Métrologie des techniques de microscopie à sonde locale micro-onde appliquées aux mesures de transport dans le domaine des semiconducteurs

Metrology of scanning microwave microscopy applied to transport measurement for semiconductors

• Auteur / Autrice : Damien Richert
• Direction : Brice Gautier, François Piquemal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Electrotechnique, Automatique
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Didier Théron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brice Gautier, François Piquemal, Didier Théron, Eric Bourillot, Rosine Coq Germanicus, Petr Klapetek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Bourillot, Rosine Coq Germanicus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Microélectronique

Mots clés libres

Electronique

Microscope à force atomique AFM

Nanométrologie électrique

Microscopie à sonde locale micro-Onde

Mesure RF

Modélisation par éléments finis - FEM

Propriété électrique

Etalonnage

Electronics

AFM - Atomic force microscopy

Electrical nanometrology

Scanning microwave microscopy

RF measurement

FEM - Finite Element Method

Electronic properties

Calibration

Résumé

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électriques à l’échelle submicrométrique. La technique Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, et concentration de dopants), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie associée au VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est étalonné, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la méthode d’étalonnage Short-Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence. L’un des résultats clés de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontre que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0,3 fF – 9,8 fF) est inférieure à 2,8%. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence est proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1,9%. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM étalonné est inférieure à 3%. Un cas d’application est proposé : l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 11%. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur l’étalonnage du SMM a été étudiée empiriquement et par simulation numérique. Cette dernière impacte la calibration à hauteur de 0,4% pour les capacités de 0,3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz ont été acquises par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employée.

This thesis is focuses on the establishement of a metrology for measurement of electrical properties at the sub-micrometric scale. The Scanning Microwave Microscopy (SMM) satisfies those conditions by allowing for measurement of electrical impedance, permittivity and dopant concentration. It is an Atomic Force Microscope (AFM) interface to a Vector Network Analyser (VNA). If the metrology associated with VNA measurement is well established, it is not the case for the one associated with SMM measurements. A calibrated VNA can access the electrical properties of a sample from the reflection parameter measurement. For a SMM setup, the most commonly used method is a modified Short-Open-Load calibration using three impedance on a calibration sample. One of the key result of this thesis is the preparation of a comprehensive uncertainty budget associated with the impedance measurement performed by the SMM. To this end, the capacitors of the reference sample were fully characterized with uncertainty below 2.8%. Using this uncertainty budget, a second version of the calibration standard was proposed and characterized with associated uncertainty below 1.9%. The uncertainty associated with capacitance measurement by the calibrated SMM is found below 3%. The extraction of dielectric constant of piezoelectric samples with uncertainty below 6.9% is presented as an application case for this method. The uncertainty due to relative humidity (RH) on the SMM calibration was studied both empirically and by numerical simulation. The RH impacts the calibration at the 0.4% level for the smallest capacitance studies (0.3 fF) and is negligible for capacitance above 4 fF. Finally, dC/dz curves were acquire by electrostatic force microscopy (EFM) above a known dielectric as an alternative method for cantilever’s spring constant measurement.