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RÉSUMÉ
Cet article passe en revue les différentes techniques fondées sur la microscopie à force atomique, capables de fournir une information électrique avec une résolution spatiale de l'ordre du nanomètre ou de la dizaine de nanomètres. Les grandeurs mesurées peuvent être le courant, la capacité, le champ ou le potentiel électrique. Chaque technique est décrite précisément au moyen d'exemples tirés de la recherche en micro-nanoélectronique, et le périmètre de ses performances est délimité. Les aspects métrologiques de telles mesures appliquées aux nanocircuits sont mis en avant, les sources d'erreur identifiées et des pistes d'amélioration proposées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Brice GAUTIER : Professeur des Universités, Institut des Nanotechnologies de Lyon, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Université de Lyon, UMR CNRS 5270, Villeurbanne, FRANCE
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Pascal CHRÉTIEN : Ingénieur de Recherche CNRS, Laboratoire de Génie électrique et électronique de Paris, UMR 8507 CNRS-Centrale-Supélec, Universités Paris-Sud et UPMC, Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France
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Khalifa AGUIR : Professeur des Universités, Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP), UMR CNRS 7334 Marseille, France
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Frédéric HOUZÉ : Chercheur CNRS, Laboratoire de génie électrique et électronique de Paris, UMR 8507 CNRS-Centrale-Supélec, Universités Paris-Sud et UPMC, Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France
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Olivier SCHNEEGANS : Chercheur CNRS, Laboratoire de génie électrique et électronique de Paris, UMR 8507 CNRS-Centrale-Supélec, Universités Paris-Sud et UPMC, Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France
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Johannes HOFFMANN : Ingénieur, Institut fédéral de métrologie, METAS, Bern-Wabern, Suisse
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Nicolas CHEVALIER : Ingénieur Chercheur, CEA, LETI, MINATEC Campus, F-38054 Grenoble, France
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Łukasz BOROWIK : Ingénieur Chercheur, CEA, LETI, MINATEC Campus, F-38054 Grenoble, France
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Dominique DERESMES : Ingénieur de recherche, IEMN (Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) UMR 8520, CNRS, Université de Lille, Villeneuve d'Ascq, France
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Pierre GOURNAY : Physicien Principal, Bureau International des Poids et Mesures, Sèvres, France
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Philippe MAILLOT : Responsable Qualité/Métrologie en Recherche et Développement, STMicroelectronics, Centre Technologique, Rousset, France
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François PIQUEMAL : Ingénieur Chercheur, Laboratoire national de métrologie et d'essais, Trappes, France
INTRODUCTION
Les techniques de mesure décrites dans cet article relèvent de la micro-scopie en champ proche adaptée aux mesures locales de grandeurs électriques à l’échelle nanométrique, communément appelée microscopie à sonde locale électrique ou encore en anglais eSPM pour electrical Scanning Probe Microscopy. Ces techniques mettent en œuvre un mécanisme de balayage d’une pointe à proximité ou sur la surface d’un échantillon afin d’en obtenir, simultanément ou non, l’image topographique et les propriétés physiques locales à l’échelle nanométrique. Lorsque les pointes utilisées sont conductrices, l’application d’une excitation électrique entre la pointe et la surface à imager permet de mesurer des grandeurs locales telles que le courant et l’impédance (résistance et capacité) ou encore le champ électrique et le potentiel de surface via la mesure de gradients de force électrostatique.
Les techniques eSPM sont largement utilisées par l’industrie de la micro-électronique au cours des étapes de recherche, développement et qualification (test de défaillance) des nanocircuits et nanocomposants électroniques. Notamment, elles permettent d’extraire des propriétés clés pour leur fonctionnement telles que, par exemple, la distribution de la densité des porteurs de charge d’une structure semi-conductrice, le profil bidimensionnel de la concentration de dopants dans la région source-drain d’un transistor, le travail de sortie de différents grains dans un film métallique ou une feuille de graphène, ou encore le courant de fuite ou le champ électrique de claquage dans une couche diélectrique très fine.
Cependant, en dépit de progrès considérables réalisés lors des deux dernières décennies, la microscopie à sonde locale électrique n’est pas encore admise comme une véritable technique expérimentale quantitative par manque d’outils métrologiques adaptés (étalons de références électriques, méthodes d’étalonnage, protocoles de mesure, modélisation multi-grandeur). En particulier, l’influence sur les résultats de mesure de paramètres non suffisamment contrôlés, tels que l’usure du revêtement et la forme de la pointe, la nature du contact pointe-échantillon, les grandeurs électriques parasites (capacité), les conditions environnementales (humidité, température, contaminants, champs électriques…) reste encore mal évaluée ou non comprise, et constitue un frein à l’évaluation d’incertitudes de mesure fiables indispensables pour l’établissement d’une démarche métrologique correcte. Ainsi, encore aujourd’hui, dans la plupart des cas, l’incertitude des mesures excède les 100 %.
