Caractérisation des couches minces ferroélectriques pour la

Caractérisation des couches minces ferroélectriques pour la réalisation des
dispositifs agiles en fréquence
M. Rammal1, A. Ghalem1, L. Huitema1, A. Crunteanu1, D. Passerieux1, D. Cros1, T. Monediere1,
V. Madrangeas1, P. Dutheil2, F. Dumas-Bouchiat2, P. Marchet2, C. Champeaux2, L. Nedelcu3, L. Trupina3, G. Banciu3
1
XLIM UMR 7252 CNRS/ Université de Limoges, 87060 Limoges, France
2
Univ. Limoges, CNRS, SPCTS, UMR 7315, F-87000 Limoges, France.
3
Laboratoire NIMP, Bucarest, Roumanie
E-mail : [email protected]
Résumé
Dans cette communication, la conception et la
caractérisation
de
condensateurs
de
type
Métal/Ferroélectrique/Métal (MFM) à base de couches
minces de BaxSr1-xTiO3 (x=2/3) (BST) sont présentées en
fonction de la fréquence et du champ électrique appliqué. La
caractérisation en haute fréquence du dispositif agile montre
une accordabilité très forte sous un faible champ électrique
appliqué et de faibles pertes à 2,45GHz (correspondant aux
fréquences largement utilisées dans la recherche scientifique,
médicale et industrielle). Différentes épaisseurs de films
minces de BST (200 nm, 450 nm et 1450 nm) ont été
caractérisées sur une large gamme de fréquence allant de
100MHz à 10GHz. Les propriétés diélectriques mettent en
évidence des accordabilités des dispositifs au-delà de l'état de
l'art, de l'ordre de 82%, 81% et 71% sous une tension
appliquée de 10V, correspondant à des champs électriques
équivalents de 500 kV / cm, 220 kV / cm et 70 kV / cm,
respectivement. La réponse des dispositifs MFM montre
également l'apparition des résonances acoustiques associées
au comportement électrostrictif du matériau sous une tension
appliquée. Ces propriétés font de ce matériau un candidat très
intéressant
pour
des
applications
micro-ondes
reconfigurables.
1. Introduction
Actuellement, les systèmes sans fil ont de plus en plus
de contraintes liées à leurs performances et au nombre
croissant de standards en fréquence gérés. Pour cela,
l‟intégration d‟éléments accordables comme les diodes
varicap, PIN (Positive Intrinsic Negative), des dispositifs
MEMS (MicroElectroMecanical System), transistors
FET ou encore de matériaux agiles tels que les
ferroélectriques [1], au sein des circuits ou des antennes
est une condition nécessaire pour les rendre agiles en
fréquence. En effet, leur intégration assure une
augmentation de la fonctionnalité des dispositifs ainsi
qu‟une diminution significative du nombre global de
fonctions RF (filtres, antennes) utilisés.
L'utilisation des matériaux ferroélectriques et
notamment le BaxSr1-xTiO3 (BST) sont de très bons
candidats dans le développement de dispositifs
reconfigurables. Leur faible consommation en courant,
forte accordabilité, type d‟accord continu et la bonne
tenue en puissance sont autant des avantages pour
concevoir des éléments agiles sous la forme de
condensateurs ferroélectriques variables.
Dans cet article nous présentons les performances
diélectriques des couches minces ferroélectriques avec
des épaisseurs différentes en fonction du champ
électrique appliqué, sur une gamme des fréquences entre
100 MHz et 10 GHz.
2. Les matériaux ferroélectriques
Les matériaux ferroélectriques comme le BaxSr1-xTiO3
(BST) sont des matériaux non linéaires qui ont une
permittivité diélectrique qui varie en fonction du champ
électrique qu‟on leur applique.
