EP2382480A1 - Dispositif pour la caracterisation de composants electriques ou electroniques - Google Patents

Dispositif pour la caracterisation de composants electriques ou electroniques

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Publication number
EP2382480A1
EP2382480A1 EP09804285A EP09804285A EP2382480A1 EP 2382480 A1 EP2382480 A1 EP 2382480A1 EP 09804285 A EP09804285 A EP 09804285A EP 09804285 A EP09804285 A EP 09804285A EP 2382480 A1 EP2382480 A1 EP 2382480A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pads
pad
electrical
transmission line
bridge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09804285A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe Bourgoin
Vincent Derycke
Laurianne Nougaret
Gilles Dambrine
Henri Happy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite de Lille 1 Sciences et Technologies, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Publication of EP2382480A1 publication Critical patent/EP2382480A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the characterization of electrical or electronic components, and more particularly nanoscale components, such as nanotubes, nanowires, etc.
  • a satisfactory characterization of these devices requires the execution of vector measurements of their impedance or of their parameters S as a function of frequency.
  • these measurements can be made using vector analyzers of commercial networks.
  • the nanoelectronic components have high impedances of the order of one kilo-ohm or more, whereas the network analyzers are generally designed to characterize devices at 50 ohms.
  • the aim of the invention is to make the characterization of electrical and / or electronic components, in particular nanoscale components, simpler and more precise.
  • an integrated device for the characterization of nanometric electrical or electronic components comprising a substantially insulating substrate on which are deposited four conductive pads, at least three resistive tracks connecting said pads to each other and a line transmission system comprising a signal conductor and at least one ground conductor, wherein: said resistive tracks are arranged to connect a first conductive pad on the one hand to a second and on the other hand in parallel to a fourth pad, and said fourth pad to a third pad; the signal conductor of the transmission line is connected to said first conductive pad; and the ground conductor of the transmission line is connected to said third pad.
  • the transmission line may be a coplanar waveguide comprising a central signal conductor and two lateral conductors, said lateral conductors joining to form a ground ring which surrounds the pads and the resistive tracks and comes into electrical contact. with said third pad.
  • said conductive pads can be arranged to form a quadrilateral, preferably a square or a rhombus, the first and fourth pads forming non-adjacent vertices thereof.
  • the three resistive tracks can have the same resistance value. Whether the resistance values of these three tracks are equal to each other or different, they can be greater than or equal to 1 k ⁇ .
  • the second and fourth pads may also be connected, via respective integrated resistors, to a fifth and sixth pads.
  • the values of said integrated resistors may be at least equal to three times the highest resistance value of said resistive tracks.
  • An electronic or electrical component to be characterized may be connected between said second and third pads.
  • this component can be integrated in said substrate.
  • the device of the invention may comprise contact conductive tracks extending from each of said second and fourth pads and intended to form a measurement line to which can be connected an electrical or electronic component to be characterized.
  • an insulated conductive track can extend in a region located between said electrical contact tracks, where said electrical or electronic component to be characterized can be positioned; this isolated track can serve as a gate electrode for the characterization of field effect transistors based on carbon nanotubes.
  • the device of the invention and the component to be characterized form a Wheatstone bridge, also called "directional bridge" when used in this type of application.
  • the resistance values of the resistive tracks can be chosen according to the estimated characteristics of the component to be characterized in order to make the bridge at least approximately balanced.
  • said second and third pads may not be electrically connected to each other (open circuit bridge); said second and third pads may, on the contrary, be short-circuited, in particular via a section of the or one of the ground conductors of the transmission line (short-circuit bridge); said second and third pads can also be connected by a resistive track, the assembly consisting of the four pads and the resistive tracks connecting them forming a balanced Wheatstone bridge.
  • another object of the invention is an integrated device for the characterization of nanometric electrical or electronic components comprising at least one measuring bridge, a short-circuit bridge and a balanced bridge as described above, integrated on the same substrate and identical except for the possible connection between the second and the third stud.
  • the measuring bridge without the component to be characterized can be used as an open circuit calibration bridge.
  • a four-bridge device comprising an integrated open-circuit bridge, also identical to the other three elementary devices except for the connection between the second and third pads.
  • Other objects of the invention are: The use of a measuring bridge as described above for the vector characterization of a nano-connected electrical or electronic component connected between the second and the third stud, by means of a vector network analyzer comprising an excitation probe connected to the transmission line of the device and a measuring probe alternately connected to the second and fourth pads.
  • a measuring bridge as described above, in its variant comprising a fifth and a sixth conductive pad, for the vector characterization of a nanometric electrical or electronic component connected between the second and the third pad, at the by means of a vector network analyzer comprising an excitation probe connected to the transmission line of the device and a multi-tip measuring probe connected to the fifth and sixth pins, and to the conductor (s) mass of the transmission line.
  • FIG. 1 the use of a vector network analyzer and a directional bridge for the characterization of an electronic component
  • FIG. 2 a measuring bridge according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 the use of such a measurement bridge for the characterization of a nanometric electronic component
  • FIG. 5 a measurement bridge according to a second embodiment of the invention
  • FIGS. 6a, 6b, 6c and 6d detailed views of a measuring bridge according to a third embodiment of the invention
  • FIGS. 7a, 7b, 7c, 7d and 7e a first method of manufacturing a measurement bridge comprising a carbon nanotube to be characterized
  • FIGS. 8a, 8b, 8c, 8d and 8e a second method of manufacturing a measurement bridge comprising a carbon nanotube to be characterized
  • FIGS. 9a, 9b and 9c a third method of manufacturing a measurement bridge comprising a carbon nanotube to be characterized
  • Figure 10a an electric model of a carbon nanotube and measurement results of such a nanotube
  • FIG. 10b a graph making it possible to compare the results of a series of measurements carried out on a carbon nanotube and the theoretical results corresponding to the models of FIG. 10a;
  • FIG. 11 is a graph illustrating the technical effect of the invention.
  • FIG. 1 represents a "Wheatstone bridge” or “directional bridge” constituted by four nodes, numbered Ni-N 4 interconnected by three resistors R 1 (connected between the nodes Ni and N 2 ), R 3 (connected between the nodes N 3 and N 4 ) and R 4 (connected between the nodes Ni and N 4 ).
  • An electrical or electronic component to be characterized DUT (of the English “Device Under Test"), schematized by a complex impedance dipole ZDUT (unknown), is connected between the nodes N 2 and N 3 .
  • a sinusoidal voltage generator V 3 having an internal resistance R 5 , is connected to the node Ni, while the node N 3 is connected to ground.
  • the characterization of the DUT component is carried out by carrying out a sweep of the frequency of the generator V s and, for each frequency, by measuring (in amplitude and in phase) the voltage VM between the nodes N 2 and N 4 .
  • V 43 the voltage between the nodes N 4 and N 3 , called V 43 is equal to the voltage between the nodes N 2 and N 3 called V 23 .
  • the voltage VM which is the difference of these two voltages is therefore zero.
  • an ideal Wheatstone bridge is equivalent to a directional coupler, also ideal.
  • An ideal directional coupler is characterized by a coupling coefficient, indicated by ⁇ .
