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Cartographie du champ électrique local dans un nanocomposant industriel en fonctionnement

Etude de nanocondensateurs polarisés par holographie électronique operando

par Guy Molénat - publié le , mis à jour le

La distribution du potentiel de nanocondensateurs métal-isolant-métal sous excitation électrique a été étudiée en combinant préparation avancée d’échantillon, holographie électronique et modélisation par éléments finis. Les propriétés électriques telles que la capacitance et la densité surfacique de charge de nanocomposants issus des lignes de production sont préservées et peuvent être explorées à l’échelle du nanomètre.

Les composants électriques de dimensions nanométriques jouent un rôle essentiel dans de nombreux domaines et leur développement concentre de nombreuses recherches fondamentales et appliquées.

En collaboration avec STMicroelectronics (Crolles, France) et dans le cadre du projet ANR IODA, nous démontrons comment la distribution du potentiel électrique dans des nanocomposants en fonctionnement peut être étudiée par holographie électronique operando.

Une méthode spécifique de préparation des échantillons a été développée pour assurer la connectivité électrique de nanocomposants issus directement des lignes de production mais transparents aux électrons. Grâce à cette approche de modification de circuit par faisceau d’ions focalisé (FIB), des nanocondensateurs métal-isolant-métal (MIM) en parallèle ont été extraits d’une structure matricielle intégrée dans une puce de test du processus 28 nm de STMicroelectronics et préparés pour des expériences de microscopie électronique à transmission.

Les études par holographie électronique operando réalisées sur le microscope I2TEM ont permis de cartographier quantitativement le potentiel électrique dans les zones actives, et entre les nanocondensateurs polarisés in situ.

A gauche : Image d’amplitude de deux nanocondensateurs MIM en parallèle et image de phase avec les contours d’isopotentielle du potentiel électrostatique créé pour une tension appliquée de 0.6 V. A droite : Profils de phase extraits pour différentes tensions appliquées. La couche active de Ta2O5 est entre deux électrodes de TiN.

 

Les résultats expérimentaux comparés aux simulations par éléments finis (FEM) démontrent que les propriétés électriques telles que la capacité et la densité de charge de surface peuvent être quantitativement cartographiées à l’échelle nanométrique et ont été préservées par notre méthodologie de préparation des échantillons par rapport aux mesures macroscopiques.

Ce travail ouvre la voie à la cartographie des propriétés électriques locales de dispositifs plus complexes, tels que les transistors MOS ou les dispositifs spintroniques. Ces études quantitatives des propriétés électriques locales contribueront à l’exploration des processus physiques fondamentaux et à l’amélioration des nanocomposants en développement ou déjà en production.

 

Publication :

Ce travail a fait la couverture de la revue APL dans laquelle il a été publié.
Appl. Phys. Lett. 120, 233501 (2022) ; https://doi.org/10.1063/5.0092019

Contact : Christophe Gatel, christophe.gatel[chez]cemes.fr