Brevet FR2641645A1 — publié le 19900713

DESCRIPTION PROCEDE DE REALISATION D'UN COMPOSANT MIM ET APPLICATION A LA REALISATION D'UN ECRAN PLAT OU D'UNE RAM La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un composant MIM (Métal-Isolant-Métal). L'invention trouve des applications notamment en électronique, dans la réalisation de composants ou de circuits; en affichage, dans la réalisation d'écrans plats à cristaux liquides du genre à matrice active; en informatique, dans la réalisation de mémoires de type RAM (mémoire à accès direct) dynamiques. Pour mieux comprendre les problèmes liés à l'invention et la solution que celle-ci préconise, on se placera dans le cas des écrans d'affichage à cris- taux liquides et à matrice active. Mais il va de soi que cet exemple n'est pas limitatif. On connalt un grand nombre de types d'écrans d'affichage à cristaux liquides. Celui qui se rapproche le plus de l'écran dont la présente invention envisage la fabrication est le type dit à matrice active. Un procédé de réalisation avantageux est le procédé à deux niveaux de masquage divulgué par le document FR-A-2 533 072. Ce procédé permet d'associer à chaque pixel un transistor à couches minces (TFT pour "Thin Film Transistor") dont la grille est reliée à une ligne d'adressage, la source à une colonne et le drain à l'é- lectrode du pixel. On connait d'autres écrans dans lesquels l'élément de commutation n'est pas un TFT mais un élément non linéaire. Le schéma général d'un tel dispositif est représenté figure 1. On y voit des colonnes d'adres- sage Cj et des condensateurs Cij ayant une première armature ou électrode eL, cette électrode étant reliée à la colonne voisine à travers un élément non linéaire Sij, Le tout étant disposé sur une première plaque non représentée. Les secondes armatures ou contre-électrodes cel sont reliées à des lignes d'adressage Li portées par une seconde plaque non représentée. L'application de tensions judicieuses sur les lignes Li et les colonnes Cj permet de charger ou de décharger le condensateur Cij à travers l'élément Sij. Le champ électrique résultant permet de commander l'état optique du cristaL liquide présent entre les deux plaques et d'afficher ainsi un point d'une image ("pixel"). Le document GB-A-2 091 468 divulgue un tel écran et un procédé de réalisation dans le cas o l'élé- ment non linéaire Sij est un composant dit MIM, c'est-à- dire un empilement métaL-isoLant-métal. L'invention a trait à ce genre de dispositifs et vise plus particulièrement un procédé de réalisation de tels composants MIM. Dans le document GB-A-2 091 468, les compo- sants MIM sont obtenus par dépôt d'un premier film métal- lique, anodisation produisant un film d'oxyde, puis dépôt d'un second film métallique sur l'oxyde. Une telle technique présente de nombreux inconvénients: - tout d'abord, elle exige quatre niveaux de masquage et photolithogravure, ce qui pénalise lourdement le rendement de fabrication, lequel décroît exponentielle- ment avec le nombre de niveaux, - ensuite, le recours au phénomène d'oxydation anodique exige des manipulations de la plaque support et pose de sérieux problèmes lorsqu'il s'agit d'obtenir des épaisseurs d'isolants homogènes de l'ordre de 10 à nm, comme c'est le cas lorsqu'on utilise l'effet thermoionique Schottky ou Poole-Frenkel préconisé dans le document; en effet, l'homogénéité de L'épais- seur, celle des qualités diélectriques et physiques 264 v6 45 et celle de la porosité de la couche d'oxyde anodi- que, dépendent de l'uniformité de la densité de courant Lors de L'oxydation anodique; cette densité est elle- mOie une fonction du relief des couches sous-jacentes (effets de pointe), de l'électrolyte utilisé, de -ses impuretés, de sa température, du pH, de L'agitation et du vieiLLissement du bain; en particulier, toute impureté électrochimique de l'électrolyte, notamment Les anions contenus dans Le bain, sont susceptibles d'être piégés dans t'oxyde, ce qui entraîne des risques de claquage électrique et des instabilités de conduc- tion, - enfin, le mécanisme de conduction lié aux effets Schot- tky ou PooLe-Frenkel, dans les couches d'oxyde épaisses (10 à 100 nm) dépend exponentieLLement de La températu- re, ce qui oblige à une régulation thermique précise, délicate et coûteuse du dispositif final. Le but de l'invention est de remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, eLLe propose un procédé de réalisation de composants MIM particulièrement simple