  • ⁇ the complex amplitude of a wave injected at the input of the direct channel of such a coupler
  • M the complex amplitude of the wave coming out of its coupled branch.
  • the reflection factor TL ratio of the wave reflected on the incident wave
  • M L T has a film if ⁇ is known, a measure have and M determines r ⁇ .
  • a real directional coupler (or a real Wheatstone bridge) is characterized by three complex quantities: - Dj directivity,
  • the directivity characterizes the ability to dissociate, on the coupled channel, the waves coming in one direction (for example from the generator) and the other (for example from the load).
  • a coupler is thus placed on a line in the direction corresponding to the signal to be measured.
  • an ideal coupler with infinite directivity only the wave coming from the selected direction is present on the coupled path.
  • the insertion losses correspond to the attenuation of the incident wave through the direct path of the coupler.
  • Mismatch characterizes the impedance variation seen by the signal as it moves from one medium (or medium) to another. The greater this variation, that is, the greater the mismatch, the greater the signal reflected by the change of medium, that is to say here by the output of the direct path of the coupler: therefore, there is a relationship between mismatch and the reflection factor. r - * L
  • the measured reflection factor ⁇ ] can be expressed according to these three quantities by the following relation: r D UT is the reflection factor of the dipole under test.
  • Dj, R f and D es characterizing the imperfections of the directional coupler or the Wheatstone bridge, it suffices to carry out a calibration consisting in measuring three particular standards (non-reflective load, short circuit and open circuit) of which the reflection factors r D u ⁇ are known, and solve a system of three equations with three unknowns.
  • the idea underlying the invention consists in producing a Wheatstone bridge integrated on a substantially insulating substrate whose impedance and dimensions are compatible with those of the component to be characterized.
  • Such an integrated bridge serves, so to speak, interface between the component (microscopic, high impedance) and the network analyzer (macroscopic, intended for use at 50 ⁇ ).
  • Auxiliary bridges preferably integrated on the same substrate as the measuring bridge, serve to calibrate the measuring bench.
  • FIG. 2 An integrated PM measuring bridge is shown in FIG. 2.
  • This device whose dimensions are 380 ⁇ m ⁇ 380 ⁇ m, is made on a silicon substrate S with a high resistivity "siltronix (100)" covered with a thin oxide layer whose resistivity is greater than 8000 ⁇ cm. It comprises: four conductive pads Pi, P2, P 3 and P 4 arranged so as to form a square; - a coplanar waveguide CPW (from the English "CoPlanar
  • Waveguide constituted by a central conductor Cc, connected to the first pad Pi, and two lateral conductors Cu, Ci_ 2 which form a ring surrounding the four pads, and come into electrical contact with the pad P 3 , opposite the first pad Pi; three resistive tracks Ri, R 3 and R 4 , identical to each other, connecting the pads P 1 and P 2 , P 3 and P 4 ; P 4 and Pi respectively; a device to be characterized DUT, connected between the pads P 2 and P 3 .
  • the metallizations are made of Ti / Au (a layer of Ti 50 nm thick superimposed on a layer of Au of 300 nm).
  • the resistive tracks are in NiCr, deposited by cathode sputtering using an 80/20 Ni / Cr target and a radiofrequency power of 150 W, which gives a resistivity of 1 ⁇ m.
  • the bridge of FIG. 1 To characterize the DUT dipole, ie to measure its complex impedance as a function of frequency, the bridge of FIG. 1 must be connected to a high frequency signal generator, generally a synthesizer, and a detector.
  • the impedance of the generator has no theoretical impact on the operation of the bridge. Nevertheless using a 50 ⁇ generator, the signals at the detector will be strongly attenuated because of the impedance of the bridge (of the order of 1k ⁇ ).
  • the detection system must have a much greater impedance than the bridge, the reactive part (generally capacitive) of this impedance must be the lowest possible.
  • the parasitic capacitance of the detector combined with the resistance of the bridge fixes the bandwidth of the system.
  • FIG. 3 shows the use of the measuring bridge PM of FIG. 1 in combination with a vector network analyzer VNA (of the English "Vector Network Analyzer"), integrating a synthesizer and a radiofrequency signal detector.
  • VNA Vector Network Analyzer
  • a high-frequency sinusoidal signal (several MHz or GHz) is generated by the VNA analyzer at port PO1 and injected into the bridge via a conventional high-frequency coplanar probe with three ground-signal-to-signal contacts.
  • mass whose central signal contact is connected to the central conductor C c of the coplanar waveguide CPW, and the two ground contacts are connected to the two lateral conductors Cu, CL2 of this same guide.
  • the measurement is carried out in two phases, in which the high impedance probe is connected alternately to the pads P 2 and P 4 of the bridge.
  • the parameter measured by the VNA analyzer for each of these two positions is the transmission factor S 2 i p i and S 2 i P2 (vector quantities).
  • the four bridges PM, PCA, PCC and PEQ are made simultaneously on the same substrate, to ensure that the measuring bridge and the calibration bridges are strictly identical to each other, except for the connection (or the lack of connection) between the pads P 2 and P 3 .
  • the PCA open circuit bridge being used for the characterization of a reported component.
  • the characterization of the DUT dipole therefore requires eight elementary measurements (two for each bridge) and the resolution of a system of three linear equations (to determine the directivity, the transmission loss and the mismatch from the three calibration measurements).
  • High impedance probes are fragile, and their bandwidth is limited by the presence of parasitic capacitances.
  • the integrated bridge of FIG. 5 comprises two resistors R 5 , R ⁇ (serpentine) connected in series between the pads P 2 , P 4 and two additional pads P 5 , P 6 , which can be used as contact pads for a high frequency measuring probe e at 50 ⁇ .
  • a five-contact probe of the mass-signal-mass-signal-mass type can be used. Both signal contacts are connected to the pads P 5 , P 6 , the external ground contacts are connected to the lateral conductors of the coplanar waveguide CPW and the central ground conductor is connected to a ground pad P7 located between the signal pads P 5 and P 6 . This pad P 7 can be connected to the ground directly, or only via the probe.
  • the integration of the resistances with the bridge makes it possible to reduce the parasitic capacitances, and thus to increase the bandwidth, and to use probes having a greater mechanical resistance. In addition, the reproducibility of the measurements is improved.
  • the use of integrated resistors of linear structure, and not serpentine, can further reduce stray capacitances. However, this requires a specific step of sputtering a high-resistivity material such as NiCr.
  • the value of the resistors R5, Re is greater than the resistances Ri, R 2 and R 3 by at least a factor of three.
  • the high impedance measuring bridge of FIG. 5 is preferably provided with the corresponding calibration bridges (not shown).
  • the geometry of the bridge of FIG. 5 is different from that of FIG. 3: the measurement pads are not arranged in quadrilateral, but instead form an irregular pentagon; moreover, the pads Pi and P 3 are not really distinguishable from the conductors Cc and C ⁇ _i / C ⁇ _ 2 of the coplanar waveguide CPW.
  • the conductor Cu comes into contact with two rectangular metallizations M 1 , M 2 which in turn constitute the lateral conductors of a second coplanar guide CPW 2 of a measuring channel for reported nano-components.
  • This measurement pathway which is particularly suitable for the characterization of single-walled carbon nanotube transistors (SWNT), is shown in more detail in FIGS. 6a-6d.
