Contribution à l'étude de procédés de réalisation de structures métal/PZT/métal sur silicium pour microsystèmes piézoélectriques

Ce travail de these a pour but l'optimisation du procede d'elaboration du multicouche Metal/PZT/Metal sur substrat de silicium. Nous avons elabore des films minces de PZT(52/48) (Pb(Zr0,52Ti0,48)O3) par pulverisation cathodique. Les cristallisations des differentes couches ont ete effectuees par recuit rapide de type RTA. Nous avons dans un premier temps confirme la stabilisation de l'electrode inferieure par l'arret de la penetration du Ti au travers du Pt dans la bi-couche de type Pt/TiOx. Les mesures realisees par SIMS montrent qu'une couche de TiOx de 20 nm d'epaisseur stoppe la diffusion du titane dans le Pt lors du recuit de l'ensemble de l'electrode inferieure. Par ailleurs une couche de nucleation en Ti deposee sur une electrode de type Pt/TiOx ameliore la cristallinite du PZT lors du recuit de cristallisation. L'orientation exclusive ou au moins majoritaire de la phase perovskite du PZT dans la direction [111] a ete montree par diffraction X. Une etude systematique de l'homogeneite surfacique des proprietes ferroelectriques des cycles d'hysteresis a ete realisee. Elle a montre que le Ti en couche de nucleation permet d'avoir un rendement de 80% de contacts carres de 450 µm de cote sans court-circuit. L'oxydation en TiOx de cette couche de nucleation montre une degradation des proprietes ferroelectriques et une perte de l'orientation preferentielle du PZT dans la direction [111]. Nous avons constate que le recuit de l'electrode inferieure sous azote augmentait l'occurrence de court-circuit. De plus une phase pyrochlore orientee [222] ou [400] apparait sur les figures de diffraction X que ce soit dans le cas d'une sous-couche en TiOx ou dans le cas d'un recuit de l'electrode inferieure sous azote. Une etude sur l'epaisseur de la couche de nucleation a confirme l'existence d'une epaisseur critique (3 nm) au-dela de laquelle une perte d'orientation cristalline de la couche de PZT et aussi une degradation de cette couche a ete observee. Des mesures piezoelectriques ont ete realisees au moyen d'une poutre vibrante, la valeur du d31 juste apres la polarisation est de -17,8pC. N-1. Un demonstrateur a montre que le film mince de PZT, elabore d'apres l'optimisation decrite ci dessus, permet de mettre en vibration une membrane de silicium de 88 µm d'epaisseur.