FR2862802A1 - Support de stockage d'information et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention procure un support de stockage d'information dans lequel des charges et des dipôles électriques sont couplés mutuellement. Le support de stockage d'information comprend un substrat (21), une couche d'électrode (25) formée sur le substrat, une couche ferroélectrique (22) formée sur la couche d'électrode (25), et une couche isolante (23) formée sur la couche ferroélectrique (22). Il est ainsi possible d'enregistrer de l'information de manière stable sur le support d'enregistrement d'information.
Description
générale, un moment dipolaire est créé par l'application d'un champ
électrique à un matériau, ce qui occasionne une polarisation électrique. Il y a cependant un matériau particulier dans lequel une polarisation spontanée peut se
produire sans l'application d'un champ électrique. Ce matériau particulier est appelé un matériau ferroélectrique. Le matériau ferroélectrique a une polarisation spontanée qui peut être inversée par l'application d'un champ électrique. Le zirconate - titane de plomb (PZT) est un matériau ferroélectrique représentatif, exprimé par Pb(Zr,Ti)O3. Dans une structure cristalline de pérovskite ABO3, un ion métallique de Pb occupe le site A de cette structure, et Zr et Ti occupent le site B dans une proportion. De façon générale, un matériau ferroélectrique doit satisfaire à des conditions comprenant une polarisation élevée, une bonne tolérance concernant la fatigue de polarisation et une conversion de polarisation rapide.
Comme décrit ci-dessus, de l'information est écrite ou lue dans un support de stockage d'information classique en utilisant des caractéristiques de dipôle ou de piégeage de charges électriques.
Les figures lA et 1B illustrent respectivement des supports de stockage d'information classiques utilisant un support à piégeage et un matériau ferroélectrique.
De façon plus spécifique, la figure lA est une coupe d'un support de stockage d'information classique utilisant un milieu à piégeage. En se référant à la figure 1A, on note qu'une couche de piégeage de charges 12, dans laquelle des charges électriques sont piégées, est formée sur un substrat 11. La couche de piégeage de charges 12 est constituée d'un matériau isolant tel que SiO2, Si3N4 ou ONO. Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué à la couche de piégeage de charges 12, des charges négatives et des charges positives sont piégées et réparties comme représenté sur la figure 1A. En d'autres termes, les charges négatives et positives forment un champ électrique qui est un champ électrique à longue distance. Par conséquent, il est possible de détecter des charges électriques sans faire en sorte que le support de stockage d'information vienne en contact avec une sonde utilisée pour écrire de l'information ou lire de l'information dans le support de stockage d'information. Cependant, bien que les charges négatives et positives forment un champ électrique à longue distance, le support de stockage d'information est désavantageux par le fait que le temps de rétention d'information est très court.
La figure 1B est une coupe d'un support de stockage d'information utilisant un matériau ferroélectrique capable de générer des dipôles électriques. En se référant à la figure 1B, on note qu'une couche ferroélectrique 13, qui génère des dipôles électriques,, est formée sur un substrat 11. De façon générale, la couche ferroélectrique 13 comprend un matériau du type PZT qui est un matériau ferroélectrique. L'application d'un potentiel électrique à la couche ferroélectrique 13 produit une polarisation électrique, comme représenté sur la figure 1B. La polarisation électrique occasionne la formation d'un champ électrique qui se manifeste à une plus courte distance que le champ électrique de la figure 1A qui est occasionné par le piégeage de charges. Par conséquent, la distance entre le support de stockage d'information et une sonde doit être très courte pour écrire de l'information ou pour lire de l'information dans le support de stockage d'information de la figure 1B. Bien que le temps de rétention de l'information stockée dans un support de stockage d'information tel que celui représenté sur la figure 1B soit long, la sonde doit fonctionner en étant en contact avec le support de stockage d'information, de façon à mesurer la grandeur d'un champ électrique généré par les dipôles électriques. Par conséquent, la sonde et le support d'information peuvent être usés du fait de leur contact mutuel. De plus, il est difficile de maîtriser des problèmes occasionnés par des charges ayant un effet d'écran qui apparaissent sur la couche ferroélectrique 13 du fait de la poussière ou de l'humidité.
La présente invention procure un support de stockage d'information utilisant un matériau ferroélectrique avec une structure améliorée, grâce à quoi le temps de rétention d'information est augmenté, et qui permet de reconnaître aisément l'information stockée à l'intérieur.