  • a first contact conductive track Ti extends from the pad P 2 to the pad P 3 and conversely a second contact pad T 2 extends from the pad P 3 to the pad P 2 .
  • the two contact tracks are extended by "fingers" Di, D 2 respectively, whose width is of the order of a few hundred nanometers (800 nm in the example of the figure).
  • a spacing E also a few hundred nanometers (800 nm in the example of the figure), separates the ends of these fingers. As shown in FIG.
  • a carbon nanotube SWNT can be positioned, for example by using known techniques of dielectrophoresis, at the spacing E, and be electrically connected to the fingers D 1 , D 2 by depositing a bilayer B in Palladium / Gold (30/80 nm).
  • a thin aluminum electrode D 3 insulated by an oxide layer (2 nm thick) and connected to the second coplanar waveguide CPW 2 , extends below the spacing E to serve as an electrode transistor gate formed by the nanotube SWNT connected to the electrodes Di, D 2 serving as drain and source contacts.
  • FIGS. 7a-7e, 8a-8e and 9a-9c show in greater detail three methods of manufacturing an integrated measuring bridge according to the invention comprising a carbon nanotube to be characterized.
  • the first method is based on a modification of the substrate S by localized grafting of molecules in order to obtain the preferential absorption of a nanotube (or another nano-object) at a location.
  • This method comprises: FIG. 7a: fabrication of the Ni / Cr resistances by an electronic lithography step comprising: the deposition of a layer of resin, the drawing of a lithography pattern in the resin by beam of electrons, the development of the resin, the deposition of a Ni / Cr alloy by sputtering, the removal of the remaining resin (lift-off).
  • FIG. 7b manufacture of the bridge structure by electronic lithography.
  • FIG. 7c preparation of a "sticky" zone at the measurement location E by: resin deposition; drawing of the "sticky” zone by electron beam, development of the resin, grafting of a molecular monolayer of amino-propyl-triethoxy-silane (APTS) in the gas phase, then removal of the resin.
  • APTS amino-propyl-triethoxy-silane
  • - Figure 7d depositing a drop of solution of carbon nanotubes in NMP (N-methyl-pyrrolidone) on the wafer, or immersion of the wafer in such a solution. The nanotubes "stick” only on the grafted zone by the APTS, the excess of solution is rinsed; this stochastic process is repeated until a single nanotube is correctly positioned, with the desired orientation, in the measurement location.
  • NMP N-methyl-pyrrolidone
  • Figure 7e deposition of electrical contacts in Pd / Au on the nanotube by a new step of electronic lithography.
  • the second method (FIGS. 8a-8e) is based on a dielectrophoresis technique.
  • This method comprises: FIG. 8a: fabrication of the Ni / Cr resistances by an electronic lithography step, as in the case of the first method.
  • FIG. 8b manufacture of local (in Au) electrodes TVD 1 , T 2 / D 2 at the ends of the measurement location E by a new step of electronic lithography
  • FIG. 8c deposition of a nanotube between these electrodes, comprising: the deposition of a drop of nanotube solution on the substrate S at the location E 1 the laying of two points on the electrodes, the application of an alternating electric field (typically 10 V, 15 MHz for a duration of 3 minutes); rinsing
  • FIG. 8d deposition of B Pd / Au contacts on the deposited SWNT nanotube by a new step of electronic lithography
  • Figure 8e fabrication of the bridge structure by electronic lithography.
  • the third method is a variant of the second method also comprising the manufacture of an insulated gate to operate the nanotube as a field effect transistor.
  • This process begins with the production of an aluminum D 3 grid and the oxidation of its surface to form the gate insulator (FIG. 9a).
  • the calibrated Ni / Cr resistors and the Ti / Au electrodes are manufactured, and a carbon nanotube is deposited by dielectrophoresis above the gate (FIG. 9b, corresponding to FIGS. 8a-8d of the second method).
  • the bridge structure is made by electronic lithography ( Figure 9c).
  • a gate electrode can be used in combination with the molecular graft deposition method (first method).
  • first method molecular graft deposition method
  • these techniques described in relation to the deposition of carbon nanotubes, can be adapted to the deposition of other nano-objects such as doped carbon nanotubes, for example boron or nitrogen; boron nitride nanotubes, to other types of nanotubes; nanowires of semiconductor (silicon, GaAs, InP ...) or metallic (gold, palladium, platinum ...) materials.
  • a bridge comprising a measurement path for nanoobjects requires an additional calibration step to characterize said measurement path.
  • the reflection factor of the nanotube is measured relative to the reference planes PRi, PR 2 located at the ends of the measurement channels.
  • the parameter S thus measured is converted into parameter Z to give the impedance of the nanotube.
  • the nanotube is modeled by a distributed network R S L S C P connected in series with two contact resistors Rc, the set R 0 - R S L S C P - R c being connected in parallel to the parasitic capacitance of the measurement channel (in this case, 5fF).
  • FIG. 10b show the values, as a function of frequency, of the real part and the imaginary part of a carbon nanotube connected to a measuring bridge according to the invention.
  • the solid lines represent the corresponding theoretical values obtained from the model of FIG. 10a with values optimized for the parameters R c , R 3 , L 8 and C p . These values, and the corresponding normalized values (per unit length) are given in the following table:
  • FIG. 11 highlights the technical effect obtained thanks to the invention.
  • This graph represents the uncertainty of measuring a resistance R between 100 ⁇ and 100 k ⁇ at a frequency between 30OkHz and 6 GHz using a conventional 50 ⁇ measurement probe (Li lines: 300 kHz range - 1, 3 GHz, L 2 : range 1, 3 GHz - 3 GHz, L 3 : 3 GHz - 6 GHz range) and a measuring bridge according to the invention having a characteristic impedance of 3.5 k ⁇ (lines L 4 : range 300 kHz - 1, 3 GHz, L 5 : range 1, 3 GHz - 3 GHz, L 6 : range 3 GHz - 6 GHz). Measurements were made with an Agilent 8753ES vector network analyzer equipped with APC 7mm metrology connectivity.
  • the invention makes it possible to reduce the uncertainty of the measurement by two to three orders of magnitude. This result is achieved thanks to a simple device (measuring bridge) that can be manufactured at reduced cost by conventional microelectronic techniques, and using conventional measurement methods.

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Abstract

Dispositif intégré (PM) pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques (DUT), en particulier nanométriques, comportant un substrat (S) sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs (P1, P2, P3, P4), au moins trois pistes résistives (R1, R3, R4) reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission (CPW) comportant un conducteur de signal (CC) et au moins un conducteur de masse (CL1, CL2), dans lequel : lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un premier plot conducteur à un deuxième et à un quatrième plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot; le conducteur de signal de la ligne de transmission est relié audit premier plot conducteur; et le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot.

Description

DISPOSITIF POUR LA CARACTERIΞATION DE COMPOSANTS ELECTRIQUES OU ELECTRONIQUES
L'invention porte sur un dispositif et un procédé pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques, et plus particulièrement de composants de dimensions nanométriques, tels que des nanotubes, des nanofils, etc.
