Brevet FR2566964A1 — publié le 19860103

PROCEDE DE FABRICATION DF CAPTEURS A EFFET FALL EN COUCHES MINCES L'effet Hall est un principe physique connu et très utilisé pour la mesure des champs magnétiques, dont on rappellera l'essentiel en se référant à la figure 1. Un corps semiconducteur 1 est placé dans une induction t et parcouru par un courant I (Y et 9 per- pendiculaires). On appelle tension de Hall la tension VH qui apparaît entre les côtés 2 et 3 parallèles au courant I qui circule dans le semiconducteur 1 lorsque celui- ci est soumis à l'induction magnétique t perpendicu- laire. Elle est due à la déviation par l'induction magnétique t des électrons en mouvement dans le semi- conducteur 1. La loi reliant les différentes grandeurs s'écrit: VHx = Iy.Bz n.e.t (1) o n est le nombre d'électrons de conduction par cen- timètre cube, t l'épaisseur du matériau et e la charge de l'électron. Cette équation (1) permet donc de déterminer l'induction Bz à une constante de proportionnalité près, si l'on connaît Iy et VEx. Pour avoir une bonne sensibilité, on cherche donc à avoir un matériau semiconducteur avec une den- sité de porteur n et une épaisseur t les plus faibles possibles. D'après la relation (1) ci-dessus, on pour- rait croire que pour augmenter VH il suffit d'augmen- ter le courant de polarisation I. Malheureusement, il existe une limite pratique à cet accroissement de 1, du fait de l'élévation de la température qui en résul- te. Pour repousser cette limite, il est néces- saire d'avoir un semiconducteur ayant une bonne con- ductivité électrique. Comme cette conductivité électrique s'ex- prime par la relation (2): o- = e.n. -n (2) relation dans laquelle 'i est la mobilité des charges négatives, on voit que pour avoir une bonne conducti- vité, il sera nécessaire d'utiliser un semiconducteur dont la mobilité des porteurs "in soit la plus grande possible. Les semiconducteurs répondant le mieux à ce critère sont InSb avec -.tn=78000 cm2/Vs et InAs avec 33.000 cm2/Vs. A titre de comparaison on a pour GaAs ign=8500, pour InP ign=4600, pour Ge lLn=3900, pour Si,Ln=l900. On a donc recours de préférence à InSb qui, outre la plus forte mobilité, possède le plus bas point de fusion (Tf = 525"C). Un autre critère devenu important de nos jours lorsque l'on développe une nouvelle technologie de fabrication de capteurs, est son aptitude à permet- tre une fabrication collective et donc économique de grandes quantités de capteurs de petite dimension. En résumé les principales qualités que l'on demande à une telle technologie résident dans ses pos- sibilités: 1) d'utiliser un matériau à forte mobilité des por- teurs in; 2) de permettre une épaisseur t de semiconducteur la plus faible possible; 3) de permettre la réalisation de capteurs de très petite dimension (quelques microns); 4) de conduire à une fabrication simultanée d'un très grand nombre de capteurs. Le technologie la plus ancienne et la plus utilisée actuellement pour réaliser des détecteurs à effet Hall consiste à prendre des lingots de monocris- taux de InSb ou InAs, à les découper en tranches, à coller ces tranches sur un substrat, à amincir ces tranches par polissage, puis à graver le matériau pour avoir la fcrme voulue des capteurs. Avec ce procédé, la condition 1 est très bien satisfaite puisque l'on peut utiliser un mono- cristal presque parfait; on peut satisfaire en partie la condition 4; en revanche des conditions 2 et 3 sont très mal assurées, car ce n'est qu'au prix de grandes précautions que l'on arrive à des épaisseurs de l'ordre de 10lm, ce qui reste malgré tout une va- leur élevée. Outre une perte en sensibilité, cette forte épaisseur limite la finesse des gravures et donc les dimensions de capteur que l'on peut réaliser (plusieurs dizaines de microns) alors que beaucoup d'applications demandent des capteurs de l'ordre du micron. Face à cette difficulté, de nombreux labora- toires ont pensé à utiliser la technologie des couches minces pour déposer le semiconducteur directement sur le substrat. Dans ce cas, il devient en effet facile de réaliser les conditions 2, 3 et 4 puisqu'il est plutôt plus aisé de déposer une couche d'une fraction de micron d'épaisseur qu'une couche