Développements de modes avancés de microscopie à force piézoélectrique pour films minces piézoélectriques et ferroélectriques

Developments of Advanced Modes of Piezoresponse Force Microscopy for Piezoelectric and Ferroelectric Thin Films

• Auteur / Autrice : Hugo Valloire
• Direction : Łukasz Borowik, Nicolas Vaxelaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Brice Gautier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irina Stefana Ionica, Gwenaël Le Rhun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Nony, Philippe Leclère
• DOI : 10.70675/b54f6c2cz0922z40d3z820az671f776f8a88

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Microélectronique

Couches minces piézoélectriques

Couches minces ferroélectriques

Mots clés libres

Films minces

Microélectronique

Mode couplé SSPFM-DFRT

Cartographies de mesures spectroscopiques

AFM

PFM

SSPFM

CKPFM

DFRT

Matériaux piézoélectriques

Matériaux ferroélectriques

Thin Films

Microelectronic

Coupled DFRT-SSPFM Mode

Spectroscopic measurement mappings

AFM

PFM

SSPFM

CKPFM

DFRT

Ferroelectric materials

Piezoelectric materials

Résumé

De nombreuses applications actuelles dans le secteur de la microélectronique reposent sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques et ferroélectriques sous forme de films minces. Par exemple, des dispositifs MEMS incluant les capteurs, actionneurs et convertisseurs d'énergie tirent profit des propriétés piézoélectriques des matériaux. Par ailleurs, l'émergence de nombreux sujets de recherche a fait suite à la découverte du potentiel de certains de ces matériaux pour les dispositifs microélectroniques. C’est par exemple le cas de l'utilisation du HfO2 pour ses propriétés ferroélectriques dans les mémoires non volatiles FeRAM et FeFET. Dans ce contexte, diverses techniques de dépôt de films minces de matériaux piézoélectriques et ferroélectriques sont actuellement en cours d'optimisation. Les méthodes de caractérisation spécifiques à ces matériaux sont essentielles pour évaluer la qualité de leur élaboration et pour approfondir la compréhension des phénomènes physiques sous-jacents, ce qui est crucial pour leur intégration dans des dispositifs microélectroniques avancés.C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse, dont l’objectif est de développer des techniques de caractérisation des propriétés piézoélectriques et ferroélectriques de dispositifs élaborés sous forme de films minces, à l’échelle nanométrique. La microscopie à force piézoélectrique permet de telles analyses, mais est sensible à de nombreux artefacts, tels que les effets électrostatiques, qui peuvent significativement influencer les résultats. L'objectif de cette thèse est de développer, mettre en œuvre et coupler de nouvelles techniques avancées basées sur la microscopie à force piézoélectrique pour minimiser les artefacts de mesure en dissociant leur contribution de celle des effets piézoélectriques et ferroélectriques, et pour caractériser un éventail plus large de propriétés des matériaux. C’est par exemple le cas du mode couplé de microscopie à force piézoélectrique en spectroscopie de commutation avec suivi de résonance à double fréquence, développé pour la première fois durant cette thèse, permettant de maximiser le rapport signal sur bruit tout en réduisant et mesurant l'influence de divers artefacts. De plus, il permet de mesurer la variation des propriétés du matériau sous l'influence d'un champ électrique, reflétant ainsi des conditions d'utilisation plus réalistes. Ce mode a été étendu pour des mesures de cartographie permettant également de déterminer la variation des propriétés mesurées sur la surface du matériau à l’échelle nanométrique. Le développement d'un ensemble de programmes informatiques a joué un rôle clé dans l'élaboration de ces nouveaux modes, depuis le pilotage des équipements jusqu'à l'analyse avancée des mesures.

Many current applications in the microelectronics sector rely on the use of piezoelectric and ferroelectric materials in the form of thin films. For instance, MEMS devices, including sensors, actuators, and energy harvesters, take advantage of the piezoelectric properties of materials. Moreover, the discovery of the potential of certain materials for microelectronic devices has spurred significant research, as exemplified by the use of HfO2 for its ferroelectric properties in non-volatile memories like FeRAM and FeFET. In this context, various deposition techniques for piezoelectric and ferroelectric thin films are currently under optimization. Specific characterization methods for these materials are essential to evaluate the quality of their fabrication and to enhance the understanding of the underlying physical phenomena, which is critical for their integration into advanced microelectronic devices.This thesis aims to develop characterization techniques for the piezoelectric and ferroelectric properties of devices fabricated as thin films at the nanoscale. Piezoelectric force microscopy enables such analyses but is susceptible to numerous artifacts, such as electrostatic effects, which can significantly impact the results. The objective of this thesis is to develop, implement, and combine new advanced techniques based on PFM to minimize measurement artifacts by separating their contributions from those of piezoelectric and ferroelectric effects, and to characterize a wider range of material properties. For instance, the coupled PFM mode in switching spectroscopy with dual-frequency resonance tracking, developed for the first time in this thesis, maximizes the signal-to-noise ratio while reducing and measuring the influence of various artifacts. Furthermore, this mode allows the measurement of material property variations under the influence of an electric field, thus reflecting more realistic operating conditions. This mode has been extended for mapping measurements, allowing the determination of variations in the measured properties across the material surface at the nanoscale. The development of a suite of software programs played a key role in the creation of these new modes, from equipment control to advanced data analysis.