La formation par la recherche

Intitulé de la thèse - Propriétés mécaniques et électriques de couches minces diélectriques : expériences de nanoindentation-électrique et simulations numériques.

Les dispositifs avancés (systèmes microélectroniques, capteurs, générateurs ou accumulateurs d’énergie, cellules photovoltaïques, …) sont des architectures complexes aux petites échelles qui intègrent des empilements toujours plus hétérogènes de couches minces combinant des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques. Chaque matériau a pour rôle d'assurer une ou plusieurs fonctions pendant plusieurs années (transmission de signaux, conversion d'énergie, isolation, …) dont les plus courantes sont basées sur la conduction électrique et les propriétés diélectriques. Cependant, la fiabilité fonctionnelle des dispositifs est largement contrôlée par la résistance mécanique de ces matériaux aux contraintes sévères survenant tant au cours du processus de fabrication que pendant le fonctionnement du produit. Connaître les propriétés mécaniques et électriques locales des matériaux en couches minces, mais également leur potentielle interaction, est donc un enjeu majeur.

Dans ce contexte, cette thèse consiste à identifier les comportements mécaniques et électriques de trois systèmes fonctionnels, tous composés de couches minces diélectriques sur des substrats conducteurs. La caractérisation de ces systèmes a été réalisée par des essais de nanoindentation-électrique, couplant des mesures électriques fines à des essais de nanoindentation. Le traitement des expériences a été mené en utilisant des simulations numériques par la méthode des éléments finis afin d'extraire les propriétés des matériaux. L’étude d’une couche de nitrure de silicium sur un alliage d'aluminium (Si3N4/AlSiCu) a permis de développer une méthodologie, donnant à la fois une procédure d’identification des propriétés d’endommagement de la couche fragile et le scénario de fissuration complet. Celle d’une couche mince de verre organosilicate nanoporeuse sur un substrat de silicium (SiOCH/Si) a permis d’identifier une loi de conduction de la couche de SiOCH sous contrainte et de proposer une extension du modèle de conduction de Poole-Frenkel. La description fine de la rhéologie d’une couche mince d’oxyde de cuivre obtenue à partir de l’oxydation thermique d'un substrat de cuivre recuit (Cu2O/Cu) a permis de déterminer ses propriétés électriques. Finalement, ces résultats sont à la fois d’intérêt académique et applicatif. En plus d’accéder à une meilleure compréhension des systèmes fonctionnels étudiés, qui sont au cœur de la microélectronique moderne, ils sont probablement assez génériques pour être transposés à d’autres systèmes similaires.

Mots clés : nanoindentation, méthode des éléments finis, couches minces, endommagement mécanique, conduction électrique, oxydation thermique

École doctorale : ED I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Énergétique, Procédés, Production
Laboratoire d’accueil : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP - CNRS/Grenoble INP-UGA/UGA)
Direction de thèse : Muriel BRACCINI et Fabien VOLPI

> Pour connaitre tous les prix de thèse 2023