et qui, lorsqu'il est utilisé pour réaliser un écran d'affichage, ne nécessite que deux niveaux de masquage. Le procédé s'affranchit de toutes les diffi- cultés Liées à l'anodisation et conduit à un phénomène de conduction quasiment insensible à la température et à la luminosité. Selon L'invention, on procède par oxydo-ré- duction mutueLLe de deux matériaux mis en contact l'un avec l'autre. De façon plus précise, la présente inven- tion a pour objet un procédé de réalisation d'un compo- sant MIM ayant une couche isolante intercalée entre deux couches conductrices, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes: - on forme un empilement d'un premier matériau qui est un conducteur oxydant et d'un second matériau qui est un conducteur oxydabLe, - on porte cet empilement à une température apte à provo- quer une oxydo-réduction entre les deux matériaux, ce qui forme une couche intercalaire isoLante, - on ramène l'ensemble à température ambiante, ce qui laisse un composant MIM. Un tel procédé peut être mis en oeuvre pour obtenir soit un seul composant MIM, soit plusieurs compo- sants MIM répartis dans un circuit. Dans le cas de la réalisation d'un écran d'affichage ou d'une mémoire RAM, on réalisera une matri- ce de MIM sur un substrat selon le même procédé. Pour cela, on peut soit déposer d'abord le premier matériau conducteur oxydant sur un substrat, puis Le second, soit faire l'inverse et déposer d'abord le matériau oxydable sur le substrat puis le matériau oxydant. Un teL procédé évite les inconvénients de l'art antérieur et présente de nombreux avantages: - l'épaisseur de la couche isolante d'interface est contrôlée de manière reproductible par une simple considération de température et de durée du processus d'oxydo-réduction entre les deux matériaux; - la couche d'oxyde d'interface obtenue peut facilement être ajustée à une épaisseur de l'ordre de 5 à 10 nm, de sorte que l'effet mis en oeuvre n'est plus du type Schottky ou Poole-Frenkel mais du type effet tunnel; dans ces conditions, le courant est pratiquement insensible à la température; par ailleurs, il est insensible à la lumière; les écrans plats obtenus selon l'invention peuvent donc être utilisés dans un environnement sévère, et par exemple pour la projection d'images de grandes dimensions; - la hauteur de la "barrière tunnel" peut être réglée par le choix des matériaux; la mise en série de plu- sieurs MIM permet d'ajuster la largeur équivalente de la barrière; le réglage de la hauteur et de la largeur totale de la barrière tunnel permet de contrô- 264164S ter Les caractéristiques courant-tension des MIM et d'optimiser les tensions et courants de commande; - la mise en série de composants MIM est très simple et permet de symétriser complètement la caractéris- tique courant-tension du dispositif; - l'homogénéité de l'épaisseur des couches de matériaux oxydant et oxydable, soit au sein d'un même MIM, soit d'un MIN à l'autre, n'est pas critique, puisque le phénomène conduisant à la formation de La couche d'oxy- de se produit à l'interface des deux couches et non en voLume; - le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre quelle que soit la dimension de l'écran car l'obtention des MIM est automatique; il peut en particulier être utilisé pour des écrans de très grandes dimensions, ce que ne permet pas le procédé à TFT ou te procédé électrolytique décrits plus haut; les moyens tech- niques à mettre en oeuvre sont simples et en parti- culier n'exigent pas de salle blanche; en d'autres termes, la technologie utilisée est peu coûteuse et peut être qualifiée de "rustique"; - iL n'y a aucun risque de pollution de l'isolant puisque celui-ci est formé in situ, sans jamais être exposé à l'atmosphère; l'élément oxydant est interne au système des deux matériaux; - iL y a continuité physico-chimique dans tout le compo- sant MIM et non pas superposition de couches comme dans l'art antérieur, ce qui évite nombre des inconvé- nients liés à la superposition de différents matériaux et en particulier les problèmes d'adhérence entre couches. Quant aux matériaux utilisables pour mettre en oeuvre l'invention, ils peuvent être divers: - le premier matériau conducteur oxydant peut être pris dans Le groupe des oxydes métalliques conducteurs du type oxyde d'indium (In203), l'oxyde d'étain (SnO2), 264164S L'oxyde d'indium et d'étain, généralement appeLé ITO (In203 + SnO2), L'oxyde de zinc (ZnO), etc.; - Le second matériau conducteur oxydable