WO2024165363A1 - Structure integree comprenant une couche ferroelectrique a polarisation selective reportee sur un substrat et procede de fabrication - Google Patents

Structure integree comprenant une couche ferroelectrique a polarisation selective reportee sur un substrat et procede de fabrication Download PDF

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polarization
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ferro
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Alexis Drouin
Sébastien Ledrappier
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Soitec SA
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    • H10N30/073—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives

Definitions

  • the invention relates to an integrated structure comprising a ferroelectric layer transferred onto a support via a dielectric layer, and to a method for manufacturing this structure.
  • a structure can be used to form non-linear optical components or radio frequency (RF) components, in particular surface elastic wave components.
  • RF radio frequency
  • Document EP 0 592 226 A1 describes an optical frequency conversion device obtained by the periodic juxtaposition of parallel bands of reversed polarization at one face of a ferroelectric substrate having a spontaneous polarization perpendicular to the plane of extension of the substrate, i.e. perpendicular to this face.
  • the inversion of the polarization according to the bands is obtained by carrying out a proton exchange through a mask.
  • WO 2005/052682 A1 describes the localized reversal of the polarization of a ferroelectric crystal with spontaneous polarization perpendicular to one of its faces, by application of an electric field along juxtaposed periodic bands, by means of gel electrodes arranged on this face and the opposite face of the crystal.
  • a first object of the invention is to provide a ferroelectric layer in an integrated form on a substrate, of polarization having polarization domains of opposite orientations and perpendicular or oblique with respect to the plane of this layer and capable of being used for, for example, applications in nonlinear optics or surface acoustic waves.
  • a second object of the invention is a manufacturing method for obtaining the integrated ferroelectric layer mentioned above.
  • a third object of the invention is a method for local and controlled inversion of the polarization of any ferroelectric element.
  • a first aspect of the invention is a structure comprising a ferroelectric layer having a first polarization in a first zone and a second polarization, opposite the first polarization, in a second zone distinct from the first zone, in which the first polarization and the second polarization are oriented perpendicularly or obliquely to the ferroelectric layer, the second polarization zone having a higher hydrogen concentration than the first polarization zone, the structure further comprising a support and a dielectric layer interposed between this support and the ferroelectric layer.
  • An advantage of the structure according to the invention is the provision of an integrated structure, including a substrate on which is fixed a ferroelectric layer having at least two distinct polarizations perpendicular or oblique to the extension planes of the layer and the substrate.
  • a ferroelectric layer having at least two distinct polarizations perpendicular or oblique to the extension planes of the layer and the substrate.
  • a second aspect of the invention relates to a method of manufacturing a structure whose polarization is locally controlled, comprising the steps of providing a ferroelectric element having a first polarization; selectively enriching the ferroelectric element with hydrogen ions through a face of the ferroelectric element; and applying an anneal to the ferroelectric element after introduction of the hydrogen ions, at a temperature between 400°C and 700°C, so as to switch the polarization of the ferroelectric layer in a volume defined by the selective introduction of the hydrogen ions.
  • the method according to the invention is advantageous in that it is simple, flexible, and easily integrated into a broader manufacturing process based on known and proven manufacturing techniques from the semiconductor industry. In addition, it allows local control of the polarization of a ferroelectric element of which only one face is accessible and is therefore applicable to thin layers integrated on a substrate.
  • the ferroelectric element 10 may be a ferroelectric single crystal as such, this single crystal may be in the form of a ferroelectric single crystal layer, this ferroelectric crystal or this ferroelectric single crystal layer may be fixed on a support Sprt within a structure Struct, like the ferroelectric layer Ferro lay illustrated in (D) of the .
  • FIGS 1 to 3 illustrate a first embodiment, in which the ferroelectric element 10 is a ferroelectric single crystal as such, that is to say without it being fixed to a support.
  • this embodiment takes the example of a polarization perpendicular to the plane of extension of the ferroelectric element 10.
  • the “perpendicular” characteristic means an inclination of 90° relative to the plane of extension of the ferroelectric element to within 10°
  • the “oblique” characteristic means an inclination of at least 5° from the plane of extension of the ferroelectric element.
  • a direction having an inclination in the range of 5° to 80°, or 30° to 70°, or 35° to 60° can thus be considered oblique.
  • a 50RY LiTaO3 layer and a 42RY LiTaO3 layer have polarizations tilted 50° and 42° relative to the layer extension plane, respectively, hence oblique polarizations relative to the layer extension plane.
  • the ferroelectric element 10 is selectively enriched with hydrogen by selective ion implantation of hydrogen ion H + , at an implantation energy of between 3 keV and 210 keV.
  • the selectivity of the implantation can be ensured by the formation of a mask M by a conventional lithography process, in resin, metal, oxide, nitride or any other material capable of stopping hydrogen ions during the implantation, so that the regions of the ferroelectric element covered by the mask do not receive hydrogen.
  • the pattern formed by the mask M can consist of a periodic pattern, for example consisting of strips of the same width parallel to each other at constant spacing as illustrated in (B P ) with a top view in the YX plane. Following the implantation, the mask M is, in this example, removed.
  • This step results in the formation of relatively hydrogen-rich volumes V in the ferroelectric element 10, with a surface area corresponding to the negative of the pattern of the mask M and a depth depending on the acceleration energy of the implantation step.
  • the volumes V thus form a periodic pattern in a direction included in a plane parallel to the extension plane of the ferroelectric element 10, i.e. in a direction included on an external surface of the ferroelectric element 10.
  • the implantation dose is adapted to the implantation energy so as to obtain a hydrogen density of between 10 19 and 10 22 atoms/cm 3 in the volumes V. It is also possible to carry out several successive implantations at different implantation energies in order to better define the volumes V by homogenizing the distribution of the implanted hydrogen.
  • the polarization of the entire ferroelectric element 10 remains unchanged in the implanted areas, the implanted areas and the non-implanted areas still forming a single monodomain in which the polarization has only one orientation.
  • the YX and ZX planes are defined by the X, Y Z axes of an orthogonal reference frame, the YX plane being defined by the Y and X axes of the reference frame, the ZX plane being defined by the Z and X axes of the reference frame.
  • the Sup and Inf faces of the ferroelectric element 10 extend parallel to the YX plane, perpendicular to the Z axis which defines the thickness of the ferroelectric element 10.
  • selective implantation or selective enrichment means implantation or enrichment at certain regions of the ferroelectric element 10, chosen by the practitioner and here defined by the pattern of the mask M.
  • a step S20 the ferroelectric element 10 selectively enriched in hydrogen is subjected to annealing at a temperature between 400°C and 800°C, preferably between 500 and 700°C, more preferably between 550°C and 600°C.
  • This annealing step results in an inversion of the first polarization P1 of the ferroelectric element 10 only at the hydrogen-enriched volumes V to give a second polarization P2, of the same alignment direction as the first polarization P1 but of the opposite direction to it, specific to the hydrogen-enriched volumes V as illustrated in (C0).
  • Antiparallel polarizations are defined as polarizations aligned in parallel directions but in opposite directions.
  • parallel polarizations are defined as polarizations aligned in parallel directions and in the same direction.
  • the inversion of the polarization only at the level of the volumes V causes the transition from a configuration of parallel polarizations between the volumes V and the rest of the ferroelectric element 10 to a configuration of antiparallel polarizations.
  • the annealing is preferably carried out under an oxygen atmosphere to reduce the exodiffusion of oxygen from the ferroelectric layer, but can also be carried out for example under a nitrogen or air atmosphere, at atmospheric pressure for a duration of between 100 seconds and 10 hours.
  • the volumes V define a second zone having a second polarization P2 different from, and in fact opposite to, a first polarization P1 of a first zone defined by the volume of the ferroelectric material included in the ferroelectric element 10 from which the second zone is removed.
  • the first and second zones are complementary, their sum forming the total volume of the ferroelectric material included in the ferroelectric element 10, i.e. the entirety of a ferroelectric crystal when the ferroelectric element 10 is made of such a crystal.
  • the first zone and the second zone may be formed of disjoint volumes or form continuous volumes, depending on the shape given to the selective implantation region and its depth.
