Caractérisations de MIM

4.3.1 Symétrie de la MIM

Une couche d’Al2O3 d’une épaisseur de 2 nm est déposée à 250 °C par ALD thermique

pour former les jonctions tunnel. La figure 4.9 présente les courbes de courant expérimentales d’une MIM en fonction de la valeur absolue du potentiel appliqué, à deux températures différentes. Les courbes se superposent, ce qui signifie que la jonction est symétrique. Ce résultat démontre à nouveau que la gravure de TiN n’a pas déposé d’isolant sur les flancs de gravure, car sinon on aurait eu une asymétrie de la caractéristique I-V due à la présence d’une structure multicouche (Grover & Moddel 2012). La figure 4.10 illustre le diagramme des bandes d’une MIM dans le cas ou non d’une passivation isolante en fonction du potentiel appliqué. Dans le cas d’une structure à un diélectrique, la barrière vue par les électrons est la même pour un potentiel positif ou négatif appliqué (figure 4.10(a) et (b)). Par contre, dans le cas d’une structure avec deux diélectriques on observe que le profil de la barrière n’est pas le même suivant le signe du potentiel appliqué (figure 4.10(c) et (d)).

Figure 4.9 : Caractéristique du courant mesuré dans la MIM en fonction de la valeur absolue du potentiel appliqué, à T= 1,5 K et T= 250 K.

Figure 4.10 : Diagrammes des bandes d’énergie pour une structure MIM symétrique dans (a) et (b), et pour une structure asymétrique dans (c) et

(d), sous un potentiel positif ou négatif appliqué.

4.3.2 Analyse des modes de conduction

On observe sur la figure 4.9 que la température joue un rôle important sur la conductivité de la MIM. Le courant à 250 K est au moins cent fois plus grand que celui à 1,5 K, c’est-à-dire que la résistance tunnel varie énormément en fonction de la température. On en déduit que les modes de conduction ne sont pas les mêmes à basse et à haute température. Afin de déterminer les modes de conduction, on trace les données expérimentales suivant les dépendances de chaque mode de conduction en fonction de la température.

La figure 4.11a correspond à la conduction Schottky. Le graphique ne montre pas de dépendance linéaire ce qui signifie que le courant thermoïonique n’est pas dominant. Ce résultat n'est pas surprenant, car la hauteur de barrière entre le TiN et l’Al2O3 est environ de

2,7 eV (El Hajjam 2015) et que la température n’est seulement que de 250 K. L’énergie des électrons est trop faible pour vaincre cette barrière. La constante diélectrique ne peut donc pas être extraite de ce graphique.

Ensuite, les figure 4.11b-c représentent les modes Poole-Frenkel et hopping respectivement. Pour une température supérieure à 20 K, on observe une dépendance linéaire pour les deux graphiques; les courants dominants sont le courant par hopping et par Poole-

Frenkel à haute température. Le courant total est donc limité par les pièges et on peut extraire une distance moyenne entre pièges de 1,8 nm et de 0,2 nm à partir des mesures à 20 K et 250 K respectivement, à partir de l’équation (4.6). La distance entre pièges change en fonction de la température, car les pièges ont plusieurs niveaux énergétiques et ce ne sont pas les mêmes qui conduisent à différentes températures (De Salvo 1999).

La figure 4.11d représente la conduction Fowler-Nordheim. On observe une légère pente linéaire négative à fort champ pour des températures allant de 1,5 K jusqu’à 8 K, ce qui démontre la conduction Fowler-Nordheim à basse température. Les paramètres électriques (m* et ) n’ont pas pu être extraits de cette courbe, car la tension appliquée n’est pas assez haute pour être complètement en régime Fowler-Nordheim. Cette conduction par Fowler-Nordheim n’était pas attendue pour une tension appliquée de 150 mV. La hauteur de barrière théorique étant de 2,7 eV, une tension proche de 2,7 V aurait été nécessaire pour pouvoir observer un courant par Fowler-Nordheim. L’hypothèse émise est la présence d’un oxyde TiOx avec une

hauteur de barrière faible de chaque côté de la jonction Al2O3 due à une légère oxydation des

électrodes de TiN (El Hajjam 2015). À haute température, la conduction se ferait alors principalement par les pièges dans l’Al2O3, et le TiOx serait négligeable. Par contre, à basse

température, la majorité des pièges seraient figés et une conduction par Fowler-Nordheim à travers le TiOx apparaîtrait.

Figure 4.11 : Caractéristiques électriques d’une MIM en fonction des analyses des différentes modes de conduction présents : (a) Schottky,

Ces analyses montrent donc la présence de pièges dans les jonctions d’Al2O3, déduite de

la conduction hopping et Poole-Frenkel à haute température, et l’apparition d’une autre jonction à basse température, déduite de la conduction Fowler-Nordheim.

4.3.3 Vieillissement des MIM

Trois jonctions MIM sont caractérisées en fonction du temps après avoir été passivées avec 146 nm de Si3N4 PECVD. La MIM A et B proviennent du même échantillon tandis que

la MIM C est fabriquée sur un second échantillon. Le Si3N4 est connu comme couche barrière

empêchant la diffusion de l’oxygène ou de la vapeur d’eau de l’air (Wuu et al. 2005). Cette couche protège la surface de l’échantillon contre tout apport d’oxygène par l’air. La figure 4.12 montre les caractéristiques I-V faites à différents intervalles de temps. On constate que les courbes se superposent et qu'il n'y a aucun vieillissement de la jonction tunnel ou du TiN pour les trois dispositifs après 48 jours. On peut déduire de ce résultat qu’il n’y a pas de diffusion remarquable d’oxygène provenant des jonctions d’Al2O3 à travers le TiN. Les

dispositifs fabriqués sont donc stables dans le temps.

Figure 4.12 : Évolution des caractéristiques I-V de MIM passivées en fonction du temps.