Tatiana Chancelle Mbouja Signe

Mardi 4 novembre à  - Etude et développement de procédés de gravure par plasma froids pour les couches minces de V₂O₃

Résumé :

Cette étude, menée au sein de l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), vise à proposer, pour la première fois, un procédé de gravure par plasma froids pour le V₂O₃, un matériau de prédilection dans la fabrication de dispositifs mémoires et neuromophiques. Elle s’inscrit dans le cadre du projet Mott-IA, porté par l’équipe PMN du laboratoire (IMN), visant à développer une électronique frugale à travers ces dispositifs. Une étape importante dans la réalisation de ces dispositifs, repose sur les procédés de mise en forme comme le dépôt de couches minces et la gravure par plasma. Les couches minces gravées ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron suivie d’un recuit ex situ. Le développement de nos procédés de gravure repose sur la compréhension conjointe du plasma ainsi que des mécanismes mis en jeux lors de l’interaction entre le plasma et la surface.  Nous avons fait le choix de travailler avec des plasmas fluorés issus du mélange SF₆/Ar. Dans un premier temps, les études de la phase gazeuse ont été réalisées en utilisant trois techniques complémentaires : la sonde de Langmuir pour déterminer les propriétés électriques de nos plasmas, notamment les densités et les températures électriques puis, la spectroscopie d’émission optique et la spectrométrie de masse pour d’une part accéder aux informations relatives à la concentration relative en fluor atomique et d’autre part  à l’évolution de la population d’ions et de neutres de ces plasmas. Le suivi des vitesses de gravure est fait par ellipsométrie in situ. Les surfaces gravées sont ensuite caractérisées par XPS, MEB, AFM, DRX et TEM. Les résultats obtenus montrent que les couches minces de V₂O₃ peuvent être gravées en plasma SF₆/Ar, avec et sans polarisation du substrat avec des vitesses de gravure relativement importantes. Nous avons également identifié un phénomène inhabituel de la gravure RIE, au cours duquel la gravure chute brusquement ou s’annule complètement pour des faibles valeurs de potentiels d’auto polarisation du substrat (<160 V). La complémentarité de nos techniques d’analyses plasma et de surface nous ont finalement conduit à identifier un composé de type VO_xF_y responsable de ce phénomène de blocage, ainsi que deux principaux produits de gravure : VOF₄ et VOF₂.

Mots clés : gravure plasma, RIE, V₂O₃, Isolants de Mott, plasma SF₆/Ar, plasma SF₆/Ar/O₂

Study and development of cold plasma etching processes for V₂O₃ thin films

Abstract :

This study, conducted at the Jean Rouxel Institute of Materials of Nantes (IMN), aims to propose, for the first time, a cold plasma etching process for V₂O₃ thin films, a preferred material for memory and neuromorphic device applications. It is part of the Mott-IA project, carried out by the PMN team of the laboratory (IMN), where the objective is to develop frugal electronics through these devices. An important step in the realization of these devices is based on structuration processes such as thin film deposition and plasma etching processes. The etched thin films were deposited by magnetron sputtering followed by ex situ annealing. The development of our etching process is based on the joint understanding of the plasma as well as the mechanisms involved during the plasma-surface interaction. For this study, we have chosen to work with fluorinated plasmas from SF₆/Ar mixtures in particular. Initially, gas phase studies were carried out using three complementary techniques: we used a Langmuir probe to investigate the electrical properties of our plasmas, such as their electrical densities and temperatures. Next, we used optical emission spectroscopy and mass spectrometry to find out about the relative concentration of atomic fluorine and how the ion and neutral species of these plasmas changed with usual parameters. Etching rate monitoring is done by in situ ellipsometry. The etched surfaces are then characterized by XPS, SEM, AFM, XRD, and TEM. The results obtained show, on the one hand, that V₂O₃ thin films can be etched in SF₆/Ar plasma, with and without substrate polarization, with relatively high etching rate. We also identified an unusual phenomenon of RIE etching, where, the etching rate drops abruptly or completely cancels for low values of self-bias potentials (<160 V). The complementarity of our plasma and surface analysis techniques finally led us to identify a VOxFy-type compounds responsible for this blocking phenomenon, as well as two main etching products for the studied etching conditions: VOF₄ and VOF₂.

Keywords : Plasma etching, RIE, V₂O₃, Mott insulators, SF₆/Ar plasma, SF₆/Ar/O₂ plasma