EP2005465A1 - Procédé de réalisation de structures en multicouches à propriétés contrôlées - Google Patents

Procédé de réalisation de structures en multicouches à propriétés contrôlées

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EP2005465A1
EP2005465A1 EP07727474A EP07727474A EP2005465A1 EP 2005465 A1 EP2005465 A1 EP 2005465A1 EP 07727474 A EP07727474 A EP 07727474A EP 07727474 A EP07727474 A EP 07727474A EP 2005465 A1 EP2005465 A1 EP 2005465A1
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EP
European Patent Office
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elementary
layers
implantation
layer
properties
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07727474A
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German (de)
English (en)
Inventor
Daniel Fruchart
David Jean Maurice Vempaire
Jacques Henri Lucien Pelletier
Salvatore Miraglia
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Joseph Fourier Grenoble 1 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2005465A1 publication Critical patent/EP2005465A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
    • H01F41/34—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film in patterns, e.g. by lithography
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/042—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using masks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5826—Treatment with charged particles
    • C23C14/5833—Ion beam bombardment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P30/00—Ion implantation into wafers, substrates or parts of devices
    • H10P30/20—Ion implantation into wafers, substrates or parts of devices into semiconductor materials, e.g. for doping

Definitions

  • the present invention relates to methods for producing microstructures and nanostructures in multilayers with controlled properties, and more precisely to magnetic and / or controlled electronic properties.
  • a multilayer structure with controlled properties is defined as a structure comprising a plurality of thin layers having intrinsic magnetic and / or electronic properties or capable of acquiring or modifying these properties by introducing an external element into their crystal lattice.
  • This manufacture could be implemented in different ways.
  • a known solution for reducing the complexity of these techniques is to deposit a first layer and locally modify the magnetic and / or electronic properties by implantation of ionic elements through a mask by means of an ion beam, said elements changing the composition and / or the crystallographic structure of the layer material.
  • This operation is repeated for each of the following layers forming the multilayer structure.
  • this type of manufacturing method comprises a number of extremely important steps of realization since it is envisaged, besides the step of implantation of ionic elements for each level of layer of material which will be deposited, a series of operations comprising a deposition operation followed by placement operations, insolation and development of a mask through which the elements in each layer will be implanted.
  • each layer level masks alignment step, difficult step to achieve accurately.
  • a first object of the invention is to overcome these disadvantages. Indeed, an object of the invention is to provide a method of manufacturing multilayer structures with controlled properties having a very small number of steps of realization.
  • Another object of the invention is to provide a method of manufacturing multilayer structures with controlled properties simple quick and economical.
  • Another object of the invention is to propose a method of manufacturing structures in multilayers with controlled properties allowing easy automation and real-time control in situ of the implantation of ionic elements at each layer level of material.
  • Another object of the invention is to provide a method of manufacturing multilayer structures with controlled properties offering the possibility of developing new materials and new micro-nanostructures of non-synthesizable thin films by conventional methods.
  • a method of manufacturing a multilayer structure on a support comprising n elementary active layers of material, n being an integer greater than or equal to two, comprising at least the following steps:
  • a deposition step of an nth active elementary layer of material characterized in that it comprises a single step of implantation of ionic species on the n active elementary layers of deposited material, through a reserve, suitable for modifying respective properties of each of the n elementary active layers to obtain a multilayer structure with controlled properties.
  • a method according to the invention further comprises a step of deposition of at least one so-called intermediate material layer between two elementary active layers of material, which intermediate layer performs a function different from that of the elementary active layers, said step being performed before said implantation of ionic species on n elementary active layers of deposited material so that said implantation of ionic species is able to also modify specific properties of said intermediate layer.
  • FIG. 1 shows a succession of views of a multilayer structure illustrating a block diagram of a method of manufacturing a multilayer structure according to the invention
  • FIG. 2 shows a view of a multilayer structure illustrating a variant of the multilayer structure of Figure 1.