est pris dans le groupe consistant en les semi-conducteurs dopés ou non du type silicium, germanium, les méLanges d'oxy- des (V205 - P205) (V205 PbO - Fe203), Les métaux AL, Ti, Ta, Ag, Cr, Cu, Mn, Mo, etc., Les alLiages oxydables. La température de formation de L'oxyde est comprise entre 200 et 700 C. C'est donc une technologie basse ou moyenne température. Par exemple, pour un ensem- ble substrat verre-ITO-aluminium, La température est avantageusement de 350 C environ. Pour un ensemble subs- trat-verre-ITO-polysilicium, La température peut être de 625 C environ. Pour le couple ITO- titane La tempéra- ture peut être de 520 C environ. L'étape thermique peut s'effectuer sous vide ou en présence de gaz (l'argon, oxygène par -exem- ple). Sa durée dépend de L'épaisseur de la couche isolan- te souhaitée. En généraL, cette durée est de L'ordre de 3 heures. L'étape thermique peut s'effectuer après la formation de L'empilement, mais elle peut intervenir aussi pendant que l'on forme cet empilement si L'opéra- tion de dépôt des couches s'effectue dans La plage requi- se pour l'oxydo-réduction. De toute façon, Les caractéristiques de L'invention apparaîtront mieux à La lumière de La des- cription qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette descrip- tion se réfère à des dessins annexes sur lesqueLs: - La figure 1, déjà dérite, montre La struc- ture générale d'un écran d'affichage à matrice active et à élément non Linéaire de type MIM, - La figure 2A montre les premières étapes (a, b, c, d, e) d'un premier mode de réalisation d'un écran d'affichage, - la figure 28 montre Les dernières étapes (a, b, c) de ce mode de réalisation, - la figure 3A montre Les premières étapes (a, b) d'un second mode de réalisation d'un écran d'affi- chage, - La figure 3B montre Les dernières étapes (a, b) de ce second mode de réalisation, - La figure 4 illustre l'allure des pistes gravées sur la contre-pLaque, - la figure 5A illustre une étape d'un procé- dé de réalisation d'une mémoire RAM dynamique, - la figure 5B illustre les autres étapes dudit procédé. Dans la description qui va suivre, on suppo- sera que le substrat est en verre, que le matériau conducteur oxydant est de l'ITO (oxyde d'étain et d'in- dium), et que le matériau oxydable est du silicium dopé ou non. Mais il va de soi que c'est à titre purement explicatif et que bien d'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être employés, comme indiqué plus haut. Dans le cas envisage, la couche isolante des composants MIM est alors de la silice résultant de l'oxydation du silicium par la couche d'ITO. Sur les figures 2A et 2B, on voit différentes étapes de réalisation de la plaque qui supporte la matri- ce de pixels et les MIM, selon un premier mode de réali- sation employant une couche oxydante située en dessous et une couche oxydable située au-dessus. Les différentes opérations et étapes obtenues sont Les suivantes: Figure 2A: a: sur un substrat isolant transparent 30, dépôt d'une couche 32 en ITO, b: photolithogravure d'une matrice de premiers motifs de connexion 34, et d'une matrice d'électrodes ayant chacune un appendice 36; c: dépôt d'une couche 38 de silicium dopé ou non sur L'ensemble, d: étape thermique pour constituer par oxydo-réduc- tion entre Le silicium et L'ITO, une couche de silice 37, e: dépôt audessus du siLicium d'un métal 41 (Al, W, etc.). Dans le cas o la résistance électrique du matériau oxydable est faibLe, cette étape n'est pas nécessaire. Figure 2B: a: photoLithogravure de la couche métallique 41, du silicium 38 et de la silice 37 pour former des colonnes d'adressage 39 chevauchant transver- saLement une partie des premiers motifs 34 et des seconds motifs de connexion 40 et chevauchant longitudinaLement une partie des premiers motifs 34 et transversalement les appendices 36. La gravure peut Laisser subsister des plots 42 constituant ce qu'i L est convenu d'appeler une "bLack-matrix" destinée à masquer les lignes d'adressage de La contreéLectrode, b, c: on obtient alors trois dispositifs MIM en série aux endroits référencés 48. Le métal 41 ne sert qu'à court-circuiter la résistance intrinsèque du silicium. Dans cette réalisation, la croissance de La silice par oxydo-réduction entre le silicium et L'ITO peut être obtenue aussitôt que- la température de dépôt du silicium est suffisante. Ainsi, l'isolant des futurs MIM peut être élaboré au cours de l'étape 2Ac: l'étape 2Ad est alors une étape de vieillissement et