 68 51 60

Mobile: +33 (0)6 47 23 84 75

E-mail: vincent.goubier@caracterisation.org

Catherine GROSJEAN Expert micro-analyse Bureau: +33 (0)4 42 68 86 08 E-mail: catherine.grosjean@caracterisation.org

Notre offre principale

Les complémentarités entre

D-SIMS, ToF-SIMS, Micro-XPS et Nano-AES

D-SIMS ToF-SIMS Micro-XPS Nano-AES

Type d’analyse

Elémentaire Moléculaire et élémentaire Elémentaire

(tous éléments sauf H) Elémentaire

Quantitative (avec étalon)

Semi-quantitative (avec référence)

Semi-quantitative Semi-quantitative

Type d’information fournie Profil de distribution en profondeur d’un dopant

Identification moléculaire et élémentaire +

Semi-quantification des ions de masse allant jusqu’à 15000 uma

Composition atomique de la surface + Proportion relative des différents états chimiques pour

chaque élément (degré d’oxydation, etc...)

Composition atomique de la surface +

Identification de l’état chimique de certains

éléments (oxydé, métallique, etc...)

Profondeur d’analyse De quelques nm à plusieurs µm

0.2/0.5nm

Quelques centaines de nm en mode profil

2 à 8nm

Quelques centaines de nm en mode profil

0.5 à 5nm

Quelques centaines de nm en mode profil

Possibilité d’abrasion ionique pour réalisation de profil

Oui (Césium, Oxygène)

Oui (Césium, Oxygène)

Oui (Argon)

Oui (Argon)

Type de résultats Profil de distribution en

profondeur

Microanalyse, imagerie chimique, profils de

distribution en profondeur

Microanalyse, imagerie chimique, profils de

distribution en profondeur, analyse angulaire (profil non destructif) sur qq nm

Microanalyse, line scan, imagerie chimique, profils

de distribution en profondeur

Limite de détection Du ppm au ppb

(selon les éléments) Du ppm au ppb

(selon les éléments) 1% atomique 0.5 à 1% atomique

Résolution spatiale 10µm * 10µm 0.1µm 3µm en imagerie

10µm en microanalyse

Quelques dizaines de nm (taille de sonde 8nm)

Résolution chimique Haute résolution en masse

(sépare SiH de P) Haute résolution en masse

>10000

Résolution en énergie 0.48 eV

(FWHM Ag3d5/2)

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)

Exemples d’applications

• 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)

• 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)

Exemples de délivrables en D-SIMS

Cameca IMS 7f, Overlay des profils Bore

1.E+15

1.E+16

1.E+17

1.E+18

1.E+19

1.E+20

1.E+21

1.E+22

1.E+23

0 100 200 300 400 500

[nm]

[ato

m/c

m3]

[B], Slot 1

[B], Slot 2

[B], Slot 3

[B], Slot 4

[B], Slot 5

[B], Slot 6

[B], Slot 7

[B], Slot 8

Cameca IMS 7F multi delta de bore dans Si

02+ energie d'impact 500eV, fuite à oxygène

1.E+18

1.E+19

1.E+20

1.E+21

1.E+22

0 20 40 60 80 100

[nm]

[ato

m/c

m3

]

Mise en évidence de la qualité de résolution en profondeur

de notre équipement sur des multi-deltas de bore

(voir ci-contre)

Jonctions ultrafines: overlay de profils de bore avec et sans recuit

As 3keV 1.4e15 atm/cm² in Si

As profiles acquired with 2 different angles and Sentorus

Process simulations

1.E+15

1.E+16

1.E+17

1.E+18

1.E+19

1.E+20

1.E+21

1.E+22

0 10 20 30 40 50 60

[nm]

[atm

/cm

3]

As 68.5°

As 45.6°

TAURUS

CTRIM

ANALYTIC

Calibration des simulateurs de procédé: superposition de profils d’arsenic et profils simulés

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)

Exemples de délivrables en ToF-SIMS

Délamination d’une boule de bonding mise en évidence des éléments Na, Cl, K et F à l’interface

/ nmDepth200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

110

210

310

410

510

[coun

ts]

