Brevet FR2653271A1 — publié le 19910419

L'invention se situe dans le domaine des capteurs à éléments semi-conducteurs à effet de champ. Elle concerne plus particulièrement un capteur destiné à la mesure d'une grandeur physique telle que la pression, la contrainte, la déformation, la température, etc..., et réalisé sous la forme d'un oscillateur en anneau à partir de transistors MOSFET (metal-oxyde-semiconductor field-effect transistor). Il est connu depuis fort lorgteEps que le silicium qui est le matériau de base pour la fabrication des transistors MK6zz1 présente des propriétés piézorésistives intéressantes pour le domaine des capteurs. Est également connu, par exemple d'après le brevet E.P-B-0,040,795, un capteur à semi-conducteurs comprenant un nombre impair d'inverseurs CMOS (complementary metal-oxyde semiconductor) disposés dans une zone sensible à la pression et connectes entre eux pour former un oscillateur en anneau sensible à la pression. La fréquence de l'oscillateur ainsi obtenu est directement liée à la contrainte à laquelle les éléments semi-conducteurs sont soumis sous l'effet de la pression. L'invention a pour objet un capteur à semi conducteurs présentant une très bonne sensibilité, tout en maintenant un prix de revient relativement faible. Elle a également pour objet d'éliminer les dérives du capteur sous l'effet de la température et d'améliorer le rendement du processus de fabrication en réduisant le ncrmbre de rebus. Le capteur selon l'invention comprend un oscillateur en anneau formé à partir d'un nombre impair d'inverseurs CMOS et disposé dans une zone sensible à la grandeur physique que l'on désire mesurer; pour chaque inverseur CMC6, le canal n du transistor NMOS est sensiblement perpendiculaire au canal p du transistor PI#IC > S. Ceci permet d'augmenter la sensibilité du capteur de l'ordre de 15 à 20% par rapport à une disposition parallèle. La zone sensible peut notamment prendre la forme d'une membrane déformable; la grandeur physique que l'on désire mesurer est alors la pression. Selon divers modes particuliers de réalisation, le capteur comprend au moins un couple de deux oscillateurs en anneau de manière à réduire les dérives du capteur liées aux variations de temperature. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la zone sensible du capteur est munie de plusieurs couples d'oscillateurs en anneau, de façon à réduire le nombre de rebus au cours du processus de fabrication. Pour éliminer plus complètement l'influence d'une grandeur physique parasite, telle que la température, le capteur peut également être muni d'au moins un oscillateur supplémentaire qui est uniquement sensible à cette grandeurphysique parasite et qui de ce fait sert de référence. La description qui suit, donnée à titre d'exemple, est illustrée par les figures jointes en annexe qui représentent: - les figures 1 et 1B respectivement une vue de dessus et une coupe d'un premier mcde réalisation correspondant à un capteur de pression; - les figures 2k et 2B les diagrammes respectifs représentant les coefficients piézorésistifs des transistors NM0S et EM0S; - la figure 3 une vue de dessus d'un second mode de réalisation pour un capteur de pression comprenant un couple de deux oscillateurs en anneau; et - la figure 4 une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation comprenant quatre couples de deux oscillateurs en anneau. Le capteur selon l'invention est réalisé à partir d'une plaquette de silicium comprenant une zone sensible à la grandeur physique que l'on désire mesurer; pour les modes de réalisations particuliers décrits ci-après, cette zone est formée par une membrane sensible à la pression. On imaginera facilement que la zone sensible peut également être la surface d'une simple poutre et que la grandeur physique que l'on désire mesurer une contrainte ou encore une déformation. Selon un premier mode de réalisation représenté aux figures lA et 1B, la plaquette de silicium 1 orientée selon le plan (100) comprend une membrane 2 de forme rectangulaire sensible à la pression, au centre de laquelle est disposé un oscillateur en anneau 3. L'oscillateur 3 comprend une nombre impair d'inverseurs CMOS, par exemple 89 ce qui