épaisse. Malheureusement, dans ce cas la condition 1 est très mal satisfaite. Le matériau obtenu par dépôt sous vide est en effet polycristallin, c'est-àdire constitué d'une multitude de très petits cristaux qui limitent considérablement la mobilité des électrons. La mobilité est généralement inférieure à 1000 cm2/Vs pour InSb. Elle peut atteindre exceptionnellement 10 000 cm2/Vs moyennant des conditions de dépôt très difficiles à contrôler et ceci avec de toute façon une très mauvaise reproductibilité. Pour améliorer cette situation, de nombreux laboratoires ont envisagé de recristalliser le semi- conducteur directement sur le substrat, en refondant le matériau après dépôt, de façon à obtenir une taille de grains plus importante lors de la solidification. Le résultat le plus intéressant publié dans ce domaine est probablement celui de AR Clawson, 1972 dans "Thin Solid Film" n 12 page 291. Cet auteur a imaginé une méthode de recris- tallisation que l'on peut appeler "méthode du fil chaud". Une mobilité voisine de celle du monocristal a en effet pu être obtenue. Cette méthode, schématisée sur la figure 2, consiste à placer au voisinage de la couche mince 1 déposée sur le substrat 4 un fil résis- tif tendu 5, à faire fondre la couche 1 sur une lar- geur étroite 6 (é.1 mm) en faisant passer un courant électrique dans le fil 5, et à déplacer cette zone fondue 6 en déplaçant le fil 5 devant le substrat 1. La zone fondue 6 sépare ainsi la partie polycristalli- ne 7 de la partie recristallisée 8 du semiconducteur 1. Depuis cette publication, la méthode a été reprise par de nombreux laboratoires pratiquement sans modification. On trouvera un bon exemple de tentatives d'applications dans les publications de: - Tetsu Oi et al. Japanese Journal of applied Physics vol 17 n 2 Feb 1978, pp407-412 - Nobuo Kotera et al. IEEE trans on magnetics vol MAG15 n 6 Nov 1979. Bien que très intéressante, cette méthode présente encore un certain nombre de défauts qui peu- vent expliquer qu'elle n'ait pas encore dépassé le stade du laboratoire. Les principales difficultés rencontrées dans la pratique viennent du fait qu'après recristal- lisation on constate de très grandes variations dans l'épaisseur de la couche. Ces irrégularités peuvent aller jusqu'à des trous en certains endroits, ce qui apparaît assez bien dans les deux publications citées précédemment. Cet inconvénient est extrêmement gênant lorsque l'on aborde les applications réelles car, outre le fait qu'il ne permet pas de réaliser des dis- positifs aux propriétés et géométries bien contrôlées, il interdit pratiquement toute opération de microli- thographie précise et donc la réalisation de capteurs de petites dimensions. Ceci explique notamment que les auteurs cités aient été obligés de recourir à un procédé des plus délicats, de polissage après recristallisation, ce qui enlève pratiquement tout intérêt à la technolo- gie des couches minces. Un autre inconvénient de la méthode du fil chauffant, est qu'il peut conduire à de très fortes contraintes thermiques dans le substrat. Dans certains cas (détecteur sur grenat pour mémoires à bulles par exemple) ceci est suffisant pour casser le substrat et pour interdire toute utilisation. Une autre difficulté, moins sérieuse mais tout de même réelle de cette méthode est que la con- ductivité thermique entre fil et substrat doit être bien contrôlée, ce qui oblige à travailler sous hélium et alourdit donc le procédé de fabrication. La présente invention a précisément pour objet un procédé de fabrication de capteurs à effet Hall en couches minces, qui permet, tout en étant une méthode de recristallisation après dépôt, de résoudre de façon particulièrement simple et efficace l'ensem- ble des problèmes précédemment rappelés de l'art anté- rieur. Ce procédé de fabrication de capteurs à effet Hall en couches minces du genre de ceux qui com- prennent des éléments de semiconducteurs déposés sous vide en couches minces sur un substrat et recristalli- sés in situ après dépôt par une nouvelle fusion du matériau semiconducteur, se caractérise par la succes- sion des étapes suivantes: - après dépôt sous vide de la couche mince de semiconducteur sur le substrat, on