Brevet FR2914492A1 — publié le 20081003

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la fabrication d'une couche mince de matériau ferroélectrique. Elle vise plus particulièrement un perfectionnement apporté au procédé de fabrication d'une telle couche mettant en oeuvre la technologie Smart Cut . Les matériaux ferroélectriques sont connus pour présenter une polarisation électrique rémanente ou spontanée qui est réversible sous l'action d'un champ électrique extérieur. Pour ces propriétés, de tels matériaux sont notamment utilisés pour la réalisation de condensateurs à haute permittivité diélectrique, de capteurs piézo-électriques et de générateurs à ultrasons, d'amplificateurs et de modulateurs diélectriques, ou de convertisseurs d'énergie thermoélectrique. Ils sont également utilisés pour la réalisation de mémoires DRAM (pour Dynamic Random Access Memory ) et de mémoires NVFeRAM (pour Non Volatil Ferroelectric Random Access Memory). Différentes techniques connues sont utilisées pour fabriquer des substrats comportant une couche mince en matériau ferroélectrique. Il s'agit par exemple de l'épitaxie par jet moléculaire ( Molecular Beam Epita)ry en anglais), de la pulvérisation plasma ( Plasma Sputtering en anglais), du dépôt par plasma ( Laser Pulsed Deposition en anglais), de la technologie Smart Cut , etc. La présente invention concerne plus particulièrement l'application de la technologie Smart Cut pour fabriquer de tels substrats. De façon bien connue en soi, le procédé de fabrication d'un substrat comportant une couche mince en matériau ferroélectrique mettant en oeuvre la technologie Smart Cut consiste, à partir d'un substrat donneur composé d'un matériau ferroélectrique ou comportant au moins une couche en matériau ferroélectrique, à implanter au moins une espèce atomique dans le substrat donneur pour former un plan de fragilisation délimitant une couche mince de matériau ferroélectrique à transférer, à coller la face de la couche de matériau ferroélectrique à transférer avec une face d'un substrat support, et à détacher la couche de matériau ferroélectrique à transférer par clivage au niveau du plan de fragilisation formé dans le substrat donneur. Cette technologie est décrite dans les documents US 5,374,564 et US 6,190,998 et dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al. intitulé "Why can Smart-Cut Change the future of microelectronics ?", Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.10, Nol, 2000, p.131-146. La technologie Smart Cut implique des traitements spécifiques (thermique, chimique, implantation ionique, etc.) qui sont susceptibles d'entraîner une dégradation des propriétés ferroélectriques de la couche de matériau ferroélectrique transférée. En effet, par analyse de leur cycle d'hystérésis ferroélectrique, il a été constaté que les couches minces de matériau ferroélectrique qui ont été fabriquées par l'application de cette technologie peuvent montrer, après transfert, une dégradation de leurs propriétés ferroélectriques. Objet et résumé de (invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution de fabrication d'une couche mince de matériau ferroélectrique qui permet de conserver ses propriétés ferroélectriques. Ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une couche mince de matériau ferroélectrique comprenant, à partir d'un substrat donneur composé d'un matériau ferroélectrique ou comportant au moins une couche en matériau ferroélectrique, l'implantation d'au moins une espèce atomique dans le substrat donneur pour former un plan de fragilisation délimitant une couche mince de matériau ferroélectrique à transférer, le collage de la face de la couche de matériau ferroélectrique à transférer avec une face d'un substrat support, le détachement de la couche de matériau ferroélectrique à transférer par clivage au niveau du plan de fragilisation formé dans le substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'étape de détachement, une étape de traitement consistant à soumettre la structure résultante comprenant la couche de matériau ferroélectrique transférée à un champ électrique de manière à améliorer ses propriétés ferroélectriques. La Demanderesse a en effet constaté que l'application d'un champ électrique à la structure résultante permet de rétablir les propriétés 35 ferroélectriques de la couche mince de matériau ferroélectrique, c'est-à- dire de retrouver un cycle d'hystérésis