Lithographie AFM sur SOI

En 1990, Dagata et al [15] ont réalisé pour la première fois des lignes d’oxyde sur une

surface passivée de Si(111), dopé n à l’aide d’un STM à l’air. Depuis, de nombreuses études

ont été réalisées afin de comprendre les mécanismes qui rentrent en jeu pendant ce type de

lithographie. L’AFM a été préféré au STM, étant adapté également pour les surfaces non

métalliques. De plus, pour l’oxydation sous pointe, il est nécessaire d’appliquer une tension

sur la pointe. Pour le STM la boucle de contre-réaction est basée sur la mesure du courant

tunnel qui dépend de la tension appliquée. Pour l’AFM la tension appliquée sur la pointe

n’affecte pas la boucle de contre-réaction (l’asservissement en hauteur).

Le principe de l’oxydation en surface du silicium consiste à appliquer une polarisation

négative sur la pointe par rapport à la surface. Une réaction d’oxydation est ainsi induite très

localement sur la surface du silicium.

Les premières expériences de lithographie AFM sur du silicium ont été réalisées en

mode contact [34], [35]. Tsau et al [34] ont induit des changements sur une surface de Si de

type p par une pointe AFM polarisée négativement. Un traitement HF dissolvant

sélectivement l’oxyde de silicium montre sur l’image AFM prise par la suite une dépression

dans les zones lithographiées, ce qui confirme la nature chimique de l’oxyde. Comme la

largeur des motifs (~10nm pour une tension d’écriture de -10V) est plus faible que le diamètre

de courbure de la pointe, les auteurs ont expliqué l’oxydation comme un phénomène induit

par le champ électrique sous la pointe. Ils ont également montré une liaison entre la géométrie

de la pointe et les motifs.

Mécanisme d’oxydation sous AFM

Le mécanisme d’oxydation, ainsi que les différents paramètres affectant les dimensions

des oxydes, ont été longuement étudiés.

Une première explication du mécanisme d’oxydation a été proposé par Snow et al. [34]

qui ont fait de la lithographie sous tension pulsée. Les auteurs ont proposé un mécanisme

d’oxydation qui pourrait expliquer la croissance d’oxyde sur les surfaces de silicium : une

électrolyse en solution. Dans l’oxydation anodique, les ions O

^-

se combinent avec les trous

dans le Si formant des liaisons Si – O en surface. Le même comportement a été observé sur

des surfaces n et p. Ainsi le facteur limitant le processus ne peut pas être la génération des

trous, mais plutôt la génération d’ions O

^-

. Il existe une diminution de la vitesse de croissance

après des oxydations initiales, qui est due au fait que les ions O

^-

doivent d’abord diffuser à

travers l’oxyde existant. Ce mécanisme n’est pas clairement expliqué, parce que la source

d’ions oxygène n’est pas identifiée à l’air ambiant.

Une évolution dans le domaine de la lithographie AFM sur silicium est marquée par

Wang et al [36]. L’article montre des résultats d’oxydation sous pointe AFM en mode

non-contact. De plus, en termes d’explications du mécanisme, les auteurs montrent que le courant

pointe – surface n’est pas suffisamment élevé pour que l’oxydation soit induite

thermiquement. Une hypothèse possible est que le processus est induit par effet de champ.

Dans l’air, il n’y a pas assez d’espèces oxydantes (O

^-

), par contre dans l’eau leur

concentration est suffisante pour fournir assez d’ions pour la croissance de l’oxyde AFM. Les

auteurs postulent que le mécanisme d’oxydation par la pointe AFM est une anodisation de la

surface grâce à une couche d’eau entre la pointe et la surface. Cette hypothèse a été confirmée

par les expériences de Schenk et al [37] : ils ont suivi la formation d’une goûte d’eau entre la

pointe et la surface en fonction de l’humidité relative, comme le montre la Figure 14.

Figure 14 : Images au microscope électronique à balayage dans un environnement

contrôlé (pression, humidité, gaz) d’un ménisque d’eau formée entre la pointe et la surface

[37]. Quand l’humidité relative dans l’enceinte du microscope diminue, la goutte s’amincit.

La lithographie par AFM en mode non-contact s’est répandue et il y a eu beaucoup

d’études concernant le mécanisme d’oxydation, les paramètres d’écriture et leur influence sur

l’oxyde crée.

L’explication du mécanisme d’oxydation comme une anodisation dans un ménisque

d’eau a été argumentée [18], [38] et elle est généralement acceptée aujourd’hui. Les ions

d’oxygène qui réagissent avec le silicium proviennent de la réaction d’hydrolyse de l’eau :

− +

+

+

→

+xH SiO xH xe

Si

₂

0

_x

2 2

Tension de seuil de l’oxydation

Plusieurs expériences ont montré qu’il existe une tension seuil qu’il faut appliquer entre

la pointe et la surface pour que l’oxydation commence [39], [18], [19]. Ce phénomène a été

expliqué des différents manières :

• la tension seuil est associée au champ électrique critique qu’il faut appliquer

entre la pointe et la surface pour polariser et attirer la goutte d’eau vers la pointe

[18]. Le champ critique pour plusieurs distances pointe – échantillon a été estimé

à 13MV/cm. La mise en évidence de la formation de la goutte d’eau se fait en

analysant la réduction de l’amplitude des oscillations et les changements dans les

courbes de résonance provoqués par la force attractive du ménisque d’eau

(déplacement du pic de résonance vers les basses fréquences à cause des forces

de capillarité et diminution du facteur de qualité à cause de la viscosité de l’eau).