donne une fréquence d'oscillation de l'ordre du mégahertz. En ce qui concerne le circuit d'un oscillateur en anneau, tel que l'oscillateur 3, on pourra notamment se reporter au livre "Mc MOS Handbook" de Motorola Inc, Semiconductor Produits Division, 1973, Chat. 8, "Analog Basic Circuits". On pourra également ce reporter à l'ouvrage intitulé "Dispositifs et circuits intégrés semicondcuteurs" de A.Vapaille et R. Castagné, 1987 (pages 453 et 454) en ce qui concerne la réalisation d'un inverseur en technologie CMOS. Chaque inverseur CMOS est formé d'au moins un transitor NMOS et d'au moins un transitor PMOS, le canal n du transistor NMOS étant aligné selon l'axe cristallographique C1101 et le canal B du transistor E OS étant aligné selon l'axe [ 110 ] , de manière à ce que le canal n soit perpendiculaire au canal p. Les travaux entrepris par la demanderesse on permis de montrer que lorsque le canal n est perpendiculaire au canal B, c'est à dire par exemple le canal n suivant un axe longitudinal [ 110 ] et le canal p suivant un axe transversal [ 110 ] ou vice versa, on obtient un accroissement de la sensibilité du capteur de l'ordre de 15 à 20% par rapport à une implantation parallèle. Cette augmentation de sensibilité peut trouver une explication en se reportant aux figures 2A et 2B qui illustrent respectivement pour les transistors NMDS et EGOS, l'effet piézorésistif, c'est à dire la variation du courant d I/I traversant le transistor en fonction de la déformation . on notera tout particulièrement que l'effet piézorésistif est fortement dépendant d'une part du type du transistor, et d'autre part qu'il est anisotrope du fait de la différence existant entre les coefficients de piézorésistivité #L; et #T, respectivement pris selon des axes longitudinal [110] et transversal [110] du plan (100) du cristal de silicium.Ce dernier ayant une structure cristallographique cubique, on pourra naturellement aussi bien transposer cette analyse à la famille des plans (100) associés à la famille des axes cristallographiques . Pour une déformation {.Q donnée, la réponse de l'inverseur CMOS correspond sensiblement à la somme des réponses pour les transistors NMOS et FMOS. Que cette déformation soit positive ou négative, c'est à dire sous la forme d'une élongation ou d'une ccmpression, on s'aperçoit que la somme algébrique des réponses des deux transistors NMOS et PMOS est supérieure dans le cas où l'un des deux transistors est soumis à une contrainte longitudinale et l'autre à une contrainte transversale, que dans le cas où les deux transistors sont soumis conjointement soit à une contrainte longitudinale, soit à une contrainte transversale. Le premier mode de réalisation décrit en référence aux figures 1A et 1B présente cependant un inconvénient dans la mesure où la fréquence délivrée par l'oscillateur est fortement dépendante de la température de la membrane. Pour remédier à cet inconvénient, on peut faire appel à diverses solutions. Parmi ces dernières, l'une consiste à ajouter un second oscillateur 4, dit oscillateur de référence, sensiblement identique à l'oscillateur 3 et disposé dans une zone qui n'est pas soumise à la grandeur physique que l'on désire mesurer, en l'occurenoe la pression; la fréquence délivrée par l'oscillateur 4 est directement liée à la température de la plaquette de silicium 1 et de ce fait l'oscillateur 4 constitue un capteur de température. En traitant judicieusement les signaux obtenus à partir des fréquences délivrées par les oscillateurs 3 et 4, par exemple en faisant le rapport de ces deux fréquences, on obtient un signal représentatif de la pression et indépendant de la température. Une autre solution consiste à disposer deux oscillateurs sur la membrane même; cette seconde solution peut s'envisager sous la forme de deux autres modes de réalisation, respectivement désignés ci-après deuxième et troisième modes de réalisation. Selon le second mode de réalisation représenté à la figure 3, les deux oscillateurs Sa et 5b sont parallèles entre eux, c'est à dire que les canaux n et p de l'oscillateur Sa sont respectivement parallèles aux canaux n et p de l'oscillateur 5b, et sont respectivement disposés l'un au centre de la