La combinaison entre une forte accordabilité et de
pertes relativement faibles permettent d‟envisager
l‟intégration de ces films de BST au sein de multiples
dispositifs microondes tels que des filtres, des déphaseurs
ou encore des antennes [2]-[4]. Deux types de topologies
sont envisageables lorsque l‟on souhaite réaliser des
composants agiles à partir de couches minces
ferroélectriques : les structures de type MétalFerroélectrique-Métal (MFM) où la couche de BST est
intégrée entre deux électrodes métalliques et les
dispositifs dits „planaires‟ sous forme de peignes
interdigitées (IDT) où les électrodes se situent dans un
même plan sur la couche ferroélectrique. Quelle que soit
la structure, la permittivité diélectrique de la couche varie
sous l‟action d‟un champ électrique externe, ce qui
modifie la permittivité relative du matériau et affecte la
valeur de la capacité du composant [5]. L'étude qui suit
présente la réalisation ainsi que la caractérisation dans le
Laser, longueur
d'onde
Fréquence laser
Fluence
Cible
Atmosphère de dépôt
Distance ciblesubstrat
Température de dépôt
Durée de dépôt
Excimere KrF,
λ=248nm
10 Hz
4.5 J/cm²
Ba2/3Sr1/3TiO3
Température de Curie
15°C
Oxygène 0.3 mbar
5cm
700°C
30-60 min
Tableau 1. Conditions de dépôt par PLD pour la réalisation de
couches minces de BST.
La microstructure du matériau déposé a été observée
par MEB (Microscopie Electronique à Balayage) en
coupe transversale. Sur la Fig. 1 nous pouvons observer
une croissance colonnaire relativement dense de la
couche de BST sur l‟électrode d'iridium déposé sur le
substrat de MgO.
109
BST (300)
MgO (200)
BST (200)
Ir (200)
1013
BST (111)
La composition du ferroélectrique étudié est de type
Ba2/3Sr1/3TiO3 car son accordabilité est relativement
élevée et ses pertes diélectriques modérées. Le rapport
Ba/Sr a été choisi pour que le matériau soit dans une
phase paraélectrique (avec la température de Curie
proche de la température ambiante), ce qui permet d'avoir
une accordabilité importante et une variation quasilinéaire de sa permittivité avec le champ appliqué [6].
Des couches minces de Ba2/3Sr1/3TiO3 avec différentes
épaisseurs (200 nm, 450 nm et 1450nm) ont été déposées
par ablation laser pulsée (PLD) [7] sur un substrat MgO
recouvert par une électrode inférieure d‟iridium (Ir)
déposée par pulvérisation cathodique [8]. Les conditions
de dépôt des couches de BST sont résumées dans le
Tableau 1.
BST (100)
3. Elaboration des films minces de BST
La structure cristalline des films de BST pour
différentes épaisseurs ont été analysées par diffraction des
rayons X (DRX en configuration θ-2θ). Comme le
montre les spectres de diffractions sur la Fig. 2, les films
minces de BST avec différentes épaisseurs présentent une
orientation prédominante de type (100). Cette orientation
prédominante est rendue possible par l‟orientation initiale
de l‟électrode inferieure d‟iridium, elle-même orientée
(100), déposée sur un substrat MgO orienté (100). Des
rayes parasites, correspondant aux orientations BST (111)
présentent une intensité beaucoup plus réduite.
Intensity (arb. units)
domaine des hyperfréquences le comportement des
condensateurs ferroélectriques de type MFM soumis à un
champ électrique, pour les applications reconfigurables
en fréquence.
BST1450 nm
BST450 nm
105
BST200 nm
10
1
10
20
30
40
50
60
70
80
2(deg.)
Figure 2. Diagramme de diffraction rayons X (θ,2θ) des films de
BST
avec
differentes
épaisseurs
déposées
sur
Ir(100)/.MgO(100
4.Caractérisations hyperfréquences
3.1 Propriétés diélectriques des couches minces
BST
Les propriétés diélectriques hautes fréquences des films
de BST fabriqués sur MgO sans électrode inférieure sont
déterminées au moyen d'une cavité cylindrique à deux
résonateurs diélectriques fonctionnant à 12,5 GHz sur son
mode fondamental TE01δ [9]. En plaçant l'échantillon
(substrat nu puis substrat avec la couche mince de BST)
au sein de la cavité, celui-ci provoque une perturbation de
la fréquence de résonance ainsi que du facteur de qualité
de la cavité. Ces variations permettent l'extraction de la
permittivité et de la tangente de pertes des couches de
BST. Pour une épaisseur de 1450nm de BST, ces
mesures permettent d‟extraire une permittivité de l'ordre
de 1200 et une tangente de perte de l‟ordre de 10-2.
3.2 Caractérisation des structures de type MFM
Figure 1.Coupe transversale d'une couche mince de BST
deposée sur un substrat de MgO recouvert par une electrode
d'iridium.
