Elaboration and characterization of aluminum oxide thin film for magnetic tunnel junction applications
ELABORATION ET CARACTERISATION D'OXYDES D'ALUMINIUM ULTRA-MINCES POUR UNE APPLICATION AUX JONCTIONS TUNNELS MAGNETIQUES
Résumé
This thesis reports on the development of an original process, the Atomic Layer Deposition and Oxidation (ALDO) procedure, for growing a perfectly homogeneous artificial oxide film with specific chemical composition. The growth method consisted of three steps: deposition by molecular beam epitaxy (MBE) of one atomic monolayer of a specific metal, followed by exposure of 60 Langmuirs oxygen resulting in chemical oxidation at room temperature, and concluding with annealing in ultrahigh vacuum (UHV) conditions. This three-step process was then repeated to increase the thickness of oxide thicknesses using layer-by-layer growth. Auger electron spectroscopy (AES) and low energy electron diffraction (LEED) were used to control the process.
In this thesis, this process was used to grow aluminum oxide thin films on a silver single crystal substrate, Ag(111), and on hydrogenated silicon, Si(001)-H. AES indicated that the oxide composition was close to AlO, with a spectroscopic signature very different Al2O3. Electron energy loss spectroscopy (EELS) and photoemission spectroscopy (PES) using synchrotron radiation, in good agreement with scanning tunneling spectroscopy (STS) results, were used to estimate a band gap close to 6.5 eV, which did not evolve with oxide thickness up to 3.4 nm. Scanning tunneling microscopy (STM) showed that the oxide layer was very homogenous and wetted the silver substrate perfectly. STM images measured through the oxide layer demonstrated electronic transport through the layer and confirmed that the oxide layer was homogeneous in both depth and chemical composition.
Additional techniques, including atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), AES, and LEED, confirmed the high quality of the aluminum oxide thin films grown by ALDO on Si(100)-H and proved the reproducibility of the method. The roughness did not evolve with the growth of the aluminum oxide on silicon, and TEM images showed an abrupt interface between the silicon and the oxide layer. AES, scanning neutral mass spectroscopy (SNMS), and TEM were used to study the stability of these layers as diffusion barriers. The results suggest that this oxide may be useful in microelectronics applications.
In this thesis, this process was used to grow aluminum oxide thin films on a silver single crystal substrate, Ag(111), and on hydrogenated silicon, Si(001)-H. AES indicated that the oxide composition was close to AlO, with a spectroscopic signature very different Al2O3. Electron energy loss spectroscopy (EELS) and photoemission spectroscopy (PES) using synchrotron radiation, in good agreement with scanning tunneling spectroscopy (STS) results, were used to estimate a band gap close to 6.5 eV, which did not evolve with oxide thickness up to 3.4 nm. Scanning tunneling microscopy (STM) showed that the oxide layer was very homogenous and wetted the silver substrate perfectly. STM images measured through the oxide layer demonstrated electronic transport through the layer and confirmed that the oxide layer was homogeneous in both depth and chemical composition.
Additional techniques, including atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), AES, and LEED, confirmed the high quality of the aluminum oxide thin films grown by ALDO on Si(100)-H and proved the reproducibility of the method. The roughness did not evolve with the growth of the aluminum oxide on silicon, and TEM images showed an abrupt interface between the silicon and the oxide layer. AES, scanning neutral mass spectroscopy (SNMS), and TEM were used to study the stability of these layers as diffusion barriers. The results suggest that this oxide may be useful in microelectronics applications.
L'objectif premier de ce travail de thèse a été de mettre au point une méthode de fabrication (alternative aux méthodes existantes) d'un oxyde d'aluminium en couches minces, de façon très contrôlée et reproductible dans le but d'obtenir un oxyde homogène en épaisseur, en composition chimique et en structure atomique. Le but étant d'employer cet oxyde dans les jonctions tunnels magnétiques (MTJ) qui suscitent un très grand intérêt avec l'avènement de la Spintronique et le prix Nobel de physique décerné en 2007 à Albert Fert et Peter Grunberg pour la magnétorésistance géante GMR.
Cette méthode de fabrication que nous avons baptisée ALDO (Atomic Layer Deposition and Oxidation) consiste à réaliser l'oxyde couche par couche. De façon générale cette méthode consiste à déposer par MBE (molecular Beam Epitaxy) une monocouche atomique de l'élément métallique dont on veut obtenir l'oxyde sur le substrat choisi et ensuite de réaliser une oxydation « douce » à température ambiante par un simple processus de chimisorption de l'oxygène sur la surface. La quantité d'atome d'oxygène étant fixée, l'échantillon est alors recuit dans des conditions de pression ultra-vide (10 - 10T) à des températures intermédiaires. En répétant plusieurs fois ces étapes il est possible de faire croître différentes épaisseurs d'oxyde de façon très contrôlée.
Nous avons étudié la croissance de l'oxyde d'aluminium sur deux substrats différents, un substrat d'argent orienté (111) et un substrat de silicium hydrogéné orienté (100).
L‘étude sur le substrat d'argent a permis la mise au point de la méthode ALDO sur un substrat modèle, que l'on savait peu réactif avec l'oxyde.
Une étude AES/LEED nous a permis, entre autre de calibrer et de contrôler la croissance de l'oxyde ALDO, notamment en fixant les températures de recuit, la pression et le temps d'exposition à l'oxygène.