Une caractérisation satisfaisante de ces dispositifs nécessite l'exécution de mesures vectorielles de leur impédance ou de leurs paramètres S en fonction de la fréquence. En principe, ces mesures peuvent être réalisées à l'aide d'analyseurs vectoriels de réseaux du commerce. Cependant, les composants nanoélectroniques présentent des impédances élevées, de l'ordre du kilo-ohm ou plus, alors que les analyseurs de réseaux sont généralement conçus pour caractériser des dispositifs à 50 ohms.
Les dimensions de ces composants contribuent également à rendre leur caractérisation difficile.
Pour ces raisons, la caractérisation vectorielle d'un composant nanoélectronique tel qu'un nanotube de carbone monofeuillet n'a pu être réalisée que très récemment : voir l'article de J. J. Plombon, Kevin P. O'Brien, Florian Gstrein, Valéry M. Dubin et Yang Jiao « High-frequency electrical properties of individual and bundled carbon nanotubes » Applied Physics Letters 90, 063106 (2007). Auparavant, seules des mesures scalaires avaient été réalisées.
L'invention vise à rendre plus simple et plus précise la caractérisation de composants électriques et/ou électroniques, en particulier nanométriques.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant un substrat sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs, au moins trois pistes résistives reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission comportant un conducteur de signal et au moins un conducteur de masse, dans lequel : lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un premier plot conducteur d'une part à un deuxième et d'autre part en parallèle à un quatrième plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot ; le conducteur de signal de la ligne de transmission est relié audit premier plot conducteur ; et le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot.
De préférence, la ligne de transmission peut être un guide d'onde coplanaire comprenant un conducteur central de signal et deux conducteurs latéraux, lesdits conducteurs latéraux se rejoignant pour former un anneau de masse qui entoure les plots et les pistes résistives et entre en contact électrique avec ledit troisième plot.
Avantageusement, lesdits plots conducteurs peuvent être agencés pour former un quadrilatère, de préférence un carré ou un losange, le premier et le quatrième plots formant des sommets non-adjacents de ce dernier.
Les trois pistes résistives peuvent avoir une même valeur de résistance. Que les valeurs de résistance de ces trois pistes soient égales entre elles ou différentes, elles peuvent être supérieures ou égales à 1 kΩ. Selon une variante de l'invention, le deuxième et le quatrième plots peuvent être également reliés, par l'intermédiaire de résistances intégrées respectives, à un cinquième et à un sixième plots. Avantageusement, les valeurs desdites résistances intégrées peuvent être au moins égales à trois fois la valeur de résistance la plus élevée desdites pistes résistives.
Un composant électronique ou électrique à caractériser peut être connecté entre lesdits deuxième et troisième plots. De préférence, ce composant peut être intégré dans ledit substrat. En variante, le dispositif de l'invention peut comporter des pistes conductrices de contact s'étendant à partir de chacun desdits deuxième et quatrième plots et destinées à former une ligne de mesure à laquelle peut être connecté un composant électrique ou électronique à caractériser. Optionnellement, une piste conductrice isolée peut s'étendre dans une région située entre lesdites pistes électriques de contact, où peut être positionné ledit composant électrique ou électronique à caractériser ; cette piste isolée peut servir d'électrode de grille pour la caractérisation de transistors à effet de champ basés sur des nanotubes de carbone. En tout cas, le dispositif de l'invention et le composant à caractériser forment un pont de Wheatstone, dit aussi « pont directionnel » lorsqu'il est utilisé dans ce type d'application. Avantageusement, les valeurs de résistance des pistes résistives peuvent être choisies en fonction des caractéristiques estimées du composant à caractériser afin de rendre le pont au moins approximativement équilibré.
Dans d'autres variantes de réalisation du dispositif de l'invention : lesdits deuxième et troisième plots peuvent ne pas être connectés électriquement l'un à l'autre (pont en circuit ouvert) ; - lesdits deuxième et troisième plots peuvent, au contraire, être court-circuités, en particulier par l'intermédiaire d'une section du ou de l'un des conducteurs de masse de la ligne de transmission (pont en court- circuit) ; lesdits deuxième et troisième plots peuvent également être reliés par une piste résistive, l'ensemble constitué par les quatre plots et les pistes résistives les reliant formant un pont de Wheatstone équilibré.
Ces dispositifs ne servent pas directement à la caractérisation d'un composant, mais au calibrage du système utilisé pour effectuer la mesure. Pour que ce calibrage soit effectué dans les meilleures conditions, il est très avantageux que le pont de mesure et les trois ponts de calibrage (en circuit ouvert, en court-circuit et équilibré) soient réalisés sur un même substrat.
Ainsi, un autre objet de l'invention est un dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant au moins un pont de mesure, un pont en court circuit et un pont équilibré tels que décrits ci-dessus, intégrés sur un même substrat et identiques sauf en ce qui concerne la connexion éventuelle entre le deuxième et le troisième plot.
Le pont de mesure sans le composant à caractériser (à supposer rapporté, et non intégré sur le substrat) peut être utilisé comme pont de calibrage en circuit ouvert. Cependant, il est préférable de prévoir un dispositif à quatre ponts, comportant un pont en circuit ouvert intégré, également identique aux trois autres dispositifs élémentaires sauf en ce qui concerne la connexion entre le deuxième et le troisième plot. D'autres objets de l'invention sont : , - L'utilisation d'un pont de mesure tel que décrit ci-dessus pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure connectée alternativement au deuxième et au quatrième plot.
L'utilisation d'un pont de mesure tel que décrit ci-dessus, dans sa variante comportant un cinquième et un sixième plot conducteur, pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure multi-pointes connectée au cinquième et au sixième plots, ainsi qu'au ou aux conducteur(s) de masse de la ligne de transmission.
L'utilisation d'un pont en circuit ouvert, en court-circuit et/ou équilibré tels que décrits ci-dessus pour le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel à l'occasion de la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique, en particulier nanométrique, au moyen d'un pont de mesure selon l'invention.
L'utilisation d'un dispositif « composite », comportant trois ou quatre ponts élémentaires, pour effectuer aussi bien le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel que la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique, en particulier nanométrique. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
La figure 1 , l'utilisation d'un analyseur de réseaux vectoriel et d'un pont directionnel pour la caractérisation d'un composant électronique ;
La figure 2, un pont de mesure selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3, l'utilisation d'un tel pont de mesure pour la caractérisation d'un composant électronique nanométrique ;
La figure 4, trois ponts de calibrage selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 5, un pont de mesure selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 6a, 6b, 6c et 6d, des vues de détail d'un pont de mesure selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
Les figures 7a, 7b, 7c, 7d et 7e, un premier procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à caractériser ; - Les figures 8a, 8b, 8c, 8d et 8e, un deuxième procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à caractériser ;
Les figures 9a, 9b et 9c, un troisième procédé de fabrication d'un pont de mesure comportant un nanotube de carbone à caractériser ;
La figure 10a, un modèle électrique d'un nanotube de carbone et des résultats de mesure d'un tel nanotube ;
La figure 10b, un graphique permettant de comparer les résultats d'une série de mesures effectuées sur un nanotube de carbone et les résultats théoriques correspondant au modèles de la figure 10a ; et
La figure 11 , un graphique illustrant l'effet technique de l'invention. La figure 1 représente un « pont de Wheatstone » ou « pont directionnel » constitué par quatre nœuds, numérotés Ni - N4 reliés entre eux par trois résistances R1 (connectée entre les nœuds Ni et N2), R3 (connectée entre les nœuds N3 et N4) et R4 (connectée entre les nœuds Ni et N4). Un composant électrique ou électronique à caractériser DUT (de l'anglais « Device Under Test »), schématisé par un dipôle d'impédance complexe ZDUT (inconnue), est connecté entre les nœuds N2 et N3. Un générateur sinusoïdal de tension V3, ayant une résistance interne R5, est connecté au nœud N-i, tandis que le nœud N3 est relié à la masse. La caractérisation du composant DUT est effectuée en réalisant un balayage de la fréquence du générateur Vs et, pour chaque fréquence, en mesurant (en amplitude et en phase) la tension VM entre les nœuds N2 et N4.
