Tania AL MOUSSI soutiendra sa thèse vendredi 28 novembre 2025 à 9h30, à l’amphithéâtre Schwartz (bâtiment 1R3 – Institut de Mathématiques de Toulouse IMT), Université de Toulouse – 118 route de Narbonne, 31069 Toulouse, sur le sujet :
Conduction non linéaire, rupture diélectrique et vieillissement électrique de films de nitrure de silicium : Application à l’isolation galvanique haute tension integrée.
Composition du jury :
- Mme Marie-Paule BESLAND, Rapporteure, IMN, CNRS, Nantes.
- M. Alain SYLVESTRE, Rapporteur, Université Grenoble Alpes.
- M. Jérôme CASTELLON, Examinateur, Université de Montpellier.
- M. Gilbert TEYSSEDRE, Examinateur, LAPLACE, Toulouse.
- M. Paul LAMBKIN, Examinateur, Analog Devices International, Irlande.
- M. Patrice RAYNAUD, Invité, CNRS, LAPLACE, Toulouse.
- M. Sombel DIAHAM, Directeur de thèse, Université de Toulouse.
Résumé :
Les couches minces de nitrure de silicium (SiNₓ) sont largement employées dans les technologies avancées en raison de la flexibilité de leurs propriétés électriques, optiques et mécaniques, telles que la bande interdite, l’indice de réfraction, la constante diélectrique. Ces propriétés sont étroitement corrélées à la composition chimique du matériau, qui dépend directement des conditions de dépôt. Le SiNₓ est ainsi un matériau stratégique dans de nombreuses applications : couche antireflet pour cellules photovoltaïques, guide d’onde optique, couche d’encapsulation, masque d’oxydation, ou encore diélectrique de grille pour transistors en couche mince ou couche de passivation pour composants de puissance.
Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement de composants intégrés d’isolation galvanique de nouvelle génération, en particulier les isolateurs digitaux (DIs) à base de polyimide (PI). Dans ces structures multicouches, l’intégration d’une fine couche de SiNₓ entre l’électrode métallique haute tension et le polymère vise à renforcer les performances diélectriques globales des isolateurs digitaux. Le SiNₓ agit alors comme barrière au transport de charges et comme couche de gradation du champ électrique, réduisant les courants de fuite et améliorant la robustesse sous fort champ. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre et maîtriser les mécanismes de conduction et de dégradation électrique de films SiNₓ en fonction de leur composition chimique, afin d’optimiser leur contribution à l’isolation générale de ces dispositifs. Pour ce faire, une série de dix couches SiNₓ, présentant un large éventail de rapports atomiques [N]/[Si], a été élaborée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Ces films ont été caractérisés par un ensemble de techniques physico-chimiques complémentaires : spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), spectroscopie infrarouge (FTIR), spectrométrie de masse d’ions secondaires (SIMS), spectrométrie d’émission optique par décharge luminescente (GDOES) et microsonde électronique (EMPA). Ces analyses ont permis de quantifier la teneur en hydrogène et en oxygène dans les films, d’identifier les liaisons structurales dominantes (Si–H, N–H, Si–N), et de distinguer les compositions riches en silicium et en azote. La caractérisation électrique a été effectuée sur des structures métal–isolant–métal (MIM), via des mesures de spectroscopie diélectrique à haute tension (HVBDS) en régime alternatif et des mesures de courant-tension (I-V) en régime bipolaire. Les propriétés extraites incluent la permittivité, la conductivité AC et DC, le facteur de pertes diélectriques, et la charge (Q) en fonction du champ, de la polarité et de la fréquence. Les couches riches en silicium présentent une permittivité plus élevée et une réponse non linéaire plus précoce. Le modèle de Poole–Frenkel a été employé pour modéliser le transport électronique, permettant d’estimer les hauteurs de barrières associées aux mécanismes de conduction assistée par pièges. Des tests de vieillissement électrique ont ensuite été réalisés afin d’évaluer la stabilité temporelle sous contraintes électriques intenses. L’analyse de l’évolution des courants de conduction au cours du temps pendant le vieillissement a permis d’identifier les phénomènes de dégradation, leurs cinétiques, ainsi que l’influence de la composition initiale sur la durée de vie. Enfin, des structures multicouches à base de PI/SiNₓ, représentatives de l’architecture des composants DIs industriels, ont été élaborées. Les performances diélectriques à haute tension ont montré une amélioration nette de la robustesse et de la stabilité en présence des couches SiNₓ. Ces résultats mettent en évidence une corrélation forte entre composition chimique, propriétés structurales, propriétés diélectriques et durée de vie. Ce travail met finalement en lumière le rôle clé de la composition des couches SiNₓ dans les performances électriques des composants isolateurs digitaux, et leur intérêt pour l’amélioration de la fiabilité de l’isolation polymère dans les systèmes intégrés à haute tension.