ferroélectrique conforme au matériau ferroélectrique à l'origine. Selon une disposition avantageuse, l'étape de traitement consiste à appliquer une tension électrique entre les deux faces de la 5 couche de matériau ferroélectrique transférée. De préférence, la tension électrique est une tension alternative d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts, de fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz, et appliquée pendant 102 à 108 cycles. Alternativement, la tension électrique est une tension continue 10 d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts et appliquée pendant 1 minute à 48 heures. Selon une autre disposition avantageuse, l'étape de traitement consiste en outre à soumettre la structure résultante comprenant la couche de matériau ferroélectrique transférée à un traitement thermique. 15 Ce traitement thermique peut consister en un échauffement de la structure à une température inférieure à 600 C pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures. Le traitement thermique peut aussi consister en une série d'échauffements successifs de la structure à des températures inférieures 20 à 600 C, la durée de chaque échauffement étant comprise entre 1 et 30 secondes. Le traitement thermique peut encore consister en un recuit thermique rapide de la structure, la température du recuit étant inférieure à 1000 C et sa durée d'au moins 10 secondes. 25 Le traitement thermique peut encore consister à soumettre la face libre de la couche de matériau ferroélectrique transférée à un balayage laser. De manière avantageuse, le traitement thermique est réalisé sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'argon et/ou de l'azote 30 et/ou de l'oxygène. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 35 annexés qui en illustrent un exernple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - les figures 1A à 1D sont des vues schématiques en coupe montrant la réalisation d'une couche mince d'un matériau ferroélectrique conformément à un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 2 montre des cycles d'hystérésis ferroélectriques 5 d'une couche de matériau ferroélectrique avant et après traitement conforme à l'invention. Description détaillée de modes de, réalisation En liaison avec les figures lA à 1C, on décrit un mode de mise 10 en oeuvre du procédé de fabrication d'une couche mince d'un matériau ferroélectrique conforme à l'invention. La figure lA représente un substrat donneur 10 composé d'un matériau ferroélectrique, par exemple LiAIO3i LiNBO3r BaTiO3, LiTaO3, PbZrTïO3, PbTiO3, KNbO3, BaZrO3, CaT1O3, KTaO3. 15 Alternativement, le substrat donneur pourrait être un substrat comportant au moins une couche en matériau ferroélectrique. De façon optionnelle, le substrat donneur 10 peut comporter une couche additionnelle sur sa face plane 12 au travers de laquelle est réalisée l'implantation atomique. Cette couche additionnelle peut être 20 métallique (Cr, Al, Pb, Pt, Ti, Au, etc.) ou isolante de type SiO2. A partir d'un tel substrat donneur, le procédé consiste à implanter dans le substrat au moins une espèce atomique. L'implantation atomique correspond à un bombardement ionique de la face plane 12 du substrat donneur par des espèces atomiques telles que des ions 25 d'hydrogène et/ou d'hélium par exemple (le bombardement est représenté par des flèches sur la figure 1A). La nature des espèces implantées, les doses et énergies d'implantation sont choisies en fonction de l'épaisseur de la couche que l'on souhaite transférer et des propriétés physico-chimiques du substrat 30 implanté. Dans le cas d'ions d'hydrogène ou d'hélium pour des substrats de type LiTaO3 et BaTiO3, on choisit des doses de l'ordre de 1016 à 5. 1017 at/cm2 - préférentiellement entre 2.10i6 et 5.1016 at/cm2 - pour des énergies de l'ordre de 30 à 300 ke'V û préférentiellement entre 50 et 100 35 keV. De façon connue en soi, les ions implantés ont pour but de former un plan de fragilisation 14 délimitant une couche mince 16 de matériau ferroélectrique à transférer qui est située du côté de la face plane 12 et une autre couche 18 formant le reste du substrat. 