METALLIC SYSTEMS EPITAXY ON Si(001) : Copper growth and perpendicular magnetic anisotropy structures (Cu/Ni and FePd)
EPITAXIE DE SYSTEMES METALLIQUES SUR Si(001) : Croissance du cuivre et structures à anisotropie magnétique perpendiculaire (Cu/Ni et FePd)
Résumé
This work focuses on the epitaxial growth of thin metallic layers on Si(001). An experimental study of copper growth at room temperature is first presented. For the first time we experimentally demonstrate the important role of preliminary surface hydrogenation on interdiffusion properties. Surface hydrogenation inhibits interdiffusion and results in the controlled formation of a 2 nm thick silicide quasi-continuous layer. Chemical and structural nature of the interface have been deduced from a large field of experiments : RHEED, AES, TEM and GIXRD. This silicide is not the h-Cu3Si phase usually reported but is a centered cubic phase close to the b-Cu0.83Si0.17 phase with a lattice parameter a = 0,288 nm. Following metallic copper growth on this seed layer has been studied through STM and TEM experiments. Copper layer is highly {001} textured and show columnar pseudo grains with a homogeneous lateral size increasing with thickness.
The last part of this work deals with the growth of perpendicular magnetic anisotropy systems, Cu/Ni and FePd on Si(001). In Cu/Ni system, it is shown that interdiffusion occurs during Ni layer growth based on auger spectroscopy experiments and a copper segregation model. This mixing at the Cu/Ni interface mainly explain the decrease of magnetic properties measured for thin Ni layers. We finally report for the first time the growth of a template structure based on the use of a thin silicide (Cu-Si or FeSi2) seed layer for FePd alloy epitaxy on Si(001). Structural and magnetic measurements reveal a well-ordered FePd layer and a high perpendicular magnetic anisotropy.
The last part of this work deals with the growth of perpendicular magnetic anisotropy systems, Cu/Ni and FePd on Si(001). In Cu/Ni system, it is shown that interdiffusion occurs during Ni layer growth based on auger spectroscopy experiments and a copper segregation model. This mixing at the Cu/Ni interface mainly explain the decrease of magnetic properties measured for thin Ni layers. We finally report for the first time the growth of a template structure based on the use of a thin silicide (Cu-Si or FeSi2) seed layer for FePd alloy epitaxy on Si(001). Structural and magnetic measurements reveal a well-ordered FePd layer and a high perpendicular magnetic anisotropy.
L'objet de ce rapport est l'étude de la croissance épitaxiale de systèmes métalliques sur Si(001). Nous présentons dans un premier temps une étude de la croissance du cuivre à température ambiante en s'appuyant sur un grand nombre de techniques de caractérisation : RHEED, AES, TEM, GIXRD. Pour la première fois nous mettons en évidence l'effet de l'hydrogénation de la surface du silicium et sa nécessité pour la croissance épitaxiale du cuivre. L'hydrogénation en inhibant l'interdiffusion conduit à la formation contrôlée d'une couche épitaxiée quasi continue de siliciure de 2 nm d'épaisseur. La structure cubique centrée identifiée est proche de la phase b-Cu0.83Si0.17 avec un paramètre de maille a = 0,288 nm. Une étude de la morphologie de croissance du cuivre par STM et TEM est présentée. Le cuivre métallique en épitaxie sur ce siliciure présente une forte texturation {001} de pseudo grains colonnaires dont la taille latérale homogène augmente avec l'épaisseur de cuivre déposé.
La dernière partie de ce rapport présente deux études de systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire épitaxiés sur Si(001) : Cu/Ni et FePd. Dans le système Cu/Ni, nous montrons à partir d'expériences de AES et d'un modèle de ségrégation la présence d'une zone d'interdiffusion de 1 à 2 nm qui explique en grande partie la diminution du moment magnétique mesuré sur des couches de nickel de faible épaisseur. Finalement, à partir de la formation contrôlée d'un siliciure de cuivre ou de fer, nous rapportons pour la première fois la possibilité d'épitaxier sur Si(001) des couches d'alliage ordonné L10-FePd(001) présentant une forte anisotropie magnétique perpendiculaire.
La dernière partie de ce rapport présente deux études de systèmes à anisotropie magnétique perpendiculaire épitaxiés sur Si(001) : Cu/Ni et FePd. Dans le système Cu/Ni, nous montrons à partir d'expériences de AES et d'un modèle de ségrégation la présence d'une zone d'interdiffusion de 1 à 2 nm qui explique en grande partie la diminution du moment magnétique mesuré sur des couches de nickel de faible épaisseur. Finalement, à partir de la formation contrôlée d'un siliciure de cuivre ou de fer, nous rapportons pour la première fois la possibilité d'épitaxier sur Si(001) des couches d'alliage ordonné L10-FePd(001) présentant une forte anisotropie magnétique perpendiculaire.
Domaines
Matière Condensée [cond-mat]
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