La combinaison des techniques AES, LEED, EELS, STM, PES, STS a mis en évidence la nature particulière de cet oxyde d'aluminium qui présente une composition, un gap électrique et une morphologie spécifiques.
Les analyses AES ont montré que la signature spectroscopique et la composition de cet oxyde (proche de la composition AlO) sont différentes des couches minces d'alumine de composition Al2O3 largement étudiées par ailleurs. Les mesures de pertes EELS et PES (en rayonnement synchrotron) associées aux mesures STS ont permis de mesurer un gap équivalent aux gaps mesurés dans les films minces d'Al2O3 d'épaisseur équivalente. Le gap mesuré est sur les deux substrats proche de 6,5 et ne varie pas (ou peu) avec les épaisseurs d'oxyde étudiées. L'étude STM nous a permis de vérifier l'homogénéité en épaisseur de cet oxyde avec en particulier la première monocouche d'oxyde qui mouille parfaitement le substrat d'argent. Le caractère très homogène de cet oxyde a été démontré a plusieurs reprises et notamment par l'investigation STM qui nous a permis d'obtenir des images du substrat au travers de l'oxyde et aussi de suivre en direct des processus de diffusion à l'interface de l'argent et de l'oxyde.
L'étude menée sur le substrat de silicium, répondant à un objectif plus appliqué a donné lieu à des résultats encourageants. On a vu que la méthode de réalisation de l'oxyde s'applique très bien pour des substrats de silicium hydrogéné. Le caractère homogène de l'oxyde a été mis en évidence par AFM ou TEM. En effet l'oxyde n'augmente que très peu la rugosité initiale mesurée sur le substrat de silicium et les images TEM présentent une interface silicium oxyde de très grande qualité. On observe que le substrat de silicium, pourtant réactif à l'oxygène, n'est jamais oxydé lors de la croissance de l'oxyde par cette méthode.
Ces couches d'oxyde sont d'une grande stabilité thermique. L'étude menée par AES, SNMS et TEM a montré que les températures de diffusion de métaux ferromagnétiques comme le cobalt dans cet oxyde sont compatibles avec des applications industrielles.
Cette méthode de fabrication que nous avons baptisée ALDO (Atomic Layer Deposition and Oxidation) consiste à réaliser l'oxyde couche par couche. De façon générale cette méthode consiste à déposer par MBE (molecular Beam Epitaxy) une monocouche atomique de l'élément métallique dont on veut obtenir l'oxyde sur le substrat choisi et ensuite de réaliser une oxydation « douce » à température ambiante par un simple processus de chimisorption de l'oxygène sur la surface. La quantité d'atome d'oxygène étant fixée, l'échantillon est alors recuit dans des conditions de pression ultra-vide (10 - 10T) à des températures intermédiaires. En répétant plusieurs fois ces étapes il est possible de faire croître différentes épaisseurs d'oxyde de façon très contrôlée.
Nous avons étudié la croissance de l'oxyde d'aluminium sur deux substrats différents, un substrat d'argent orienté (111) et un substrat de silicium hydrogéné orienté (100).
L‘étude sur le substrat d'argent a permis la mise au point de la méthode ALDO sur un substrat modèle, que l'on savait peu réactif avec l'oxyde.
Une étude AES/LEED nous a permis, entre autre de calibrer et de contrôler la croissance de l'oxyde ALDO, notamment en fixant les températures de recuit, la pression et le temps d'exposition à l'oxygène.
La combinaison des techniques AES, LEED, EELS, STM, PES, STS a mis en évidence la nature particulière de cet oxyde d'aluminium qui présente une composition, un gap électrique et une morphologie spécifiques.
Les analyses AES ont montré que la signature spectroscopique et la composition de cet oxyde (proche de la composition AlO) sont différentes des couches minces d'alumine de composition Al2O3 largement étudiées par ailleurs. Les mesures de pertes EELS et PES (en rayonnement synchrotron) associées aux mesures STS ont permis de mesurer un gap équivalent aux gaps mesurés dans les films minces d'Al2O3 d'épaisseur équivalente. Le gap mesuré est sur les deux substrats proche de 6,5 et ne varie pas (ou peu) avec les épaisseurs d'oxyde étudiées. L'étude STM nous a permis de vérifier l'homogénéité en épaisseur de cet oxyde avec en particulier la première monocouche d'oxyde qui mouille parfaitement le substrat d'argent. Le caractère très homogène de cet oxyde a été démontré a plusieurs reprises et notamment par l'investigation STM qui nous a permis d'obtenir des images du substrat au travers de l'oxyde et aussi de suivre en direct des processus de diffusion à l'interface de l'argent et de l'oxyde.
L'étude menée sur le substrat de silicium, répondant à un objectif plus appliqué a donné lieu à des résultats encourageants. On a vu que la méthode de réalisation de l'oxyde s'applique très bien pour des substrats de silicium hydrogéné. Le caractère homogène de l'oxyde a été mis en évidence par AFM ou TEM. En effet l'oxyde n'augmente que très peu la rugosité initiale mesurée sur le substrat de silicium et les images TEM présentent une interface silicium oxyde de très grande qualité. On observe que le substrat de silicium, pourtant réactif à l'oxygène, n'est jamais oxydé lors de la croissance de l'oxyde par cette méthode.
Ces couches d'oxyde sont d'une grande stabilité thermique. L'étude menée par AES, SNMS et TEM a montré que les températures de diffusion de métaux ferromagnétiques comme le cobalt dans cet oxyde sont compatibles avec des applications industrielles.
Domaines
Physique [physics]
Loading...