Selon un aspect de la présente invention, celle-ci procure un support de stockage d'information incluant un substrat, une couche d'électrode formée sur le substrat, une couche ferroélectrique formée sur la couche d'électrode, et une couche isolante formée sur la couche ferroélectrique.
La couche ferroélectrique comprend un zirconate - titanate de plomb (PZT).
La couche isolante comprend un matériau qui permet de piéger des charges par l'application d'un potentiel électrique.
La couche isolante est constituée d'un matériau sélectionné dans le groupe comprenant le carbone du genre diamant, SiO2, Si3N4, une structure oxyde/nitrure/oxyde (ONO), Al2O3 ou IrO.
Selon un autre aspect de la présente invention, celle-ci procure un procédé de fabrication d'un support de stockage d'information, le procédé incluant (a) la formation d'une couche d'électrode sur un substrat, (b) la formation d'une couche ferroélectrique sur la couche d'électrode et (c) la formation d'une couche isolante sur la couche ferroélectrique.
Pendant l'étape (b), un matériau ferroélectrique contenant du zirconate titanate de plomb (PZT) est appliqué sur la couche d'électrode.
Pendant l'étape (c), la couche isolante qui contient un matériau sélectionné dans le groupe comprenant le carbone du genre diamant, SiO2, Si3N4, Al2O3 ou IrO est formée sur la couche ferroélectrique.
Les aspects et avantages précédents de la présente invention, ainsi que d'autres, ressortiront davantage de la description détaillée d'exemples de modes de réalisation, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: les figures lA et 1B sont des coupes de supports de stockage d'information classiques; la figure 2 est une coupe d'un support de stockage d'information conforme à un mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est une coupe d'un support de stockage d'information conforme à un mode de réalisation de la présente invention, pour expliquer un processus d'écriture d'information et de lecture d'information dans le support de stockage d'information; la figure 4A illustre une partie d'un support de stockage d'information classique, observé au moyen d'un microscope à force électrostatique (ou EFM pour "Electrostatic Force Microscope"); et la figure 4B illustre une partie d'un support de stockage d'information conforme à un mode de réalisation de la présente invention, observé au moyen du microscope à force électrostatique.
En se référant à la figure 2, on note qu'un support de stockage d'information conforme à un mode de réalisation de la présente invention comprend un substrat 21, une couche ferroélectrique 22 formée sur le substrat 21 et une couche isolante 23 formée sur la couche ferroélectrique 22. Le type du substrat 21 n'est pas limité.
La couche ferroélectrique 22 peut être formée d'un matériau ferroélectrique général tel que le zirconate - titanate de plomb (PZT) ou le zirconate - titanate de plomb - lanthane (PZLT), en utilisant un processus sol-gel, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou la pulvérisation cathodique. Une polarisation électrique spontanée peut se produire dans un tel matériau pour la couche ferroélectrique 22, sans appliquer un champ électrique. De plus, le matériau pour la couche ferroélectrique 22 a une polarisation spontanée qui peut être inversée en appliquant un champ électrique. La couche ferroélectrique peut être formée avec une épaisseur d'environ 10 à 500 nm.
La couche isolante 23 formée sur la couche ferroélectrique 22 peut être constituée d'un matériau pour le piégeage de charges, tel que le carbone du genre diamant, SiO2, Si3N4, une structure ONO, Al2O3 ou IrO, en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur ou la pulvérisation cathodique. La couche isolante peut être formée avec une épaisseur d'environ 5 à 300 nm.
On va maintenant décrire en détail, en référence aux figures 2 et 3, un support de stockage d'information utilisant un matériau ferroélectrique, conforme à la présente invention. La figure 3 est une coupe d'un support de stockage d'information conforme à un mode de réalisation de la présente invention, pour expliquer un processus d'écriture d'information sur le support de stockage d'information et de lecture d'information à partir de ce support. En se référant à la figure 3, on note qu'une couche ferroélectrique 22 et une couche isolante 23 sont formées successivement sur un substrat 21. Une couche d'électrode 25 peut en outre être incluse entre le substrat 21 et la couche ferroélectrique 22, comme représenté sur la figure 2, de façon qu'un potentiel électrique puisse être appliqué au support de stockage d'information afin d'effectuer une opération d'écriture/lecture sur le support de stockage d'information, sur la base de celui-ci. De plus, comme représenté sur la figure 2, une sonde 24 est positionnée au-dessus de la couche isolante 23 pour écrire de l'information sur le support de stockage d'information ou pour lire de l'information à partir de celui-ci. La sonde 24 peut être l'une de divers types de sondes conductrices disponibles pour un microscope à capacité électrique à balayage (SCM pour "Scanning Capacitance Microscope") ou un microscope à force électrostatique (EFM pour "Electrostatic Force Microscope").
Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué au support de stockage d'information en utilisant la sonde 24, des charges sont piégées dans la couche isolante 23. En supposant qu'un potentiel positif soit appliqué à la couche isolante 23 en utilisant la sonde 24, des charges négatives sont piégées dans une partie de la couche isolante 23 qui correspond à une pointe de la sonde 24. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 3, une multiplicité de dipôles électriques sont alignés dans la couche ferroélectrique 22, sous la couche isolante 23, et une partie supérieure de chacun des dipôles électriques a une charge positive tandis qu'une partie inférieure de chacun des dipôles électriques a une charge négative. Par conséquent, sous l'effet de l'application du potentiel électrique en utilisant la sonde 24, les charges piégées dans la couche isolante 23 et les dipôles électriques dans la couche ferroélectrique 22 sont alignés en une forme prédéterminée dans l'ensemble du support de stockage d'information, conformément à la polarité du champ électrique appliqué. De cette manière, de l'information peut être écrite sur un support de stockage d'information conforme à la présente invention.
On va maintenant décrire un exemple d'un processus de lecture de charges alignées sous la forme prédéterminée dans le support de stockage d'information, c'est-à-dire de l'information enregistrée sur ce support. Les charges piégées dans la couche isolante 23 et les dipôles électriques dans la couche ferroélectrique 22 sont alignés pour former un champ électrique à longue distance tout en contenant de l'information. Un changement du champ électrique peut être mesuré au moyen du microscope EFM ou d'un microscope SCM. A cet égard, la demande de brevet coréen n 2002-0025400 décrit un procédé de lecture d'information à partir d'un support de stockage d'information, par la mesure d'une valeur de résistance d'une sonde résistive qui change lorsqu'un champ électrique est changé. En d'autres termes, il est possible d'obtenir une information désirée en lisant une valeur d'information à une position de la valeur résistive.
A titre expérimental, on a fabriqué un support de stockage d'information conforme à la présente invention et un support de stockage d'information classique, et on a mesuré leurs valeurs de caractéristiques électriques. Premièrement, on a fabriqué le support de stockage d'information utilisant un matériau ferroélectrique, tel que celui représenté sur la figure 1B. On a en outre incorporé une électrode inférieure entre un substrat et une couche ferroélectrique. Ainsi, l'électrode inférieure était formée sur le substrat et la couche ferroélectrique était formée sur l'électrode inférieure. Le substrat consistait en silicium (Si). On a formé l'électrode inférieure avec du platine/titane (Pt/Ti) d'une épaisseur d'environ 150 nm / 10 nm, en utilisant la pulvérisation cathodique. On a formé la couche ferroélectrique avec un PZT d'une épaisseur d'environ 150 nm, en utilisant le procédé sol-gel.
On a ensuite fabriqué un support de stockage d'information tel que celui représenté sur la figure 3. En détail, on a formé une électrode inférieure sur un substrat, et on a formé successivement une couche ferroélectrique et une couche isolante sur l'électrode inférieure. On a utilisé un substrat en Si pour le substrat dans cette expérience. On a formé l'électrode inférieure en Pt/Ti avec une épaisseur d'environ 150 nm/10 nm. On a formé la couche ferroélectrique avec un PZT avec une épaisseur d'environ 150 nm et on a formé la couche isolante en Al2O3 avec une épaisseur d'environ 10 nm.