découpe dans cette couche les éléments actifs du capteur par tout moyen connu tel que gravure chimique ou bombardement ionique, de façon à réaliser ces éléments actifs sous forme de bandes étroites, notamment de largeur infé- rieure à 20 um; - on recouvre ensuite l'ensemble précédem- ment obtenu d'une couche isolante de SiO2; - on recouvre la couche précédente d'une couche métallique conductrice, d'une épaisseur de o l'ordre de 1000 A, en un matériau, tel que NiCr ou W, résistant bien à la température; - on grave cette couche métallique de façon à réaliser des résistances chauffantes localisées au- dessus des bandes étroites de semiconducteur précéden- tes; - on fait passer un courant électrique dans les résistances chauffantes précédentes de façon à obtenir par effet Joule l'échauffement puis la fusion et la recristallisation des bandes étroites de semi- conducteur; - on enlève par attaques chimiques successi- ves la couche métallique des résistances chauffantes puis la couche de SiO2 sur les zones non recristalli- sées du semiconducteur; - on dépose et on grave une couche conduc- trice dans les trous de SiO2 pour les prises de con- tact d'alimentation du capteur en courant de polarisa- tion et de prélèvement de la tension de Hall. Comme dans les procédés antérieurs, le dépôt sous vide de la couche semiconductrice sur un substrat peut être réalisé par évaporation sous vide. On peut néanmoins utiliser avantageusement la pulvérisation cathodique de façon à obtenir un matériau homogène et par conséquent apte à des opérations de microlithogra- phie ultérieures précises. L'une des caractéristiques essentielles du procédé précédent réside dans le fait que la forme choisie pour les- parties actives des capteurs, que l'on réalise par gravure chimique ou par bombardement ionique, consiste en une mise en parallèle ou en série de bandes étroites allongées, typiquement d'une largeur inférieure à 20 im. Le fait de dessiner ainsi un capteur dont les zones actives sont constituées d'éléments étroits, apporte deux avantages fondamen- taux: d'abord il permet d'avoir un courant de chauffage dans les résistances chauffantes localisées de valeur raisonnable, c'est-à-dire relativement faible; ensuite il permet d'éviter lors des opérations de recristallisation des bandes étroites de semiconducteur un manque d'uniformité d'épaisseur car, sur une largeur aussi courte, le semiconducteur liquide n'a pas la possibilité de former des vagues qui seraient ensuite figées lors de la solidification. Un autre avantage important du procédé selon l'invention découle du fait que la couche métallique conductrice qui recouvre les zones à recristalliser est bien localisée et permet d'obtenir le chauffage de cette dernière zone et uniquement de cette zone de façon très précise. Enfin, les différentes étapes de fabrica- tion du procédé objet de l'invention permettent sans difficulté la réalisation simultanée d'un grand nombre de capteurs microscopiques à effet Hall, à partir d'une même couche de semiconducteurs déposés sur un substrat. Ceci est un avantage non négligeable du pré- sent procédé par rapport à la méthode du fil chauffant mobile précédemment utilisée. Selon une variante améliorée du procédé de fabrication précédent, on réalise la gravure des ré- sistances chauffantes de façon légèrement décentrée par rapport à l'axe longitudinal de la partie de la bande étroite de semiconducteur utilisée dans le cap- teur. En d'autres termes, on s'arrange ainsi pour que lors de la solidification d'une zone fondue pour obte- nir sa recristallisation, les deux fronts de solidifi- cation qui sont symétriques par rapport à la résistan- ce, et qui se rapprochent symétriquement l'un de l'au- tre lors du refroidissement, viennent se rencontrer selon une ligne légèrement décentrée de quelques mi- cromètres par exemple par rapport au centre de la bande active future du capteur à effet Hall. De cette façon, il se produit un entraînement par effet de fusion de zone des impuretés éventuellement contenues dans le semiconducteur vers l'un des bords latéraux de la bande active, ce qui supprime l'effet néfaste de ces impuretés en permettant une amélioration sensible du rapport 1/ne dans lequel