Contribution à l'étude de procédés de réalisation de structures métal PZT métal sur silicium

Million Cyril

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• Publié par: Uprou
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Extrait

Introduction générale

Introduction générale  Depuismaintenant un siècle, les matériaux piézoélectriques ont contribué au développement de nouvelles technologies, en particulier le titanatezirconate de plomb (PZT) développé au milieu des années 1960 qui a grandement amélioré les performance des sonars de l'époque. En effet, le PZT présente de forts coefficients, qu'ils soient piézoélectriques ou diélectriques. Au cours des années 1980, l'utilisation industrielle de cette céramique a permis de remarquables réalisations et avancées dans le domaine des techniques ultrasonores (sonars, écographie), ainsi que pour l'asservissement des pointes des microscopes à effet tunnel, l'augmentation de la précision des microdéplacements (notamment en microscopie à force atomique). Les moteurs linéaires ou rotatifs, les composants en microélectronique (lignes à retard, capteur, résonateurs) constituent un autre domaine d'application pour le PZT les microsystèmes sur silicium (ou MEMS de l'anglais Micro ElectroMechanical Systems : microsystèmes électromécaniques). En effet, les microsystèmes peuvent tirer parti des propriétés électromécaniques du PZT en intégrant celuici directement sur tranches de silicium. Depuis le début des années 80, un enjeu de taille consiste à intégrer le PZT sous la forme de films minces sur substrats silicium. C'est l'avènement de ces dépôts en couches a minces par des techniques compatibles CMOScouplé à la maturité des procédés de fabrication de microstructures qui a permis d'intégrer le PZT dans ces microsystèmes. Un aspect intéressant des structures utilisant la piézoélectricité est qu'elles peuvent, en considérant l'effet réciproque, être utilisées comme capteur ou comme actionneur. Les efforts de recherche & développement (R&D) dans le domaine des microsystèmes donnent des exemples de microcapteurs ou de microactionneurs ; cela va de l’analyse biologique (micro pompes) à l’imagerie médicale (matrice de transducteurs ultrasonores), en passant par les capteurs de pression résonants, accéléromètres et gyromètres. Le fort potentiel du PZT en films minces dans le domaine des microsystèmes est à la hauteur des difficultés liées à sa compatibilité avec les procédés de type CMOS. En effet, il ne s'agit pas d'une simple séquence de dépôt et de cristallisation mais d'une suite d'étapes technologiques toutes aussi importantes les unes que les autres afin d'obtenir un multicouche Métal/PZT/Métal capable

a CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor

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d'actionner une microstructure en silicium. De plus les différents budgets thermiques doivent être compatibles avec la technologie CMOS. La pulvérisation cathodique et le recuit rapide utilisés dans ce travail sont déjà bien exploités en microélectronique et sont rapidement intégrables dans une ligne de production.  Unprécédent travail au laboratoire a permis d'optimiser de manière générique les paramètres de pulvérisation et de recuit afin d'obtenir une couche de PZT s'inscrivant dans une suite d'étapes technologiques compatibles avec la filière microsystème sur silicium. D'autres laboratoires, qu'ils se trouvent aux EtatsUnis en Europe ou au Japon, ont proposé des structures capacitives de type Métal/PZT/Métal mais certains verrous technologiques subsistent comme l'inhomogénéité surfacique des propriétés ferroélectriques et diélectriques et la méconnaissance de certains mécanismes de croissance du film de PZT.  Letravail effectué au cours de cette thèse concerne donc l'optimisation du procédé d'élaboration du multicouche Métal/PZT/Métal en s'appuyant sur des analyses physico chimiques et sur l'étude des interactions entre les différents matériaux en terme d'interdiffusion et de mécanisme de cristallisation. Ainsi, en gardant la pulvérisation b cathodique et le recuit RTAqui sont assez répandus en microélectronique, nous avons cherché à stabiliser les contacts métalliques et à améliorer la croissance du PZT en phase pérovskite. L'accent a été mis sur ce dernier point afin d'optimiser le dépôt en termes de propriétés ferroélectriques, homogénéité surfacique et donc réduction des courtscircuits. L'analyse bibliographique nous a permis d'effectuer une synthèse à partir de nos propres résultats. Nous avons observé la manifestation des effets piézoélectriques de diverses manières en permettant, ainsi, une première étape de caractérisation.  Lechapitre I rappelle les définitions et les propriétés des matériaux piézoélectriques suivies d'une description plus détaillée des matériaux de type PZT. Puis, après avoir rappelé les équations de la piézoélectricité, nous présentons les applications les plus répandues pour les matériaux piézoélectriques sous forme massive.  Lechapitre II a pour but d'illustrer les architectures de microsystèmes actionnés par une couche de PZT. Des exemples de microsystèmes réalisés en technologie de report de b RTA : Rapid Thermal Annealing (Recuit rapide par rayonnement et non pas convection)

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couche épaisse seront présentés. Enfin, nous enchaînons sur la réalisation de certains microactionneurs et microcapteurs à base de films minces de PZT déposés sur substrat de silicium.  Lestechniques de caractérisation utilisées au cours de ce travail pour l'analyse des différentes structures du multicouche électrode inférieure/ferroélectrique/électrode supérieure sont présentées au début du chapitre III. Elles sont suivies par une présentation des techniques de dépôt les plus adaptées pour les films minces de PZT sur substrats de silicium. Parmi ces techniques, on décrit particulièrement le procédé de pulvérisation cathodique retenu pour nos applications. L'équipement spécifique à ce mode d'élaboration de films minces de PZT est particulièrement détaillé.  Lesprocédés d'élaboration et d'optimisation du multicouche sont décrits au début du chapitre IV.Ce chapitre montre dans un premier temps l'attention portée à l'élaboration de l'électrode inférieure et sur la stabilisation du Ti dans la bicouche Pt/Ti. L'étude d'une couche ultramince de Ti pour assister la nucléation du PZT est ensuite présentée. A la lumière des différentes caractérisations effectuées (la diffraction des rayons X, l'imagerie électronique ou par force atomique, la sonde ionique et les cycles ferroélectriques) des conclusions sont tirées concernant les mécanismes de cristallisation et les propriétés ferroélectriques des différentes structures du multicouche Métal/PZT/Métal.  Lechapitre V présente l'enchaînement des étapes technologiques nécessaires à la réalisation de démonstrateurs tel qu'une poutre vibrante et une membrane actionnée par un film mince de PZT. Dans ce chapitre, nous mesurons un coefficient piézoélectrique de notre matériau par une méthode optimisée de la poutre vibrante. Nous montrons ensuite que les films minces de PZT optimisés dans le chapitre IV peuvent être intégrés dans un procédé complet d'élaboration d'une membrane vibrante.

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