membrane 2 et l'autre sensiblement à la périphérie de la membrane 2; étant donné que les contraintes dans ces deux emplacaments sont sensiblement égales mais de signe opposé, pour une déformation donnée de la membrane, on observera un accroissement de la fréquence pour l'un des deux oscillateurs et une diminution de la fréquence pour l'autre oscillateur. En faisant le rapport des deux fréquences ainsi obtenues, on diminue très sensiblement l'influence de la mesure à la température. D'une manière similaire à ce qui a été décrit en référence au premier mode de réalisation, on peut également ajouter un troisième oscillateur en anneau 7, dit oscillateur de référence, sensiblement identique aux oscillateurs 3 et 4 et disposé en dehors de la membrane 7 sensible à la pression. L'oscillateur 7 constitue donc un capteur de température qui permet, grâce à un traitement numérique approprié qui est à la portée de l'homme du métier, de ccmplètement compenser la mesure de pression pour les variations de température. Le troisième mode de réalisation représenté à la figure 4 correspond au mode préféré de réalisation. Les deux oscillateurs 6a et 6b sont perpendiculaires entre eux et disposés cote à cote dans une zone située sensiblement à la périphérie de la membrane 2. En d'autres termes, les canaux n et p de l'oscillateur 6a sont respectivement peependiculaires aux canaux n et p de l'oscillateur 6b. En faisant le rapport des fréquences délivrés par les deux oscillateurs, on élimine pratiquement la dérive en temperature. Une amélioration possible consiste à disposer quatre couples de deux oscillateurs (6a; 6b), (6c;6d), (6e;6f) et (6g;6h) selon les quatre cotés d'une membrane carrée. Si pour des raisons liées à la fabrication il s'avérait qu'un, voire deux ou même trois couples d'oscillateurs soient défaillants, il resterait toujours un quatrième couple d'oscillateurs pour former le capteur. Cette amélioration, de par son caractère de redondance, a pour effet d'augmenter très sensiblement le rendement du processus de fabrication; de plus, elle est très avantageuse puisque le coût de fabrication est géaalement fonction de la surface de la plaquette de silicium traitée. Une autre amélioration possible, similaire à celle décrite en reférence aux deux premiers modes de réalisation, consiste à ajouter un ou plusieurs oscillateurs 8a, 8c, 8e et 8g disposés en dehors de la membrane sensible à la pression et destinés à mesurer la temperature de manière à corriger les dérives résiduelles en température. REVENDIChIIONS 1. Capteur à semi-conducteurs pour mesurer une grandeur physique ccmprenant au moins un oscillateur en anneau (3) forme par un nambre impair d'inverseurs CMOS, disposé dans une zone sensible (2) à la grandeur physique de manière à ce que la fréquence dudit oscillateur soit représentative de ladite grandeur physique, caractérisé par le fait que pour chaque inverseur CMOS, le canal n du transistor NMDS est sensiblement peependiculaire au canal p du transistor PMOS. 2. capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite zone sensible (2) est une membrane et que ladite grandeur physique est une pression. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend deux oscillateurs en anneau (5a, 5b) orientés parallèlement l'un par rapport à l'autre, l'un (5a) des deux oscillateurs étant disposé au centre de la membrane, tandis que l'autre (5b) est disposé sensiblement à la périphérie de la membrane. 4. Capteur selon l'une des revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un couple de deux oscillateurs en anneau 6a, 6b) disposés côte à côte sensiblement à la périphérie de la membrane et orientés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la membrane (2) est sensiblement carrée. 6. Capteur selon la revendication 5 caractérisé par le fait qu'il comprend quatre couples d'oscillateurs (6a, 6b; 6c, 6d; 6e, 6f; 6g, 6h) respectivement disposés sur les quatres cotés de la membrane carrée (2). 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre au moins un oscillateur en anneau (4; 7; 8a, 8c, 8e, 8g) disposé dans une zone qui n'est pas sensible ladite grandeur physique que l'on désire mesurer et qui sert d'oscillateur de référence.