Ensuite, comme représenté sur les figures 4A et 4B, on a déterminé des régions d'échantillons de test de 5x5 pm du support de stockage d'information classique et du support de stockage d'information conforme à la présente invention, pour examiner leurs caractéristiques électriques en utilisant le microscope EFM. Ensuite, on a appliqué des charges sur des parties de 3x3 pm des régions d'échantillons de test en utilisant une sonde, de façon que les charges puissent être réparties uniformément dans ces parties. Ensuite, on a appliqué sur des parties de 1xl pm des parties de 3x3 pm des charges ayant des polarités opposées à celles des charges appliquées aux parties de 3x3 pm. Les parties de 3x3 pm sont des régions périphériques des parties de lxl pm qui sont des régions centrales, allant d'environ 1 pm à 4 pm sur des axes x et y des représentations des figures 4A et 4B. On a appliqué un potentiel électrique de 10 V aux parties centrale et périphérique en utilisant la sonde. En comparaison avec le support de stockage d'information classique de la figure 4A, une frontière entre la région centrale et la région périphérique dans le support de stockage d'information présent, de la figure 4B, était clairement visible. Ainsi, l'expérience révèle qu'une stabilité d'enregistrement du support de stockage d'information présent est supérieure à celle du support de stockage d'information classique. En d'autres termes, un degré de bruit apparaissant au moment de l'enregistrement de données sur le support de stockage d'information présent est très inférieur à un degré de bruit apparaissant au moment de l'enregistrement de données sur le support de stockage d'information classique. De plus, une largeur de la frontière entre la région centrale et la région périphérique du support de stockage d'information présent est inférieure à celle d'une frontière entre la région centrale et la région périphérique du support de stockage d'information classique. Ceci signifie qu'il est possible d'enregistrer sur le support de stockage d'information présent davantage d'information que sur le support de stockage d'information classique.
En conclusion, comme décrit ci-dessus, dans un support de stockage d'information conforme à la présente invention, une couche ferroélectrique et une couche isolante dans laquelle des charges sont piégées sont formées successivement, ce qui permet d'y enregistrer de l'information de manière stable. La formation d'un champ électrique à longue distance permet de lire de l'information de façon satisfaisante sans amener une sonde en contact avec le support de stockage d'information. Il est donc possible d'éviter que la sonde et le support de stockage d'information ne soient usés du fait de leur contact mutuel. Du fait que la couche isolante pour le piégeage de charges est formée sur la couche ferroélectrique, la couche isolante protège la couche ferroélectrique et empêche l'apparition de charges ayant un effet d'écran qui se manifestent lorsque seule la couche ferroélectrique est formée sur le substrat. En outre, du fait que la distance entre une partie contenant de l'information enregistrée en utilisant une tension positive et une partie contenant de l'information enregistrée en utilisant une tension négative est réduite, il est possible de stocker davantage d'information dans une étendue limitée.
Bien que cette invention ait été particulièrement représentée et décrite en référence à des modes de réalisation de celle-ci constituant des exemples, l'homme de l'art notera que divers changements de forme et de détails peuvent y être apportés sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention.
Claims (9)
1. Support de stockage d'information, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (21); une couche d'électrode (25) formée sur le substrat (21); une couche ferroélectrique (22) formée sur la couche d'électrode (25); et une couche isolante (23) formée sur la couche ferroélectrique (22).
2. Support de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche ferroélectrique (22) comprend un zirconate - titanate de plomb (PZT).
3. Support de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (23) comprend un matériau qui permet de piéger des charges par l'application d'un potentiel électrique.
4. Support de stockage d'information selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche isolante (23) est constituée d'un matériau sélectionné dans le groupe comprenant le carbone du genre diamant, SiO2, Si3N4, une structure oxyde/nitrure/oxyde (ONO), Al203 ou IrO.
5. Support de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche ferroélectrique (22) est formée avec une épaisseur d'environ 10 nm à 500 nm.
6. Support de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (23) est formée avec une épaisseur d'environ 5 nm à 300 nm.
7. Procédé de fabrication d'un support de stockage d'information, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) on forme une couche d'électrode (25) sur un substrat (21); (b) on forme une couche ferroélectrique (22) sur la couche d'électrode (25); et (c) on forme une couche isolante (23) sur la couche ferroélectrique (22).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que pendant l'étape (b), on applique sur la couche d'électrode (25) un matériau ferroélectrique (22) contenant du zirconate - titanate de plomb (PZT).
9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que pendant l'étape (c), on forme sur la couche ferroélectrique (22) la couche isolante (23) qui contient un matériau sélectionné dans le groupe comprenant le carbone du genre diamant, SiO2, Si3N4, Al2O3 ou IrO.
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