La Fig. 3 décrit le schéma de réalisation de la structure
MFM fabriquée. Celle-ci est composée d‟une électrode
inférieure d‟iridium de 90nm déposée sur un substrat de
MgO (500 µm) par pulvérisation cathodique. L‟électrode
d‟iridium possède une faible résistivité et des paramètres
de maille cristalline proche de MgO qui permet de
faciliter son orientation. Le film de BST étant déposé sur
la totalité de l‟électrode, la première étape consiste à
graver la couche de ferroélectrique afin d‟obtenir des
motifs localisés de BST (photolithographie et gravure
humide de la couche de BST). A l‟issue d‟une étape de
photolithographie et d‟un dépôt par évaporation à canon
d‟électrons en utilisant la technique lift-off, une électrode
Au
BST
Ir
MgO
Les capacités MFM sont caractérisées sur une bande
de fréquences allant de 100MHz à 10 GHz en mesurant
les coefficients de réflexions complexe (S11). En pratique,
les paramètres Sii sont mesurés au moyen d'un analyseur
de réseau vectoriel (Rohde et Schwarz) et en utilisant une
pointe de type Ground-Signal-Ground (GSG). Une
tension continue (DC) variable comprise entre 0 V et 10
V est appliquée sur le dispositif entre l‟électrode
supérieure et inférieure via un té de polarisation. Ces
mesures sont réalisées à différentes températures grâce à
l‟utilisation d‟un module Peltier. Pour la suite, nous
présentons les caractérisations de capacités MFM avec
une électrode supérieure des dimensions 30x30µm².
Une fois les paramètres S11 obtenus, nous pouvons, à
partir de la relation (1), extraire la valeur de la capacité en
fonction de la tension DC appliquée et de la température.
1
 1  S11 

Z 0 .. Im
 1  S11 
(1)
La Fig. 4 décrit l'influence de l'épaisseur des couches
minces de BST sur les valeurs des capacités MFM, en
fonction de la tension appliquée. L'évolution de la
capacité est extraite à 2,45GHz et à une température de
20°C, en fonction de la tension. Nous pouvons constater
une diminution de la valeur de capacité en fonction de la
tension appliquée pour les trois dispositifs intégrants des
films minces BST avec des épaisseurs différentes.
Comme attendu, pour une tension de polarisation
donnée, la valeur de capacité des dispositifs MFM
diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la BST
selon l'équation (2):
 *  *S
C 0 r
(2)
e
Où εr est la permittivité relative du film mince de BST,
S la surface des électrodes en regard, e est l'épaisseur du
film et ε0 la permittivité du vide.
Capacité (pF)
BST200 nm
10
BST450 nm
8
BST1450 nm
20
Figure 3. Schéma de la structure de test MFM integrant les
couches ferroelectriques de BST
C
25
Capacité (pF)
supérieure de Ti/Au (10/ 200 nm) est déposé, de manière
localisé, sur les motifs de BST.
20°C
40°C
6
4
15
2
-10
-5
0
5
10
Tension (V)
10
5
0
0
2
4
6
Tension (V)
8
10
Figure 4. Evolution de la capacité des dispositifs MFM pour les
trois couches minces de BST à differentes epaisseures en
fonction de la tension DC appliquée.
De même, l‟insert dans la Fig. 4 représente l'évolution
d‟une capacité intégrant une couche mince de BST
d'épaisseur 1450 nm, en fonction de la tension, pour
différentes températures à 2,45GHz. Nous observons
qu'il ne semble pas y avoir de cycle d'hystérésis sur la
courbe de la capacité, et la valeur de la capacité diminue
en fonction de la température ce qui vérifie que les films
de BST sont en phase paraélectrique.
A partir des courbes représentées sur la Fig. 4, nous
avons extrait l'accordabilité T des dispositifs à 2,45 GHz,
à partir de l'équation (2):
 C(0V ) - C(10V ) 
 *100
T (%)  
C(0V )


(3)
Les valeurs des accordabilités obtenues (sous une
tension appliquée de 10V) pour les dispositifs MFM
intégrant des couches de BST de 200 nm, 450 nm et 1450
nm sont de l‟ordre de 82%, 81% et 71%, ce qui
correspond à des champs électriques équivalents de 500
kV / cm, 220 kV / cm et 70 kV / cm, respectivement. Ces
valeurs de l‟accordabilité, extrêmement élevées dans le
domaine des hyperfréquences pour de très faibles champs
électriques appliqués, permettent d‟intégrer ce type de
composants pour la conception de des dispositifs
accordables (antennes, filtres) très efficaces et à très
faible consommation.
L‟évolution fréquentielle de la constante diélectrique
des films de BST est présentée sur la Fig. 5.
