Compte Rendu Final

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UNIVERSITE DE POITIERS Facult des Sciences Fondamentales et Appliques Master 1, mention Physique, Matriaux Anne2010 - 2011 Rapport de stage Prsent par Jonathan COLIN et Caroline SZALA tude in-situ et en temps rel des premiers stades de croissance d'un film mtallique de Tantale : influence des paramtres de dpt et des proprits dinterface sur la nuclation d'une phase cristalline Sous la responsabilit de Christiane JAOUEN Stage effectu au laboratoire PHYMAT institut Pprime Remerciements NospremiersremerciementsvontversMlle AmlieFILLON,dontletravaildethseaservide point de dpart pour notre tude et pour la comprhension de notre sujet. NoustenonsremercierMmeAnnyMICHEL,poursesanalysescomplmentairessurles diffrents chantillons tudis et sa connaissance pointue des logiciels utiliss. MerciMrPhilippeGUERINdontlesconnaissancesencyclopdiquessurlamachine de dpt nous ont permis d'en matriser les principales commandes et d'tre plus autonome chaque jour. NousremercionsaussiMrGrgoryABADIASpoursontravailenAFM,etsurtoutpourson exprience sur la technique de caractrisation in situ qui fut un prcieux gain de temps. NosderniersremerciementsetlesplusvigoureuxsontportsversMmeChristianeJAOUEN, dabordpoursapdagogieetsontravaildencadrementirrprochable,ainsiquepoursapatience,pourtant mise rude preuve. Nouslaremercionsaussipourlintrtquelleasunousporteretquenousavonspureporter sur notre travail. Table des Matires Introduction gnrale p.4 1. Le Tantale p.6 1.1 La phase p.6 1.2 La phase p.6 2. Techniques exprimentales mises en uvre p.7 2.1 Croissance par pulvrisationionique et conditionsde dpt p.7 2.2 Mesurede la courburedusubstratpar unemthode optiquep.9 2.3 RflectivitXp.10 2.4 Diffraction Xp.11 2.5 Microscopie force atomique (AFM)p.12 2.6 Mesurede rsistivit par la mthodedes 4 points p.12 3. Rsultatsp.14 3.1 Croissance de films de Ta surSi Mcanismes de nuclationde la phase p.14 a) Influencedes conditionsde prparation dusubstratp.14 b) Croissance sous diffrentesconditionsde dptp.16 c) tude des premiers stades de croissance du filmde Ta sursubstratde a-Si p.19 3.2 Croissance d'unfilm de Ta surunesous-coucheMo (110)p.21 a) volutionde la contraintep.21 b) Caractrisation structuraleet propri ts lectriquesp.22 4. Conclusion et perspectives p.25 Rfrences bibliographiques p.26 Annexe A p.27 Annexe B p.28 Annexe C p.29 4 INTRODUCTIONGENERALE Letantale(Ta) dans sa phase d'quilibre est un mtal rfractaire avec un haut point de fusion, une bassersistivitlectrique(~14 60.cm),unebonneductilitetuneexcellenteinertie chimique. Ces propritsspcifiquesluiconfrentdenombreusesapplicationspotentiellesdansledomainede llectroniqueet de la mcanique : mtal de contact des dispositifs magntiques en films minces, barrire de diffusion entre le cuivre (Cu) et le silicium (Si) dans les circuits intgrs (Holloway et al, 1990; Clevenger et al., 1993; Laurila et al., 2001), revtement protecteur pour la corrosion ou la rsistance lusure (Lee et al., 1999; 2004; Gladczuk et al., 2004; Maeng, 2006), etc. Sa structure est de type cubique centr (cc), dite phase.Lorsdelacroissancedefilmsminces,leTacrotgnralementselonlaphase-Ta,phase ttragonalemtastable,plusdureetplus fragile, de rsistivit plus leve (~150-210 .cm) que celle de laphase-Ta.Cen'estdoncpascettephasequelonsouhaiteformerpourlesapplicationsen microlectronique. Loriginedela formation de la phase nest pas bien connue. Le rle des impurets, et en particulier celuideloxygne,at parfois invoqu. C'est ainsi que Cataniaet al 1992 russissaient faire crotre la phaseenliminantlacouchedoxydenatifparundcapagechimiqueoupardcapageauxionsdu substrat de Si. Lasynthsedelaphase-Tapeuttreobtenueparrecuitthermiquedunfilm-Ta,maisla transformation ne se produit quau-dessus de 600 700C (Clevenger et al., 1992; Hoogeveen et al., 1996; Knepperetal.,2006),ellefaitapparatreunecontraintedetension(Clevengeretal.,1992),etprovoque ds450ClaformationduSiliciureTaSi2sursubstratdeSi(Moshfegh et Akhavan, 2001). On comprend ainsitouteladifficultdefavoriserlaformationdelaphaselorsdelacroissancedufilm.Plusieurs stratgies ont t mises en uvre pour contrler la formation plus spcifique dune phase. La premire est demodifierlesconditionsdepulvrisationetdecroissancedufilm(pression,tensiondedcharge, assistance ionique), la seconde est de jouer sur la prparation du substrat ou mme sa nature. Ilestcependantassezdifficiledediscernerlerleexactdesparamtresautraversdestudes pralables,lesconditionsexprimentalesn'tantpasoumalprciseset/oulesconditions du vide initial tantinsuffisantes.Quelquestudesmenespar,ungroupedIBMauxtats-Unis(Cataniaetal.,1993; Roy et al., 1993), une quipe japonaise (Inoet al., 1997) et enfin plus rcemment celles de Ren et al., 2008 et Navid et al., 2010, ddies plus spcifiquement au rle de lnergie dpose, sont intressantes dans la mesure o les paramtres taient bien contrls. Dans ltude dIno, la phase pouvait tre forme sur un substrat de Si oxyd si lnergie