  • n an integer equal to or greater than two.
  • the manufacturing method 100 comprises at least one step of depositing a first active elementary layer of material followed by a step of deposition of an nth elementary active layer of material and a single step of implantation of ionic species on the n active elementary layers of deposited material, through a reserve, capable of modifying respective properties of each of the n elementary active layers to obtain a multilayer structure with controlled properties.
  • a so-called active elementary layer is a layer of material whose functional properties can be modified by ion implantation.
  • said properties are magnetic and / or electronic functional properties.
  • FIG. 1 shows the different steps of producing a multilayer structure comprising two elementary active layers respectively of materials A and B.
  • the first active elemental layer A is deposited on a substrate S.
  • the second active elementary layer B is deposited on the active elemental layer A.
  • the layers deposition steps succeed each other until at least the number n of the active elementary layers of materials desired for the realization of the multilayer structure.
  • the nth elementary active layer is a layer of material different from that of at least one of the previous deposited layers.
  • it is a layer of material different from that of the previous deposited layer.
  • this reserve is a photosensitive M mask.
  • This mask M may be a monolayer or multilayer mask. Then, in step 500, the exposure of the mask M is carried out. The mask M is then developed on the n deposited layers of the multilayer structure, ie it will protect, according to a certain pattern, different zones M2 of the structure that it covers leaving, moreover, other areas Ml of the unprotected structure.
  • the step of implantation of ionic elements 600 through the latter is then performed to modify the respective magnetic properties of the different active elementary layers A and B of the structure.
  • the unprotected Ml areas of the layers have their functional properties changed while the M2 areas protected by the mask M are not altered and correspond to the elementary active layers of materials A and B deposited initially.
  • the implantation of ionic elements can be carried out either with the help of ion beams, known implantation means which will not be detailed here either directly by an ion implantation technique by plasma immersion.
  • the choice of the implantation technique of ionic elements to be used is a function of the ionic elements that one wants to implant, the desired depth of implantation or the need or not of a mass selection of the ionic elements.
  • the plasma immersion ion implantation technique will be preferred while beyond 100 keV, only ion implantation traditional ion beam will be possible.
  • the latter allows the implantation of ionic species by acceleration of positive ions of a plasma by applying negative high-voltage pulses to the multilayer structure immersed in the plasma.
  • the positive ions of the plasma are accelerated under the potential difference applied between the plasma and the structure and will be implanted in the elementary layers of the latter. Since the plasma completely surrounds the structure, all the unprotected areas Ml by the mask M can have their functional properties modified. Thus, the elementary active layers of materials A and B in the unprotected areas M1 are altered to respectively give new layers of new materials A 'and B'.
  • step 600 of implanting ionic species by plasma immersion it is possible to choose precisely the dose of ionic elements implanted at each level of elementary active layer of deposited material.
  • controlled complex ion implantation operations can be performed, simply by electrical signals, in a single step 600 of ion implantation on a multilayer structure.
  • the mask M is removed (step 700) and a structure is obtained with two active elementary layers having areas comprising the materials A and B and areas where their respective properties have been modified by the formation, after implantation, of new materials A 'and B'.
  • the n elementary active layers of a multilayer structure manufactured according to a method according to the invention can be made from several materials having different magnetic properties and can lead to modifications of said properties before and after ion implantation.
  • Ni 3 N nickel nitride a ferromagnetic material which after implantation of nitrogen until the formation of Ni 3 N nickel nitride is no longer a ferromagnetic material
  • Manganese Mn which is an antiferromagnetic material, becomes ferrimagnetic (Mn 4 N) after nitrogen implantation.
  • a method for manufacturing a multilayer structure with controlled properties according to the invention advantageously allows a single ionic element implantation operation for the different elementary active layers. Repetition of operations is avoided Ionic implantation elements tedious at each level of elementary active layer of a multilayer structure.
  • the multilayer structure comprises three layers of materials, then eight elementary operations are performed, ie an additional layer deposition operation, and so on.