Soit V3' la tension entre les nœuds N-i et N3. On considère que les tensions VM et V3' sont mesurables. Dans un cas idéal lorsque Ri=R2=R3=Rpont, on peut considérer trois cas particuliers pour ZDuτ :
• Pour ZouT≈Rpont, la tension entre les nœuds N4 et N3, appelée V43 est égale à la tension entre les nœuds N2 et N3 appelée V23. La tension VM qui est la différence de ces deux tensions est donc nulle.
V s V s
V s V s V s
Vs
V V o 1
• Pour ZDUT=0 (court-circuit parfait), ~7?~- ~7^- ~~^~ - ~τ;
V s " s V s 2
Pour 1/ZDuτ=0 (circuit ouvert parfait),
On peut observer que la grandeur mesurée VM/V! S dans le cas du court-circuit et du circuit-ouvert possède le même module avec un changement de signe, c'est à dire un déphasage de 180°.
Il est connu qu'un pont de Wheatstone idéal est équivalent à un coupleur directif, également idéal. Un coupleur directif idéal est caractérisé par un coefficient de couplage, indiqué par α. Soit ai l'amplitude complexe d'une onde injectée à l'entrée de la voie directe d'un tel coupleur, et M l'amplitude complexe de l'onde sortant de sa branche couplée. Le facteur de réflexion TL (rapport de l'onde réfléchie sur l'onde incidente) d'un dipôle placé sur la voie directe du coupleur directif à l'extrémité opposée du générateur est donnée par
M = a TL al m si α est connu, une mesure de ai et de M permet de déterminer r\.
On peut considérer ces trois cas particuliers de dipôle : Pour TL = 0 (dipôle correspondant à une charge non
réflective), ^ = O
Pour TL = -1 (dipôle correspondant à un court-circuit parfait),
M
= -α α,
Pour FL = 1 (dipôle correspondant à un circuit ouvert parfait),
MM
= α α αxx
On constate donc que le pont de Wheatstone parfait se comporte comme un coupleur directif parfait avec α=1/2.
Un coupleur directif réel (ou un pont de Wheatstone réel) est caractérisé par trois grandeurs complexes : - La directivité Dj,
Les pertes d'insertion Rf La désadaptation Des
Dans un coupleur, la directivité caractérise l'aptitude à dissocier, sur la voie couplée, les ondes venant dans un sens (par exemple du générateur) et de l'autre (par exemple de la charge). On place donc un coupleur sur une ligne dans le sens correspondant au signal à mesurer. Dans le cas d'un coupleur idéal avec une directivité infinie, seule l'onde venant de la direction choisie est présente sur la voie couplée. Dans un coupleur réel, il reste une très faible composante du signal circulant dans la direction inverse.
Les pertes d'insertion correspondent à l'atténuation de l'onde incidente au travers de la voie directe du coupleur. La désadaptation caractérise la variation d'impédance vue par le signal lorsqu'il passe d'un milieu (ou d'un support) à un autre. Plus cette variation est grande, c'est à dire plus la désadaptation est grande, plus grand est le signal qui se trouve réfléchi par le changement de milieu, c'est-à-dire ici par la sortie de la voie directe du coupleur : il existe donc une relation entre la désadaptation et le facteur de réflexion. r - *L
Le facteur de réflexion mesuré Ω] peut s'exprimer en fonction de ces trois grandeurs par la relation suivante : r DUT étant le facteur de réflexion du dipôle sous test. Pour obtenir les grandeurs Dj, Rf et Des caractérisant les imperfections du coupleur directif ou du pont de Wheatstone, il suffit d'effectuer un calibrage consistant à mesurer trois étalons particuliers (charge non réflective, court-circuit et circuit-ouvert) dont les facteurs de réflexions rDuτ sont connus, et résoudre un système de trois équations à trois inconnues.
En supposant le calibrage effectué, on peut déduire de la mesure de rM, le facteur de réflexion rDuτ pour un dispositif sous test quelconque. A partir de TOUT on déduit par exemple l'impédance ZDuτ du dispositif sous test par :
Z DUT - ^0 - 7 où Z0 représente l'impédance de référence
1 DUT l
(fixée par la valeur du standard « charge non réflective » utilisé pour le calibrage). Pour la caractérisation à haute fréquence d'un composant « macroscopique », c'est à dire de dimensions millimétriques ou en tout cas supérieures à plusieurs micromètres, on peut utiliser un pont constitué de résistances discrètes dont le nœud Ni est connecté à un générateur haute fréquence et les nœuds N2 et N4 sont connectés à un détecteur différentiel haute fréquence. Comme expliqué plus haut, la mesure est généralement effectuée à une impédance de 50 Ω, ce qui signifie que Ri=R3=R4=50 Ω. En fait, cela consiste à utiliser un analyseur vectoriel de réseaux dont fait partie ce type de pont. Une introduction générale aux techniques de caractérisation vectorielle de dipôles est fournie par les notes applicatives de la société Hewlett-Packard n° 1287-1 et 1287-2, accessibles sur Internet aux URL http://www.hpmemory.org/an/pdf/an_1287-1.pdf et http://www.hpmemory.org/ an/pdf/an_1287-2.pdf respectivement. Comme expliqué plus haut, ces techniques ne peuvent être transposées directement à la caractérisation de composants « nanoélectroniques », tels que des transistors à nanotubes, en raison de l'impédance élevée de ces derniers et de leurs petites dimensions, qui rendent difficile la réalisation d'un contact satisfaisant avec les sondes d'un analyseur de réseaux du commerce.
L'idée à la base de l'invention consiste à réaliser un pont de Wheatstone intégré sur un substrat sensiblement isolant dont l'impédance et les dimensions sont compatibles avec celles du composant à caractériser. Un tel pont intégré sert, pour ainsi dire, d'interface entre le composant (microscopique, à haute impédance) et l'analyseur de réseaux (macroscopique, prévu pour une utilisation à 50 Ω). Des ponts auxiliaires, de préférence intégrés sur le même substrat que le pont de mesure, servent au calibrage du banc de mesure.
