Les barrières tunnel déposées par épitaxie par jets mo-

La croissance complète d’une jonction tunnel nécessite de maîtriser convenablement

chaque étape depuis la préparation de la surface jusqu’au recuit de cristallisation. Nous

avons réalisé l’empilement : Pd (8 nm)/Fe (15 nm)/MgO (2 nm)/substrats (SOI/GeOI).

La figure 3.8 détaille chaque étape du dépôt de la jonction tunnel sur les substrats de

SOI/GeOI.

L’intérêt d’une croissance par EJM est la maîtrise des interfaces. La reconstruction de

surface permet de limiter le nombre de liaisons pendantes et améliore la cristallinité de

l’oxyde de magnésium sur silicium comme le montrent les travaux de Spiesseret al.[75].

La reconstruction de surface sur silicium nécessite un recuit à haute température

(T>850˚C) et nous avons rencontré plusieurs problèmes de contamination au carbone

durant ces recuits. L’origine des contaminations peut être multiple : espèces carbonées

dans la chambre de dépôt, produits chimiques utilisés pour le nettoyage de l’échantillon,

contamination de l’oxyde natif sur les substrats de silicium.

Nous avons alors optimisé la première étape de nettoyage de l’échantillon. Une approche

simpliste consisterait à enlever l’oxyde natif des substrats en utilisant uniquement de

l’acide fluorhydrique mais si la contamination au carbone vient de cet oxyde alors les

espèces carbonées ne sont pas supprimées et peuvent se déposer à nouveau à la surface

du substrat.

Une approche plus élaborée consiste à faire des cycles de nettoyage de type RCA

₁

/RCA

₂

[94] ou bien Shiraki [95]. Ces méthodes consistent à alterner des bains d’acides, afin

d’attaquer les espèces organiques et métalliques, et des bains oxydants pour recréer

une couche contrôlée d’oxyde mince de qualité micro-électronique. Des étapes

intermé-diaires d’acide fluorhydrique sont nécessaires pour supprimer les oxydes. Enfin la dernière

couche d’oxyde est retirée soit avant introduction soit in-situ par un recuit à haute

tempé-rature. C’est cette dernière solution qui nous a permis d’obtenir les meilleurs résultats de

reconstruction de surface sur silicium sans contamination au carbone par un recuitin-situ

à environ 1 000˚C. La recette chimique utilisée est une solution intermédiaire au procédé

RCA et Shiraki, tout aussi efficace mais bien plus rapide. Elle est résumée en figure 3.6.

Les espèces carbonées sont attaquées par un bain d’acide nitrique (HNO

₃

) chauffé à 70˚C.

Ce même bain permet de recréer un oxyde mince et propre à la surface du silicium.

Epitaxie du MgO sur le silicium et germanium

Figure 3.6 – Étapes de nettoyage chimique d’un échantillon de silicium avant dépôt. Cela

consiste en une répétition d’un cycle d’acide fluorhydrique (1%, 30sec) et d’acide nitrique

(70˚C, 10min, 65%). Le premier pour dissoudre l’oxyde de silicium et le second pour

attaquer les espèces carbonées mais aussi former une nouvelle couche d’oxyde propre.

(a) (b)

Figure 3.7 – (a) Accord des mailles cristallines entre le silicium, le MgO et le fer depuis

une croissance par épitaxie par jets moléculaires. (b) Même croissance sur un substrat de

germanium.

important pour la croissance épitaxiale est la différence des paramètres de maille entre le

matériau support et le matériau à déposer. Pour ces croissances, nous avons utilisé

uni-quement des substrats orientés suivant l’axe [001].

La différence de maille cristalline entre le MgO avec un paramètre de maille de 4,211

Å et le silicium avec un paramètre de maille de 5,431 Å est de 22%. Cette différence est

très élevée mais un rapport plus faible de 3,4% est obtenu lorsque 4 mailles élémentaires

de MgO coïncident avec 3 mailles élémentaires de Si. Ensuite la maille cristalline du Fer

croît à 45˚sur le MgO. Il en résulte une épitaxie difficile comme le montre la figure 3.7(a)

de type Fe[100]kMgO[110]kSi[110] en accord avec les expériences passées [75].