5 L'étape suivante consiste à coller la face plane 12 de la couche de matériau ferroélectrique à transférer avec une face 22 d'un substrat support (ou récepteur) 20. Le substrat support 20 peut être un matériau semi-conducteur comme du silicium, du poly-silicium, du carbure de silicium, du germanium, du nitrure de galium ou du poly-carbure de silicium. Le substrat support peut aussi être composé d'un matériau ferroélectrique comme LiAIO3, LiNBO3, BaTiO3r ou plus généralement de céramiques ou de matériaux non cristallins comme du verre. De façon optionnelle, le substrat support 20 peut comporter à sa surface une couche additionnelle consistant en une couche métallique ou en une couche isolante déposée ou formée thermiquement selon la nature du substrat. Par ailleurs, il peut être préalablement envisagé de préparer les faces des substrats à coller par une étape de nettoyage, brossage, séchage, polissage, d'activation par plasma. A titre d'exemples, on citera un nettoyage à l'aide d'une solution H2SO4 à 97% et H2O2 à 3% suivi d'un rinçage à l'eau déionisée, et/ou un brossage avec de l'eau déionisée, et/ou un séchage par centrifugation. De façon connue en soi, l'étape de collage correspond à la mise en contact intime du substrat donneur 10 avec le substrat support 20 par adhésion moléculaire et/ou collage électrostatique. La figure 1B représente les deux substrats associés, la face plane 22 du substrat support 20 adhérant à la face plane 12 du substrat donneur 10. L'ensemble est alors traité pour détacher la couche mince 16 de matériau ferroélectrique par clivage au niveau du plan de fragilisation 14 formé dans le substrat donneur 10. De façon connue en soi, l'application de forces mécaniques et/ou thermiques et/ou chimiques permet le transfert (ou report) de cette couche mince 16 sur le substrat support 20. Cette étape de détachement consiste par exemple à appliquer à l'ensemble un traitement thermique dans une gamme de température de l'ordre de 80 C à 300 C pour permettre le transfert de la couche mince 16 sur le substrat support. Alternativement, cette étape peut consister à appliquer une lame ou un jet de fluide gazeux ou liquide au niveau du plan de fragilisation. Suite à cette étape de détachement, on obtient la structure qui est représentée à la figure 1C. Cette structure comprend la couche mince 16 de matériau ferroélectrique et sa face externe 24 peut éventuellement être polie finement. Après l'étape de détachement, il est prévu, conformément à l'invention, une étape de traitement électrique consistant à soumettre la structure résultante comprenant la couche mince 16 de matériau ferroélectrique transférée à un champ électrique de manière à améliorer ses propriétés ferroélectriques. De préférence, l'étape de traitement électrique consiste à appliquer une tension électrique entre les deux faces de la couche 16 de matériau ferroélectrique. A cet effet, une première électrode est appliquée contre la face externe 24 de la structure, la seconde électrode étant appliquée soit au niveau de l'interface 12 entre le substrat support et la couche mince, soit contre la face opposée 26 de la structure (figure 1C) selon la nature du substrat support. Si la structure est réalisée par une couche mince 16 de matériau ferroélectrique transférée sur un substrat support 20 simple comme représenté à la figure 1C, le substrat support doit être réalisé en matériau conducteur. Dans ce cas, la première électrode est appliquée contre la face externe 24 de la structure et la seconde électrode contre la face opposée 26 de la structure. Dans cette situation, il est à noter que la présence à la surface du substrat support d'une couche additionnelle isolante comme cela peut être prévu optionnellement n'est pas possible. Si la structure est réalisée par une couche mince 16 de matériau ferroélectrique transférée sur un substrat support 20 comportant à sa surface une couche métallique 20' (en chrome par exemple) comme représenté à la figure 1D, la première électrode est appliquée contre la face externe 24 de la structure et la seconde électrode est appliquée soit au niveau de la couche métallique 20', soit contre la face opposée 26 de la structure (si le substrat support est conducteur). II est à noter que la présence d'une telle couche métallique 20' a pour avantage de créer un contact électrique au sein du substrat 5 pouvant servir pour le futur composant ou bien d'électrode pour l'application du traitement électrique. Dans cette seconde situation, il est également à noter que dans la cas de la présence d'une couche additionnelle isolante intercalée entre la couche métallique 20' et la couche mince 16 (comme cela peut être 10 prévu