Les phénomènes d’injection et de rétention de charges dans les matériaux diélectriques ont un impact sur la fiabilité des systèmes électriques (câbles haute-tension), des composants microélectroniques (condensateurs, transistors) ou des microsystèmes (MEMS). En effet, l'accumulation de charges, sous contrainte électrique, conduit à des modifications de la distribution de champ électrique pouvant engendrer des défaillances. Par conséquent, la mesure de la densité de charge d’espace induite par la contrainte est cruciale pour comprendre les propriétés du matériau diélectrique. En ce qui concerne les couches minces diélectriques, les matériaux nanocomposites ou les interfaces métal/diélectrique, les méthodes classiques de mesure de charge d’espace ne peuvent pas être utilisées (résolution spatiale de l’ordre de plusieurs microns et donc supérieure à l’épaisseur des couches). Dans ce contexte, les méthodes dérivées de la microscopie à force atomique (AFM) apparaissent comme adaptées à l’étude des phénomènes se produisant à l’échelle nanométrique dans les couches minces diélectriques nanostructurées ou non. Pour ces travaux nous avons choisi d’utiliser la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) pour étudier la modification de potentiel de surface induite par les charges.
Dans un premier temps nous avons étudié les phénomènes d’injection de charge dans des couches minces nanocomposites, consistant en un plan de nanoparticules d’argent enfouies à différentes profondeurs dans une matrice de SiO2. L’injection de charges est réalisée, en mode contact, grâce à la sonde AFM polarisée (entre -40V et +40V), et la mesure de potentiel de surface est réalisée par KPFM en modulation d’amplitude. Les résultats montrent qu’à température ambiante la présence de nanoparticules proches de la surface (i.e. 7nm) induit une augmentation de la quantité de charge injectée s’accompagnant d’un étalement latéral des charges plus important. De plus, la présence d’un plan de nanoparticules semble stabiliser les charges en limitant l’étalement latéral et le transport en volume au cours du temps. Concernant la couche de SiO2, la température n’a que peu d’influence ni sur l’injection de charge ni sur la dynamique de dissipation de charge. Concernant les couches nanocomposites l’augmentation de la température induit une augmentation de la vitesse de dissipation latérale et en volume des charges.
La deuxième partie de notre étude porte sur les interfaces métal/SiNx. L’injection de charge est réalisée par polarisation des électrodes latérales et la modification du potentiel de surface induite est mesurée par KPFM en modulation de fréquence. La méthode de la dérivée seconde (ou SDM) est ensuite utilisée pour extraire le profil de charge d’espace du profil de potentiel mesuré. Concernant l’interface Al/SiNx nous avons observé une augmentation de la quantité de charge injectée avec l’augmentation du champ électrique appliqué et/ou avec la diminution de la distance inter-électrode. Concernant l’interface Au/SiNx le profil de potentiel obtenu est très large rendant l’exploitation des résultats délicate. |
Charge injection and retention phenomenon in dielectric materials have an impact on the reliability of electrical systems (high-voltage cables), microelectronic components (capacitors, transistors) or microsystems (MEMS). The accumulation of charges under electrical stress, leads to changes in the distribution of electric field that can result in failures. Therefore, the measurement of stress-induced space charge density is crucial to understand the properties of dielectric materials. For dielectric thin films, nanocomposite materials or metal/dielectric interfaces, classical methods of space charge measurement cannot be used (due to their spatial resolution of the order of several microns which is higher than the thickness of the layers). In this context, methods derived from atomic force microscopy (AFM) appear to be suitable for the study of phenomenon occurring at the nanometric scale in dielectric thin films, whether nanostructured or not. For this work we have chosen to use Kelvin probe microscopy (KPFM) to study the surface potential modification induced by charges.
First of all, we have studied the charge injection phenomena in nanocomposite thin films, consisting of a plane of silver nanoparticles buried at different depths in a SiO2 matrix. The charge injection is performed in contact mode, with the AFM probe (polarized between -40V and +40V), and the surface potential is measured by KPFM in amplitude modulation. The results show that at room temperature the presence of nanoparticles close to the surface (i.e. 7nm) induces an increase in the quantity of charge injected and a greater lateral spread of the charges. Moreover, the presence of a nanoparticle plane seems to stabilize the charges by limiting lateral spread and volume transport over time. Concerning the SiO2 layer, the temperature has little influence neither on the charge injection nor on the charge dissipation dynamics. For nanocomposite layers the temperature increase induces an increase in the lateral and volume dissipation rate of the charges.
The second part of our study concerns the metal/SiNx interfaces. The charge injection is performed by polarization of the lateral electrodes while the induced surface potential modification is measured by KPFM in frequency modulation. The second derivative method (SDM) is then used to extract the space charge profile from the measured potential profile. Concerning the Al/SiNx interface we observed an increase in the amount of charge injected with the increase of the applied electric field and/or with the decrease of the inter-electrode distance. Concerning the Au/SiNx interface, the potential profile obtained is very large making the exploitation of the results ambiguous. |