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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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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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Applications de ces techniques pour la caractérisation des dispositifs nanostructurés ou nanosystèmes
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4. Perspectives métrologiques générales
4.1 Mieux maîtriser les incertitudes et améliorer la qualité métrologique de la mesure à cette échelle
La sensibilité et la résolution des mesures réalisées à l’aide des différents eSPM décrits dans cet article sont relativement bien maîtrisées et suffisantes dans un grand nombre d’applications pour imager les variations d’une grandeur locale ou en effectuer une spectroscopie avec un contraste et une exactitude suffisants. De surcroît, les améliorations continues apportées à ces appareils par leurs fabricants permettent de rester au plus près des besoins requis par les acteurs industriels ou académiques impliqués dans des activités de recherche et de développement en micro et nanoélectronique. La limite pratique de ces appareils réside plutôt actuellement dans le fait que, à l’exception de certains eSPM comme le SMM, ils ne permettent pas d’accéder à la valeur absolue (en unité du SI – Système International d’unités) de la grandeur électrique ou électronique locale imagée. Or, la conception d’objets et composants de dimension toujours plus réduite (nanomatériaux, nanostructures, nanocircuits, etc.) nécessite de comprendre les phénomènes physiques à ces échelles, impliquant la connaissance et donc la mesure des valeurs absolues locales des paramètres gouvernant ces phénomènes. Un travail métrologique important est par conséquent nécessaire à ce jour afin d’améliorer la traçabilité ou simplement de rendre traçables les mesures réalisées par les différents eSPM.
La traçabilité métrologique est la « propriété d'un résultat de mesure selon laquelle ce résultat peut être relié à une référence par l'intermédiaire d'une chaîne ininterrompue et documentée d'étalonnages dont chacun contribue à l'incertitude de mesure » ...
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Perspectives métrologiques générales
BIBLIOGRAPHIE
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(3) - GARCIA (V.), FUSIL (S.), BOUZEHOUANE (K.), ENOUZ-VEDRENNE (S.), MATHUR (N.D.), BARTHÉLEMY (A.), BIBES (M.) - * - . – Nature, 460, 81 (2009).
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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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