optionnellement), la seconde électrode doit bien entendu être appliquée au niveau de la couche métallique 20'. Dans la pratique, la nature de l'électrode appliquée contre la face externe 24 de la structure peut varier. Ainsi, cette électrode peut être une simple couche métallique (en chrome, en platine, ou en or par 15 exemple) déposée sur la couche mince 16 de matériau ferroélectrique et éliminée sélectivement après le traitement électrique. Alternativement, l'électrode peut être une plaque (en chrome, en platine, ou en or par exemple) mise en contact intime avec la couche mince 16 de matériau ferroélectrique, cette mise en contact étant facilitée par la formation d'un 20 collage temporaire électrostatique. Selon une autre alternative, l'électrode peut être un simple liquide appliqué à la surface de la couche mince 16 de matériau ferroélectrique. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'étape de traitement électrique, il est prévu d'appliquer une tension alternative 25 d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts et de fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz, cette tension étant appliquée pendant 102 à 108 cycles ù et de préférence pendant 106 cycles. Ainsi, dans ce mode de mise en oeuvre, la durée du traitement électrique dépend directement du nombre de cycles et de la fréquence de 30 la tension préalablement définis. Il est possible d'envisager d'appliquer l'ensemble des cycles de la tension alternative en une seule fois mais aussi d'appliquer un certain nombre de cycles dans un premier temps, de faire une pause (par exemple de l'ordre de quelques secondes) puis d'appliquer le nombre de 35 cycles restants, l'important étant cle respecter le nombre total de cycles préalablement défini. La figure 2 montre les résultats obtenus par l'application du traitement électrique conforme à l'invention selon le premier mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus. Une couche mince de matériau ferroélectrique LiAIO3r LiNBO3i etc. a été traitée conformément à l'invention par application pendant 106 cycles d'une tension alternative d'intensité 20 V à une fréquence de 1 Hz. Avec de telles valeurs, le traitement a duré environ 15 minutes. Sur la figure 2, la courbe 100 représente le cycle d'hystérésis ferroélectrique de cette couche mince avant son traitement et la courbe 102 illustre le cycle d'hystérésis ferroélectrique de la même couche après le traitement électrique défini ci-dessus. On remarque une nette amélioration du cycle d'hystérésis ferroélectrique de la couche mince après traitement. En particulier, on remarque une augmentation des valeurs de polarisations rémanentes Pr+. Pr- (qui correspondent aux polarisations de la couche sous un champ électrique nul), de polarisation spontanée Ps (qui correspond à la polarisation à saturation de la couche sous un champ électrique élevé) et des champs coercitifs Ec+, Ec- (qui correspondent aux champs électriques minimaux à appliquer pour obtenir un retournement de la polarisation). Selon un second mode de mise en oeuvre de l'étape de traitement électrique conforme à (!'invention, il est prévu d'appliquer une tension continue d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts, cette tension étant appliquée pendant une durée comprise entre 1 minute et 48 heures û et de préférence pendant une dizaine d'heures. Il est possible d'envisager d'appliquer la tension continue en une seule fois pour la durée totale initialement prévue mais aussi d'appliquer la tension par répétition de courtes applications avec des pauses entre deux applications, l'important étant de respecter la durée totale d'application de la tension qui a été préalablement définie. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'étape de traitement consiste en outre à soumettre la structure résultante comprenant la couche de matériau ferroélectrique transférée à un traitement thermique. Par application supplémentaire d'un traitement thermique, il est en effet possible d'améliorer davantage les propriétés ferroélectriques de la couche mince. 