Brevet FR2973568A1 — publié le 20121005

B 11-0394FR 1 Procédé de contrôle de la conduction électrique entre deux portions métalliques et dispositif associé. 5 L'invention concerne la commutation électrique entre deux portions électriquement conductrices notamment dans un circuit-intégré. 10 Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un dispositif de commutation ou commutateur simple et de taille réduite permettant d'établir ou non une liaison électrique entre deux portions électriquement conductrices, par exemple située dans la partie d'interconnexion communément désignée par l'homme du métier 15 sous la dénomination anglosaxonne « back-end-of-line » (BEOL). Selon un aspect, il est proposé un procédé de contrôle de la conduction électrique entre deux portions électriquement conductrices, comprenant un placement d'un cristal au moins partiellement ionique entre les deux portions électriquement conductrices, le cristal 20 comprenant au moins une région surfacique couplée aux deux portions électriquement conductrices, ladite région surfacique étant isolante sous l'application d'un champ électrique sur ladite région surfacique et électriquement conductrice en l'absence dudit champ électrique, et une application ou non d'un champ électrique sur ladite au moins une 25 région surfacique de façon à empêcher ou établir ladite conduction électrique. De préférence, le cristal comprend une première et une seconde régions surfaciques opposées, et l'application du champ électrique comprend une application d'une différence de potentiels entre deux 30 régions électriquement conductrices respectivement disposées à distance et en vis-à-vis des deux régions surfaciques. Le cristal possède de préférence une bande interdite (EGap) d'au moins 2eV et préférentiellement d'au moins 3eV, de façon à présenter de bonnes caractéristiques isolantes lorsqu'un champ électrique est 35 appliqué sur les régions surfaciques. Le cristal peut être un oxyde métallique ou un halogénure d'alcalin. Selon un autre aspect, il est proposé, dans un mode de réalisation, un dispositif comprenant un cristal au moins partiellement ionique comportant au moins une région surfacique destinée à être couplée entre deux portions électriquement conductrices, ladite région surfacique étant isolante sous l'application d'un champ électrique sur ladite région surfacique et conductrice en l'absence dudit champ électrique, et des moyens de commande aptes à générer un champ électrique sur ladite au moins une région surfacique, de façon à empêcher ou établir une conduction électrique entre les portions électriquement conductrices. De préférence, le cristal comporte une première région surfacique et une seconde région surfacique symétriquement opposées, les moyens de commande comprennent une première région électriquement conductrice et une seconde région électriquement conductrice respectivement à distance en regard de la première région surfacique et de la seconde région surfacique et des moyens configurés pour appliquer une différence de potentiel entre la première région électriquement conductrice et la seconde région électriquement conductrice. Le dispositif comprend préférentiellement une première zone isolante séparant la première région électriquement conductrice de la première région surfacique et une seconde zone isolante séparant la seconde région électriquement conductrice de la seconde région surfacique. Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré incorporant ledit dispositif de commutation. Avantageusement, le circuit intégré comprend au moins trois niveaux de métallisation, un premier niveau de métallisation comprenant les deux portions électriquement conductrices et au moins une partie du cristal du dispositif comportant au moins une région surfacique disposée entre lesdites deux portions électriquement conductrices, les deux autres niveaux étant placés de part et d'autre du premier niveau de métallisation et comportant les deux régions électriquement conductrices du dispositif. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 présente de manière schématique la structure cristalline de l'oxyde de zinc ; - la figure 2 présente de manière schématique une structure de bande d'un cristal au moins partiellement ionique comprenant au moins une région surfacique conductrice en l'absence d'un champ électrique ; - la figure 3 illustre de manière schématique un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 4a à 4e présentent des exemples d'étapes d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 5a à 5e présentent des exemples d'étapes d'un second mode de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Un cristal ionique est un cristal dont les liaisons entre atomes sont de nature essentiellement ionique, c'est-à-dire un cristal comprenant principalement des ions liés ensemble par leur attraction électrostatique. Les halogénures d'alcalins tels que le chlorure de sodium sont des cristaux ioniques. La plupart des oxydes métalliques ont un caractère ionique prépondérant et sont donc des cristaux partiellement ioniques. Dans l'oxyde de Silicium, la liaison entre le silicium et l'oxygène n'est pas entièrement ionique, mais comprend une contribution covalente importante. Le caractère ionique de la liaison provient de ce que la fonction d'onde ou l'orbitale moléculaire est majoritairement centrée sur un des atomes de la liaison. Dans le cas d'une liaison métal- oxygène, l'atome métallique aura tendance à céder un électron alors que l'oxygène aura tendance à le gagner. Dans le cas ou la liaison est principalement ionique la charge de l'oxygène sera négative et celle du métal positive. Dans une structure cristalline, il y aura donc des plans qui ont un caractère polaire, si par exemple ils contiennent une majorité d'atomes ayant la même ionicité. Par exemple, dans une structure Cubique Face Centrée (CFC) comme pour le chlorure de sodium (NaCl), les plans perpendiculaires à la direction cristalline [1,0,0] contiennent autant d'ions positifs que négatifs et ne présenteront pas de caractère polaire. Par contre, les plans perpendiculaires à la direction cristalline [1,1,0] contiennent uniquement des ions positifs ou uniquement des ions négatifs. Ces plans auront donc un caractère polaire. Cette caractéristique est partagée par les oxydes métalliques, lorsqu'un cristal ionique ou partiellement ionique, tel qu'un oxyde de zinc (ZnO) représenté sur la figure 1, est réalisé ou bien clivé de sorte à comporter au moins une surface possédant une majorité d'atomes d'une première espèce (Zn en l'occurrence) et au moins une autre surface comportant une majorité d'atomes d'une seconde espèce (O en l'occurrence), comme par exemple selon deux plans distincts perpendiculaires à la direction cristalline [0,0,0,1]. Si un tel cristal possède deux faces correspondant à des plans polaires de charges opposées alors il existe une chute de potentiel entre les deux faces. I1 a été observé, notamment dans l'article « Polarity in oxyde ultrathin films » de C. Noguera et J. Goniakowski paru dans J. Phys. : Condens. Matter 20 (2008) 264003, que lorsque cette chute de potentiel est suffisante, le niveau de Fermi peut se situé au dessus de la bande de conduction comme cela est illustré sur la figure 2. Sur cette figure, D désigne la distance entre les deux surfaces polaires (régions surfaciques) ayant respectivement par exemple une majorité d'atomes de zinc (Zn) et une majorité d'atomes d'oxygène (0). Lorsque le cristal ionique ou partiellement ionique isolant ne présente pas de clivage particulier, les bandes de valence et de conduction possèdent chacune un niveau d'énergie constant au travers du cristal car il n'y a pas de chute de potentiel dans l'isolant et le niveau de Fermi EF se situe entre les deux bandes, soit dans la bande interdite. Lorsque le cristal présente en revanche des surfaces polaires, les bandes d'énergies varient linéairement avec la distance, car la variation d'énergie est proportionnelle à la chute de potentiel qui varie elle-même linéairement avec la distance à l'électrode. Cette variation linéaire et la pénétration du niveau de Fermi dans les bandes est illustrée dans la figure 2. Par définition, lorsque le niveau de Fermi EF se trouve dans la bande de conduction, le matériau devient conducteur. Dans le cas présent, selon la figure 2, c'est la surface qui devient alors conductrice. Par application d'un champ électrique extérieur opposé au champ causé par les charges surfaciques, on peut compenser le champ dans le diélectrique. De ce fait, le niveau de Fermi EF revient entre les bandes d'énergie et les surfaces deviennent isolantes. De cette manière, on peut contrôler la conduction de