Un pont de mesure PM intégré est représenté sur la figure 2 Ce dispositif, dont les dimensions sont de 380 μm x 380 μm est réalisé sur un substrat S de silicium à haute résistivité « siltronix (100) », recouvert d'une fine couche d'oxyde, dont la résistivité est supérieure à 8000 Ω cm. Il comporte : quatre plots conducteurs Pi, P2, P3 et P4, disposés de manière à former un carré ; - un guide d'onde coplanaire CPW (de l'anglais « CoPlanar
Waveguide ») constitué par un conducteur central Cc, relié au premier plot Pi, et deux conducteurs latéraux Cu, Ci_2 qui forment un anneau entourant les quatre plots, et entrent en contact électrique avec le plot P3, opposé au premier plot Pi ; - trois pistes résistives R-i, R3 et R4, identiques entre elles, reliant les plots P1 et P2, P3 et P4 ; P4 et Pi respectivement ; un dispositif à caractériser DUT, connecté entre les plots P2 et P3.
L'utilisation d'un guide d'onde coplanaire dont les conducteurs latéraux entourent le pont de Wheatstone n'est pas essentielle, et toute autre ligne de transmission (comportant au moins un conducteur de signal et un conducteur de masse) pourrait être utilisée. Cependant, le mode de réalisation décrit ici présente les meilleures performances à haute fréquence.
Les métallisations (plots et guide d'onde) sont réalisées en Ti/Au (une couche de Ti de 50 nm d'épaisseur superposée à une couche d'Au de 300 nm). Les pistes résistives sont en NiCr, déposé par pulvérisation cathodique en utilisant un cible Ni/Cr 80/20 et une puissance à radiofréquence de 150 W, ce qui donne une résistivité de 1 μΩ m.
Toutes les étapes de masquage sont réalisées par lithographie à faisceau d'électrons. La réalisation des pistes résistives lors d'une même étape technologique permet d'assurer une très faible dispersion des valeurs de résistance. Ainsi, même si des fluctuations des valeurs absolues de résistance sont possibles, les rapports entre ces valeurs sont déterminés d'une manière très précise. En général, au moins l'ordre de grandeur de l'impédance du dipôle à caractériser est connu avant d'effectuer la mesure. Cette connaissance est exploitée pour assurer que le pont de mesure incluant ce dipôle soit approximativement équilibré. Typiquement, cela implique que les pistes résistives R1, R3 et R4 aient une impédance de l'ordre de 1kΩ ou plus.
Pour caractériser le dipôle DUT, c'est à dire mesurer son impédance complexe en fonction de la fréquence, le pont de la figure 1 doit être connecté à un générateur de signaux haute fréquence, généralement un synthétiseur, et un détecteur. L'impédance du générateur n'a pas d'impact en théorie sur le fonctionnement du pont. Néanmoins en utilisant un générateur 50Ω, les signaux au niveau du détecteur seront fortement atténués à cause de l'impédance du pont (de l'ordre de 1kΩ). Le système de détection doit présenter une impédance beaucoup plus grande que celle du pont, la partie réactive (généralement capacitive) de cette impédance devant être la plus faible possible. La capacité parasite du détecteur combinée à la résistance du pont fixe la bande passante du système.
La figure 3 montre l'utilisation du pont de mesure PM de la figure 1 en combinaison avec un analyseur vectoriel de réseaux VNA (de l'anglais « Vector Network Analyser »), intégrant un synthétiseur et un détecteur de signaux à radiofréquence. Un signal sinusoïdal à haute fréquence (plusieurs MHz ou GHz) est généré par l'analyseur VNA, au niveau du port PO1 et injecté dans le pont par l'intermédiaire d'une sonde à haute fréquence coplanaire classique avec trois contacts masse-signal-masse, dont le contact central de signal est connecté au conducteur central Cc du guide d'onde coplanaire CPW, et les deux contacts de masse sont connectés aux deux conducteurs latéraux Cu, CL2 de ce même guide. La détection est effectuée à l'aide d'une sonde passive à haute impédance (par exemple une sonde Cascade Microtech FPM x100) comportant un seul contact de signal, reliée au port PO2 de l'analyseur VNA via un amplificateur faible bruit LNA et large bande possédant un gain de 2OdB (100 en linéaire) qui permet de compenser l'atténuation du signal au travers de la sonde haute impédance (5kΩ : 50Ω=100). La mesure est effectuée en deux phases, dans lesquelles la sonde haute impédance est connectée alternativement aux plots P2 et P4 du pont. Le paramètre mesuré par l'analyseur VNA pour chacune de ces deux positions est le facteur de transmission S2ipi et S2iP2 (grandeurs vectorielles). Le facteur de réflexion du DUT est relié à la différence D2I_DUT=S2IPI_DUT -
S21p2_DUT- Comme expliqué plus haut, la mesure proprement dite doit être précédée d'une étape de calibrage, qui met en œuvre trois ponts additionnels, PCA, PCC, PEQ représentés sur la figure 4 afin de mesurer respectivement la directivité, la perte en transmission et la désadaptation. Dans le pont PCA, les plots P2 et P3 sont isolés entre eux, autrement dit le dipôle DUT du pont PM est remplacé par un circuit ouvert. Dans le pont PCC, au contraire, les plots P2 et P3 sont court-circuités, le dipôle DUT étant remplacé par un tronçon du conducteur CLi du guide d'onde CPW. Dans le pont PEQ, le dipôle DUT est remplacé par une piste résistive R2 rendant le pont équilibré ; dans le cas le plus simple, Ri=R2=Ra=R4. Avantageusement, les quatre ponts PM, PCA, PCC et PEQ sont réalisés simultanément sur le même substrat, afin d'assurer que le pont de mesure et les ponts de calibrage soient strictement identiques entre eux, sauf en ce qui concerne la liaison (ou l'absence de liaison) entre les plots P2 et P3. En variante, seuls trois ponts peuvent suffire, le pont en circuit ouvert PCA étant utilisé pour la caractérisation d'un composant rapporté.
La caractérisation du dipôle DUT nécessite donc huit mesures élémentaires (deux pour chaque pont) et la résolution d'un système de trois équations linéaires (pour déterminer la directivité, la perte en transmission et la désadaptation à partir des trois mesures de calibrage). Les sondes haute impédance sont fragiles, et leur bande passante est limitée par la présence de capacités parasites.
Pour pallier ces problèmes, le pont intégré de la figure 5 comporte deux résistances R5, RΘ (en serpentin) connectées en série entre les plots P2, P4 et deux plots additionnels P5, P6, qui peuvent être utilisés comme plots de contact pour une sonde de mesure à haute fréquence e à 50Ω. On peut par exemple utiliser une sonde à cinq contacts de type masse- signal-masse-signal-masse. Les deux contacts de signal sont connectés aux plots P5, P6, les contacts de masse externes sont connectés aux conducteurs latéraux du guide d'onde coplanaire CPW et le conducteur de masse central est connecté à un plot de masse P7 situé entre les plots de signal P5 et P6. Ce plot P7 peut être relié à la masse directement, ou seulement par l'intermédiaire de la sonde.
L'intégration des résistances avec le pont permet de diminuer les capacités parasites, et donc d'augmenter la bande passante, et d'utiliser des sondes présentant une plus grande résistance mécanique. En outre, la reproductibilité des mesures se trouve améliorée. L'utilisation de résistances intégrées de structure linéaire, et pas en serpentin, permet de réduire ultérieurement les capacités parasites. En revanche, cela nécessite une étape spécifique de dépôt par pulvérisation d'un matériau à haute résistivité comme par exemple le NiCr.
