Localisation et caractérisation de contamination à différentes profondeurs - ToF-SIMS

Les semi-conducteurs sont au cœur de l’industrie électronique. Ils sont utilisés dans tous les appareils électriques et électroniques. Ces matériaux cristallins possèdent des propriétés électriques intermédiaires entre celles des conducteurs et des isolants. Dans certaines conditions, ils laissent passer le courant et dans d'autres ils le bloquent, ce qui en fait un bon moyen pour contrôler la direction et l'intensité du courant électrique dans des composants électroniques. Cette propriété hybride représente le fondement de toute l'informatique moderne et permet aux objets connectés de fonctionner.

Les semi-conducteurs sont la base de l'informatique moderne et le fondement de l'industrie 4.0. Ils sont utilisés dans la grande majorité des appareils électroniques, de l'ordinateur au matériel médical en passant par les téléphones portables et les tableaux de bord des voitures. Les semi-conducteurs sont partout dans notre quotidien.

Ces composants dont les dimensions sont aujourd'hui inférieures à 5 namomètres pour les plus avancés, sont le fruit d’une fabrication complexe comportant de nombreux procédés complexes (photolithographie, gravure, implantation ionique, épitaxie, passivation, oxydation thermique).  et chimiques. Les étapes de production nécessitent des « salles blanches » où la température, l’humidité et la pression relative sont maintenues à un niveau précis afin d’éliminer au mieux tout risque de contamination. Malgré ces précautions, il arrive que des contaminations de différentes origines interviennent durant le processus. Le ToF-SIMS est alors un outil précieux pour leur caractérisation chimique et leur localisation.

La Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry " ToF-SIMS ") est une méthode d’analyse élémentaire et moléculaire à très haute sensibilité de l'extrême surface (‹ 1 nm). Il est également possible d'obtenir des profils de distribution en profondeur jusqu'à 20 µm en alternant des cycles d'analyse et d'abrasion avec un clusters d'Argon (GCIB) pour les matériaux organiques ou un canon à Césium (Cs⁺) ou Oxygène (O₂⁺) pour les matériaux inorganiques.

Le ToF-SIMS permet de détecter des traces d'éléments jusqu'au ppb en extrême surface (< 1 nm) et jusqu'à 20 µm en mode profil sur des échantillons de tous types compatibles avec le vide.

En alternant des séquences d’acquisition et d’abrasion, un profil de composition peut être tracé avec une résolution nanométrique en profondeur. Le faisceau d’ions primaires réduit à un spot de faible diamètre balaie la surface à imager. L’optique secondaire d’extraction et d’analyse en masse est fixe. L’image est reconstruite par synchronisation du signal secondaire avec le balayage du faisceau primaire. La résolution latérale des images dépend de la taille du micro-faisceau (de 100 nm à 3 µm de diamètre selon les conditions d’analyse).

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de plus de 20 années dans l'utilisation du ToF-SIMS sur tous types de matériaux, isolants ou conducteurs... Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

 

Figure 1 : Reconstruction 3D ToF-SIMS pour les ions : Si+, Ga+, Al+, In+


Figure 2 : Reconstruction 3D ToF-SIMS pour les ions : K⁺, Na⁺

Une analyse ToF-SIMS en mode imagerie Haute Résolution est réalisée en 300 x 300 µm² dans la zone du défaut. Pour se faire, des cycles d'analyse/abrasion avec des ions O₂⁺ sont exécutés sur une surface de 500 x 500 µm², afin d'éviter les effets de bords. Le profil est acquis sur une profondeur de 300 nm avec une image tous les 10 scans d'abrasion. La reconstruction en 3 dimensions, à partir des clichés 2D enregistrés tout au long du profil, est ensuite obtenue.

En Figure 1, sont présentées les reconstructions des différentes parties du composant pour les ions : Silicium, Gallium, Aluminium, et Indium. Sa structure de base est constituée majoritairement sur la partie haute de Silicium et sur la partie basse de Gallium. Des structures internes sont observées affichant des compositions différentes tel que l'Aluminium ou l'Indium. Avec cette reconstruction, les différentes éléments du composant peuvent être isolés en fonction de leur composition chimique. 

En Figure 2, c'est sur la partie externe haute du composant que des contaminations de type Na+ et K+ sont visibles. Cette contamination n'est pas seulement localisée en surface mais semble avoir diffusé également dans le volume du semi-conducteur. Ce type de reconstruction permet d'identifier et de localiser la contamination dans les différentes couches du composant.
 

Avec une détection des éléments allant jusqu'au ppb et une profondeur d'abrasion jusqu'à 20 µm, le ToF-SIMS donne accès à des profils de distribution en profondeur permettant des reconstructions 3D très instructives pour le contrôle des procédés et l'analyse de défaillance dans l'industrie des semi-conducteurs. Dans cet exemple, la nature d'une contamination a été identifiée et elle a été localisée.

Le ToF-SIMS est un outil précieux pour la caractérisation chimique et la localisation de contaminations submicroniques. 

Dans d’autres travaux, le ToF-SIMS a été utilisé pour réaliser des cartographies 2D de contaminants en surface de pièces techniques ou de matériaux biologiques.

Pour plus d'applications d'analyse de semi-conducteurs avec le ToF-SIMS ou nos autres techniques, consultez notre page thématiques.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour caractériser les semi-conducteurs, tels que le TEM ou SEM.