Vers la réalisation de composants nanoélectroniques par anodisation localisée par AFM

par Nicolas Guillaume

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser

Sous la direction de Martine Le Berre.

Soutenue le 14-12-2015

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Jumana Boussey.

Le jury était composé de Francis Calmon, Etienne Puyoo.

Les rapporteurs étaient Laurence Ressier, Christophe Vallée.

mots clés

• Electronique
• Nanoélectronique
• Anodisation métallique
• AFM - Atomic force microscopy
• Couches minces
• Résistivité électrique
• Transport
• Titane
• Conduction ionique
• Nanoélectronique

Résumé

Ce travail de thèse se compose de deux parties : tout d’abord nous avons caractérisé sur le plan morphologique des motifs de TiOx réalisés par anodisation localisée par AFM (LAO) dans des couches pleines plaques de 5 nm de titane. Nous avons étudié l’influence de la tension d’oxydation, de la vitesse de balayage de la pointe AFM, de l’humidité relative de l’environnement, du mode AFM (contact ou intermittent) et du type de pointe. Les motifs les plus fins atteignent une largeur à mi-hauteur de 21 nm pour 2.2 nm de hauteur, ils sont obtenus avec une pointe PtSi utilisée en mode intermittent sous une tension de polarisation de -7V, une vitesse de balayage de 0.4 µm.s-1 et dans un environnement comportant une humidité de 43%. La deuxième partie de notre travail a été consacrée à l’élaboration et à la caractérisation de jonctions planaires MIM Ti/TiOx/Ti. Ces jonctions sont des motifs TLM de titane comportant une ligne transverse de TiOx réalisée par LAO. Lorsque les jonctions sont stressées électriquement sous air, une transformation morphologique irréversible se produit pour une densité de courant et un champ électrique atteignant de l’ordre de 7.1010 A.m-2 et 3.107 V.m-1 respectivement. Des analyses chimiques et structurales basées sur la microscopie électronique à transmission ont montré que la ligne initiale de TiOx amorphe s’était considérablement élargie et est constituée d’une zone de TiOx cristallin. Cette transformation peut être évitée en appliquant le stress électrique sous vide. Enfin des mesures électriques en température ont permis d’élucider les mécanismes de conduction : émission Schottky sous vide et conduction ionique sous air.

mots clés

• Electronics
• Nanoelectronics
• Metal anodization
• AFM - Atomic force microscopy
• Titanium
• Thin films
• Resistivity

Titre traduit

Toward the realization of metalic nanoelectronic devices using local anodisation by AFM

Résumé

This work is divided in two specific parts: first of all we caracterized oxide patterns made by local anodic oxidation using an AFM on 5nm titanium wafers. We caracterized the morphology of the patterns. We studied the influence of several parameters such as oxidation voltage, writing speed of the AFM tip, relative humidity of the environment, AFM modes (contact or tapping)and the type of the tips we used. Most thinnest pattern we made reaches a full width at half maximum of 21nm with a 2.2nm height. It was obtained using a PtSi coating tip in tapping mode with an oxidation voltage of -7V, a writing speed of 0.4 um/s and a relative humidity of 43%. The second part of our work was dedicated to the realization and the characterization of planar MIM junction Ti/TiOx/Ti. These junctions are TLM patterns with a TiOx line cross-ways over the microwire of the TLM pattern. When the junctions are stressed electrically under ambient atmosphere, an irreversible morphological transformation is happenning for a current density and an electric field of 7.1010 A/m² and 3.107 V/m respectively. Chemical and structural analysis based on transmission electronic microscopy have shown that the initial amorphous TiOx junction have grown importantly with an area of crystalline TiOx. This transformation can be avoided by applying the electric stress under vacuum. Finally, electrical measurements in temperature highlighted the transport mecanisms within the junction: Schottky emission under vacuum and ionic conduction under ambient atmosphere.