Dans le cas du germanium, le paramètre de maille est de 5,6558 Å ce qui correspond à une

différence de 26% avec le MgO. De la même façon que pour le silicium, une différence de

-0,7% est obtenue pour 4 mailles élémentaires de MgO sur 3 mailles élémentaires de Ge.

Mais expérimentalement et comme indiqué dans la référence [96],ce n’est pas ce scénario

qui est observé mais plutôt une rotation de 45˚de la maille du MgO sur la maille cubique

du Ge qui donne une différence de mailles de 5,3%. L’empilement résultant est

schéma-tisé dans la figure 3.7(b) : Fe[100]kMgO[110]kGe[100]. Le fer se retrouve réorienté dans

le plan comme le Ge à cause d’une nouvelle rotation de 45˚.

Malgré tout, la croissance de MgO sur le germanium donne des qualités cristallines bien

meilleures que la croissance sur les substrats de silicium. La figure 3.8 donne l’exemple

de la croissance sur germanium.

Figure 3.8 – Étapes détaillées de dépôt de jonctions tunnel ferromagnétiques Pd (8nm)/Fe

(15nm)/MgO (2nm) déposées par épitaxie par jets moléculaires sur des substrats de SOI

ou de GeOI.

Étapes de dépôt de la jonction tunnel ferromagnétique

— La première étape consiste à préparer la surface du substrat pour déposer l’oxyde de

la jonction tunnel ferromagnétique. Il y a deux avantages à préparer la surface des

substrats sous ultra-vide : premièrement, des études précédentes ont montré qu’une

reconstruction de surface du silicium favorisait l’épitaxie du MgO [75]. De plus, une

reconstruction de surface permet aussi de saturer au mieux les liaisons pendantes

du substrat afin de minimiser la densité d’états d’interface. La reconstruction de

surface (2×1) demande des recuits à environ 800-1 000˚C pour le germanium et le

silicium [100]. Les atomes du dernier plan atomique se lient alors pour former des

dimères.

Pour le silicium, un traitement chimique schématisé en figure 3.6 a dû être utilisé

afin d’éviter l’apparition d’un carbure de silicium en surface, elles se terminent par

une croissance contrôlée d’un oxyde propre et fin sur les substrats de silicium. Ils

sont ensuite désoxydés in-situ dans la chambre d’évaporation entre 1 000˚C et 1

050˚C.

Dans le cas du germanium, la contamination au carbone est moins présente. Un

simple dégraissage, une désoxydation à l’acide fluorhydrique de la protection de

SiO

₂

, un transfert dans l’eau désionisée et un recuit à 800˚C permetent d’obtenir la

reconstruction de surface (2×1). Le cliché RHEED est ici donné en figure 3.8(2)

pour le cas d’une reconstruction (2×1) de germanium, avec en pointillés les raies

correspondant à la reconstruction et en traits pleins les tiges de diffraction

princi-pales.

— L’échantillon est ensuite thermalisé à une température pour le molybloc proche

de 400˚C, ce qui correspond approximativement à une température de 350˚C sur la

surface de l’échantillon. L’oxyde de magnésium est déposé à un flux de 0,025 Å.s

⁻¹

jusqu’à atteindre une épaisseur de 2 nm qui est suivie par une balance à quartz. En

figure 3.8(3), on retrouve le cliché RHEED suivant l’axe [110] d’une croissance

épitaxiale de MgO. Pour améliorer la cristallisation, la couche est recuite durant 5

minutes à environ 700˚C et les tiges du cliché RHEED s’affinent quelque peu.

— Après un retour à température ambiante, 15 nm de fer sont déposés à un flux de 0,5

Å.s

⁻¹

. Il s’en suit un recuit à haute température afin de lisser la couche

ferroma-gnétique initialement rugueuse, on observe alors une nette amélioration du cliché

RHEED.

— Afin de protéger le fer qui est facilement oxydable, une couche de 8 nm de

pal-ladium est déposée sous un flux de 0,5 Å.s

⁻¹

. Le cliché RHEED démontre une

croissance épitaxiale du palladium sur le fer.

Comme nous le verrons par la suite, les techniques de caractérisation utilisées démontrent

la qualité cristallographique des jonctions tunnel ferromagnétiques déposées par EJM.

Dans le document Étude de l'injection et détection de spin dans le silicium et germanium : D'une mesure locale de l'accumulation à la détection non locale du courant de spin (Page 65-69)