Mesures extrêmes d’un condensateur polarisé par holographie électronique

21 septembre 2022

Tout semble connu sur le simple condensateur, en particulier celui fait d’oxyde de silicium sur silicium extrêmement utilisé dans les dispositifs à semi-conducteurs. Pourtant le champ électrique d’un tel condensateur n’a jamais été cartographié à l’échelle du nanomètre. En utilisant l’holographie électronique operando, le potentiel électrique à travers un nanocondensateur MOS a été mesuré avec une sensibilité sans précédent révélant des couches chargées au niveau des interfaces.

Les condensateurs MOS sont largement utilisés dans de nombreux dispositifs dont les performances dépendent de leur miniaturisation et de leur fonctionnement (transistors à effet de champ, mémoires flash, mémoires dynamiques et capteurs d’images). Alors que de nouveaux matériaux pour le diélectrique sont constamment explorés, l’oxyde de silicium reste le matériau diélectrique le plus utilisé et figure en bonne place dans les manuels de physique des semi-conducteurs.

En appliquant une polarisation entre les deux électrodes, une charge est stockée aux deux interfaces. En réalité, la physique est riche et complexe, allant de la courbure de bande au piégeage des charges dans l’oxyde diélectrique et aux interfaces. Le piégeage de charges change la capacité et les performances des dispositifs réels en modifiant la tension de seuil et la réponse en fréquence, et constitue une préoccupation majeure pour le claquage diélectrique. L’incertitude concernant leur localisation provient du fait que la majorité des techniques de caractérisation sont basées sur des mesures indirectes.

Des chercheurs du CEMES ont montré que l’holographie électronique combinée à des simulations de modélisation par éléments finis peut être utilisée comme une nouvelle façon d’étudier ces systèmes. Ils ont réussi à cartographier le champ électrique, à une résolution spatiale inférieure au nanomètre et avec une très haute sensibilité, dans un nanocondensateur polarisé. De manière surprenante, le champ électrique n’est pas uniforme dans la couche diélectrique : un champ électrique beaucoup plus élevé est présent dans une région qui s’étend à plus de 5 nm près des électrodes.

Cette région correspond à une zone de charge spatiale uniforme, de signe opposé à celle de l’électrode voisine. Alors que le piégeage des charges est connu dans les condensateurs avec de l’oxyde de silicium, il est totalement inattendu de trouver des charges à plus de 5 nm de l’interface. De plus, ces expériences montrent que ces charges dans le diélectrique sont à l’équilibre thermique et n’apparaissant que lorsque le condensateur est polarisé. Il va sans dire que les conséquences sont importantes pour la capacité et les autres caractéristiques électriques du dispositif.

Ces résultats démontrent également l’extrême sensibilité de la technique de mesure (capacité du dispositif de 80 atto-Farad, potentiel électrique résolu à 9 mV, mesures de charges jusqu’à 50 charges élémentaires).

Publication :
Extended Charge Layers in Metal-Oxide-Semiconductor Nanocapacitors Revealed by Operando Electron Holography
C. Gatel, R. Serra, K. Gruel, A. Masseboeuf, L. Chapuis, R. Cours, L. Zhang, B. Warot-Fonrose, and M. J. Hÿtch
Phys. Rev. Lett. 129, 137701 (2022)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.137701

Contacts :
Christophe Gatel | christophe.gatel[chez]cemes.fr
Martin Hÿtch | martin.hytch[chez]cemes.fr