Microfabrication des jonctions tunnels

Nous expliquerons dans cette partie les différentes étapes de microfabrication d’une jonction tunnel à partir d’un échantillon de type LSMRO/LSMO/STO/LSMO déposé sur STO. Le dispositif microfabriqué permet une mesure électrique de la jonction dans une configuration perpendiculaire.

La première étape consiste à graver, à l’aide d’une gravure sèche par plasma Argon, l’électrode du haut (LSMRO et LSMO) en s’arrêtant au niveau du dessus du STO de la barrière à l’aide su SIMS. Le bâti de gravure et les conditions utilisés sont identiques à celles de la gravure du yoke pour les couches minces. Le SIMS est indispensable lors de cette première étape puisqu’il permet de s’arrêter au niveau du dessus de la barrière de STO. Cette précaution rajoute une étape de gravure mais néanmoins évite le re-dépôt de LSMO et la création de lacunes d’oxygène ou de défauts sur le bord de la jonction. En utilisant ce procédé nous évitons les fuites possibles au niveau de la jonction.

0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 1200 In te n si té ( ?) Temps (min) Strontium Titane Lantane

Figure II-27 : Suivis SIMS de la gravure. Arrêt de la gravure après gravure de la barrière de STO.

La deuxième étape est la définition de l’électrode du bas par la gravure de la barrière de STO et de l’électrode de LSMO du bas. Ensuite lors de la troisième étape, le STO de la barrière est gravé à l’endroit où seront positionnés les contacts de l’électrode du bas.

La quatrième étape est l’étape de passivation durant laquelle 110nm de Si3N4 sont déposés par

pulvérisation cathodique sur tout l’échantillon sauf sur le centre de l’électrode du haut et sur les contacts de l’électrode du bas. Le Si3N4 déposé isole l’électrode du haut et celle du bas et

évite les courts-circuits. Le dépôt par pulvérisation consiste en un plasma d’Ar, crée par un champ RF qui est accéléré sur les cibles métalliques. Des particules sont alors éjectées lors de la collision avec les ions Ar+ et elles se retrouvent en suspension dans la chambre de dépôt et se déposent ensuite sur l’échantillon. Le Si3N4 étant un matériau isolant, il nécessite

l’utilisation d’un plasma RF. Des magnétrons magnétiques améliorent l’efficacité du dépôt. Le dépôt est réalisé sous angle après un nettoyage sous plasma d’oxygène de la surface afin

77 d’enlever toute trace de résine et d’améliorer ainsi l’accroche du matériau déposé. Le dépôt sous angle apporte un meilleur recouvrement des bords de la jonction. Le Si3N4 a été choisi

comme isolant pour sa stabilité avec les oxydes. En effet, il s’est avéré que l’Al2O3 échange

des oxygènes avec le STO notamment dans le temps et donc les propriétés du STO sont

modifiées. Le défaut du Si3N4 est que sa tension de claquage n’est pas abrupte comme dans le

cas de l’Al2O3 et un courant de fuite est couramment observé.

Enfin des contacts métalliques sont déposés par pulvérisation afin de pouvoir ensuite contacter la structure. La procédure est identique à celle présentée lors de la microfabrication des yokes sur couche mince.

Figure II-28 : Schéma des étapes de microfabrication d’une jonction tunnel.

Sur un substrat de STO, 9 jonctions peuvent être microfabriquées, trois de 10x10µm², trois de 8x8µm² et trois de 5x5µm². Pour chaque type de jonctions, deux jonctions possèdent leur électrode inférieure dans la direction 110, et la dernière dans la direction 1-10, afin d’étudier l’effet des marches du substrat sur les propriétés de transport. Une représentation du masque est présentée Figure II-29.

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(a) (b)

Figure II-29 : (a) Représentation du masque permettant de microfabriquer les jonctions. (b) Image de l’échantillon fini. Pour les deux images, l’électrode inférieure est représentée en vert et les contacts en

bleu.

Une fiche de suivi de la fabrication est présentée en Annexe C. Cette fiche contient les détails et les paramètres techniques des différentes étapes.

Etude du transport dans les dispositifs lithographiés

II.4

Dans cette partie, les différentes mesures de transport, de magnétotransport et de bruit, réalisées sur les structures microfabriquées, sont présentées. Ces mesures ont été réalisées

dans un cryostat à 4He permettant des mesures en température entre 300K et 4K et en champ

magnétique jusqu'à 1T. Le cryostat utilisé est composé d’un réservoir d’azote pour aider au maintien à froid, d’un compartiment contenant l’Hélium toujours à 4K et d’un anti-cryostat. L’échantillon est placé dans un compartiment au centre de l’anti-cryostat, en contact thermique avec celui-ci. Un capillaire est connecté entre le réservoir d’He et l’anti-cryostat et permet de faire circuler un flux d’Hélium variable. Deux résistances chauffantes, et deux sondes de température placées à l’entrée de l’anti-cryostat et près de l’échantillon, sont reliées à un contrôleur de température PID et permettent un contrôle de la température de l’échantillon. Enfin, un champ magnétique parallèle et perpendiculaire à l’échantillon de 1T peut être appliqué grâce à des bobines supraconductrices, placées dans le compartiment à He.

II.4.1 Les mesures de transport et de magnéto-transport

Durant cette thèse nous avons réalisé des mesures de transport et de magnéto-transport, sur des couches minces magnétiques et des jonctions tunnels magnétiques. Pour toutes les mesures nous avons travaillé dans une configuration « en quatre pointes » : un courant I est injecté aux extrémités d’un échantillon, la tension V est mesurée au centre de l’échantillon (Figure II-30). Cette technique permet d’accéder à la résistance de l’échantillon tout en s’affranchissant de la résistance des contacts. Les contacts métalliques de l’échantillon sont

79 connectés à un support en PCB à l’aide d’une microsoudeuse à ultrasons et d’un fil d’aluminium de 20µm de diamètre. Dans le cas des jonctions tunnels, des précautions sont prises afin d’éviter les décharges électrostatiques qui pourraient endommager les structures. Une mise à la masse de l’utilisateur lors de la manipulation des jonctions ainsi que des capacités de protection dans les circuits de mesure sont utilisés à cet escient.

Figure II-30 : Schéma de mesure résistance « quatre pointes » dans le cas des couches mince en yokes (a) et des jonctions tunnels (b).

Les mesures consistent à mesurer la tension aux bornes de l’échantillon après amplification à l’aide d’une carte d’acquisition, pour déterminer généralement la résistance de l’échantillon. La chaine de mesure de la tension est présentée Figure II-31. Les mesures sont faites en variant le courant, pour réaliser des courbes courant/tension (I/V), mais aussi en fonction de la température (entre 300 et 4K) et du champ magnétique (0T-1T). La fréquence d’acquisition maximale de la carte d’acquisition est 2Mhz, cependant, la fréquence d’échantillonnage est choisie par l’utilisateur en fonction de la mesure réalisée.

Figure II-31 : Chaine d’amplification et de mesure de la tension aux bornes de l’échantillon.