Inte

nsity

Substance Mass Color

Al 26.98

30Si 29.97

Ti 47.93

Cr 51.94

Fe 55.93

58Ni 57.93

SiO2 59.97

63Cu 62.93

Si2N 69.96

Profils en profondeur acquis en parallèle sur différentes espèces

Al C8H12N

Si

C2H3 C3H5 C3H7O

C2H5 C3H7 C4H9

CH3O C2H5O C4H7

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

Pad alu ayant été en contact avec

l’adhésif n° C2

Exemples de délivrables en Micro-XPS

CIMPACA - Characterization Platform

09-342-70726_slot24.vms : Ti 2p/8

Exp Variable 0 d

Pass Energy: 20 W.F.: -4.8

T otal Acquisition T ime 10.025 (mins) (298.5 (ms) x 5 x 403)

Acquired On: 2009/12/ 9 19:30:0

Source: Mono(Al (Mono)) (225 W)

T i 2p 3/2 TiN

T i 2p 1/2 TiN

T i 2p 3/2 TiO2

T i 2p 1/2 TiO2

Name

Ti 2p 3/2 TiN

Ti 2p 3/2 TiO2

Pos.

455.4515

458.5446

At%

48.21

51.79

x 102

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CPS

468 464 460 456 452

Binding Energy (eV)CIMPACA - Characterization Platform

09-342-70726_slot25.vms : Ti 2p/7

Exp Variable 0 d

Pass Energy: 20 W.F.: -4.8

T otal Acquisition T ime 10.025 (mins) (298.5 (ms) x 5 x 403)

Acquired On: 2009/12/ 9 20:47:29

Source: Mono(Al (Mono)) (225 W)

T i 2p 3/2 TiOxFy

T i 2p 1/2 TiOxFy

T i 2p 3/2 TiN

T i 2p 1/2 TiNT i 2p 3/2 TiO2

T i 2p 1/2 TiO2

Name

Ti 2p 3/2 TiOxFy

Ti 2p 3/2 TiN

Ti 2p 3/2 TiO2

Pos.

459.2226

455.4600

458.5500

At%

49.93

35.16

14.91

x 102

0

10

20

30

40

50

60

70

CPS

468 464 460 456 452

Binding Energy (eV)

48.2

35.2

51.8

14.9

0.0

49.9

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

slot 24 slot 25

Rela

tive c

om

po

sit

ion

s

TiOxFy %

TiO2 %

TiN %

0

20

40

60

80

100

120

slot 24 slot 25

Rela

tive c

om

po

sit

ion

s

TiOxFy %

TiO2 %

TiN %

Profil de distribution en profondeur des différents états chimiques du silicium dans un échantillon

(profils réalisés par analyse angulaire - AR-XPS)

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

Exemples de délivrables en Nano-AES

Un traitement des données a posteriori

a permis d’identifier les différents états chimiques

de l’aluminium

Cuivre

Aluminium Silicium

Image SEM

Profil de distribution en profondeur

des éléments constitutifs d’un pad

(présence d’une conta fluor en surface du pad)

Image SEM et image chimique associée d’un filament

28oct.124_1.lin: Sample 4.1 PHI USA

2005 Oct 28 20.0 kV 0 FRR 1.7746e+005 max

O1 (NormLine Binom3)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2x 10

5 28oct.124_1.lin

Distance (µm)

Inte

nsity

Line 1

O

W

AlTi

Ti

W2

Al2

Ti1

O1

28oct.124_3.lin: Sample 4.1 PHI USA

2005 Oct 28 20.0 kV 0 FRR 1.7984e+005 max

O1 (NormLine Binom3)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

x 105 28oct.124_3.lin

Distance (µm)

Inte

nsity

Line 3Ti Al

O

W

Ti

Ti

Al

W2

Al2

Ti1

O1

FOV: 1.0 µm 20.000 keV

Sample 4.1 - Via 10 10/28/2005F

0.2 µm

28oct.124_2.lin: Sample 4.1 PHI USA

2005 Oct 28 20.0 kV 0 FRR 1.9091e+005 max

O1 (NormLine Binom3)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

x 105 28oct.124_2.lin

Distance (µm)

Inte

nsity

Line 2

W

OAl

Ti

Ti

W2

Al2

Ti1

O1

FOV: 1.0 µm 20.000 keV

Sample 4.1 - Via 10 10/28/2005F

0.2 µm FOV: 1.0 µm 20.000 keV

Sample 4.1 - Via 10 10/28/2005F

0.2 µm

Caractérisation d’un pit (composé de cuivre)

Analyse d’un défaut (composé de Ti) en fond de via caractérisation sous la forme de line scans

(ci-dessous) ou par image chimique (ci-contre)

Description des équipements

D-SIMS, ToF-SIMS, Micro-XPS et Nano-AES

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 < 50µm2 (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

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 1012 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.

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

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)