des ions argon est infrieure 20eV et ceci pour un rapport ion/atome trs lev(I/A>13).PourRen,les nergies des ions dassistance requises sont de lordre de 150eV avec un rapportI/Adelordrede1.Cesauteurssuggraientquelaphasetaitstabiliseparlaprsencede dfauts de croissance forms soit lorsque lapport dnergie est insuffisant, soit lorsquil est excessif, ce qui donnaitlieulacrationdedfautsparimplantationdes atomes de recul. Sous des conditions de dpt pulvrisationmagntronenmodepuls(forteassistanceioniquedionsTa+),Alamietal.,2007relatent galement que la phase est forme autour de 70eV. Sur un substrat de Si dcap chimiquement, Catania et al., 1993 observent au contraire cette phase sous une trs faible pression de gaz (0,04Pa), en labsence de toute tension de polarisation mais avec une pulvrisation trs haute vitesse de dpt (0.9nm/s). Pour rsumer,onpeutnoterunetrsgrandedisparitdesconditionsexprimentalesetgalementsouligner labsencecomplteduneanalysedesnergiesdesdiffrentesespcespulvrises(atomes,Ar rtrodiffussetionsAr)contribuantlaformationdufilm.Ilestdoncassezdifficilededgagerune dmarche exprimentale et dextraire des conclusions. 5 Lerledusubstrat ou les mthodes de prparation ont fait lobjet de plusieurs tudes. Feinstein et al.,1973ainsiqueSato,1982ontralisdestudescomparativesdelacroissancedefilmsdeTasur diffrentssubstrats(oxydes,surfacesmtalliquessoxydantfacilementounon).Cestudesleur permettaient de conclure que la prsence doxygne ou dun groupement OH sur la surface du substrat est une condition ncessaire pour la nuclation de la phase. Ces auteurs notaient galement la formation de la phase sur des sous-couches de W(110) et de Ti(110), lune et lautre de structure cc. Face et al., 1987 ainsiqueSajovecetal.,1992montraientgalementlapossibilitdobtenirlacroissanceexclusivedela phaseparle dpt pralable dune couche de Nobium (Nb), ils attribuaient ce rsultat une croissance en pitaxie facilite par le faible dsaccord de paramtre entre -Ta et Nb (0,3%). De mme, Hoogeveen et al,1996observaientlacroissancede-Tasurunesous-couche Al(111),ilsenvisageaientunerelation d'pitaxiefavorableentrelesdeuxrseauxcc/cfcconduisantunfaibledsaccord selon l'une des deux directions(0,02%).L'tapedenuclationseraitdoncdterminantemaislesmcanismesmisenjeune sontpaslucids.Danssontravaildethse,Fillon,2010s'estintresselacroissanced'unfilmde Molybdne(Mo)surunsubstratdeSi.Unephasemtastableamorpheestalorsinitialementforme, stabiliseparuneminimisationdel'nergie d'interface, suivie d'une cristallisation une paisseur critique (h*~2,2nm)partirdelaquellelacontributiondevolumedevientfavorablelaformationdelaphase d'quilibre.LemmephnomnetaitobservpourleTungstneaveccependantune stabilisation de la phase amorphe jusqu' de plus fortes paisseurs (h*~3,2nm). Dans un souci de gnraliser son approche diffrentsmtauxdebassemobilit,FillonexaminaitgalementlecasduTa.L'volutionin-situdela contraintelorsdespremiersstadesprsentait un comportement assez diffrent de celui du Mo, et aucun changementdephasen'taitdtect.Parailleurs,quellesquesoientlesconditionsdepressionlorsdu dpt, les films prsentaient la structure -Ta. Cebreftatdeslieuxsurlacroissancedun film mince de Ta donne un aperu sur la difficult de contrlerlastructuredunfilmetmetenvidencelemanquede connaissances sur les mcanismes de nuclation dune phase cristalline. Lobjectif du stage est justement dapporter un clairage sur les premiers stadesdelacroissance. Acette fin, noussuivrons lvolution de la contrainte en cours de croissancepar une mesure in-situ de la courbure du substrat qui, couple avec dautres techniques de caractrisation ex-situ,permetdidentifierdestransformationstrssubtiles,voiretransitoires.Lacroissancedesfilmsest raliseparlatechniquedepulvrisationcathodiquemagntron,techniquepermettantdefairevarierles caractristiquesdesdistributionsennergiedesdiffrentesespcespulvrisesparunchoi xdes paramtres de dpt (pression du gaz, tension de polarisation). La stratgie exprimentale adopte pour ce travail est la suivante : Toutdabord,nousexamineronsconditionsdedptfixes(pression,tensiondedcharge, temprature) linfluence de la prparation du substrat de Si (Si oxyd, Si amorphe, Substrat de Si aprs un dcapage ionique de la couche doxyde natif) sur le mode de croissance du film. Nous tudierons ensuite linfluence des paramtres de dpt (pression du gaz, tension de polarisation) afindexaminernouveaulerlepossibledestransfertsdnergiecintiqueauxadatomeset/oulerle des dfauts crs sur le problme de la nuclation prfrentielledune phase. Afindidentifier les mcanismes de nuclation, nous analyserons trs finement les premiers stades de croissancedechacunedesdeuxphases,laphasesurunesous-coucheneutredeSiamorpheetla phase sur une sous-couche Mo(110) de structure cc. Cemmoireprsentelensembledestudesralisesaucoursdecestage.Alasuitedecette introduction, nous donnerons un aperu des proprits structurales, thermodynamiques et mcaniques du tantale en phase et, si connues, en phase . Nous dcrirons ensuite succinctement les caractristiques