Mesure et cartographie à l’échelle nanométrique des propriétés ferroélectriques et diélectriques des couches minces par les techniques dérivées de la microscopie à force atomique^*

Nanoscale measurement and mapping of the ferroelectric and dielectric properties of thin films by the use of techniques derived from atomic force microscopy

¹ Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR CNRS 5511, Université de Lyon, 7 avenue Capelle, 69621 Villeurbanne, France
e-mail: brice.gautier@insa-lyon.fr
² LETI-MINATEC, 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble, France

Reçu : 6 Juillet 2011
Accepté : 13 Juillet 2011

Résumé

Cette communication vise à présenter l’apport des techniques dérivées de la microscopie à force atomique en mode contact à la caractérisation des propriétés électriques des couches minces diélectriques et ferroélectriques. La cartographie et la mesure indirecte de la direction de polarisation ferroélectrique sera abordée à travers le mode «Piezoresponse Force Microscopy» dont on montrera les capacités sur un exemple particulier. Nous montrerons également que des mesures capacitives (scanning capacitance microscopy – SCM) peuvent apporter de précieuses informations à l’échelle très locale sur les paramètres essentiels de ces couches minces déposées sur substrat semi-conducteur, comme la présence de charges fixes ou d’interface, ainsi qu’une estimation de la tension de bande plate. Enfin, nous verrons quelques applications de mesures locales de courant de fuite (Conductive AFM) dans les couches minces d’oxydes à haute permittivité. Des exemples seront présentés tirés de la caractérisation de couches minces de LiTaO₃ monocristallin, PbZrTiO₃, SiO₂ ou LaAlO₃.

Abstract

This communication aims at presenting the use of techniques derived from the atomic force microscopy in contact mode for the characterisation of the electric properties of thin dielectric and ferroelectric films. The mapping and the indirect measurement of the polarisation direction will be addressed through the description of the so-called “piezoresponse force microscopy” (PFM), which capabilities will be demonstrated on a specific example. We will also show that capacitive measurements (Scanning Capacitance Microscopy – SCM) are able to provide some precious information at the very local scale about the essential parameters of thin films deposited on semiconductor substrates by detecting the presence of fixed or interface charges, and through the estimation of the flat band voltage of the structure under study. Applications of local current measurements (Conductive AFM) at the characterisation of high permittivity oxides will also be addressed.