d'homogénéi- sation des structures MIM. On voit qu'un tel processus ne nécessite que deux niveaux de masquage et est donc très simple à mettre en oeuvre, notamment avec des plaques de grandes dimensions. Dans un autre mode de réaLisation, on inverse L'ordre des matériaux et on dépose d'abord le conducteur oxydabLe puis le conducteur oxydant. C'est ce qui est iLLustré sur Les figures 3A et 3B dans le cas o Le matériau oxydant est de L'ITO et le matériau oxydable du tantale. Les étapes et opérations sont Les suivantes: Figure 3A: a: sur un substrat de verre 50, dépôt d'une couche de tantaLe et photoLithogravure de colonnes 52, de premiers motifs de connexion 54 et de pLots 56 de La "black matrix"; b: dépôt d'une couche d'ITO et gravure pour former des seconds motifs de connexion 58 chevauchant les colonnes 52 et une extrémité des premiers motifs 54 et pour former une matrice d'électrodes 59 avec des appendices 60 chevauchant les motifs 54; Figure 3B: a, b: étape thermique pour formation de l'oxyde de tantale (Ta205) 62 aux endroits référencés 63. On obtient alors une structure de trois disposi- tifs MIM en série entre chaque colonne 52 et chaque électrode 59. Ce procédé de réalisation ne nécessite que deux niveaux de photolithogravure. Ces opérations (figures 2A, 2B, 3A, 3B) permettent de constituer La plaque support de la matrice d'électrodes et de La rangée des colonnes d'adressage. IL reste à réaLiser la contre-plaque avec les contre-électrodes et les lignes d'adressage. Cette contre-plaque peut être réalisée par tout moyen connu, comme iLLustré sur la figure 4, par dépôt sur une plaque de verre d'une couche d'ITO puis gravure pour obtenir des Lignes 70 et des contre-éLectrodes 72. On termine La réalisation de l'écran par étalement d'une couche d'orientation ("surfactant") sur Les deux plaques, sérigraphie d'un mur de colle sur La contre-plaque, dispersion d'espaceurs, assemblage 264164S plaque/contre-plaque et remplissage par un cristal Li- quide. On peut aussi réaliser un écran d'affichage en couleurs en disposant, sur la contre-plaque, des filtres colorés, par exemple par électrodéposition de poudres colorées ionisées à travers des masques. On remarquera que les Lignes et Les colonnes sont sur deux plaques différentes, ce qui annule La possibilité de court-circuit entre ces deux réseaux d'a- dressage. L'invention ne se limite pas à la réalisation d'écrans d'affichage. Elle s'applique aussi à la réalisa- tion de composants comme des mémoires RAM dynamiques. Les figures 5A et 5B illustrent un exemple de réalisation d'une telle mémoire. Un teL dispositif est structurelLement comparable au dispositif de la figure 1, si ce n'est que les lignes et les colonnes d'adressage sont contenues dans ou sur le même substrat semi-conducteur. Les opérations peuvent donc être sensi- blement les mêmes que celles décrites plus haut, si ce n'est que les diverses couches n'ont plus à être transparentes. Les diverses étapes et opérations peuvent être les suivantes: Figure 5A: - - dans un semi-conducteur 80, dopage d'une série de Lignes 82, - dépôt d'une couche isolante et gravure de colonnes d'isolement 84, - dépôt d'une couche oxydable et gravure pour laisser subsister des coLonnes 86, Figure 5B: a: dépôt d'une couche 88 de matériau oxydant, b: gravure pour obtenir une matrice de motifs 90 avec des appendices 92 chevauchant les colonnes 86, c: étape thermique pour créer des MIM aux endroits 264164S référencés 94, c'est-à-dire au-dessus des colonnes 86 et des capacités 96 aux-dessus des lignes 82. - On remarquera que, d'une part, les interrup- teurs MIM 94 et capacités 96 sont crés automatiquement et que, d'autre part, l'oxyde des capacités 96 étant mince, la valeur de la capacité est importante, ce qui permet de réduire la surface et donc d'augmenter la densité d'intégration. IL est clair qu'on peut mettre en série une couche quelqoncue de MIM 94 et ainsi ajuster les valeurs des tensions et courants de commande. 264164S REVENDICATIONS 1. Procédé de réaLisation d'un composant MIM ( tal-Isolant-Métal) ayant une couche isolante intercalée entre deux couches conductrices, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opéra- tions suivantes: - on forme un empilement d'un premier matériau qui est un conducteur oxydant et d'un second matériau qui est un conducteur oxydable, - on porte cet empilement à une température apte à provo- quer une oxydo-réduction entre les deux matériaux, ce qui forme une couche intercalaire isolante, - on ramène L'ensemble à température ambiante, ce qui laisse un composant MIM. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que L'on dispose d'abord une couche du premier matériau en conducteur oxydant sur un-subs- trat, puis une couche du second matériau conducteur oxydable sur la première. 3. Procédé selon La revendication 1, caracté- risé par le fait que l'on dépose d'abord une couche du second matériau en conducteur oxydable sur un subs- trat, puis une couche du premier matériau en conducteur oxydant sur la première. 4. Procédé seLon la revendication 1, caracté- risé par le fait que l'on porte l'empilement à ladite température après formation de l'empilement. 5. Procédé selon la revendicatin 1, caracté- risé par le fait que l'on porte l'empilement à ladite température pendant la formation de l'empilement-. 6. Procédé selon la revendication 1 de réali- sation d'une matrice de composants MIM sur un substrat, caractérisé par le fait que l'on définit les divers composants par au moins une opération de gravure de la première et/ou de la seconde couche avant de porter - 264164S L'ensembLe à La température requise. 7. Procédé de réalisation d'un écran d'affi- chage comprenant une plaque isolante transparente suppor- tant des colonnes d'adressage, une matrice active d'élec- trodes et une matrice de composants MIM, ce procédé étant caractérisé par Le fait que pour réaliser la matri- ce de composants MIM on procède selon le procédé de La revendication 6. 8. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé par le fait qu'il comprend Les opérations suivan- tes: - sur une plaque transparente et isolante (30) on dépose une première couche conductrice (32) en Ledit premier matériau oxydant, - on grave cette première couche pour former une matrice d'électrodes (35) et une matrice de premiers motifs de connexion (34) à l'empLacement des futures colonnes d'adressage, - on dépose sur L'ensembLe une couche (38) en Ledit second matériau oxydable, - on grave cette seconde couche (38) pour former des coLonnes d'adressage (45) chevauchant Les premiers motifs (34) et laisser une matrice de seconds motifs de connexion (41) chevauchant les premiers motifs (34) et une partie (36) des électrodes, - on porte L'ensemble à une température comprise entre et 700 C pour constituer ou vieiLLir la matrice de composants MIM (44), - on ramène l'ensemble à température ambiante. 9. Procédé selon La revendication 7, caracté- risé par Le fait qu'il comprend les étapes suivantes: - sur une plaque transparente et isolante (50) on dépose une première couche conductrice oxydable, - on grave cette première couche pour former des colonnes (52) et une matrice de premiers motifs de connexion (54), - on dépose sur l'ensemble une seconde couche conductrice oxydante, - on grave cette seconde couche pour former une matrice de seconds motifs de connexion (58) chevauchant chaque premier motif (54) et une colonne (52), et pour former une matrice d'électrodes (59) dont une partie chevauche lesdits premiers motifs (54), - on porte l'ensemble à une température comprise entre et 700 C pour constituer la matrice de composants MIM (62), - on ramène L'ensemble à température ambiante. 10. Procédé de réalisation d'une mémoire RAM dynamique comprenant une matrice de condensateurs de stockage avec des Lignes d'adressage et des coLonnes d'adressage et un commutateur (Sij) disposé entre chaque condensateur et une Ligne ou une colonne, caractérisé par le fait que l'on réaLise chaque interrupteur (Sij) sous forme d'un composant MIM selon Le procédé de la revendication 1. 11. Procédé seLon l'une queLconque des reven- dications 1 à 10, caractérisé par le fait que Le premier matériau conducteur oxydant est pris dans le groupe des oxydes métalliques conducteurs comme l'oxyde d'indium (In203), L'oxyde d'étain (SnO2), l'oxyde d'indium et d'étain ITO (In203 + SnO2) et L'oxyde de zinc (ZnO). 12. Procédé seLon l'une quelconque des reven- dications 1 à 11, caractérisé par Le fait que Le second matériau conducteur oxydable est pris dans le groupe consistant en les semiconducteurs comme le silicium, le germanium, Les oxydes métalliques(V205 P205) (V205 - PbO - Fe203), les métaux AI, Ti, Ta, Ag, Cr, Cu, Mn et les alliages oxydables. 13. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications I à 12, caractérisé par le fait que la tempéra- ture à laquelle on porte l'ensemble pour produire l'oxydo-réduction est comprise entre 200 et 700 C.