  • the second zone is enriched with hydrogen, so that the second zone has a higher hydrogen concentration than the first zone.
  • FIG. 3 There illustrates a sectional view (C3) and a plan view (C3 P ) corresponding to (C0) and (C0 P ) respectively illustrating a variant in the method at step S10, in which the mask M is not removed following the hydrogen implantation and step S20 is applied while the mask is still present.
  • the polarization inversion at the selectively hydrogen-enriched areas normally takes place at step S20.
  • This variant can be used for example in the case where it would be desirable to precisely align electrodes at reversed polarization areas. In such a case, a self-alignment of the hydrogen-enriched areas on the electrodes used as a mask for the selective hydrogen enrichment is actually carried out.
  • the selective polarization inversion method described above is implemented by acting on only one face of the ferroelectric element. This feature therefore offers the possibility of controlling the polarization of a ferroelectric element whose rear face is inaccessible or too far from the front face, ensuring great flexibility in the application of the method and its applicability to different geometries.
  • this first embodiment is illustrative and is not limited to controlling the polarization of a simple ferroelectric crystal, but can also be applied to more complex structures, as will become apparent in the remainder of this presentation.
  • FIGS. 1 to 3 The above-described selective polarization inversion method is illustrated in FIGS. 1 to 3 in the situation where it is applied to a single ferroelectric crystal, used as the ferroelectric element 10.
  • This selective inversion method can also be applied to an assembly formed by a ferroelectric crystal integrated on a substrate, this assembly then being able to constitute the ferroelectric element 10 illustrated by FIGS. 1 to 3.
  • the Struct structure can be in the form of a circular plate whose diameter can be 100, 200, 300 or even 450 mm, but the invention is in no way limited to these dimensions or to this shape.
  • the ferroelectric layer Ferro lay is made of a single-crystal ferroelectric material, such as lithium tantalate LiTaO 3 or lithium niobate LiNbO3, or materials such as LiAlO 3 , BaTiO 3 , PbZrTiO 3 , KNbO 3 , BaZrO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 or KTaO 3 . These materials also have piezoelectric properties.
  • the ferroelectric layer may have a thickness of between 10 nanometers and 10 micrometers, depending on the intended application of the structure Struct and the expected performance of the components, but the invention does not exclude the use of different thicknesses, always depending on the intended application.
  • a ferroelectric material is a material that has an electric polarization in its natural state, a polarization that can be reversed by applying an external electric field greater than the coercive field of the material.
  • the ferroelectric layer preferably has a first single-domain polarization P1, i.e. all the dipole moments are aligned parallel to each other in a given direction.
  • the given direction is the perpendicular to the plane of the ferroelectric layer, i.e. perpendicular to the free face of this layer, or perpendicular to a surface plane of this layer.
  • the Sprt support is preferably chosen, for its part, in silicon. It may be a support consisting of a solid base substrate in monocrystalline silicon, but the invention is not limited to this support which may, more generally, be made of any material, for example silicon, even electrically insulating such as sapphire or glass.
  • the Sprt support when it is formed of a solid substrate, typically has a thickness of several hundred micrometers. In monocrystalline silicon, the Sprt support is electrically conductive, but, preferably, has a high resistivity, greater than 1000 ohms. This limits the density of charges, holes or electrons, which are likely to move, which could affect the proper functioning of an RF component that would be formed on the basis of the Struct structure. But the invention is not limited to a support having such characteristics.
  • the Sprt support can be provided with a charge trapping layer which is a non-monocrystalline layer having structural defects such as dislocations, grain boundaries, amorphous zones, interstices, inclusions, pores, etc. These structural defects form traps for charges likely to circulate in the material, for example at the level of incomplete or dangling chemical bonds. This prevents conduction in the trapping layer which consequently has a high resistivity. Its thickness, in particular when it is formed on a resistive support, can be between 0.1 ⁇ m and 3 ⁇ m. However, other thicknesses lower or higher than this range are entirely possible, depending on the level of performance expected from the structure 1.
  • this trapping layer is formed of a layer of polycrystalline silicon.
  • This trapping layer is, when present, located on the side of the Diel dielectric layer.
  • Other layers, dielectric or electrically conductive, having functionalities deemed useful by the practitioner according to the type of applications envisaged may also be present, adjacent to the Diel dielectric layer.
  • the Diel dielectric layer can have a thickness of between a few nanometers and several micrometers, for example 5 micrometers or more. It can typically be formed of an amorphous material, such as silicon oxide, silicon oxynitride or silicon nitride silicon dioxide. It can also be an oxide such as Ta2O5, ZrO2 or HfO or Al2O3.
  • the Sprt support can be prepared by adding a dielectric layer Diel as illustrated in (A).
  • This dielectric layer can be formed from a stack of dielectric layers of different nature, for example chosen from the materials listed above.
  • the dielectric layer Diel can be produced directly on the Sprt support using different techniques known in the state of the art, such as oxidation or nitriding heat treatments, chemical deposition using techniques called LPCVD (acronym for the English expression “Low Pressure Chemical Vapor Deposition” or chemical vapor deposition at subatmospheric pressure) or PECVD (acronym for the English expression “Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition” or plasma-assisted chemical vapor deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition) or ALD (Atomic Layer Deposition).
  • LPCVD acronym for the English expression “Low Pressure Chemical Vapor Deposition” or chemical vapor deposition at subatmospheric pressure
  • PECVD acrony
  • the Ferro sub donor substrate illustrated in (B) is a substrate made of the ferroelectric material of the ferroelectric layer Ferro lay , or comprising a surface thickness of this material.
  • the donor substrate may, for example, be formed of a bulk substrate of lithium tantalate or lithium niobate, or of a composite substrate formed of a first substrate on which rests a thickness (at least equal to that of the Ferro lay layer) of lithium tantalate or lithium niobate.
  • the donor substrate preferably has a first single-domain polarization P1 perpendicular to the implantation face Imp by which the hydrogen ions are implanted in the donor substrate. This orientation is conventionally done by choosing the growth mode of the crystal and its cutting plane.
  • the ferroelectric layer Ferro lay can be transferred from the ferroelectric donor substrate Ferro sub by implementing the Smart Cut TM technology, in which case the donor substrate must be prepared by introducing light species such as hydrogen or helium into this donor substrate.
  • This introduction can correspond to a hydrogen implantation, i.e., an ion bombardment of hydrogen of a planar face Imp donor substrate Ferro sub .
  • the implanted hydrogen ions H + are intended to form a weakening plane Frgl delimiting the ferroelectric layer Ferro lay of ferroelectric material to be transferred which is located on the side of the face Imp and another part Ferro sep forming the remainder of the substrate and which will be separated from the ferroelectric layer Ferro lay at a later stage.
  • the dose of the implanted species and the implantation energy are chosen according to the thickness of the layer that we wish to transfer and the physicochemical properties of the Ferro sub donor substrate.
  • a dose of hydrogen between 10 16 and 5.10 17 at/cm2 with an energy between 30 and 300 keV to delimit a Ferro lay ferroelectric layer of the order of 200 to 2000 nm thick.
  • the Sprt support substrate may have the same size and shape as the Ferro sub donor substrate, but the invention is not limited to such a configuration and different sizes and shapes may be employed.
  • Prior to assembly it may be considered to prepare the faces of the substrates to be assembled by a cleaning, brushing, drying, polishing step, or plasma activation.
  • the assembly may correspond to the intimate contact of the Ferro sub donor substrate with the Sprt support by molecular adhesion and/or electrostatic bonding.
  • a function of the dielectric layer Diel formed on the Sprt support is to facilitate the assembly.
  • the exposed surfaces of the Sprt support and the Ferro sub donor substrate are brought into intimate contact to promote the development of molecular bonds, for example of the van der Waals or covalent type.
  • the assembly of the two bodies is then obtained without the use of an adhesive.
  • the assembly may include the application of a low temperature heat treatment (e.g., 50 to 300°C, typically 100°C) to heal crystal defects in the ferroelectric layer and to enhance the bonding energy sufficiently to allow a possible subsequent thinning step.