n est le nombre d'élec- trons de conduction par cm3 du semiconducteur et e la charge élémentaire de chaque électron. A ce sujet, on peut noter qu'il n'est pas nécessaire d'avoir une bonne pureté sur toute la surface de chaque bande et que l'on obtient une bonne sensibilité si la longueur de bande sur laquelle la purification est ainsi obte- nue est de l'ordre de 3 fois la largeur de chaque bande. De toute façon l'invention sera mieux com- prise en se référant à la description qui suit de plu- sieurs modes de mise en oeuvre du procédé de fabrica- tion de capteurs à effet Hall, description qui sera faite en se référant aux figures 3 à 10 sur lesquel- les: Les figures 3, 4 montrent les deux premières étapes de réalisation des capteurs à effet Hall selon l'invention. Les figures 5 et 6 montrent deux formes par- ticulières de découpage des capteurs fabriqués selon le procédé de l'invention. Les figures 7, 8 et 9 (9a vue de dessus, 9b vue en coupe selon AA de la figure 9a) montrent les étapes finales du procédé de fabrication objet de l'invention. La figure 10 montre la variante du procédé de fabrication du capteur à effet Hall objet de l'in- vention dans laquelle on procède à une purification par fusion de zone de la partie recristallisée du se- miconducteur, - la partie inférieure de la figure 10 mon- tre la répartition des températures autour de l'axe de la résistance chauffante. Sur la figure 3, on a représenté la première étape du procédé de fabrication objet de l'invention qui comporte le dépôt sur un substrat 4, par exemple en verre ou en céramique, d'une couche 1 semiconduc- trice en antimoniure d'indium InSbo Ce dépôt peut être fait par tout moyen connu, tel que l'évaporation sous vide ou de préférence la pulvérisation cathodique qui donne un matériau beaucoup plus homogène et donc faci- lite les opérations de microlithographie précise ulté- rieure. Sur la figure 4 on a montré l'étape suivante qui est une délimitation par découpage en un certain nombre de bandes telles que 9 de la couche semiconduc- trice 1 précédente aux fins d'obtenir des éléments ac- tifs sous forme de bandes étroites, de préférence de largeur inférieure à 20 lim. Ce découpage est obtenu également par tout moyen connu tel que la gravure chi- mique à l'aide d'un masque ou le bombardement ionique permettant d'enlever le matériau semiconducteur avec une grande précision aux endroits voulus. Selon l'invention, il est préférable de des- siner le capteur de telle façon que les parties acti- ves qui interviennent dans la génération de la tension de Hall soient constituées d'un certain nombre de ban- des ou éléments étroits mis en parallèle ou en série comme on le représente sur les figures 5 et 6 qui donnent deux exemples possibles de mise en oeuvre. Sur la figure 5, le capteur représenté com- porte quatre zones de contact 10, 11, 12 et 13 qui n'ont pas subi la recristallisation et deux bandes ac- tives 14 et 15 à angle droit qui sont destinées à subir une recristallisation pour posséder une mobilité des charges négatives élevée. Les électrodes 10 et 13 servent à la circulation du courant de polarisation I dans la bande conductrice 14 et les électrodes 11 et 12 servent au prélèvement de la tension de Hall Vh. Dans une version plus compliquée du capteur objet de l'invention représenté figure 6, on découpe la zone active parcourue par le courant de polarisa- tion I en une série de bandes étroites 14a, 14b, 14c, etc... en parallèle et on retrouve les électrodes 10, 11, 12 et 13 de la figure 5 précédente. Le fait d'avoir plusieurs bandes étroites en parallèle 14a, b, c, d, etc.. . permet de faire passer dans le capteur un courant de polarisation plus important et par consé- quent d'augmenter la tension Vh de Hall recueillie aux bornes de l'ensemble. L'étape suivante (figure 7) consiste dans le dépôt d'une couche isolante de silice SiO2 sur la structure obtenue figure 4. Cette couche 16 a une épaisseur de l'ordre de 1 gm par exemple. L'étape ultérieure du procédé objet de l'in- vention consiste à recouvrir la couche de silice 16 d'une couche métallique conductrice et résistive 17 o d'une épaisseur de l'ordre de 1000 A. Cette couche 17 est constituée le plus souvent, soit