  • this method may comprise at least a series of 5 + n elementary steps.
  • step 800 it is also possible to provide the deposition (step 800) of one or more so-called intermediate layers I between each pair of active elementary layers without add other steps other than the deposition of these layers.
  • intermediate layers I fulfill a different function of the elementary layers. Indeed, they do not have special functional magnetic properties. By cons, preferably, they have specific electronic functional properties. They may be, for example, either conductive (metallic, semiconductive or even superconductive) or insulating (dielectric).
  • the deposition of these intermediate layers I is carried out before step 600 of ion implantation.
  • intermediate layers I may be similar or distinct in the protected areas M2 and unprotected M1 by the mask M.
  • the initially deposited intermediate layer I may, after removes implantation of ionic elements 600 on the multilayer structure, remain conductive or become insulating or conversely.
  • An example of this is aluminum, a metal with no magnetic properties which, after nitrogen implantation, can constitute a very good dielectric or that of titanium, molybdenum and tungsten which form nitrides and retain very good metallic conduction.
  • properties such as the presence or absence of magnetic properties, anisotropy, the Curie or Neel point, the dielectric permittivity, the presence or absence of an optical gap or the nature of the gap may be mentioned in a non-exclusive manner.
  • properties such as the presence or absence of magnetic properties, anisotropy, the Curie or Neel point, the dielectric permittivity, the presence or absence of an optical gap or the nature of the gap may be mentioned in a non-exclusive manner.
  • the simple embodiment of an elementary structure with two, three or even more levels of elementary active layers there may be mentioned the simple embodiment of an elementary structure with two, three or even more levels of elementary active layers. magnetic nickel Ni and manganese Mn, by implantation of nitrogen. It is also possible to intercalate insulating intermediate layers of aluminum nitride or conductive titanium nitride.
  • a two-layer elementary structure is produced by successively depositing layers of nickel Ni and manganese Mn, each of a few tens of nm. There may be mentioned a value of the order of 30 nm.
  • the latter After carrying out the elementary operations of deposition, insolation and development of a mask, the latter has a pattern with openings on the surface of the multilayer structure for example of the order of 100 nm and spaced 100 nm.
  • Nitrogen is then implanted in the nickel Ni and manganese Mn layers with a total thickness of 60 nm by immersion in a nitrogen plasma.
  • the average implantation depths of the N + and N 2+ nitrogen ions present in the plasma in a proportion of 2/1 and accelerated at 30 keV are respectively 37 nm and 18 nm.
  • An elementary structure is obtained with nickel Ni and manganese Mn layers in the areas protected by the mask M and layers Neither 3 N and Mn 4 N in the unprotected and implanted zones, the lateral dispersion of the implantation remaining much smaller than the critical dimensions of the basic pattern of the mask M.
  • a multilayer structure similar to the previous one but with an intermediate layer I An aluminum nitride dielectric AIN of a few nm, for example 5 nm, is obtained by depositing, after the deposition of the Ni nickel layer, a layer of AlN by reactive sputtering of an aluminum target in mixing plasma. argon / nitrogen The ion implantation of nitrogen is carried out as before but with energy ions of 27 keV instead of 25 keV to account for the elementary thickness due to the aluminum nitride AlN layer.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication (100) d'une structure en multicouches sur un support, ladite structure comprenant n couches actives élémentaires de matériau, n étant un entier supérieur ou égal à deux, comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de dépôt (200) d'une première couche active élémentaire de matériau, - une étape de dépôt (300) d'une nième couche active élémentaire de matériau caractérisé en ce qu'il comprend une étape unique d'implantation d'espèces ioniques (600) sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées, à travers une réserve, propre à modifier des propriétés respectives de chacune des n couches actives élémentaires pour obtenir une structure en multicouches à propriétés contrôlées.