surface par effet de champ. Le dispositif selon un aspect de l'invention utilise cette propriété. Sur la figure 3 est représenté un dispositif 1 permettant de contrôler la conduction électrique entre une première portion électriquement conductrice, par exemple métallique, 2 et une seconde portion électriquement conductrice, par exemple métallique 3. Le dispositif 1 s'apparente donc à un commutateur permettant d'établir ou non une liaison électrique entre ces deux portions électriquement conductrices. Le dispositif 1 comprend un cristal 4 au moins partiellement ionique placé entre les deux portions métalliques 2 et 3 de manière à pouvoir les coupler électriquement ensemble. Le cristal 4 peut être réalisé avec un halogénure d'alcalin tel que par exemple le chlorure de sodium (NaCl), ou avec un oxyde métallique tel que par exemple de l'oxyde de zinc (ZnO), de l'oxyde de manganèse (MnO), de magnesium (MgO) ou encore de Nickel (NiO), de la zircone ou oxyde de zirconium (ZrO2). Dans cet exemple de réalisation, le cristal 4 comprend une première région surfacique 41 et une seconde région surfacique 42 s'étendant entre les deux portions métalliques 1 et 2. Les deux régions surfaciques 41 et 42 sont réalisées de manière à être isolante sous l'application d'un champ électrique sur les régions surfaciques et électriquement conductrice en l'absence dudit champ électrique. Le dispositif 1 comprend, par ailleurs, une première région métallique de commande 5 et une seconde région métallique de commande 6. Les deux régions métalliques de commande 5 et 6 sont disposées de part et d'autre de l'ensemble comprenant le cristal et les deux portions métalliques 2 et 3. Ainsi la première région métallique de commande 5 est disposée en regard de la première région surfacique 41 du cristal 4, tandis que la seconde région métallique de commande 6 est disposée en regard de la seconde région surfacique 42 du cristal 4. Les régions métalliques de commande 5 et 6 sont respectivement séparées du cristal, d'une part, et des portions métalliques 2 et3, d'autre part, par une première zone de diélectrique 7 et une deuxième zone de diélectrique 8. Les zones diélectriques 7 et 8 peuvent être remplacés par d'autres isolant ou du vide. Cela étant, les électrodes métalliques de commande 5 et 6 pourraient être limitées en taille de façon à être situées en regard du cristal 4 seulement. Les première et seconde régions métalliques de commande 5 et 6 permettent de générer un champ électrique annihilant la conduction des premières et secondes régions surfaciques 41 et 42. Le champ électrique est généré par l'application d'une différence de potentiel entre la première région métallique 5 et la seconde région métallique 6. La différence de potentiel peut, par exemple, être appliqué à l'aide d'un générateur de tension G couplé à la première région métallique de commande 5, d'une part, et la seconde région métallique de commande 6, d'autre part. Par ailleurs, le cristal 4 est réalisé de sorte qu'en l'absence de champ électrique, la première région surfacique 41 ait une charge opposée à celle de la seconde région surfacique 42. En d'autres termes, la première région surfacique 41 présente une majorité d'atomes de la première espèce (par exemple Zn) et la deuxième région surfacique 42 présente une majorité d'atomes de la deuxième espèce (par exemple O). A titre indicatif une région surfacique présentant une majorité d'atomes d'une espèce donnée est une surface présentant au moins 50% d'atomes de ladite espèce donnée. De cette manière, en appliquant une différence de potentiel entre les deux régions métalliques de commande 5 et 6, un champ électrique est généré sur chacune des deux régions surfaciques 41 et 42. D'autre part, l'épaisseur d4 et d6 des zones de diélectrique 7 et 8 séparant les deux régions métalliques de commande 5 et 6 du cristal 4 est relativement faible de manière à utiliser des potentiels faibles sur les régions métalliques de commandes 5 et 6. En effet, plus l'épaisseur d4 ou d6 d'une zone de diélectrique 7 ou 8 est importante, plus le potentiel imposé sur une région métallique de commande 5 ou 6 doit être élevée pour générer un champ électrique permettant d'avoir une région surfacique 41 ou 42 isolante. Classiquement, un circuit intégré comporte une partie communément désignée par l'homme du métier sous la dénomination