Comme nous pouvons le constater, la permittivité
diminue avec l‟augmentation de la fréquence, ce
comportement est en accord avec la loi de Debye [10].
2000
BST200 nm
Permittivité, r
BST450 nm
1500
BST1450 nm
1000
appliquée, pour les différentes épaisseurs de BST, à la
température de 20°C. Nous constatons que pour une
couche avec une épaisseur de1450 nm, les pertes restent
constantes autour de 1 Ω jusqu'à 10V. Par contre, pour les
autres épaisseurs (200nm et 450 nm), nous remarquons
une augmentation des pertes globales en fonction de la
tension.
8
7
500
0
2
4
6
8
Fréquence (GHz)
Re(Z11) ()
6
10
Figure 5. Évolution fréquentielle de la permittivité des films de
BST avec différentes épaisseurs.
BST1450 nm
5
4
3
1
0
0
2
4
6
Tension (V)
8
10
Figure 7. Evolution de la partie reelle de l’impédance d’entrée
des capacités MFM integrant differetens épaisseures de BST,
en fonction de la tension.
5. Conclusions et perspectives
15
Nous avons présenté, la conception et la caractérisation
des condensateurs MFM intégrant des films minces
ferroélectriques de BST. Les propriétés diélectriques du
matériau ont été extraites en utilisant une méthode de
caractérisation en cavité résonante et des structures de
type MFM intégrant différentes épaisseur de couches
minces de BST. Au niveau des propriétés d‟accordabilité
des dispositifs, les résultats rapportés ici présentent des
performances supérieures à l'état de l'art actuel. En effet,
les accordabilités déterminées à 2,45 GHz sont
significativement importantes, de l‟ordre de 82%, 81% et
71% pour des films avec des épaisseurs de 200, 450 et
1450 nm et des tensions appliqués de 10 V, équivalent à
des champs électriques de 500 kV/cm, 220 kV/cm et 70
kV/cm, respectivement. Ces excellentes propriétés
diélectriques nous permettent d‟envisager l‟intégration de
ces structures MFM à base de BST au sein d'antennes
miniatures.
Des études sont actuellement en cours pour améliorer la
valeur de la capacité (pour une intégration adaptée au sein
d‟un dispositif antennaire agile fonctionnant autour de
2,45 GHz), en conservant une agilité importante et de
faibles pertes globales au sein des dispositifs.
10
Remerciements
30
BST200 nm
BST450 nm
25
Re(Z11) ()
BST450 nm
2
3.3 Etude des pertes en fonction de la fréquence
et de la tension
Dans le but de déterminer les pertes globales des
structures MFM, les évolutions fréquentielles des parties
réelles des impédances d‟entrée des capacités sont
présentées sur la Fig. 6. Celle-ci décrit la variation des
pertes globales de la capacité pour différentes épaisseurs
de couches minces (incluant les pertes métalliques des
électrodes ainsi que celles du film BST). En appliquant
une tension de 10 V sur les capacités MFM, nous
remarquons des résonances acoustiques dues à un effet
électrostrictif. Ces résonances sont contrôlées en
modifiant l'épaisseur du film BST de dispositifs [11] [12].
Comme indiqué sur la Fig. 6, les pics des résonances
fondamentales de dispositifs intégrant des couches
minces de BST d‟épaisseur 200 nm et 450 nm les
résonances sont positionnées autour de 3,5 GHz et 2,3
GHz respectivement, ce qui induisent de pertes nonnégligeables à 2,45 GHz. Pour remédier aux pertes liées
aux phénomènes electrostrictifs, nous intégrons une
couche de BST d‟épaisseur 1450 nm qui fera décaler la
résonance vers les basses fréquences (1 GHz). Ainsi, les
pertes globales du dispositif sont optimisés à 2,45GHz,
avec des valeurs autour de 1 Ω.
BST200 nm
BST1450 nm
20
5
0
2
4
6
Fréquence (GHz)
8
10
Figure 6. Evolution fréquencielle de la partie reelle de
l’impédance d’entrée des capacités MFM integrant des couches
de BST avec differentes épaisseures.
Nous remercions le support de l’ANR à travers le
projet MAESTRO (France-Roumanie) et la région
Limousin pour leur soutien financier.
Références
[1]
La Fig. 7 représente l'évolution des pertes globales à
2,45 GHz des capacités MFM en fonction de la tension
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[2]
[3]
[4]
[5]
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