Description

Procédé de réalisation de structures en multicouches à propriétés contrôlées
La présente invention concerne les procédés de réalisation de microstructures et de nanostructures en multicouches à propriétés contrôlées, et plus précisément à propriétés magnétiques et/ou électroniques contrôlées.
Ces structures multicouches à propriétés contrôlées trouvent application, de manière non exclusive, dans les domaines de la réalisation de microcircuits, de micro capteurs, de systèmes utilisés pour le stockage d'information tels que les mémoires magnétiques ou électriques ou encore dans les domaines de l'électronique de spin, de la photonique ou de l'optoélectronique.
On définit une structure en multicouches à propriétés contrôlées comme une structure comprenant plusieurs couches minces présentant des propriétés magnétiques et/ou électroniques intrinsèques ou susceptible d'acquérir ou de modifier ces propriétés par introduction d'un élément externe dans leur réseau cristallin.
Jusqu'à présent, la réalisation de structures en multicouches basées sur des empilements de couches minces présentant chacune des propriétés magnétiques et/ou électroniques contrôlées nécessitait une fabrication de ces structures couche par couche.
Cette fabrication pouvait être mis en œuvre de différentes façons.
Ainsi, on connaît déjà pour la réalisation de structures en multicouches magnétiques l'utilisation de la technique de pulvérisation magnétron.
Cependant, cette technique de dépôt de couches minces propose des vitesses de dépôt de couches très lentes.
On connaît, également, des techniques de dépôt alternatives comme l'ablation laser, la pulvérisation cathodique, le dépôt par voie chimique par voie gazeuse ou voie liquide.
Pourtant, la réalisation de micro ou nano structures en multicouches à propriétés contrôlées avec de telles techniques requiert généralement une série d'opérations souvent complexes si l'on veut opérer par dépôts successifs des différentes couches à propriétés contrôlées sur un substrat.
Une solution connue pour réduire la complexité de ces techniques est de déposer une première couche et de modifier localement les propriétés magnétiques et/ou électroniques par implantation d'éléments ioniques à travers un masque grâce à un faisceau d'ions, lesdits éléments changeant la composition chimique et/ou la structure cristallographique du matériau de la couche.
On répète cette opération pour chacune des couches suivantes formant la structure en multicouches.
On obtient ainsi une structure en multicouches présentant plusieurs couches de matériaux aux propriétés modifiées localement selon un motif précis.
Cependant, ce type de procédé de fabrication comprend un nombre d'étapes de réalisation extrêmement important puisqu'il est prévu, outre l'étape d'implantation d'éléments ioniques pour chaque niveau de couche de matériau qui sera déposée, une série d'opérations comprenant une opération de dépôt suivie d'opérations de placement, d'insolation et développement d'un masque au travers duquel seront implantés les éléments dans chaque couche.
Par ailleurs, il est également prévu, à chaque niveau de couche une étape d'alignement des masques, étape difficile à réaliser avec précision.
On peut, également, réaliser des contacts ou des barrières diélectriques entre les différentes couches qui imposent encore de rajouter des étapes de fabrication intermédiaires.
L'inconvénient majeur d'un tel procédé est ainsi la multiplication des étapes nécessaires à la réalisation de structures en multicouches à propriétés contrôlées alourdissant considérablement le procédé. Par ailleurs, un tel procédé présentant le désavantage d'être extrêmement coûteux en termes d'opérations de réalisation l'est aussi en termes de coûts financiers et de temps de fabrication.
Un premier but de l'invention est de pallier ces inconvénients. En effet, un but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de structures en multicouches à propriétés contrôlées présentant un nombre d'étapes de réalisation très réduit.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de structures en multicouches à propriétés contrôlées simple rapide et économique.
Il est également désirable de proposer un procédé de fabrication de structures en multicouches à propriétés contrôlées permettant de contrôler la nature et la dose d'éléments implantés à chaque niveau de couche de matériau.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de structures en multicouches à propriétés contrôlées permettant une automatisation facile et un contrôle in situ en temps réel de l'implantation d'éléments ioniques à chaque niveau de couche de matériau.