  • a low temperature heat treatment e.g., 50 to 300°C, typically 100°C
  • the step of detaching a portion of the donor substrate is carried out by applying Smart CutTM technology, according to which a layer intended to form the ferroelectric layer Ferro lay is delimited by the embrittlement plane Frgl. After the assembly step, this layer is detached from the donor substrate by fracture at the embrittlement plane Frgl and thus transferred to the support Sprt.
  • This detachment step may thus comprise the application to the intermediate structure Struct inter of a heat treatment in a temperature range of the order of 80°C to 300°C to allow the detachment of the part of the donor substrate from the ferroelectric layer Ferrol ay and the transfer of the latter onto the support substrate Sprt.
  • this step may comprise the application of a blade or a jet of gaseous or liquid fluid, or any other mechanical force at the embrittlement plane Frgl.
  • the step of detaching a part of the donor substrate can be replaced by a step of mechanical-chemical thinning of this donor ferroelectric substrate Ferro sub .
  • any type of finishing treatment may be applied to the structure Struct thus formed to conform the ferroelectric layer Ferro lay to specifications of thickness, thickness uniformity, roughness, crystal quality or any other type of specifications.
  • the assembly can cause an accumulation of hydrogen at the interface between the dielectric layer and the ferroelectric layer, constituting a hydrogen concentration gradient making possible the multidomain transformation of a portion of the ferroelectric layer in contact with the assembly layer during the heat treatment of separation of the ferroelectric layer Ferro lay from the ferroelectric substrate Ferro sub .
  • the dielectric layer Diel it can be ensured that it has a lower hydrogen concentration than that present in the ferroelectric layer Ferro lay , so that the excess hydrogen in the ferroelectric layer can be absorbed into the dielectric layer during the diffusion caused by the heat treatment for separating the Ferro sep layer. This prevents the accumulation of hydrogen at the assembly interface and avoids a multidomain transformation in the portion of the ferroelectric layer near this interface.
  • the hydrogen concentration of the dielectric layer Diel can be reduced for example by means of an annealing step of the dielectric layer Diel which aims to bring this dielectric layer to a temperature higher than that of the heat treatment for preparing the ferroelectric layer Ferro lay reported, which will be presented later in this description. It is thus possible to bring this layer to an annealing temperature of 600°C, 700°C, or even 800°C or more.
  • the average hydrogen concentration in the dielectric layer, after this exodiffusion step can thus be less than 5.10 20 at/cm ⁇ 3, or advantageously less than 10 18 at/cm 3 .
  • a preparation heat treatment can be applied to it followed by a thinning step.
  • the preparation heat treatment makes it possible to cure crystalline defects present in the ferroelectric layer. In addition, it contributes to consolidating the bonding between this ferroelectric layer Ferro lay and the support Sprt. It also has the effect, if it has a sufficient temperature, of causing the diffusion of hydrogen contained in the ferroelectric layer and the multidomain transformation of a surface portion of this ferroelectric layer. This surface portion can have a thickness of the order of 50 nm or less and develop over the entire extent of the ferroelectric layer. At the end of the preparation heat treatment, the ferroelectric layer has a relatively constant hydrogen concentration in its thickness.
  • this preparatory heat treatment is intended to bring the ferroelectric layer to a temperature between 300°C and the Curie temperature of the ferroelectric material (and preferably greater than or equal to 450°C, 500° or 550° to promote the diffusion of hydrogen) for a period of between 30 minutes and 10 hours.
  • This heat treatment is preferably carried out by exposing the free face of the dielectric layer to an oxidizing or neutral gas atmosphere, i.e. without covering this face of the thin layer with a protective layer that could prevent the exodiffusion of hydrogen.
  • the ferroelectric layer is thinned.
  • This thinning may correspond to the polishing of the free face of the ferroelectric layer Ferro lay , for example by mechanical, mechanical-chemical and/or chemical etching thinning techniques. It makes it possible to prepare the free face so that it has a low roughness, for example less than 0.5 nm RMS 5x5 ⁇ m by atomic force measurement (AFM) and to remove the multidomain surface portion of the ferroelectric layer Ferro lay .
  • a removal of 100 to 300 nm of thickness is generally planned to reach the target thickness of the ferroelectric layer Ferro lay , and in all cases a thickness greater than that of the multidomain surface portion. This forms a single-domain thin layer having the desired qualities of surface state, crystalline quality and polarization.
  • a selective polarization inversion as illustrated in Figures 1 to 3 applied to the Struct structure illustrated in (D) of the allows to form the Struct structure illustrated in (D) of the .
  • Solution 1 illustrates a method of assembling a Ferro sub donor substrate preferably having a first monodomain P1 polarization perpendicular to a planar face of the substrate. Subsequently, a selective polarization inversion can be applied to the Ferro lay ferroelectric layer of the Struct structure obtained to arrive at two vertical polarizations of opposite directions within this ferroelectric layer.
  • This section presents an alternative solution 2 to solution 1 in that instead of applying selective polarization reversal after assembly, selective polarization reversal is applied to a donor ferroelectric substrate before assembly, as illustrated by .
  • the Ferro sub donor substrate has two vertical polarizations P1 and P2 of opposite directions.
  • Such a substrate can for example be obtained from a monodomain polarization substrate by selective polarization inversion as illustrated by FIGS. 1 to 3 and the associated manufacturing method.
  • a surface acoustic wave Dev SAW device can be fabricated from a ferroelectric layer whose polarization has been selectively modified.
  • Such a device illustrated by the plan view of the and by illustrating a sectional view along the XX' axis of the , conventionally comprises interdigitated electrodes formed directly on the ferroelectric layer Ferro lay . It is advantageous to use these electrodes El as a mask M, then indicated as M/El in Figures 6 and 7, during the selective introduction of hydrogen to the ferroelectric layer. Indeed, this process makes it possible to obtain a self-alignment of the volumes V of reversed polarization with the interdigitated electrodes M/El. We thus find the configuration indicated by (C3) in the .
  • C3 the configuration indicated by (C3) in the .
  • step S20 intended to reverse the first polarization P1 of the ferroelectric layer Ferro lay to obtain, in the volumes V enriched in hydrogen, a second polarization P2 opposite to the first polarization P1.

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Abstract

Structure (Struct) comprenant une couche ferroélectrique (Ferrolay) présentant une première polarisation (P1) dans une première zone et une deuxième polarisation (P2), opposée à la première polarisation, dans une deuxième zone (V) distincte de la première zone, la première polarisation et la deuxième polarisation étant orientées perpendiculairement ou obliquement par rapport à la couche ferroélectrique, la deuxième zone de polarisation présente une concentration d'hydrogène supérieure à la première zone de polarisation, la structure comprenant en outre un support (Sprt) et une couche diélectrique (Diel) interposée entre ce support et la couche ferro-électrique.

Description

STRUCTURE INTEGREE COMPRENANT UNE COUCHE FERROELECTRIQUE A POLARISATION SELECTIVE REPORTEE SUR UN SUBSTRAT ET PROCEDE DE FABRICATION DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L'invention concerne une structure intégrée comprenant une couche ferroélectrique reportée sur un support par l’intermédiaire d’une couche diélectrique, et un procédé de fabrication de cette structure. Une telle structure peut être exploitée pour former des composants d’optique non-linéaire ou des composants radiofréquences (RF) en particulier des composants à ondes élastiques de surface.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
Il existe plusieurs types d’application mettant à profit ou influencées par les propriétés de polarisation des matériaux ferroélectriques et la présence de domaines de polarisations opposées les unes aux autres. On peut citer l’optique non linéaire avec, par exemple, des dispositifs dits doubleurs de fréquence qui permettent de générer une onde électromagnétique de fréquence double de celle envoyée en entrée du dispositif, au moyen d’un cristal ferroélectrique périodiquement polarisé. On peut également citer les dispositifs à ondes acoustiques de surface (dispositifs SAW pour Surface Acoustic Wave en terminologie anglaise). L’existence de ces applications a motivé le développement de procédé de contrôle des domaines de polarisation des couches ferroélectrique.