Le développement d’une telle démarche métrologique dédiée à la micro-scopie à sonde locale doit permettre de supporter efficacement la miniaturisation constante vers l’échelle nanométrique des briques élémentaires constituant les circuits électroniques, et le développement de nouvelles technologies comme les circuits intégrés multifonctionnels à trois dimensions, en offrant une analyse quantitative fiable de leurs performances et une compréhension des mécanismes physiques sur lesquels ils reposent. Ainsi, la microscopie à sonde locale électrique répondra aux exigences de l’industrie des technologies de l’information et de la communication (nanoélectronique, capteurs), en médecine (bio-capteurs, laboratoires sur puces), dans le secteur de l’énergie (photovoltaïque, récupérateur d’énergie) mais également aux attentes des comités de normalisation.
L’article décrit dans un premier temps les techniques employées pour les mesures de courant (AFM et TUNA, SSRM, ResiScope) puis aborde les mesures de capacité (SCM, SMM) et de gradients de force électrostatique (EFM, KFM). Des prospectives pour le développement d’une métrologie dédiée à ces instruments sont ensuite discutées, puis illustrées par quelques exemples d’application des techniques eSPM pour la caractérisation de nanodispositifs.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Microélectronique microscopie à force atomique nano-électronique mesure de résistance à l'échelle nanométrique mesure de capacité à l'échelle nanométrique mesure de champ électrique à l'échelle nanométrique
DOI (Digital Object Identifier)
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Mesures de force électrostatique
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2. Mesures de capacité
2.1 Introduction
La mesure de capacité intervient dans de nombreux domaines relatifs aux capteurs (pression, déplacement…), mais aussi pour de nombreuses applications liées aux mémoires et autres dispositifs électroniques. Ces secteurs d'activité subissent aussi les conséquences d'une miniaturisation poussée à l'extrême, motivée par la nécessité de développer des capteurs les moins invasifs possibles pour des applications bio-médicales (mesures in vivo, surveillance, etc). Les techniques de mesure doivent donc une nouvelle fois évoluer vers des résolutions spatiales largement sub-microniques.
Or, la capacité électrique est par définition une grandeur extensive, proportionnelle à la surface des armatures de condensateur en regard. Pour cette raison, les mesures de capacité impliquant une pointe AFM, de très faible surface, doivent s'adapter à ce contexte de très faibles capacités, dont l'ordre de grandeur se situe autour de 1 à 10 aF (1 attofarad = 10−18 F).
HAUT DE PAGE2.2 Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
2.2.1 Principe général de fonctionnement
La difficulté spécifique liée à la mesure d'une capacité extrêmement faible en un temps suffisamment court pour être compatible avec la réalisation d'une image en un temps raisonnable a conduit les constructeurs de microscopes à force atomique à opter pour une mesure très indirecte, fondée sur un oscillateur opérant à 915 MHz couplé à un circuit résonant. Ce dernier est alimenté par une tension alternative d'amplitude relativement faible (de quelques centaines de millivolts à quelques volts) et de fréquence généralement comprise entre 50 kHz et 110 kHz. Le résonateur inclut la capacité à mesurer, ainsi qu'un certain nombre de capacités fixes sur lesquelles nous reviendrons. Toute variation de la capacité dans le circuit résonant modifie la fréquence de résonance de l'ensemble et donc son amplitude de sortie.
C'est donc dans la variation de l'amplitude de l'oscillateur haute fréquence que...
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Mesures de capacité
BIBLIOGRAPHIE
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(6) - HAUQUIER (F.) et al - * - . – Appl. Surf. Sci. 258...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ITRS – International Technology Roadmap for Semiconductors
HAUT DE PAGE1.1 Acteurs industriels et académiques
Le Club nanoMétrologie a été à l'initiative de la rédaction de cet article :
http://club-nanometrologie.fr/.
Forum de microscopie locale :
Comité technique IEC TC113. – « Nanotechnology standardization for electrical and electronic products and system ».
Comité ISO/TC 229. – Nanotechnology.
HAUT DE PAGE1.2 Constructeurs de Sondes AFM
NanoAndMore
PrimeNanoInc.
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