en alliage nickel-chrome NiCr, soit en tungstène W. Après le dépôt de cette couche métallique, on la grave de façon à constituer un certain nombre de résistances chauffantes 17a, 17b, 17c et 17d visibles sur la figure 8, dont chacune est située au droit des bandes 9 de matériau semiconducteur destiné à être recristallisé. Ces différentes résistances chauffan- tes sont découpées à l'aide d'un masque qui peut être notamment le même que celui qui a servi à la gravure des bandes de semiconducteurs 9. Une fois la structure de la figure 8 obte- nue, on provoque par le passage d'un courant dans les résistances chauffantes 17 la fusion de l'antimoniure d'indium InSb, l'injection de courant pouvant se faire par exemple à l'aide de pointes. C'est à ce stade que l'on tire avantage d'avoir constitué les parties actives du capteur sous forme de bandes étroites. En effet, cette structure permet d'utiliser un courant de chauffage relativement faible donc de valeur raisonnable et on évite ainsi le manque d'uniformité d'épaisseur de la couche d'antimo- niure d'indium car, sur une largeur aussi courte, la phase liquide n'a pas la possibilité de former des vagues qui pourraient être ensuite figées lors de la solidification. Dans une étape ultérieure du procédé objet de l'invention, on enlève d'abord les résistances chauffantes 17 et ensuite la couche de SiO2 sur les zones non recristallisées. Les résistances chauffan- tes 17 sont enlevées à l'aide d'une solution contenant S04H2 à 25% et à 60 C en solution commerciale "CHROME-ETCH" bien connue. La silice SiO2 est attaquée chimiquement, par exemple à l'aide d'acide fluorhydri- que. A ce moment intervient la dernière opération qui consiste à graver une couche conductrice (par exemple un alliage de chrome et d'or CrAu ou du cuivre Cu) dans les trous de silice pour obtenir les prises de contact nécessaires à l'exploitation électrique du capteur. A la fin de-l'opération, on obtient par exem- ple un capteur tel que visible sur les figures 9a, (vue de dessus) et 9b (vue en coupe) sur lesquelles on a représenté les bandes conductrices 14 et 15 en anti- moniure d'indium recristallisé couvertes de silice SiO2 et les quatre électrodes de contact 10, 11, 12, 13 disposées sur des zones o le semiconducteur n'a pas été recristallisé. La couche conductrice de cuivre ou d'alliage chrome-or est représentée en 18; la cou- che de semiconducteur InSb comporte des parties 9a qui ont été recristallisées lors des opérations de fusion précédentes à l'aide des résistances chauffantes loca- les 17 et des parties 9b non recristallisées. La cou- che conductrice 18 permet le branchement des con- nexions 19 reliant le capteur à l'extérieur. Dans le procédé de fabrication objet de l'invention que l'on vient de décrire, on se contente pour accroître la mobilité in des porteurs de charges négatives dans le semiconducteur, d'effectuer une re- cristallisation provoquant un accroissement de la taille des grains. Cette façon de procéder permet d'obtenir un rapport 1/ne voisin de 100 cm3 par cou- lomb dans le cas de l'emploi d'InSb comme semiconduc- teur, ce qui est tout à fait acceptable. Si l'on désire néanmoins améliorer encore cette performance en provoquant en outre une purifica- tion du semiconducteur par diminution du nombre d'im- puretés qu'il contient, ce qui augmente la valeur du paramètre n, on peut y parvenir en ayant recours à une variante du procédé décrite sur la figure 10o Dans cette variante, on déplace légèrement les résistances chauffantes 17 de quelques micromètres par rapport à l'axe de la partie active a, b, des bandes conductri- ces de semiconducteur 9 de façon à ce que lors de la solidification de la zone fondue 9, les avancées des fronts de solidification c, b, les fassent se rencon- trer en un point d o seront concentrées les impuretés qui auront été déplacées par fusion de zone e le point d est déporté par rapport au centre de la bande active a, b, effectivement utilisée pour l'effet Hallo Les impuretés ainsi rassemblées autour de d n'ont pas d'influence sur le fonctionnement du capteur car elles se situent en marge du centre actif de la bande de semiconducteur correspondante. Pour mieux faire com- prendre