anglosaxonne « front-end-of-line » (FEOL) surmontée d'une deuxième partie communément désignée par l'homme du métier sous la dénomination anglosaxonne « back-end-of-line » (BEOL). La partie FEOL est en fait la première partie fabriquée du circuit intégré dans laquelle se trouvent les composants actifs habituels tels que par exemple des transistors, des résistances,... La partie FEOL englobe généralement tous les différents éléments du circuit intégré jusqu'à la première couche de métallisation. La partie supérieure du circuit intégré, à savoir la partie BEOL, est la partie du circuit intégré dans laquelle les composants actifs sont interconnectés par l'intermédiaire d'un réseau d'interconnexion comportant des niveaux de métallisation formant des pistes ou lignes d'interconnexion, et des vias. Cette partie BEOL commence généralement avec le premier niveau de métallisation et elle inclut également les vias, les couches isolantes ainsi que les plots de contact disposés sur la partie supérieure du circuit intégré. Un tel dispositif 1 peut être réalisé dans la partie BEOL d'un circuit intégré pour contrôler la conduction électrique entre par exemple deux portions métalliques situées dans cette partie BEOL. Dans ce cas, le dispositif 1 peut être réalisé, par exemple, avec un cristal 4 d'oxyde de zinc (ZnO) ayant une longueur d1=45nm, la première et la seconde portions métalliques 2 et 3 en cuivre (Cu) ayant une longueur d2=45nm. Le cristal 4 et les deux portions électriques 2 et 3 possèdent une épaisseur d3=5nm. Les première et seconde zones de diélectrique 7 et 8 en dioxyde de silicium (SiO2) possèdent une épaisseur d4=d6=3nm, et les première et seconde régions métalliques de commande 5 et 6 en cuivre (Cu) possèdent une épaisseur d5=d7=20nm. Les deux régions métalliques de commande 5 et 6 peuvent être réalisées au sein de deux niveaux de métallisation différents Ml, M3 de la partie BEOL tandis que le cristal 4 et les portions métalliques 2 et 3 peuvent être réalisées au sein d'un autre niveau de métallisation M2. Les diélectriques inter métal peuvent être utilisés pour former les diélectriques 7 et 8 du dispositif. En l'absence de différence de différence de potentiel appliquée sur les deux régions métalliques de commande 5 et 6 par le générateur de tension G, les régions surfaciques 41 et 42 sont électriquement conductrices et permettent un couplage électrique entre les deux portions métalliques 2 et 3 par les régions surfaciques 41 et 42 (flèches F). En revanche, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre les deux régions métalliques de commande 5 et 6, un champ électrique apparaît respectivement entre la première région métallique de commande 5 et la première région surfacique 41, et la seconde région métallique de commande 6 et la seconde région surfacique 42. Le champ électrique modifie alors les fonctions d'ondes moléculaires des régions surfaciques 41 et 42, empêchant toute conduction électrique des régions surfaciques 41 et 42. Les portions métalliques 2 et 3 sont alors mutuellement isolées électriquement par le cristal 4. Sur les figures 4a à 4e sont représentées les étapes d'un premier mode de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'un dispositif 1 au sein de la partie BEOL d'un circuit intégré. Dans une première étape illustrée sur la figure 4a, on réalise au sein d'un substrat semi-conducteur un premier niveau de métallisation Ml (par exemple du cuivre) et un second niveau de métallisation M2 (par exemple du cuivre) séparés par une zone de diélectrique. Le premier niveau de métallisation Ml comporte la seconde région métallique de commande 6, et la zone diélectrique inter métal comprend la seconde zone de diélectrique 8. Dans une seconde étape illustrée sur la figure 4b, on réalise une gravure du second niveau de métallisation M2. Cette gravure permet de définir, dans le second niveau de métallisation M2, la première portion métallique 2 et la seconde couche métallique 3. Dans une troisième étape illustrée sur la figure 4c, on fait croître par épitaxie avec IBS (« Ion Beam Sputtering ») un cristal 4 au moins partiellement ionique, comme par exemple un cristal d'oxyde de zinc (ZnO), dans la cavité séparant la première portion métallique 2 et la seconde portion métallique 3. L'épitaxie est réalisée de manière à ce que le cristal 4 comprenne une