THELYOS

La microélectronique moderne fait face à un défi majeur : identifier et comprendre les défaillances électriques ou physiques à l’origine de points chauds dans les circuits. Ces zones, où la densité de courant devient localement très élevée, dégradent les performances et la fiabilité des dispositifs.

La détection de ces phénomènes à l’échelle nanométrique nécessite des outils de mesure locaux, précis et sensibles, capables de suivre la dissipation de chaleur au plus près des structures actives.

Thélyos propose un nouvel équipement offrant une sensibilité spatiale et thermique inégalée, surpassant les solutions industrielles actuelles. Il permettra d’aborder plusieurs enjeux clés de la microélectronique :

• Optimiser la dissipation thermique dans les zones de forte densité de courant pour améliorer les performances des dispositifs.
• Répondre aux défis liés à la miniaturisation et à la réduction de la consommation énergétique des composants micro et nanométriques.
• Accélérer le développement de technologies de conversion et récupération d’énergie (photovoltaïque, thermoélectrique) grâce à la caractérisation précise de la conductivité thermique de matériaux innovants.

Thélyos repose sur une architecture de microscopie thermique à balayage (SThM) exploitant un thermomètre résistif ultra-sensible à base de nitrure de niobium (NbN).

La thermométrie résistive s’appuie sur la variation de la résistance électrique en fonction de la température, caractérisée par le coefficient de température de la résistance (TCR). Le capteur NbN développé présente un TCR de 5 à 10 fois supérieur à celui des technologies existantes, offrant ainsi une sensibilité thermique exceptionnelle.

L’innovation majeure réside dans l’intégration du thermomètre NbN directement sur des sondes AFM tridimensionnelles, un procédé complexe maîtrisé exclusivement par l’Institut Néel (CNRS).

• Thermomètre NbN ultra-sensible : excellent rapport signal/bruit.
• Résolution spatiale et thermique sans équivalent, adaptée aux structures nanométriques.
• Détection de flux thermiques extrêmement faibles, ouvrant la voie à une analyse fine des phénomènes thermiques locaux.
• Mesure améliorée des propriétés thermiques de matériaux, structures et dispositifs à l’échelle nanométrique.

Le processus de fabrication pour intégrer le thermomètre NbN à l'apex de la pointe AFM a été optimisé. Nous avons calibré des sondes thermiques à base de NbN et démontré une sensibilité 5 fois supérieure à celle des sondes existantes.

Des mesures thermiques ont été effectuées sur des films massifs et minces. Prochaine étape : adapter le processus à la fabrication en série de sondes thermiques.

Thélyos trouve des applications directes dans la caractérisation avancée des dispositifs nanoélectroniques et optoélectroniques, notamment :

• Détection et analyse des points chauds et mécanismes de défaillance.
• Cartographie thermique des puces 3D et des architectures complexes.
• Mesure de conductivité thermique de structures et de dispositifs nanométriques.
• Caractérisation de matériaux à changement de phase.
• Étude du transport de chaleur dans les nanomatériaux à hétérostructure.
• Détection du rétrécissement des lignes d’interconnexion lié à l’électromigration ou aux défauts de fabrication.
• Diagnostic thermique des éléments résistifs intégrés sur puce.