La valeur des résistances R5, Re est supérieure aux résistances R-i, R2 et R3 d'au moins un facteur trois. Un autre avantage d'utiliser une sonde multi-contacts est que le nombre de mesures à effectuer est divisé par deux, car la sonde ne doit pas être connectée successivement aux deux plots de mesure comme dans le cas de la figure 3.
Bien entendu, le pont de mesure à haute impédance de la figure 5 est, de préférence, fourni avec les ponts de calibrage correspondants (non représentés).
Il est intéressant de noter que la géométrie du pont de la figure 5 est différente de celui de la figure 3 : les plots de mesure ne sont pas disposés en quadrilatère, mais forment plutôt un pentagone irrégulier ; d'ailleurs, les plots Pi et P3 ne se distinguent pas réellement des conducteurs Cc et Cι_i/Cι_2 du guide d'onde coplanaire CPW. Sur la droite de la figure, le conducteur Cu entre en contact avec deux métallisations rectangulaires M1, M2 qui constituent à leur tour les conducteurs latéraux d'un deuxième guide coplanaire CPW2 d'une voie de mesure pour nano-composants rapportés. Cette voie de mesure, qui convient tout particulièrement à la caractérisation de transistors à nanotube de carbone monofeuillet (SWNT) est représenté plus en détail sur les figures 6a - 6d. Sur les figures 6a - 6c on peut voir qu'une première piste conductrice de contact Ti s'étend du plot P2 vers le plot P3 et réciproquement une deuxième piste de contact T2 s'étend du plot P3 vers le plot P2. Les deux pistes de contact se prolongent par des « doigts » Di, D2 respectifs, dont la largeur est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres (800 nm dans l'exemple de la figure). Un espacement E, également de quelques centaines de nanomètres (800 nm dans l'exemple de la figure), sépare les extrémités de ces doigts. Comme le montre la figure 6d, un nanotube de carbone SWNT peut être positionné, par exemple grâce à des techniques connues de diélectrophorèse, au niveau de l'espacement E, et être connecté électriquement aux doigts D1, D2 par dépôt d'une bicouche B en Palladium / Or (30 / 80 nm).
Ces techniques de diélectrophorèse sont décrites dans l'article de A. Vijayaraghavan, S. Blatt, D. Weissenberger, M. Oron-Carl, F. Hennrich, D. Gerthsen, H. Hahn et R. Krupke; Nano Lett. 2007, 7, (6), 1556- 1560.
Une fine électrode D3 en aluminium, isolée par une couche d'oxyde (2 nm d'épaisseur) et reliée au deuxième guide d'onde coplanaire CPW2, s'étend au-dessous de l'espacement E pour servir d'électrode de grille du transistor formé par le nanotube SWNT connectée aux électrodes D-i, D2 servant de contacts de drain et de source.
Les figures 7a - 7e, 8a - 8e et 9a - 9c montrent plus en détail trois procédés de fabrication d'un pont de mesure intégré selon l'invention comportant un nanotube de carbone à caractériser.
Le premier procédé (figures 7a - 7e) se base sur une modification du substrat S par greffage localisé de molécules afin d'obtenir l'absorption préférentielle d'un nanotube (ou d'un autre nano-objet) au niveau d'un emplacement de mesure E. Ce procédé comporte : - Figure 7a : fabrication des résistances en Ni/Cr par une étape de lithographie électronique comportant : le dépôt d'une couche de résine, le dessin d'un motif de lithographie dans la résine par faisceau d'électrons, le développement de la résine, le dépôt d'un alliage Ni/Cr par pulvérisation cathodique, le retrait de la résine restante (lift-off).
Figure 7b : fabrication de la structure du pont par lithographie électronique. - Figure 7c : préparation d'une zone « collante » au niveau de l'emplacement de mesure E par : dépôt de résine ; dessin de la zone « collante » par faisceau d'électrons, développement de la résine, greffage d'une monocouche moléculaire d'amino-propyl-triethoxy-silane (APTS) en phase gaz, puis retrait de la résine. - Figure 7d : dépôt d'une goutte de solution de nanotubes de carbone dans du NMP (N-methyl-pyrrolidone) sur le wafer, ou immersion du wafer dans une telle solution. Les nanotubes ne "collent" que sur la zone greffée par l'APTS, l'excès de solution est rincé ; ce processus stochastique est répété jusqu'à obtention d'un seul nanotube correctement positionné, avec l'orientation voulue, dans l'emplacement de mesure.
Figure 7e : dépôt de contacts électriques en Pd/Au sur le nanotube par une nouvelle étape de lithographie électronique.
Le deuxième procédé (figures 8a - 8e) se base sur une technique de diélectrophorèse. Ce procédé comporte : - Figure 8a : fabrication des résistances en Ni/Cr par une étape de lithographie électronique, comme dans le cas du premier procédé.
Figure 8b : fabrication d'électrodes (en Au) locales TVD1, T2/D2 aux extrémités de l'emplacement de mesure E par une nouvelle étape de lithographie électronique ; - Figure 8c : dépôt d'un nanotube entre ces électrodes, comportant : le dépôt d'une goutte de solution de nanotubes sur le substrat S au niveau de l'emplacement E1 la pose de deux pointes sur les électrodes, l'application d'un champ électrique alternatif (typiquement 10 V, 15 MHz pendant une durée de 3 minutes) ; rinçage ; - Figure 8d : dépôt des contactes B de Pd/Au sur le nanotube SWNT déposé par une nouvelle étape de lithographie électronique ; Figure 8e : fabrication de la structure du pont par lithographie électronique.
Le troisième procédé (figures 9a - 9c) est une variante du deuxième procédé comprenant aussi la fabrication d'une grille isolée pour faire fonctionner le nanotube comme un transistor à effet de champ. Ce procédé débute par la fabrication d'une grille D3 en aluminium et l'oxydation de sa surface pour former l'isolant de grille (figure 9a). Ensuite, on fabrique les résistances calibrées en Ni/Cr et les électrodes en Ti/Au, et on dépose un nanotube de carbone par diélectrophorèse au-dessus de la grille (figure 9b, correspondant aux figures 8a - 8d du deuxième procédé). Enfin, on fabrique la structure du pont par lithographie électronique (figure 9c).
De la même façon, une électrode de grille peut être utilisée en combinaison avec la méthode de dépôt par greffage moléculaire (premier procédé). Ces techniques, décrites en relation au dépôt de nanotubes de carbone, peuvent être adaptées au dépôt d'autres nano-objets tels que des nanotubes de carbone dopés, par exemple au bore ou à l'azote ; des nanotubes de nitrure de bore, au d'autres types encore de nanotubes ; des nanofils de matériaux semiconducteurs (silicium, GaAs, InP...) ou métalliques (or, palladium, platine...).
