Couches minces d’oxynitrure de tantale déposées par pulvérisation réactive. Étude du système Ta-Ar-O2-N2 et caractérisation des films

TaON thin films deposited by reactive sputtering. Ta-Ar-O2-N2 process study and films characterizations

• Auteur / Autrice : Fadi Zoubian
• Direction : Eric Tomasella, Angélique Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/07/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (ICCF) Institut de Chimie de Clermont-Ferrand
• Jury : Président / Présidente : Eric Millon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Thomas, Mohammed Belmahi, Christine Taviot-Gueho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Thomas, Mohammed Belmahi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ellipsométrie

Couches minces

Projection au plasma

Mots clés libres

TaOxNy

Pulvérisation réactive

Empoisonnement de cible

Analyse plasma

Couches minces

Structures

Ellipsométrie

TaOxNy

Reactive sputtering

Target poisoning

Plasma analysis

Thin films

Structure

Ellipsometry

Résumé

Le but de ce travail de thèse est d’étudier les propriétés d’un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d’oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L’élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d’une cible de tantale au moyen d’un plasma contenant à la fois de l’argon, de l’oxygène et de l’azote est complexe en raison de phénomènes d’empoisonnement de la cible. L’analyse de la composition du plasma par spectroscopie d’émission optique et le suivi de l’évolution de certaines raies représentatives d’espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d’Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.

The aim of this thesis is to study the properties of a reactive plasma as well as the structural, optical and electrical properties of tantalum oxynitride thin films (TaOxNy) prepared by radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary material by sputtering a pure tantalum target using plasma containing both of argon, oxygen and nitrogen is complex due to the target-poisoning phenomenon. The analysis of the composition of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring the evolution of some representative line of excited species in this environment, allow us to determine the optimal conditions to deposit TaOxNy films over a wide range of composition. Thanks to a study by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we followed the structural evolution of the films subjected or not to a rapid thermal annealing. We showed by what were constituted the amorphous and crystalline parts of the films and determined the size of the crystalline domains. Finally, the optical properties (refractive index, optical gap, Urbach parameter) and dielectric behavior have been correlated with the structure of materials.