Study of charge injection and transport in nanostructured or non-structured dielectric thin films : influence of interfaces

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 phenomena in dielectric materials have an impact on the reliability of electrical systems (high voltage cables), microelectronic components (capacitors, transistors) or microsystems (MEMS). Indeed, the accumulation of charges under electrical stress leads to changes in the electric field distribution that can lead to failures. Therefore, the measurement of the space charge density induced by the stress is crucial to understand the properties of the dielectric material. For dielectric thin films, nanocomposite materials or metal/dielectric interfaces, classical space charge measurement methods cannot be used (spatial resolution of the order of several microns and thus higher than the thickness of the layers). In this context, methods derived from atomic force microscopy (AFM) appear to be adapted to the study of phenomena occurring at the nanometric scale in nanostructured or non-structured dielectric thin films. For this work we have chosen to use Kelvin probe microscopy (KPFM) to study the modification of surface potential induced by charges. First, we studied the charge injection phenomena in nanocomposite thin films, consisting of a plane of silver nanoparticles embedded at different depths in a SiO2 matrix. The charge injection is performed in contact mode with the polarized AFM probe (between -40V and +40V), and the surface potential measurement is performed 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 amount of charge injected accompanied by a more important lateral spread of the charges. Moreover, the presence of a plane of nanoparticles seems to stabilize the charges by limiting the lateral spread and the volume transport over time. Concerning the SiO2 layer, the temperature has little influence neither on the charge injection nor on the charge dissipation dynamics. Concerning the nanocomposite layers, the increase in temperature induces an increase in the lateral and volume charge dissipation rate. The second part of our study focuses on the metal/SiNx interfaces. Charge injection is performed by polarization of the side electrodes and the induced surface potential change is measured by frequency modulated KPFM. The second derivative method (or 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 difficult