première région surfacique 41 comprenant une majorité d'atomes d'une première espèce et une seconde région surfacique 42 comprenant une majorité d'atomes d'une seconde espèce. On pourra à cet égard utiliser lors de l'épitaxie une pulvérisation ionique (IBS) orientée [1,0,0,0] sur une première surface et [0,0,0,1] sur une seconde surface. Une telle technique d'épitaxie est bien connue de l'homme du métier. Celui-ci pourra se référer notamment à l'article « Dual-ion-beam sputter deposition of ZnO films » de F. Quaranta et al. paru dans le journal J. Appl. Phys. 74 (1), 1 July 1993. A l'issue de l'épitaxie, on peut réaliser un polissage mécano-chimique sur le cristal 4. Dans une quatrième étape illustrée sur la figure 4d, on réalise une autre zone de diélectrique couvrant les deux portions métalliques 2 et 3 et le cristal 4. La zone diélectrique comprend la première zone diélectrique 7. Elle est réalisée par dépôt d'une couche de dioxyde de silicium (SiO2) par exemple et polissage mécano-chimique. Enfin, dans une cinquième étape illustrée sur la figure 4e, on réalise le troisième niveau de métallisation M3, par exemple de cuivre (Cu). Le troisième niveau de métallisation M3 comprend la première région métallique de commande 5. I1 pourra également être lissé par polissage mécano-chimique. Sur les figures 5a à 5e sont représentées les étapes d'un second mode de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'un dispositif au sein de la partie BEOL. Dans une première étape illustrée sur la figure 5a, on réalise comme dans l'étape 4a, au sein d'un substrat semi-conducteur un premier niveau de métallisation Ml (par exemple du cuivre) et un second niveau de métallisation M2 (par exemple du cuivre) séparés par une zone de diélectrique. Le premier niveau de métallisation Ml comporte la seconde région métallique de commande 6, et la zone diélectrique inter métal comprend la seconde zone de diélectrique 8. Dans une seconde étape illustrée sur la figure 5b, on réalise une gravure du second niveau de métallisation M2 et de la zone de diélectrique. Cette gravure permet de définir, dans le second niveau de métallisation M2, la première portion métallique 2 et la seconde couche métallique 3. Cette gravure diffère toutefois de la gravure du premier mode de réalisation illustrée sur la figure 4b en ce qu'elle est réalisée sur toute l'épaisseur du second niveau de métallisation M2 ainsi que sur une partie de l'épaisseur de la zone de diélectrique 8 séparant le premier niveau de métallisation Ml du second niveau de métallisation M2. Dans une troisième étape illustrée sur la figure 5c, on fait croître par épitaxie avec IBS (« Ion Beam Sputtering ») un cristal 4 au moins partiellement ionique, comme par exemple un cristal d'oxyde de zinc (ZnO), dans la cavité séparant la première portion métallique 2 et la seconde portion métallique 3. L'épitaxie est réalisée d'une façon analogue à ce qui a été décrit en référence à la figure 4c, de manière à ce que le cristal 4 comprenne une première région surfacique 41 comprenant une majorité d'atomes d'une première espèce et une seconde région surfacique 42 comprenant une majorité d'atomes d'une seconde espèce. A l'issue de l'épitaxie, on peut réaliser un polissage mécano-chimique sur le cristal 4. La quatrième étape illustrée sur la figure 5d et la cinquième étape illustrée sur la figure 5e sont analogues aux étapes correspondantes illustrées sur les figures 4d et 4e. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comporte un cristal 4 qui ne conduit entre les portions métalliques 2 et 3 que via la première région surfacique 41 couplée entre les portions métalliques 2 et 3. En effet, même si le cristal 4 est réalisé de manière à obtenir une deuxième région surfacique 42 capable d'être électriquement conductrice en l'absence de champ électrique, la deuxième région surfacique 42 n'est pas électriquement en contact avec les portions métalliques 2 et 3. En effet, la deuxième région surfacique est située ici dans la seconde zone de diélectrique 8 et est, par conséquent, électriquement isolée des portions métalliques 2 et 3. Bien entendu le dispositif 1 pourrait être aussi réalisé dans la partie FEOL du circuit intégré. I1 pourrait être aussi réalisé en tant que tel pour former un composant spécifique, sans être forcément intégré dans le BEOL ou le FEOL d'un circuit intégré. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle de la conduction électrique entre deux portions électriquement conductrices (2 et 3), comprenant un placement d'un cristal (4) au moins partiellement ionique entre les deux portions électriquement conductrices (2 et 3), le cristal (4) comprenant au moins une région surfacique (41) couplée aux deux portions (2 et 3) électriquement conductrices, ladite région surfacique (41) étant isolante sous l'application d'un champ électrique sur ladite au moins une région surfacique (41) et électriquement conductrice en l'absence dudit champ électrique, et une application ou non d'un champ électrique sur ladite au moins une région surfacique (41) de façon à empêcher ou établir ladite conduction électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le cristal (4) comprend une première (41) et une seconde (42) régions surfaciques opposées, et l'application du champ électrique comprend une application d'une différence de potentiel entre deux régions (5 et 6) électriquement conductrices respectivement disposées à distance et en vis-à-vis des deux régions surfaciques (41 et 42). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le cristal (4) possède une bande interdite au minimum de 2eV et préférentiellement de 3eV. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le cristal (4) est un oxyde métallique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le cristal (4) est un halogénure d'alcalin. 6. Dispositif comprenant un cristal (4) au moins partiellement ionique comportant au moins une région surfacique (41) destinée à être couplée entre deux portions électriquement conductrices (2 et 3), ladite région surfacique (41) étant isolante sous l'application d'un champ électrique sur ladite au moins une région surfacique (41) et conductrice en l'absence dudit champ électrique, le dispositif comprenant en outre des moyens de commande aptes à générer unchamp électrique sur ladite au moins une région surfacique (41), de façon à empêcher ou établir une conduction électrique entre les portions électriquement conductrices (2 et 3). 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, dans lequel le cristal (4) comporte une première région surfacique (41) et une seconde région surfacique (42) symétriquement opposées, les moyens de commande comprennent une première région électriquement conductrice (5) et une seconde région électriquement conductrice (6) respectivement à distance et en regard de la région surfacique (41) et de la seconde région surfacique (42) et des moyens (G) configurés pour appliquer une différence de potentiel entre la première région électriquement conductrice (5) et la seconde région électriquement conductrice (6). 8. Dispositif (1) selon la revendication 7, comprenant une première zone isolante (7) séparant la première région électriquement conductrice (5) de la première région surfacique (41) et une seconde zone isolante (8) séparant la seconde région électriquement conductrice (6) de la seconde région surfacique (42). 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le cristal (4) possède une bande interdite au minimum de 2eV et préférentiellement au minimum de 3eV. 10. Dispositif (1) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le cristal (4) est un oxyde métallique. 11. Dispositif (1) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le cristal (4) est un halogénure d'alcalin. 12. Circuit intégré, incorporant un dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications 6 à 11. 13. Circuit selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de commutation (1) est disposé dans la partie d'interconnexion (BEOL) du circuit intégré située au-dessus du substrat semi-conducteur. 14. Circuit selon la revendication 13, dans lequel la partie d'interconnexion (BEOL) comprend au moins trois niveaux de métallisation (Ml, M2, M3), un premier niveau (M2) de métallisationcomprenant les deux portions électriquement conductrices (2 et 3) du dispositif (1) et au moins une partie du cristal (4) comportant au moins une région surfacique disposée entre lesdites deux portions électriquement conductrices (2 et 3), les deux autres niveaux (Ml, M3) étant placés de part et d'autre du premier niveau de métallisation (M2) et comportant les deux régions électriquement conductrices (5 et 6) du dispositif (1).