Enfin, un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de structures en multicouches à propriétés contrôlées offrant la possibilité de développer de nouveaux matériaux et de nouvelles micro- et nano- structures de films minces non synthétisables par les procédés conventionnels.
Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication d'une structure en multicouches sur un support, ladite structure comprenant n couches actives élémentaires de matériau, n étant un entier supérieur ou égal à deux, comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de dépôt d'une première couche active élémentaire de matériau,
- une étape de dépôt d'une nième couche active élémentaire de matériau caractérisé en ce qu'il comprend une étape unique d'implantation d'espèces ioniques sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées, à travers une réserve, propre à modifier des propriétés respectives de chacune des n couches actives élémentaires pour obtenir une structure en multicouches à propriétés contrôlées. Avantageusement, un procédé selon l'invention comprend, en outre, une étape de dépôt d'au moins une couche de matériau dite intermédiaire entre deux couches actives élémentaires de matériau, laquelle couche intermédiaire remplit une fonction différente de celles des couches actives élémentaires, ladite étape étant réalisée avant ladite implantation d'espèces ioniques sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées de telle sorte que ladite implantation d'espèces ioniques est apte à modifier également des propriétés spécifiques de ladite couche intermédiaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif et grâce aux dessins annexés parmi lesquels :
- La figure 1 représente une succession de vues d'une structure en multicouches illustrant un schéma synoptique d'un procédé de fabrication d'une structure en multicouches selon l'invention;
- La figure 2 représente une vue d'une structure en multicouches illustrant une variante de la structure en multicouches de la figure 1.
On va maintenant décrire un procédé de fabrication 100 d'une structure en multicouches à n couches actives élémentaires de matériau, n étant un nombre entier égal ou supérieur à deux.
Avantageusement, le procédé de fabrication 100 comprend au moins une étape de dépôt d'une première couche active élémentaire de matériau suivie d'une étape de dépôt d'une nième couche active élémentaire de matériau et d' une étape unique d'implantation d'espèces ioniques sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées, à travers une réserve, propre à modifier des propriétés respectives de chacune des n couches actives élémentaires pour obtenir une structure en multicouches à propriétés contrôlées.
Il est à noter qu'une couche élémentaire dite active est une couche de matériau dont des propriétés fonctionnelles peuvent être modifiées par implantation ionique. De préférence, lesdites propriétés sont des propriétés fonctionnelles magnétiques et/ou électroniques.
Sur la figure 1, on a représenté les différentes étapes de réalisation d'une structure en multicouches comprenant deux couches actives élémentaires respectivement de matériaux A et B.
Dans une première étape 200, on dépose la première couche active élémentaire A sur un substrat S.
Dans une seconde étape 300, on dépose la seconde couche active élémentaire B sur la couche active élémentaire A. De manière générale, les étapes de dépôt de couches se succèdent jusqu'à déposer au moins le nombre n de couches actives élémentaires de matériaux désirées pour la réalisation de la structure en multicouches.
De plus, avantageusement, la nième couche active élémentaire est une couche de matériau différent de celui d'au moins une des précédentes couches déposées.
De préférence, elle est une couche de matériau différent de celui de la précédente couche déposée.
Sur les n couches déposées, on dispose, dans une troisième étape 400, la réserve. De préférence, cette réserve est un masque M photosensible.
Ce masque M peut être un masque monocouche ou multicouche. On réalise ensuite, lors de l'étape 500, l'insolation du masque M. Le masque M est ensuite développé sur les n couches déposées de la structure en multicouches c'est à dire qu'il va protéger, selon un certain motif, différentes zones M2 de la structure qu'il recouvre en laissant, par ailleurs, d'autres zones Ml de la structure non protégées.
Le masque M étant développé, on réalise alors l'étape d'implantation d'éléments ioniques 600 à travers ce dernier pour modifier des propriétés magnétiques respectives des différentes couches actives élémentaires A et B de la structure.