L’article “ “Seeing Is Believing”-In-Depth Analysis by Co-Imaging of Periodically-Poled X-Cut Lithium Niobate Thin Films”, de Sven Reitzig et al., publié dans Crystals 2021, 11, 288, décrit une couche de niobate de lithium intégrée sur un substrat de silicium par l’intermédiaire d’une couche de silice, et le contrôle de la polarisation de cette couche parallèlement au plan dans lequel elle s’étend, par application d’une tension entre des électrodes disposées de manière périodique sur la surface libre de la couche. Il est à noter que, dans une telle structure ne comportant des électrodes que sur la seule face libre du cristal, le contrôle d’une polarisation qui serait perpendiculaire au substrat au moyen d’un champ électrique, en l’absence d’électrode enterrée, requerrait des tensions risquant de provoquer le claquage de la couche de silice.
Le document EP 0 592 226 A1 décrit un dispositif de conversion de fréquence optique obtenu par la juxtaposition périodique de bandes parallèles de polarisation inversée au niveau d’une face d’un substrat ferroélectrique présentant une polarisation spontanée perpendiculaire au plan d’extension du substrat, c’est-à-dire perpendiculaire à cette face. L’inversion de la polarisation selon les bandes est obtenu par réalisation d’un échange protonique à travers un masque.
Le document WO 2005/052682 A1 décrit l’inversement localisé de la polarisation d’un cristal ferroélectrique de polarisation spontanée perpendiculaire l’un des ses faces, par application d’un champ électrique selon des bandes périodiques juxtaposées, au moyen d’électrodes à gel disposées sur cette face et la face opposée du cristal.
Les structure et procédés présentés ci-dessus, s’ils permettent effectivement de contrôler les domaines de polarisation d’une couche ferroélectrique, restent peu pratiques et ne permettent pas le contrôle efficace et sûr d’une polarisation perpendiculaire à une face d’un cristal ferroélectrique, et encore moins à celle d’une couche ferroélectrique intégrée sur un support.
Un premier objet de l’invention est de fournir une couche ferroélectrique sous une forme intégrée sur un substrat, de polarisation présentant des domaines de polarisation d’orientations opposées et perpendiculaires ou obliques par rapport au plan de cette couche et apte à être utilisée en vue, par exemple, d’applications en optique non linéaire ou d’ondes acoustiques de surface. Un second objet de l’invention est un procédé de fabrication permettant d’obtenir la couche ferroélectrique intégrée mentionnée ci-dessus. Un troisième objet de l’invention est un procédé d’inversion locale et contrôlée de la polarisation d’un élément ferroélectrique quelconque.
En vue de la réalisation de ces objectifs, un premier aspect de l’invention est une structure comprenant une couche ferroélectrique présentant une première polarisation dans une première zone et une deuxième polarisation, opposée à la première polarisation, dans une deuxième zone distincte de la première zone, dans laquelle la première polarisation et la deuxième polarisation sont orientées perpendiculairement ou obliquement à la couche ferroélectrique, la deuxième zone de polarisation présente une concentration d’hydrogène supérieure à la première zone de polarisation, la structure comprenant en outre un support et une couche diélectrique interposée entre ce support et la couche ferroélectrique.
Un avantage de la structure selon l’invention est la fourniture d’une structure intégrée, incluant un substrat sur lequel est fixée une couche ferroélectrique présentant au moins deux polarisations distinctes perpendiculaires ou obliques par rapport aux plans d’extension de la couche et du substrat. Une telle structure facilite l’intégration de fonctions d’optique non linéaire ou d’acoustique de surface tout en maintenant un coût bas.
Selon des caractéristiques additionnelles non-limitative du premier aspect de l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • une densité d’hydrogène dans la deuxième zone (V) peut être comprise entre 1019 et 1022 atomes/cm3 ;
  • la première zone et la deuxième zone peuvent définir des motifs périodiques ;
  • la couche ferroélectrique peut être formée d’un monocristal ;
  • la couche ferroélectrique peut comprendre du niobate de lithium ou du tantalate de lithium ;
  • la couche diélectrique peut comprendre de l’oxyde de silicium ;
  • le support peut comprendre du silicium monocristallin.
Un second aspect de l’invention porte sur un procédé de fabrication d’une structure dont la polarisation est contrôlée localement, comprenant les étapes de fournir un élément ferroélectrique présentant une première polarisation ; enrichir sélectivement l’élément ferroélectrique en ions hydrogène à travers une face de l’élément ferroélectrique ; et appliquer un recuit à l’élément ferroélectrique après introduction des ions hydrogène, à une température comprise entre 400°C et 700°C, de manière à faire basculer la polarisation de la couche ferroélectrique dans un volume défini par l’introduction sélective des ions hydrogène.
Le procédé selon l’invention est avantageux en ce qu’il est simple, flexible, et s’intègre aisément dans un procédé de fabrication plus large reposant sur des techniques de fabrication connues et éprouvées de l’industrie des semi-conducteurs. En outre, il permet le contrôle local de la polarisation d’un élément ferroélectrique dont une seule face est accessible et est donc applicable à des couches minces intégrées sur un substrat.
Selon des caractéristiques additionnelles non-limitative du second aspect de l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • la polarisation peut être monodomaine, perpendiculaire ou oblique par rapport à une face de l’élément ferroélectrique ;
  • l’enrichissement sélectif des ions hydrogène peut être mis en œuvre par implantation ionique des ions hydrogène à travers un masque définissant une région de l’élément ferroélectrique ne recevant pas d’ions hydrogène ;
  • l’implantation d’ions hydrogène est mise en œuvre à une énergie comprise entre 3 keV et 210 keV ;
  • une sélectivité de l’introduction des ions hydrogène peut être assurée par des éléments prévus pour faire partie d’un dispositif à ondes acoustiques de surface ;
  • l’élément ferroélectrique peut être une couche de niobate de lithium ou de tantalate de lithium ;
  • le procédé peut comprendre en outre l’assemblage d’un substrat ferroélectrique et d’un support, suivi d’une séparation ou d’un amincissement du substrat ferroélectrique de manière à définir l’élément ferroélectrique ;
  • le support peut être un substrat de silicium monocristallin, et une couche diélectrique comprenant de l’oxyde de silicium est interposée entre ce substrat de silicium monocristallin et le substrat ferroélectrique ; et
  • une dose de l’enrichissement sélectif de l’élément ferroélectrique en ions hydrogène (H+) peut être adaptée de manière à obtenir une densité d’hydrogène comprise entre 1019 et 1022 atomes/cm3 dans ledit volume (V).
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
La représente un élément ferroélectrique de polarisation sélectivement modifiée et un procédé de fabrication correspondant selon la présente description  ;
La représentes des variantes de l’élément ferroélectrique de la  ;
La représentes une variantes de l’élément ferroélectrique de la  ;
La illustre un premier procédé d’intégration d’une couche ferroélectrique sur un support ;
La illustre un second procédé d’intégration d’une couche ferroélectrique sur un support ;
La est une vue schématique en plan d’un dispositif selon la présente description.
La est une vue schématique en coupe du dispositif de la .
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Inversion sélective de polarisation
A la suite d’une série d’expérimentations, la demanderesse a réalisé qu’il est possible de basculer la polarisation de domaines de polarisation par implantation d’hydrogène suivi d’un recuit. Ces résultats expérimentaux sont mis en œuvre dans le procédé de fabrication décrit ci-dessous, aboutissant à un élément ferroélectrique 10 présentant des domaines de polarisation de géométrie choisie par le praticien.
L’élément ferroélectrique 10 peut être un monocristal ferroélectrique en tant que tel, ce monocristal peut se présenter sous la forme d’une couche monocristalline ferroélectrique, ce cristal ferroélectrique ou cette couche monocristalline ferroélectrique peuvent se présenter fixés sur un support Sprt au sein d’une structure Struct, comme la couche ferroélectrique Ferrolay illustré en (D) de la .
Les figures 1 à 3 illustrent un premier mode de réalisation, dans lequel l’élément ferroélectrique 10 est un monocristal ferroélectrique en tant que tel, c’est-à-dire sans qu’il soit fixé sur support.
