FR2899377A1 - Procede de realisation de structures en multicouches a proprietes controlees - Google Patents
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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
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 oeuvre 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 10 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 15 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 20 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 25 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. 30 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 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 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 15 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.
20 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 25 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 30 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 5 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. 10 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 15 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 20 400, 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 25 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 M1 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 30 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 M1 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 M1 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 5 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 10 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 15 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 20 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, 25 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. 30 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 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 protégées M1 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 l'étape 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 10 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. 15 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. 20 Il 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 cieux 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 25 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. 30 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 (12)
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 6 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.15
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