Tests de cyclage
Des mesures de courant en fonction du temps, avec une phase de charge de 60 s et une phase de décharge de 60 s, ont été réalisées sur les capacités MIM des différentes plaques présentées dans le deuxième chapitre. Des simulations ont été faites avec les valeurs de paramètres données dans le Tableau 15 et sont comparées aux résultats de mesures (Figure 87, Figure 88 et Figure 89). Le courant lors de la décharge est bien reproduit par la simulation. Cependant, le courant mesuré est légèrement supérieur au courant simulé après plusieurs cycles lorsque le champ électrique augmente. Le modèle prend en compte uniquement l’accumulation de charges comme mécanisme de vieillissement du diélectrique. Des défauts peuvent être créés dans l’isolant lorsqu’il est soumis à un champ électrique, le passage du courant peut aussi provoquer un échauffement susceptible de détériorer le matériau lors de son utilisation [57] [136]. Ces effets ne sont pas considérés dans le modèle et peuvent expliquer une partie des écarts entre les mesures et les simulations.
La charge totale accumulée dans l’isolant est représentée Figure 90 pour trois valeurs de champ électrique appliqué sur la capacité MIM. Dans ce cas, l’injection de charges est essentiellement assurée par le courant Schottky, ce qui rend plus difficile leur extraction lors de la décharge. En effet, comme présenté dans le Chapitre II, la charge s’accumule plus en profondeur dans le diélectrique et la phase de décharge n’est pas efficace pour évacuer les charges. La charge diminue peu lors de la décharge, le champ produit par les charges présentes est petit par rapport au champ électrique appliqué lors de la charge. Si une quantité importante de charges reste stockée dans le diélectrique, le champ électrique interne est modifié et n’est pas uniforme à la fin d’un cycle charge-décharge. Dans ce cas, le courant est de plus en plus faible à chaque cycle d’utilisation. Le composant ne revient pas à l’état initial et ceci peut mener à une dérive de son comportement en fonction du temps.
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Figure 87 : Comparaison simulation-mesure pour une phase de charge de 60 s à 1 MV/cm et une phase de décharge de 60 s - Echantillon : 𝑆𝑖3𝑁4 déposé par ICP-CVD à 250°C
Figure 88 : Comparaison simulation-mesure pour une phase de charge de 60 s à 2 MV/cm et une phase de décharge de 60 s - Echantillon : 𝑆𝑖3𝑁4 déposé par ICP-CVD à 250°C
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Figure 89 : Comparaison simulation-mesure pour une phase de charge de 60 s à 3 MV/cm et une phase de décharge de 60 s - Echantillon : 𝑆𝑖3𝑁4 déposé par ICP-CVD à 250°C
Figure 90 : Simulation – Charge totale dans le diélectrique pour 4 cycles charge-décharge (60 s de charge et 60 s de décharge) - Echantillon : 𝑆𝑖3𝑁4 déposé par ICP-CVD à 250°C
Fiabilité des capacités MIM
Les capacités MIM sont utilisées pour différentes applications et les performances attendues varient. Cependant, on souhaite de manière générale une capacité ayant une valeur suffisamment importante, un faible courant de fuite, une tension de claquage élevée et une grande linéarité en tension [137] [138]. La linéarité en tension caractérise la stabilité de la valeur de capacité en fonction de la tension appliquée au composant.
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Les capacités de découplage sont utilisées dans les circuits RF pour éviter les couplages entre les lignes. Ces capacités, de faible impédance, sont placées entre l’alimentation et la masse pour éliminer les composantes alternatives. Les capacités de liaison sont quant à elles employées pour éliminer les composantes continues. Pour cette application, une bonne linéarité en tension est nécessaire afin d’éviter des modulations intempestives du signal. Des capacités sont aussi intégrées dans les convertisseurs analogique-numérique à double rampe, elles doivent présenter de faibles courants de fuite et ne pas stocker de charges pour ne pas fournir de résultats erronés [139]. Les capacités utilisées pour réaliser des mémoires (DRAM, mémoires flash, ReRAM…) doivent retenir l’information stockée sous forme de charges pour qu’elle soit lue en temps voulu. Ceci impose d’avoir de faibles courants de fuite pour maîtriser la conservation des données [6].
Lors de leur utilisation, ces capacités sont soumises à une succession de phases de charge et de décharge. Des charges peuvent être injectées dans le diélectrique et ainsi générer d’importants courants de fuite. De plus, comme présenté précédemment, si des charges s’accumulent dans l’isolant, le comportement du composant évolue avec le temps. La stabilité des propriétés d’un composant durant son utilisation fait partie des caractéristiques garantissant sa fiabilité. Des études ont montré par des mesures de capacité suivant le stress électrique appliqué, que les caractéristiques de ces composants peuvent évoluer en fonction du temps à cause de l’injection de charges dans l’isolant [138] [139]. La courbe de capacité en fonction de la tension appliquée au composant se décale avec la tension. De plus, l’injection de charges dans l’isolant peut entraîner le claquage du matériau. Certaines études s’intéressent notamment à la valeur seuil de charges dans l’isolant qui entraînerait le claquage du matériau diélectrique [72] [140]. Les courants de fuite et l’accumulation de charges doivent donc être contrôlés pour obtenir des composants fiables et stables pendant leur durée d’utilisation [139]. Le modèle développé peut permettre d’évaluer la fiabilité d’une capacité et la dérive de son comportement en fonction du temps. Il est en effet possible d’estimer le niveau de courant de fuite et la charge accumulée dans la capacité pendant son utilisation en fonction de ses propriétés. Les résultats peuvent alors être utilisés pour choisir ou définir un matériau idéal suivant l’application visée.