La représente en (A) une coupe, selon un plan ZX, de l’élément ferroélectrique 10 ayant deux faces opposées Sup et Inf perpendiculaires à une direction Z et présentant une première polarisation P1 monodomaine parallèle à la direction Z et perpendiculaire aux faces supérieure Sup et inférieure Inf parallèles au plan d’extension de l’élément ferroélectrique 10, c’est-à-dire le plan cristallin dans lequel ses dimensions sont les plus grandes.
A des fins explicatives, ce mode de réalisation prend l’exemple d’une polarisation perpendiculaire au plan d’extension de l’élément ferroélectrique 10. Cependant, l’invention s’applique également à la situation où la polarisation n’est pas perpendiculaire au plan d’extension de l’élément ferroélectrique 10 mais oblique par rapport à celui-ci. La caractéristique « perpendiculaire » s’entend d’une inclinaison de 90° par rapport au plan d’extension de l’élément ferroélectrique à 10° près, la caractéristique « oblique » s’entend d’une inclinaison de écartée d’au moins 5° par rapport au plan d’extension de l’élément ferroélectrique. On peut ainsi considérer comme oblique une direction présentant une inclinaison comprise dans la plage allant de 5° à 80°, ou de 30° à 70°, ou encore de 35° à 60°. Par exemples, une couche de LiTaO3 50RY et une couche de LiTaO3 42RY présentent des polarisation inclinées de 50° et 42° par rapport au plan d’extension de la couche, respectivement, donc des polarisations obliques par rapport au plan d’extension de la couche.
A une étape S10, on enrichit sélectivement l’élément ferroélectrique 10 en hydrogène par implantation ionique sélective d’ion hydrogène H+, à une énergie d’implantation comprise entre 3 keV et 210 keV. Comme illustré par la en (B), la sélectivité de l’implantation peut être assurée par la formation d’un masque M par un procédé conventionnel de lithographie, en résine, en métal, en oxide, en nitrure ou selon tout autre matériau capable d’arrêter les ions hydrogène au cours de l’implantation, de manière à ce que les régions de l’élément ferroélectrique couvertes par le masque ne reçoivent pas d’hydrogène. En vue d’applications pratiques, le motif formé par le masque M peut consister en un motif périodique, par exemple constitué de bandes de même largeur parallèles les unes aux autres à espacement constant comme illustré en (BP) avec une vue d’en haut dans le plan YX. Suite à l’implantation, le masque M est, dans cet exemple, retiré.
Cette étape résulte en la formation de volumes V relativement riches en hydrogène dans l’élément ferroélectrique 10, d’étendue en surface correspondant au négatif du motif du masque M et de profondeur dépendant de l’énergie d’accélération de l’étape d’implantation. Les volumes V forment ainsi un motif périodique selon une direction comprise dans un plan parallèle au plan d’extension de l’élément ferroélectrique 10, c’est-à-dire selon une direction comprise sur une surface extérieure de l’élément ferroélectrique 10. La dose d’implantation est adaptée à l’énergie d’implantation de manière à obtenir une densité d’hydrogène comprise entre 1019 et 1022 atomes/cm3 dans les volumes V. Il est également possible de procéder à plusieurs implantations successives à différentes énergies d’implantation afin de mieux définir les volumes V an homogénéisant la répartition de l’hydrogène implanté. A ce stade, la polarisation de l’ensemble de l’élément ferroélectrique 10 reste inchangée dans les zones implantées, les zones implantées et les zones non implantées formant toujours un unique monodomaine dans lequel la polarisation ne possède qu’une seule orientation.
Dans le présent document, les plans YX et ZX sont définis par les axes X, Y Z d’un repère orthogonal, le plan YX étant défini par les axes Y et X du repère, le plan ZX étant défini par les axes Z et X du repère. Les faces Sup et Inf de l’élément ferroélectrique 10 s’étendent parallèlement au plan YX, perpendiculairement à l’axe Z qui définit l’épaisseur de l’élément ferroélectrique 10. En outre, on en entend par implantation sélective ou enrichissement sélectif une implantation ou un enrichissement au niveau de certaines régions de l’élément ferroélectrique 10, choisies par le praticien et ici définies par le motif du masque M.
A une étape S20, on soumet l’élément ferroélectrique 10 sélectivement enrichi en hydrogène à un recuit à une température comprise entre 400°C et 800°C, préférablement entre 500 et 700°C, plus préférablement entre 550°C et 600°C. Cette étape de recuit entraîne une inversion de la première polarisation P1 de l’élément ferroélectrique 10 seulement au niveau des volumes V enrichis en hydrogène pour donner une deuxième polarisation P2, de même direction d’alignement que la première polarisation P1 mais de sens opposé à celle-ci, spécifique aux volumes V enrichis en hydrogène comme illustré en (C0). On définit comme polarisations antiparallèles des polarisation alignées selon des directions parallèles mais de sens opposés. Inversement, on définit des polarisations parallèles des polarisations alignées selon des directions parallèles et de même sens. L’inversion de la polarisation seulement au niveau des volumes V entraîne le passage d’une configuration de polarisations parallèles entre les volumes V et le reste de l’élément ferroélectrique 10 à une configuration de polarisations antiparallèles. Le recuit se fait de préférence sous atmosphère d’oxygène pour réduire l’exodiffusion d’oxygène de la couche ferroélectrique, mais peut aussi se faire par exemple sous atmosphère d’azote ou d’air, à une pression atmosphérique pour une durée comprise entre 100 secondes et 10 heures.
Les volumes V définissent une deuxième zone ayant une deuxième polarisation P2 différente, et en fait opposée, à une première polarisation P1 d’une première zone définie par le volume du matériau ferroélectrique compris dans l’élément ferroélectrique 10 d’où la deuxième zone est retirée. Ainsi, la première et la deuxième zone sont complémentaires, leur somme formant le volume total du matériau ferroélectrique compris dans l’élément ferroélectrique 10, c’est-à-dire la totalité d’un cristal ferroélectrique lorsque l’élément ferroélectrique 10 est constitué d’un tel cristal. La première zone et la deuxième zone peuvent être formées de volumes disjoints ou bien former des volumes continus, selon la forme donnée à la région d’implantation sélective et sa profondeur. Au cours du procédé de fabrication, la deuxième zone est enrichie en hydrogène, de sorte que la deuxième zone présente une concentration d’hydrogène supérieure à la première zone.
La illustre en (C0P) l’état de polarisation de l’élément ferroélectrique 10 au niveau de la face supérieure Sup au moyen d’une vue d’en haut dans le plan YX à l’issue de l’étape S20, avec des domaines de polarisations opposées de géométrie définie par les volumes V obtenus suite à l’enrichissement sélectif en hydrogène au moyen du masque M.
La illustre en (C1) et (C2) des géométries pour les volumes V obtenues pour des énergies d’implantations croissantes et plus élevées que pour la géométrie illustrée en (C0). En particulier, en (C2), l’inversion de polarisation est effective sur la totalité de l’épaisseur du cristal, ce qui est obtenu par une énergie d’implantation suffisamment élevée, dépendante de la distance entre les faces Sup et Inf.
La illustre une vue en coupe (C3) et une vue plane (C3P) correspondant respectivement à (C0) et (C0P) illustrant une variante dans le procédé au niveau de l’étape S10, dans laquelle le masque M n’est pas retiré suite à l’implantation d’hydrogène et l’étape S20 est appliquée alors que le masque est toujours présent. L’inversion de polarisation au niveau des zones sélectivement enrichies en hydrogène se déroule normalement à l’étape S20. Cette variante peut être utilisée par exemple dans le cas où il serait souhaitable d’aligner précisément des électrodes à des zones de polarisation inversée. Dans un tel cas, on procède de fait à un auto-alignement des zones enrichies en hydrogène sur les électrodes utilisées comme masque pour l’enrichissement sélectif en hydrogène.