Au cours de cette étape, les zones non protégées Ml des couches voient leurs propriétés fonctionnelles modifiées tandis que les zones M2 protégées par le masque M ne sont pas altérées et correspondent aux couches actives élémentaires de matériaux A et B déposées initialement.
Avantageusement, l'implantation d'éléments ioniques peut être effectuée soit à l'aide de faisceaux d'ions, moyens d'implantation connus qui ne seront pas détaillées ici soit directement par une technique d'implantation ionique par immersion plasma.
Le choix de la technique d'implantation d'éléments ioniques à utiliser est fonction des éléments ioniques que l'on veut implanter, de la profondeur d'implantation désirée ou encore de la nécessité ou non d'une sélection en masse des éléments ioniques.
Par exemple, si des ions de basse énergie sont requis pour l'implantation, c'est à dire des ions d'une énergie de moins de 100 keV, la technique d'implantation ionique par immersion plasma sera préférée alors qu'au-delà de 100 keV, seule l'implantation ionique traditionnelle par faisceau d'ions sera envisageable.
Concernant la technique par immersion plasma, cette dernière permet l'implantation d'espèces ioniques par accélération d'ions positifs d'un plasma en appliquant à la structure en multicouches plongée dans le plasma des impulsions haute tension négative. Les ions positifs du plasma sont accélérés sous la différence de potentiel appliquée entre le plasma et la structure et vont être implantés dans les couches élémentaires de cette dernière. Comme le plasma entoure complètement la structure, toutes les zones non protégées Ml par le masque M peuvent voir leurs propriétés fonctionnelles modifiées. Ainsi, les couches actives élémentaires de matériaux A et B dans les zones non protégées Ml sont altérées pour donner respectivement de nouvelles couches de nouveaux matériaux A' et B'.
Par ailleurs, avantageusement, au cours de l'étape 600 d'implantation d'espèces ioniques par immersion plasma, on peut choisir précisément la dose d'éléments ioniques implantés à chaque niveau de couche active élémentaire de matériau déposée.
En effet, on peut modifier la dose d'éléments ioniques implantés en fonction de la profondeur d'implantation dans la structure d'une part en modulant l'énergie des ions accélérés vers la structure et, d'autre part, en ajustant la durée effective d'implantation d'ions en fonction de la profondeur d'implantation.
Il est également possible de modifier la nature et/ou le pourcentage des espèces d'ions implantés suivant la profondeur d'implantation dans la structure en multicouches.
Ainsi, avantageusement, des opérations d'implantation ionique complexes contrôlées peuvent être réalisées, simplement par des signaux électriques, en une seule étape 600 d'implantation ionique sur une structure en multicouches.
Ceci permet une automatisation facile et un contrôle in situ en temps réel du procédé d'implantation ionique lors de la fabrication d'une structure en multicouches à propriétés contrôlées selon l'invention.
A la fin de l'étape d'implantation ionique 600, le masque M est retiré (étape 700) et on obtient une structure à deux couches actives élémentaires présentant des zones comprenant les matériaux A et B et des zones où leurs propriétés respectives ont été modifiées par la formation, après implantation, de nouveaux matériaux A' et B'.
Ainsi, les n couches actives élémentaires d'une structure en multicouches fabriquée selon un procédé conforme à l'invention peuvent être réalisées à partir de plusieurs matériaux possédant des propriétés magnétiques différentes et pouvant conduire à des modifications desdites propriétés avant et après implantation ionique.
On peut citer comme exemple non limitatif le cas du nickel, matériau ferromagnétique qui après implantation d'azote jusqu'à la formation de nitrure de nickel Ni3N ne constitue plus un matériau ferromagnétique. Le manganèse Mn quant à lui qui est un matériau antiferromagnétique devient ferrimagnétique (Mn4N) après implantation d'azote. Un procédé de fabrication d'une structure en multicouches à propriétés contrôlées selon l'invention permet avantageusement une opération d'implantation d'éléments ioniques unique pour les différentes couches actives élémentaires. On évite la répétition d'opérations élémentaires d'implantation ionique fastidieuses à chaque niveau de couche active élémentaire d'une structure en multicouches.
