Imagerie parallèle du champ interne dans les condensateurs ferroélectriques à base de HfO2 pour l’électronique frugale

Sujet détaillé

Les dispositifs ferroélectriques à base de HfO2 sont prétendants prometteurs pour les applications mémoire de nouvelle génération [1] grâce à leur potentiel de mise à l’échelle, leur compatibilité avec la technologie CMOS, la non-volatilité, la faible consommation et le fonctionnement à haute vitesse. La ferroélectricité en Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) est attribuée à la phase orthorhombique polaire non-centrosymétrique (Pca21). Les lacunes d’oxygène (VO) stabilisent la phase O mais trop de VO favorisent la phase non polaire et quadratique. La tendance actuelle est de réduire l’épaisseur du film à 4-6 nm, afin d’atteindre une faible tension opérationnelle ~ 1V, compatible avec des nœuds CMOS avancés et une intégration 3D à haute densité [2]. Un compromis doit être trouvé entre basse tension de fonctionnement (pour une faible puissance nominale) et la commutation de polarisation (pour une fenêtre mémoire maximale), généralement obtenue à des tensions plus élevées. Cependant, à l’échelle ultra-fine, la distribution de la VO joue un rôle crucial dans l’influence des performances des dispositifs, pouvant entraîner des problèmes de fiabilité tels que la rétention, l’endurance et l’imprint.

Pour quantifier les corrélations entre la distribution VO et la performance des dispositifs, la microscopie électronique à rayons X résolue spatialement (XPEEM) sera utilisée sur les structures microscopiques de condensateurs. La résolution spatiale de XPEEM sera utilisée pour localiser et analyser chaque condensateur en fonction du biais appliqué pour définir l’état de polarisation en acquérant la série d’images au niveau du cœur Hf 4f [3]. Une source dédiée aux rayons X, mise en œuvre dans le cadre du projet MicroElec financé par le programme Diadem France 2030 du PEPR, permettra l’imagerie simultanée de multiples condensateurs. L’imagerie parallèle de structures microscopiques, réalisées par lithographie au CEA permettra d’examiner directement la variabilité d’un appareil à l’autre en fonction des conditions de process et de quantifier la magnitude de la polarisation en fonction de la tension de polarisation appliquée. L’analyse des données analysera simultanément plusieurs structures, en utilisant par exemple l’analyse en composantes principales.

[1] Silva et al., Appl. Phys. Lett. Mater. 11, 089201 (2023)
[2] Cheema et al., Nature 604, 65-71 (2022)
[3] Hamouda et al., Appl. Phys. Lett. 120, 202902 (2022)

Lieu du stage

France

Conditions de stage

• Durée du stage : 6 mois
• Niveau d’étude requis : Bac+5
• Formation : Master 2
• Poursuite possible en thèse : Oui
• Date limite de candidature : 2 mars 2026

Méthodes, techniques :
Photoelectron emission microscopy (NanoESCA), Photolithography, X-ray photoemission, Electrical characterization (Ferrotester TF1000)

Langages informatiques et logiciels :
Igor Pro

Responsable du stage

Nick Barrett
Tél. : 0622494273
Email :