Le procédé d’inversion sélective de polarisation décrit ci-dessus est mis en œuvre en n’agissant que sur une seule face de l’élément ferroélectrique. Cette caractéristique offre donc la possibilité de contrôler la polarisation d’un élément ferroélectrique dont la face arrière est inaccessible ou trop éloignée de la face avant, assurant une grande flexibilité à l’application du procédé et son applicabilité à différentes géométries.
Comme déjà mentionné, ce premier mode de réalisation est illustratif et n’est pas limité au contrôle de la polarisation d’un simple cristal ferroélectrique, mais peut également s’appliquer à des structures plus complexes, comme cela deviendra apparent dans la suite de cet exposé.
Intégration sur un support – Solution 1
Le procédé d’inversion sélective de polarisation décrit ci-dessus est illustré dans les figures 1 à 3 dans la situation où il est appliqué à un cristal ferroélectrique seul, utilisé comme l’élément ferroélectrique 10. Ce procédé d’inversion sélective peut également s’appliquer à un ensemble formé d’un cristal ferroélectrique intégré sur un substrat, cet ensemble pouvant alors constituer l’élément ferroélectrique 10 illustré par les figures 1 à 3.
L’intégration sur un substrat peut être effectuée comme expliqué ci-dessous à l’aide la , et en référence à la publication WO 2020/200986 A1 qui décrit en particulier le report d’une couche mince ferroélectrique monodomaine sur un substrat.
La représente un procédé de fabrication d’une structure Struct intégrée illustrée en (D), comportant une couche ferroélectrique Ferrolay fixée sur un support Sprt par l’intermédiaire d’une couche diélectrique Diel. La couche Diel est en contact direct avec chacun du support Sprt et de la couche ferroélectrique Ferrolay.
De manière conventionnelle, la structure Struct peut se présenter sous la forme d'une plaquette circulaire dont le diamètre peut être de 100, 200, 300 voire même 450mm, mais l'invention n'est nullement limitée à ces dimensions ou à cette forme.
La couche ferroélectrique Ferrolay est constituée d’un matériau ferroélectrique monocristallin, tel que du tantalate de lithium LiTaO3 ou du niobate de lithium LiNbO3, ou encore des matériaux tels que LiAlO3, BaTiO3, PbZrTiO3, KNbO3, BaZrO3, CaTiO3, PbTiO3 ou de KTaO3. Ces matériaux présentent également des propriétés piézoélectriques. D’une manière générale, la couche ferroélectrique peut présenter une épaisseur comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres, selon l’application envisagée de la structure Struct et les performances attendues des composants, mais l’invention n’exclut pas l’utilisation d’épaisseurs différentes, toujours selon l’application envisagée. On rappelle qu’un matériau ferroélectrique est un matériau qui possède une polarisation électrique à l'état naturel, polarisation qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique extérieur supérieur au champ coercitif du matériau. Comme illustré dans le présent document, la couche ferroélectrique présente préférablement une première polarisation P1 monodomaine, c’est-à-dire que tous les moments dipolaires sont alignés parallèlement les uns aux autres suivant une direction donnée. Ici, la direction donnée est la perpendiculaire au plan de la couche ferroélectrique, c’est-à-dire perpendiculaire à la face libre de cette couche, ou encore perpendiculaire à un plan de surface de cette couche.
Pour des raisons de disponibilité et de coût, le support Sprt est préférentiellement choisi, quant à lui, en silicium. Il peut s’agir d’un support constitué d’un substrat de base massif en silicium monocristallin, mais l’invention n’est pas limitée à ce support qui peut, plus généralement, être constitué de tout matériau, par exemple du silicium, même électriquement isolant tel que du saphir ou du verre. Le support Sprt, lorsque celui-ci est formé d’un substrat massif présente typiquement une épaisseur de plusieurs centaines de micromètres. En silicium monocristallin, le support Sprt est conducteur électrique, mais, préférentiellement, présente une résistivité élevée, supérieure à 1000 ohms On limite de la sorte la densité des charges, trous ou électrons, qui sont susceptibles de se déplacer, ce qui pourrait affecter le bon fonctionnement d’un composant RF qui serait formé sur la base de la structure Struct. Mais l’invention n’est pas limitée à un support présentant de telles caractéristiques.
Optionnellement, le support Sprt peut être muni d’une couche de piégeage de charge qui est une couche non monocristalline présentant des défauts structurels tels que des dislocations, des joints de grains, des zones amorphes, des interstices, des inclusions, des pores… Ces défauts structurels forment des pièges pour les charges susceptibles de circuler dans le matériau, par exemple au niveau de liaisons chimiques non complètes ou pendantes. On prévient ainsi la conduction dans la couche de piégeage qui présente en conséquence une résistivité élevée. Son épaisseur, notamment lorsqu'elle est formée sur un support résistif, peut être comprise entre 0,1 µm à 3 µm. Mais d'autres épaisseurs inférieures ou supérieures à cet intervalle sont tout à fait envisageables, selon le niveau de performance attendu de la structure 1. De manière avantageuse, et pour des raisons de simplicité de mise en œuvre, cette couche de piégeage est formée d'une couche de silicium polycristallin. Elle peut également comprendre des couches, ou être formée entièrement, d’un alliage de silicium et de carbone. Cette couche de piégeage est, lorsqu’elle est présente, située du côté de la couche diélectrique Diel. D’autres couches, diélectrique ou électriquement conductrices, ayant des fonctionnalités jugées utiles par le praticien selon le type d’applications envisagées peuvent également être présentes, adjacentes à la couche diélectrique Diel.
La couche diélectrique Diel peut quant à elle présenter une épaisseur comprise entre quelques nanomètres et plusieurs micromètres, par exemple 5 micromètresou plus. Elle peut typiquement être formée d’un matériau amorphe, tel que de l’oxyde de silicium, de l’oxynitrure de silicium ou du nitrure de silicium dioxyde de silicium. Il peut également s’agir d’un oxyde tel que le Ta2O5, le ZrO2 ou le HfO ou d’Al2O3.
En référence à la , la structure Struct peut être réalisée par un procédé de fabrication par report de couche comprenant :
  • la préparation du support Sprt illustré en (A) ;
  • l’éventuelle préparation d’un substrat donneur ferroélectrique Ferrosub illustré en (B);
  • l’assemblage, via la couche diélectrique Diel, d’une première face du support Sprt et d’une face du substrat donneur ferroélectrique Ferros ub afin de constituer une structure intermédiaire Structinter illustrée en (C) ; et
  • le détachement d’une partie du substrat donneur Ferrosub de la structure intermédiaire pour définir la couche ferroélectrique Ferrolay sur le support Sprt et obtenir la structure Struct illustrée en (D).
Le support Sprt peut être préparé par adjonction d’une couche diélectrique Diel comme illustrée en (A). Cette couche diélectrique peut être formée d’un empilement de couches diélectriques de nature différentes, par exemple choisies dans les matériaux listés ci-dessus. La couche diélectrique Diel peut être élaborée directement sur le support Sprt selon différentes techniques connues de l’état de l’art, telles des traitements thermiques d’oxydation ou de nitruration, des dépôts chimiques selon des techniques dites LPCVD (acronyme de l’expression anglo-saxonne « Low Pressure Chemical Vapor Deposition » ou dépôt chimique en phase vapeur à pression sous atmosphérique) ou PECVD (acronyme de l’expression anglo-saxonne « Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition » ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou encore PVD (Physical Vapor Deposition) ou ALD (Atomic Layer Deposition).
Le substrat donneur Ferrosub illustrée en (B) est un substrat constitué du matériau ferroélectrique de la couche ferroélectrique Ferrolay, ou comprenant une épaisseur superficielle en ce matériau. Ainsi, le substrat donneur peut, à titre d’exemple, être formé d’un substrat massif de tantalate de lithium ou de niobate de lithium, ou encore d’un substrat composite formé d’un premier substrat sur lequel repose une épaisseur (au moins égale à celle de la couche Ferrolay) de tantalate de lithium ou de niobate de lithium. Le substrat donneur présente de préférence une première polarisation P1 monodomaine perpendiculaire à la face d’implantation Imp par laquelle les ions hydrogène sont implantés dans le substrat donneur. Cette orientation se fait conventionnellement en choisissant le mode de croissance du cristal et son plan de coupe.