9 Le traitement thermique peut consister en un échauffement de la structure à une température inférieure à 600 C ûet préférentiellement inférieure à 300 C - pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures. Le traitement thermique peut également consister en une série d'échauffements successifs de la structure à des températures inférieures à 600 C, la durée de chaque échauffement étant comprise entre 1 et 30 secondes et l'échauffement étant répété 10 à 1000 fois. Dans un mode préférentiel de réalisation de cette variante du traitement thermique, la structure est soumise à une série d'une centaine d'échauffements successifs à des températures autour de 400 C, la durée de chaque échauffement étant de l'ordre de 30 secondes et les amplitudes de température étant de l'ordre de 100 C. Le traitement thermique peut encore consister en un recuit thermique rapide de la structure, traitement connu sous la dénomination RTA (pour Rapid Thermal Annealing ). Ce traitement consiste à soumettre le substrat à une température inférieure à 1000 C pendant une durée d'au moins 10 secondes (et de préférence comprise entre 10 et 30 secondes) dans une atmosphère gazeuse comprenant de l'argon et/ou de l'azote et/ou de l'oxygène. La montée en température peut être réalisée avec une rampe de l'ordre de 50 C par seconde. Enfin, le traitement thermique peut encore consister à soumettre la face libre de la couche de matériau ferroélectrique transférée à un balayage laser pendant quelques minutes. Cette technique est avantageuse en ce que seule une partie superficielle de la structure est soumise à cet échauffement, ce qui limite la génération de contraintes dans la couche mince. Quelque soit le traitement thermique utilisé, il est préférable que celui-ci soit réalisé sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'argon et/ou de l'azote et/ou de l'oxygène. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une couche mince de matériau ferroélectrique comprenant, à partir d'un substrat donneur (10) composé d'un matériau ferroélectrique ou comportant au moins une couche en matériau ferroélectrique, l'implantation d'au moins une espèce atomique dans le substrat donneur pour former un plan de fragilisation (14) délimitant une couche mince (16) de matériau ferroélectrique à transférer, le collage de la face (12) de la couche de matériau ferroélectrique à transférer avec une face (22) d'un substrat support (20), le détachement de la couche de matériau ferroélectrique à transférer par clivage au niveau du plan de fragilisation formé dans le substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'étape de détachement, une étape de traitement consistant à soumettre la structure résultante comprenant la couche de matériau ferroélectrique transférée à un champ électrique de manière à améliorer ses propriétés ferroélectriques. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de traitement consiste à appliquer une tension électrique entre les deux faces 20 de la couche de matériau ferroélectrique transférée. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la tension électrique est une tension alternative d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts, de fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz, et appliquée pendant 25 102 à 108 cycles. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la tension électrique est une tension continue d'intensité comprise entre 10 et 50 Volts et appliquée pendant 1 minute à 48 heures. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape de traitement consiste en outre à soumettre la structure résultante comprenant la couche de matériau ferroélectrique transférée à un traitement thermique. 30 35 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le traitement thermique consiste en un échauffement de la structure à une température inférieure à 600 C pendant une durée comprise entre 1 et 24 heures. 7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le traitement thermique consiste en une série d'échauffements successifs de la structure à des températures inférieures à 600 C, la durée de chaque échauffement étant comprise entre 1 et 30 secondes. 8. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le traitement thermique consiste en un recuit thermique rapide de la structure, la température du recuit étant inférieure à 1000 C et sa durée d'au moins 10 secondes. 9. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le traitement thermique consiste à soumettre la face libre de la couche de matériau ferroélectrique transférée à un balayage laser. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, 20 dans lequel le traitement thermique est réalisé sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'argon et/ou de l'azote et/ou de l'oxygène.