Le procédé de fabrication d'une structure à deux couches aux propriétés contrôlées illustré sur la figure 1 a requis une série de sept étapes élémentaires.
Si la structure en multicouches comprend trois couches de matériaux, alors on passe à huit opérations élémentaires soit une opération de dépôt par couche supplémentaire et ainsi de suite.
De manière générale, ce procédé peut comprendre au minimum une série de 5+n étapes élémentaires.
Cependant, dans une variante de réalisation d'un procédé conforme à l'invention illustré sur la figure 2, on peut prévoir en outre le dépôt (étape 800) d'une ou plusieurs couches dites intermédiaires I entre chaque couple de couches actives élémentaires sans ajouter d'autres étapes autres que le dépôt de ces couches.
Ces couches intermédiaires I remplissent une fonction différente des couches élémentaires. En effet, elles ne présentent pas de propriétés magnétiques fonctionnelles particulières. Par contre, de préférence, elles ont des propriétés fonctionnelles électroniques spécifiques. Elles peuvent être, par exemple, soit conductrices (métallique, semi-conductrice voire supra conductrice) soit isolantes (diélectrique).
Lors d'un procédé de fabrication d'une structure en multicouches selon l'invention, le dépôt de ces couches intermédiaires I est réalisé avant l'étape 600 d'implantation ionique.
Il est alors impératif de choisir la nature des couches intermédiaires I de telle sorte qu'elles présentent les propriétés électroniques fonctionnelles recherchées après implantation, celles-ci pouvant être similaires ou distinctes dans les zones protégées M2 et non protégées Ml par le masque M.
A titre d'exemple non limitatif, suivant la nature et la composition de la couche intermédiaire I initialement déposée, celle ci peut, après rétape d'implantation d'éléments ioniques 600 sur la structure en multicouches, rester conductrice ou devenir isolante ou inversement.
On peut citer comme exemple celui de l'aluminium, métal sans propriétés magnétiques qui après implantation d'azote peut constituer un très bon diélectrique ou celui du titane, du molybdène et du tungstène qui forment des nitrures et conservent une très bonne conduction métallique.
Par ailleurs, d'autres propriétés magnétiques et électroniques peuvent être contrôlées au cours du procédé de fabrication des structures en multicouches.
On peut citer ainsi de manière non exclusive des propriétés telles que la présence ou non de propriétés magnétiques, l'anisotropie, le point de Curie ou encore de Néel, la permittivité diélectrique, la présence ou non de gap optique ou encore la nature du gap. A titre d'illustration concrète et non limitative d'une structure en multicouches réalisée par un procédé conforme à l'invention, on peut citer la réalisation de façon simple d'une structure élémentaire à deux, trois voire plus de niveaux de couches actives élémentaires magnétiques nickel Ni et de manganèse Mn, par implantation d'azote. II est aussi possible d'y intercaler des couches intermédiaires I isolantes en nitrure d'aluminium ou conductrices en nitrure de titane.
Par exemple, une structure élémentaire à deux couches est réalisée en déposant successivement des couches de nickel Ni et de manganèse Mn, chacune de quelques dizaines de nm. On peut citer une valeur de l'ordre de 30 nm.
Après réalisation des opérations élémentaires de dépôt, d'insolation et de développement d'un masque, celui ci présente un motif avec des ouvertures sur la surface de la structure en multicouches par exemple de l'ordre de 100 nm et espacées de 100 nm. On implante ensuite de l'azote dans les couches de nickel Ni et de manganèse Mn d'épaisseur totale de 60 nm par immersion dans un plasma d'azote. Les profondeurs moyennes d'implantation des ions azote N+ et N2+ présents dans le plasma en proportion 2/1 et accélérés à 30 keV sont respectivement de 37 nm et de 18 nm.