Un pont comportant une voie de mesure pour nano-objets, comme celui représenté sur les figures 5 et 6a - 6d nécessite d'une étape de calibrage supplémentaire pour caractériser ladite voie de mesure. Ainsi, après avoir calibré le pont par trois mesures en circuit ouvert, court circuit et sur charge adaptée (voir la figure 4), il est nécessaire d'effectuer une quatrième mesure avec un pont identique à celui utilisé pour caractériser le nano-objet, mais vide. Cette quatrième mesure permet d'obtenir les caractéristiques électriques de la voie de mesure, qui peut être modélisée par une capacité parasite de quelques femto-farad (1fF=10"15 F), en parallèle au nano-objet. Cette valeur de capacité est extraite à partir de la partie imaginaire de l'admittance, obtenue par conversion du facteur de réflexion (paramètre S) en paramètre Y. Après ces étapes de calibrage, le facteur de réflexion du nanotube est mesuré par rapport aux plans de référence PRi, PR2 situés aux extrémités des voies de mesure. Le paramètre S ainsi mesuré est converti en paramètre Z pour donner l'impédance du nanotube. Comme le montre la figure 10a, le nanotube est modélisé par un réseau distribué RSLSCP connecté en série à deux résistances de contact Rc, l'ensemble R0 - RSLSCP - Rc étant connecté en parallèle à la capacité parasite de la voie de mesure (en l'espèce, 5fF).
Les points sur la figure 10b montrent les valeurs, en fonction de la fréquence, de la partie réelle et de la partie imaginaire d'un nanotube de carbone connecté à un pont de mesure selon l'invention. Les lignes continues représentent les valeurs théoriques correspondantes, obtenues à partir du modèle de la figure 10a avec des valeurs optimisées pour les paramètres Rc, R3, L8 et Cp. Ces valeurs, et les valeurs normalisées (par unité de longueur) correspondantes sont données dans le tableau suivant :
La figure 11 met en évidence l'effet technique obtenu grâce à l'invention. Ce graphique représente l'incertitude de la mesure d'une résistance de valeur R comprise entre 100 Ω et 100 kΩ, à une fréquence comprise entre 30OkHz et 6 GHz en utilisant une sonde de mesure conventionnelle à 50 Ω (lignes Li : plage 300 kHz - 1 ,3 GHz ; L2 : plage 1 ,3 GHz - 3 GHz ; L3 : plage 3 GHz - 6GHz) et un pont de mesure selon l'invention ayant une impédance caractéristique de 3,5 kΩ (lignes L4 : plage 300 kHz - 1 ,3 GHz ; L5 : plage 1 ,3 GHz - 3 GHz ; L6 : plage 3 GHz - 6GHz). Les mesures ont été effectuées avec un analyseur de réseaux vectoriel Agilent 8753ES équipé d'une connectique de métrologie APC 7mm.
La figure montre qu'aux valeurs d'impédance typiques des composants nanoélectroniques (1 - 10 kΩ), l'invention permet de réduire l'incertitude de la mesure de deux - trois ordres de grandeur. Ce résultat est obtenu grâce à un dispositif (pont de mesure) simple et pouvant être fabriqué à coût réduit par des techniques microélectroniques conventionnelles, et en utilisant des méthodes de mesure conventionnelles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif intégré (PM) pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques (DUT), en particulier nanométriques, comportant un substrat (S) sensiblement isolant sur lequel sont déposés quatre plots conducteurs (P1, P2, P3, P4), au moins trois pistes résistives (R1, R3, R4) reliant lesdits plots entre eux et une ligne de transmission (CPW) comportant un conducteur de signal (Cc) et au moins un conducteur de masse (CL1 , CL2), dans lequel : lesdites pistes résistives sont agencées pour relier un premier plot conducteur (P1) d'une part à un deuxième (P2) et d'autre part en parallèle à un quatrième (P4) plot, et ledit quatrième plot à un troisième plot
(P3) ; le conducteur de signal de la ligne de transmission est relié audit premier plot conducteur ; et - le conducteur de masse de la ligne de transmission est relié audit troisième plot.
2. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ligne de transmission est un guide d'onde coplanaire comprenant un conducteur central de signal et deux conducteurs latéraux, lesdits conducteurs latéraux se rejoignant pour former un anneau de masse qui entoure les plots et les pistes résistives et entre en contact électrique avec ledit troisième plot.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel lesdits plots conducteurs sont agencés pour former un quadrilatère, le premier et le quatrième plots formant des sommets non-adjacents de ce dernier.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le quadrilatère est un carré ou un losange.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les trois pistes résistives présentent une même valeur de résistance.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les trois pistes résistives présentent des valeurs de résistance supérieures ou égales à 1 kΩ.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième et le quatrième plots sont également reliés, par l'intermédiaire de résistances intégrées respectives (R6, R7), à un cinquième (P5) et à un sixième [PQ) plots.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les valeurs desdites résistances intégrées sont au moins égales à trois fois la valeur de résistance la plus élevée desdites pistes résistives.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un composant électronique ou électrique à caractériser (DUT) est connecté entre lesdits deuxième et troisième plots.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel ledit composant électronique ou électrique à caractériser (DUT) est intégré dans ledit substrat.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant des pistes conductrices de contact (T1, D-i, D2, T2) s'étendant à partir de chacun desdits deuxième et quatrième plots et destinées à former une ligne de mesure à laquelle peut être connecté un composant électrique ou électronique à caractériser.
12. Dispositif selon la revendication 11 , comportant également une piste conductrice isolée (D3) s'étendant dans une région (E) située entre lesdites pistes électriques de contact, où peut être positionné ledit composant électrique ou électronique à caractériser.
13. Dispositif (PCA) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots ne sont pas connectés électriquement l'un à l'autre.
14. Dispositif (PCC) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont court-circuités.
15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont court-circuités par l'intermédiaire d'une section du ou de l'un des conducteurs de masse de la ligne de transmission.
16. Dispositif (PEQ) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits deuxième et troisième plots sont reliés par une piste résistive, l'ensemble constitué par les quatre plots et les pistes résistives les reliant formant un pont de Wheatstone équilibré.
17. Dispositif intégré pour la caractérisation de composants électriques ou électroniques nanométriques comportant les trois dispositif élémentaires suivants, intégrés sur un même substrat : un selon l'une des revendications 9 à 12, un dispositif selon la revendication 14 ou 15 et un dispositif selon la revendication 16 ; ces trois dispositifs élémentaires étant identiques sauf en ce qui concerne la connexion éventuelle entre le deuxième et le troisième plot.
18. Dispositif selon la revendication 17, comportant également un quatrième dispositif élémentaire selon la revendication 13, également intégré sur le même substrat et identique aux trois autres dispositifs élémentaires sauf en ce qui concerne la connexion entre le deuxième et le troisième plot.
19. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure connectée alternativement au deuxième et au quatrième plot.
20. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique connecté entre le deuxième et le troisième plot, au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) comportant une sonde d'excitation connectée à la ligne de transmission du dispositif et d'une sonde de mesure multi-pointes connectée au cinquième et au sixième plots, ainsi qu'au ou aux conducteur(s) de masse de la ligne de transmission.
21. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 12 à 16 pour le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) à l'occasion de la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique selon la revendication 20.
22. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 17 ou 18 pour effectuer le calibrage d'un analyseur de réseau vectoriel selon la revendication 21 et pour la caractérisation vectorielle d'un composant électrique ou électronique nanométrique selon la revendication 20.
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