La couche ferroélectrique Ferrolay peut être transférée du substrat donneur ferroélectrique Ferrosub par mise en œuvre de la technologie Smart CutTM, auquel cas le substrat donneur doit être préparé par introduction d’espèce(s) légère(s) telles que de l’hydrogène ou de l’hélium dans ce substrat donneur. Cette introduction peut correspondre à une implantation d’hydrogène, c’est-à-dire, un bombardement ionique d’hydrogène d’une face plane Imp substrat donneur Ferrosub. De façon connue en soi, et comme cela est illustré en (B), les ions hydrogène H+ implantés ont pour but de former un plan de fragilisation Frgl délimitant la couche ferroélectrique Ferrolay de matériau ferroélectrique à transférer qui est située du côté de la face Imp et une autre partie Ferrosep formant le reste du substrat et qui sera séparée de la couche ferroélectrique Ferrolay à une étape ultérieure.
La nature, la dose des espèces implantées et l’énergie d’implantation sont choisies en fonction de l’épaisseur de la couche que l’on souhaite transférer et des propriétés physico-chimiques du substrat donneur Ferrosub. Dans le cas d’un substrat donneur en LiTaO3, on pourra choisir d’implanter une dose d’hydrogène comprise entre 1016 et 5.1017 at/cm² avec une énergie comprise entre 30 et 300 keV pour délimiter une couche ferroélectrique Ferrolay de l’ordre de 200 à 2000 nm d’épaisseur.
Suite aux préparation du support Sprt et du substrat donneur Ferrosub, ces deux éléments sont assemblés par mise en contact de la face libre de la couche diélectrique avec la face d’implantation Imp du substrat donneur de manière à obtenir la structure intermédiaire Structinter illustrée en (C) de la . Le substrat support Sprt peut présenter la même dimension et la même forme que celles du substrat donneur Ferrosub, mais l’invention ne se limite pas à une telle configuration et des dimensions et des formes différentes peuvent être employées.
Préalablement à l’assemblage, il peut être envisagé de préparer les faces des substrats à assembler par une étape de nettoyage, brossage, séchage, polissage, ou une activation par plasma.
L’assemblage peut correspondre à la mise en contact intime du substrat donneur Ferrosub avec le support Sprt par adhésion moléculaire et/ou collage électrostatique. Une fonction de la couche diélectrique Diel formé sur le support Sprt est de faciliter l’assemblage. Alternativement, on peut prévoir de former la couche diélectrique Diel sur la face d’implantation Imp du substrat donneur Ferrosub, préférentiellement avant la formation du plan de fragilisation Frgl. Il est également possible de former la couche diélectrique Diel en deux parties, respectivement sur chacun du support et du substrat donneur.
Comme cela est bien connu, au cours d’un procédé d’adhésion moléculaire, les surfaces exposées du support Sprt et du substrat donneur Ferrosub (l’une et/ou l’autre étant recouverte d’une couche diélectrique destinée à former la couche diélectrique Diel), parfaitement propres, planes et lisses, sont mises en contact intime pour favoriser le développement de liaisons moléculaires, par exemple de type van der Waals ou covalentes. L’assemblage des deux corps est alors obtenu sans utilisation d’un adhésif.
L’assemblage peut comprendre l’application d’un traitement thermique de faible température (compris par exemple entre 50 et 300°C, typiquement 100°C) permettant de guérir des défauts cristallins présents dans la couche ferroélectrique et de renforcer suffisamment l’énergie de collage pour permettre une éventuelle étape ultérieure d’amincissement.
Dans le présent mode de réalisation, l’étape de détachement d’une partie du substrat donneur est réalisée par application de la technologie Smart Cut™, selon laquelle une couche destinée à former la couche ferroélectrique Ferrolay est délimitée par le plan de fragilisation Frgl. Après l’étape d’assemblage, cette couche est détachée du substrat donneur par fracture au niveau du plan de fragilisation Frgl et ainsi reportée sur le support Sprt.
Cette étape de détachement peut ainsi comprendre l’application à la structure intermédiaire Structinter d’un traitement thermique dans une gamme de température de l’ordre de 80°C à 300° pour permettre le détachement de la partie du substrat donneur de la couche ferroélectrique Ferrolay et le transfert de celle-ci sur le substrat support Sprt. En remplacement ou en complément du traitement thermique, cette étape peut comprendre l’application d’une lame ou un jet de fluide gazeux ou liquide, ou de tout autre effort de nature mécanique au niveau du plan de fragilisation Frgl.
Alternativement à la mise en œuvre du procédé Smart CutTM détaillé ci-dessus, l’étape de détachement d’une partie du substrat donneur peut être remplacée par une étape d’amincissement mécano-chimique de ce substrat ferroélectrique donneur Ferrosub.
Que l’élimination d’une partie de l’épaisseur du substrat donneur soit réalisée par amincissement ou par fracture, on peut appliquer à la structure Struct ainsi formée tout type de traitement de finition permettant de conformer la couche ferroélectrique Ferrolay à des spécifications d’épaisseur, d’uniformité d’épaisseur, de rugosité, de qualité cristalline ou à tout autre type de spécifications.
En particulier, dans l’optique d’utiliser une couche ferroélectrique Ferrolay qui aurait une polarisation monodomaine, on peut s’assurer des qualités de la couche diélectrique Diel et appliquer un traitement particulier à la couche ferroélectrique Ferrolay reportée sur le substrat Subst, le tout dans le but d’obtenir une polarisation monodomaine de la couche ferroélectrique Ferrolay.
En effet, l’assemblage peut provoquer une accumulation d’hydrogène à l’interface entre la couche diélectrique et la couche ferroélectrique, constituant un gradient de concentration d'hydrogène rendant possible la transformation multidomaine d'une portion de la couche ferroélectrique en contact avec la couche d'assemblage au cours du traitement thermique de séparation de la couche ferroélectrique Ferrolay du substrat ferroélectrique Ferrosub.
Concernant la couche diélectrique Diel, on peut s’assurer qu’elle présente une concentration d’hydrogène inférieure à celle présente dans la couche ferroélectrique Ferrolay, de sorte que l’hydrogène en excès dans la couche ferroélectrique peut être absorbé dans la couche diélectrique lors de la diffusion provoquée par le traitement thermique de séparation de la couche Ferrosep. On prévient ainsi l'accumulation d'hydrogène à l’interface d'assemblage et on évite une transformation multidomaine dans la portion de la couche ferroélectrique à proximité de cette interface.
La concentration d’hydrogène de la couche diélectrique Diel peut être réduite par exemple au moyen d’une étape de recuit de la couche diélectrique Diel qui vise à porter cette couche diélectrique à une température supérieure à celle du traitement thermique de préparation de la couche ferroélectrique Ferrolay reportée, que l’on présentera ultérieurement dans cette description. On peut ainsi porter cette couche à une température de recuit de 600°C, 700°C, voire même 800°C ou plus. La concentration moyenne en hydrogène dans la couche diélectrique, après cette étape d’exodiffusion, peut ainsi être inférieure 5.1020 at/cm^3, ou avantageusement inférieure à 1018 at/cm3.
Concernant la couche ferroélectrique Ferrolay, on peut lui appliquer un traitement thermique de préparation suivi d’une étape d’amincissement.
Le traitement thermique de préparation permet de guérir des défauts cristallins présents dans la couche ferroélectrique. En outre, il contribue à consolider le collage entre cette couche ferroélectrique Ferrolay et le support Sprt. Il a également pour effet, s’il présente une température suffisante, de provoquer la diffusion de l'hydrogène contenue dans la couche ferroélectrique et la transformation multidomaine d'une portion superficielle de cette couche ferroélectrique. Cette portion superficielle peut présenter une épaisseur de l’ordre de 50 nm ou moins et se développer sur toute l’étendue de la couche ferroélectrique. A l’issue du traitement thermique de préparation, la couche ferroélectrique présente une concentration d’hydrogène relativement constante dans son épaisseur. Dans le cas du LiTaO3, ce traitement thermique de préparation est prévu pour amener la couche ferroélectrique à une température comprise entre 300°C et la température de Curie du matériau ferroélectrique (et préférentiellement supérieure ou égale à 450°C, 500° ou 550° pour favoriser la diffusion de l’hydrogène) pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures. Ce traitement thermique est préférentiellement réalisé en exposant la face libre de la couche diélectrique à une atmosphère gazeuse oxydante ou neutre, c’est à dire sans recouvrir cette face de la couche mince d’une couche de protection qui pourrait prévenir l’exodiffusion de l’hydrogène.