le phénomène, ceci a été représenté de façon très exagérée sur la figure 10, o l'on retrouve les éléments des figures antérieures portant les mêmes nombres de références. Ces limites b, c, représentent la zone fondue de semiconducteur centrée sur la résis- tance 17 et a, b, la seule partie active ultérieure- ment utilisée de la bande de semiconducteur dans le capteur proprement dit. * A la partie inférieure du dessin on a repré- senté les courbes de refroidissement 19, 20 et 21 montrant les températures dans la zone fondue 9 en fonction de la distance à l'axe de la résistance 17. La courbe 19 montre la température maximale obtenue au moment de la fusion; la courbe 21 correspond au cas o cette température maximale est la température de fusion c'est-à-dire à l'époque ou les fronts de soli- dification c et b se rencontrent. Entre les deux, la courbe 20 illustre le cas d'une température intermé- diaire au centre de la zone fondue et les flèches F et F' dessinées permettent de connaître, pour cette tem- pérature de refroidissement et à cette époque, la po- sition des fronts de solidification. Le procédé objet de l'invention qui vient d'être décrit a le grand avantage de ne nécessiter aucune opération mécanique et de pouvoir être réalisé à l'air libre- avec les équipements classiques de la microélectronique. Il permet la fabrication de cap- teurs à effet Hall ayant un bon rendement grace à une forte mobilité des charges négatives là o c'est utile et ayant des dimensions et des épaisseurs aussi peti- tes que souhaitées avec les avantages d'une fabrica- tion collective sur n'importe quel substrat même fra- gile. Il ne nécessite de plus qu'un apport d'énergie totale très faible lors de l'étape de recristallisa- tion. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de capteurs à effet Hall en couches minces, du genre de ceux qui comprennent des éléments de semiconducteurs (9) déposés sous vide en couches minces sur un substrat (4) et recristallisés in situ après dépôt par une nouvelle fusion du matériau semiconducteur, caractérisé par la succession des étapes suivantes: - après dépôt sous vide de la couche mince (1) de semiconducteur sur le substrat, on découpe dans cette couche les éléments actifs (9) du capteur par tout moyen connu tel que gravure chimique ou bombarde- ment ionique, de façon à réaliser ces éléments actifs sous forme de bandes étroites, (14, 15) notamment de largeur inférieure à 20 um; - on recouvre ensuite l'ensemble précédem- ment obtenu d'une couche isolante de SiO2 (16), - on recouvre la couche précédente d'une couche métallique conductrice (17) d'une épaisseur de o l'ordre de 1000 A, en un matériau, tel que NiCr ou W, résistant bien à la température, - on grave cette couche métallique (17) de façon à réaliser des résistances chauffantes locali- sées au-dessus des bandes étroites de semiconducteur précédentes; - on fait passer un courant électrique dans les résistances chauffantes précédentes de façon à obtenir par effet Joule l'échauffement puis la fusion et la recristallisation des bandes étroites (14, 15) de semiconducteur; - on enlève par attaques chimiques successi- ves la couche métallique des résistances chauffantes (17) puis la couche de SiO2 (16) sur les zones non recristallisées du semiconducteur; - on dépose et on grave une couche conduc- trice (18) dans les trous de SiO2 pour les prises de contact d'alimentation (19) du capteur en courant de polarisation et de prélèvement de la tension de Hall. 2. Procédé de fabrication de capteurs à effet Hall selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise les résistances chauffantes (17) de façon légèrement décentrée, typiquement de quelques m, par rapport à l'axe longitudinal de la partie ac- tive de la bande étroite (9) de semiconducteur utili- sée dans le capteur, de façon à provoquer par fusion de zone lors de l'avancée du front de solidification de la zone fondue, un entraînement des impuretés en dehors de cette partie active du capteur. 3. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le semiconduc- teur utilisé est l'antimoniure d'indium InSb et la couche métallique résistive est choisie parmi le tungstène W et l'alliage nickel-chrome NiCr.