• La tension seuil est associée au champ minimal pour dissocier les atomes

d’hydrogène de la surface. Elle ne dépend pas de la nature ou de la concentration

des oxyanions [19].

Modèles cinétiques de l’oxydation AFM

Les premiers modèles de la cinétique de croissance de l’oxyde ont été réalisés par

Stievenard et al [40] et Avouris et al [41]. La croissance des oxydes sous polarisation de la

pointe SPM est assistée par le champ électrique entre la pointe et la surface.

La croissance est auto limitante. La vitesse de croissance diminue rapidement quand

l’oxyde croit. Plusieurs explications ont été proposées pour cette limitation :

• limitation de la concentration d’espèces oxydantes [34].

• le modèle de l’épaisseur de coupure,

L L

E

V

h = , basé sur la diffusion ionique des

ions OH

^-

ou O

^-

à travers la couche d’oxyde pour arriver à oxyder le silicium. La

croissance est assistée par le champ électrique jusqu’aux champs de 10MV/cm.

Stievenard et al [40].

• Avouris et al [41] ont proposé les contraintes mécaniques liés à la diffusion de

l’oxyde comme phénomène physique limitant la croissance. Dans cette optique,

le désaccord de densités entre le silicium et l’oxyde de silicium induit une

contrainte dans l’oxyde, et donc, une augmentation de l’énergie d’activation pour

l’oxydation.

• Dagata et al. [42] ont montré que les effets de zone de charge d’espace sont

cohérents avec la diminution rapide des vitesses de croissance. Ce modèle a pu

également expliquer les dépendances de la cinétique avec le dopage, le type de

tensions d’écriture, les variations de densités etc., que les modèles concurrents

n’ont pas réussi à expliquer. Nous remarquons que ce modèle peut également

expliquer l’existence d’une tension de seuil associée à ce processus d’oxydation.

Oxydation AFM sous tension continue ou sous tension pulsée ?

Concernant le choix entre une écriture sous tension continue et une écriture sous une

tension implusionelle, Perez-Murano et al [17] ont mis en évidence que l’épaisseur de l’oxyde

sous de tension alternative (AC) est plus importante que pour une tension continue (DC). Par

contre pour la largeur à mi-hauteur, c’est en DC que les oxydes sont plus larges. En

conclusion, le rapport d’aspect est plus important en AC qu’en DC, donc pour obtenir des

structures plus minces, il est plus intéressant d’écrire sous une impulsion de tension. Le choix

d’une tension AC est aussi indiqué pour limiter l’effet de la zone de charge d’espace.

Il est probable que la résolution sera limitée non seulement par la taille de la pointe,

mais également par la goutte d’eau qui défocalise le champ électrique. La taille de la goutte

est gouvernée par les forces de capillarité, les forts gradients de champ au bout de la pointe, le

mouillage du substrat et l’humidité [41]. L’oxydation sous une impulsion de tension diminue

l’effet d’élargissement de défocalisation du champ électrique dans la goutte d’eau [42].

Qualité de l’oxyde AFM

Nous pouvons nous poser des questions concernant la qualité de l’oxyde SPM par

rapport à un oxyde thermique. Morimoto et al. ont montré [43] que l’utilisation d’une tension

AC pour éviter la formation de la zone de charge d’espace induit d’autres avantages, comme

notamment l’augmentation du rapport d’aspect hauteur/largeur des oxydes tracés et aussi une

bonne homogénéité de l’oxyde. La qualité des substrats de type n n’est pas affectée par

l’oxyde SPM, alors que pour le type p, les auteurs ont mis en évidence des dislocations qu’ils

ont pu guérir par un recuit.

La rugosité de surface est la même pour un oxyde SPM que pour un oxyde thermique,

c'est-à-dire très faible [44].

En conclusion, le mécanisme de lithographie par SPM se fait en plusieurs étapes [42]

(cf. Figure 15) :

1. formation, induite par le champ électrique, du ménisque d’eau entre la pointe et

la surface ;

2. croissance de l’oxyde à partir d’oxydants résultants de l’électrolyse de l’eau et de

leur migration induite par le champ électrique à travers l’oxyde déjà crée ;

3. recombinaison des réactants et des ions produits présents dans l’eau quand la

tension revient à zéro ;

Figure 15 : Etapes de croissance d’oxyde pendant un créneau de tension : (1) formation,

induite par le champ électrique, du ménisque d’eau entre la pointe et la surface ; (2) la

croissance de l’oxyde à partir des oxydants résultants de l’électrolyse de l’eau et de leur

migration induite par le champ électrique à travers l’oxyde déjà crée (3) recombinaison des

réactants et des ions produits présents dans l’oxyde quand la tension s’arrête et (4) le

système regagne l’équilibre électrique [42].

Dans le document Effet de champ et blocage de Coulomb dans des nanostructures de silicium élaborées par microscopie à force atomique (Page 63-68)