Après implantation d'une dose d'ions totale de 2 x 1017 cm"2 et enlèvement du masque M, on obtient une structure élémentaire avec des couches de nickel Ni et de manganèse Mn dans les zones protégées par le masque M et des couches Ni3N et Mn4N dans les zones non protégées et implantées, la dispersion latérale de l'implantation restant très inférieure aux dimensions critiques du motif de base du masque M. Une structure en multicouches similaire à la précédente mais avec une couche intermédiaire I diélectrique de nitrure d'aluminium AIN de quelques nm, par exemple de 5 nm, est obtenu en déposant, après le dépôt de la couche de nickel Ni, une couche de AIN par pulvérisation réactive d'une cible d'aluminium en plasma de mélange argon /azote. L'implantation ionique d'azote est effectuée comme précédemment mais avec des ions d'énergie de 27 keV au lieu de 25 keV pour tenir compte de l'épaisseur élémentaire due à la couche de nitrure d'aluminium AIN.
Elle permet d'obtenir, après enlèvement du masque M, une structure présentant une couche intermédiaire de nitrure d'aluminium AIN dont le caractère diélectrique n'a pas été modifiée par l'implantation d'azote.
Il est à noter que les deux exemples exposés ci-dessus sont non limitatifs et donnés à titre illustratif. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, la présente invention n'est pas limitée aux dessins annexés. Les références spécifiques illustrées dans les paragraphes précédents sont des exemples non limitatifs de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication (100) d'une structure en multicouches sur un support, ladite structure comprenant n couches actives élémentaires de matériau, n étant un entier supérieur ou égal à deux, comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de dépôt (200) d'une première couche active élémentaire de matériau,
- une étape de dépôt (300) d'une nième couche active élémentaire de matériau caractérisé en ce qu'il comprend une étape unique d'implantation d'espèces ioniques (600) sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées, à travers une réserve, propre à modifier des propriétés respectives de chacune des n couches actives élémentaires pour obtenir une structure en multicouches à propriétés contrôlées.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt d'au moins une couche de matériau dite intermédiaire (800) entre deux couches actives élémentaires de matériau, laquelle couche intermédiaire remplit une fonction différente de celles des couches actives élémentaires, ladite étape étant réalisée avant ladite implantation d'espèces ioniques sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées de telle sorte que ladite implantation d'espèces ioniques est apte à modifier également des propriétés spécifiques de ladite couche intermédiaire.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la nième couche active élémentaire est de matériau différent de celui d'au moins une des précédentes couches déposées.
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la nième couche active élémentaire est de matériau différent de celui de la précédente couche déposée.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape préalable de dépôt (400) de la réserve sur les n couches actives élémentaires de matériau déposées suivie des étapes d'insolation (500) et de développement de ladite réserve.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la réserve est un masque photosensible monocouche ou multicouche.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la dite étape d'implantation d'espèces ioniques (600) est réalisée par une technique d'immersion plasma.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ladite étape d'implantation d'espèces ioniques (600) est réalisée à l'aide d'un faisceau d'ions.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les propriétés contrôlées des n couches actives élémentaires de matériau et des couches intermédiaires sont des propriétés magnétiques et/ou électroniques.
10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que les n couches actives élémentaires de matériau ont des propriétés magnétiques et/ou électroniques contrôlées et les couches intermédiaires ont des propriétés électroniques contrôlées.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que ladite étape d'implantation d'espèces ioniques (600) comprend en outre au moins une sous étape permettant de faire varier la dose d'espèces ioniques implantées en fonction de la profondeur d'implantation.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que ladite étape d'implantation d'espèces ionique (600) comprend en outre au moins une sous étape permettant de faire varier la nature et/ou le pourcentage d'espèces ioniques en fonction de la profondeur d'implantation.
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