A la suite du traitement thermique de préparation, on opère l’amincissement de la couche ferroélectrique. Cet amincissement peut correspondre au polissage de la face libre de la couche ferroélectrique Ferrolay, par exemple par des techniques d’amincissement mécanique, mécano-chimique et/ou de gravure chimique. Il permet de préparer la face libre pour qu’elle présente une rugosité faible, par exemple inférieure à 0,5nm RMS 5x5 µm par mesure par force atomique (AFM) et d’enlever la portion superficielle multidomaine de la couche ferroélectrique Ferrolay. On prévoit généralement un enlèvement de 100 à 300 nm d’épaisseur pour atteindre l’épaisseur cible de la couche ferroélectrique Ferrolay, et dans tous les cas une épaisseur supérieure à celle de la portion superficielle multidomaine. On constitue ainsi une couche mince monodomaine présentant les qualités voulues d’état de surface, de qualité cristalline et de polarisation.
Une inversion sélective de polarisation comme illustré par les figures 1 à 3 appliqué à la structure Struct illustrée en (D) de la permet de former la structure Struct illustrée en (D) de la .
Intégration sur un support – Solution 2
La solution 1 illustre un procédé d’assemblage d’un substrat donneur Ferrosub présentant de préférence une première polarisation P1 monodomaine perpendiculaire à une face plane du substrat. Par la suite, une inversion sélective de polarisation peut être appliquée à la couche ferroélectrique Ferrolay de la structure Struct obtenue pour arriver à deux polarisations verticales de sens opposées au sein de cette couche ferroélectrique.
La présente section présente une solution 2 alternative à la solution 1 en ce qu’au lieu d’appliquer une inversion sélective de la polarisation après l’assemblage, une inversion sélective de polarisation est appliquée à un substrat ferroélectrique donneur avant l’assemblage, comme illustré par la .
Ainsi, sauf indications contraires, on peut se reporter à la solution 1 pour l’ensemble des étapes du procédé d’assemblage illustré par la , y compris l’alternative par amincissement du substrat donneur Ferrosub plutôt que par fracture de celui-ci. En revanche, dans cette solution 2, le substrat donneur Ferrosub présente deux polarisations verticales P1 et P2 de sens opposés. Un tel substrat peut par exemple être obtenu à partir d’un substrat de polarisation monodomaine par inversion sélective de polarisation comme illustré par les figures 1 à 3 et le procédé de fabrication associé.
Exemple : dispositif à ondes acoustiques de surface
A partir de l’application du procédé d’inversion sélective de polarisation, illustré par les figures 1 à 3, de manière à obtenir une couche ferroélectrique reportée sur un support et présentant deux polarisations verticales P1 et P2 de sens opposés, comme illustré en (D) de la , on peut par exemple fabriquer un dispositif à ondes acoustiques DevSAW de surface à partir d’une couche ferroélectrique dont la polarisation a été modifiée de manière sélective.
Un tel dispositif, illustré par la vue en plan de la et par illustrant une vue en coupe selon l’axe XX’ de la , comprend conventionnellement des électrodes interdigitées formées directement sur la couche ferroélectrique Ferrolay. Il est avantageux d’employer ces électrodes El comme masque M, indiquées alors comme M/El sur les figures 6 et 7, lors de l’introduction sélective d’hydrogène de la couche ferroélectrique. En effet, ce procédé permet d’obtenir un auto-alignement des volumes V de polarisation inversée avec les électrodes interdigitées M/El. On retrouve ainsi la configuration indiquée par (C3) dans la . Pour les caractéristiques et le procédé de fabrication des éléments des figures 6 et 7, on pourra se reporter aux descriptions de ces mêmes éléments pour les figures 1 à 5.
Il convient de s’assurer de la compatibilité du matériau des électrodes avec le recuit de l’étape S20 destinée à inverser la première polarisation P1 de la couche ferroélectrique Ferrolay pour obtenir, dans les volumes V enrichis en hydrogène, une deuxième polarisation P2 opposée à la première polarisation P1.
Dans ce document, les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Certaines caractéristiques et certains composants peuvent être représentés exagérés par rapport à d’autres composants ou sous une forme quelque peu schématique, et certains détails d'éléments conventionnels peuvent ne pas être représentés dans l'intérêt de la clarté et de la concision.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims (16)

  1. Structure (Struct) comprenant une couche ferroélectrique (Ferrolay) présentant une première polarisation (P1) dans une première zone et une deuxième polarisation (P2), opposée à la première polarisation, dans une deuxième zone (V) distincte de la première zone, caractérisée en ce qu e la première polarisation et la deuxième polarisation sont orientées perpendiculairement ou obliquement par rapport à la couche ferroélectrique, la deuxième zone (V) de polarisation présente une concentration d’hydrogène supérieure à la première zone de polarisation, la structure comprenant en outre un support (Sprt) et une couche diélectrique (Diel) interposée entre ce support et la couche ferroélectrique.
  2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle une densité d’hydrogène dans la deuxième zone (V) est comprise entre 1019 et 1022 atomes/cm3.
  3. Structure selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première zone et la deuxième zone définissent des motifs périodiques.
  4. Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche ferroélectrique est formée d’un monocristal.
  5. Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la couche ferroélectrique comprend du niobate de lithium ou du tantalate de lithium.
  6. Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche diélectrique comprend de l’oxyde de silicium.
  7. Structure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le support comprend du silicium monocristallin.
  8. Procédé de fabrication d’un élément ferroélectrique (10), comprenant les étapes de :
    - fournir un élément ferroélectrique (10, Ferrolay) présentant une première polarisation (P1) ;
    - enrichir sélectivement l’élément ferroélectrique en ions hydrogène (H+) à travers une face (Sup) de l’élément ferroélectrique ; et
    - appliquer un recuit à l’élément ferroélectrique après introduction des ions hydrogène, à une température comprise entre 400°C et 700°C, de manière à faire basculer la polarisation (P1) de la couche ferroélectrique dans un volume (V) défini par l’introduction sélective des ions hydrogène.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la polarisation (P1) est monodomaine, perpendiculaire ou oblique par rapport à une face (Sup) de l’élément ferroélectrique.
  10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l’enrichissement sélectif des ions hydrogène est mis en œuvre par implantation ionique des ions hydrogène à travers un masque (M) définissant une région de l’élément ferroélectrique ne recevant pas d’ions hydrogène.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel l’implantation d’ions hydrogène est mise en œuvre à une énergie comprise entre 3 keV et 210 keV.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel une sélectivité de l’introduction des ions hydrogène est assurée par des éléments (M/El) prévus pour faire partie d’un dispositif à ondes acoustiques de surface.
  13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel l’élément ferroélectrique (10, Ferrolay) est une couche de niobate de lithium ou de tantalate de lithium.
  14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, comprenant en outre l’assemblage d’un substrat ferroélectrique (Ferrosub) et d’un support (Sprt), suivi d’une séparation ou d’un amincissement du substrat ferroélectrique de manière à définir l’élément ferroélectrique (Ferrolay).
  15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le support (Sprt)est un substrat de silicium monocristallin, et une couche diélectrique (Diel) comprenant de l’oxyde de silicium est interposée entre ce substrat de silicium monocristallin et le substrat ferroélectrique (Ferrosub)
  16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, dans lequel une dose de l’enrichissement sélectif de l’élément ferroélectrique en ions hydrogène (H+) est adaptée de manière à obtenir une densité d’hydrogène comprise entre 1019 et 1022 atomes/cm3 dans ledit volume (V).
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