Brevet FR2701562A1 — publié le 19940819

MICRO-CAPTEUR CAPACITIF À FAIBLE CAPACITE PARASITE ET PROCEDÉ DE FABRICATION La présente invention conoene le domaine des micro- capteurs capacitifs en silicium De tels micro-capteurs peuvent par exemple constituer des capteurs de pression, des capteurs d'accélération Ces dernières années, se sont développés de nouveaux types de micro-capteurs en silicium, tirant partie des techni- ques de gravure du silicium développées dans le cadre de la fabrication des composants électroniques à semiconducteurs Au début, de tels microcapteurs étaient constitués de l'assemblage de plaquettes de silicium convenablement gravées et de lames minoes de verre servant de boîtier étanche ou de plaques de séparation isolantes entre des plaquettes de silicium, ces lames de verre portant éventuellement divers motifs d'électrodes métalliques. On tend actuellement à développer des micro-capteurs entièrement en silicium, sans plaque de verre jouant un rôle actif Des exemples très schématiques de tels capteurs sont illustrés en figures 1 et 2. Le capteur de la figure 1 est un capteur d' accéléra- tion et le capteur de la figure 2 un capteur de pression Chacun de ces capteurs comprend une plaquette de silicium centrale 1 -prise en sandwich entre des plaquettes de silicium externes 2 et 3 L'isolement entre les plaquettes est assuré par une première bande isolante 5, généralement une couche d'oxyde de silicium, entre les plaquettes 1 et 2 et une deuxième bande isolante 6 entre les plaquettes 1 et 3 Ces bandes isolantes prennent la forme d'un cadre disposé entre des plaquettes adjacentes, le long des bords de celles-ci Des bandes d'oxyde peuvent être obtenues par croissance ou dépôt à partir de l'une des plaquet- tes adjacentes puis gravure Une fois les trois plaquettes appliquées les unes contre les autres, une soudure est réalisée par un recuit à une température de 900 à 11000 C Pour cela, la pratique montre qu'il convient que les surfaces de silicium et d'oxyde de silicium en regard aient de très faibles rugosités, par exemple inférieures à 0,5 nm Les plaquettes de silicium extrêmes 2 et 3 définissent entre elles et avec la partie de cadre de la plaquette de silicium 1 une région dans laquelle est contenue une atmosphère contrôlée, par exemple une atmosphère à très faible pression, appelée vide. La description précédente s'applique communément aux micro-capteurs des figures 1 et 2. Dans le cas de la figure 1, qui représente schémati- quement une vue en coupe d'un aceélérauètre, la plaquette de silicium centrale 1 est gravée avant assemblage pour comprendre un cadre et une plaque centrale ou masselotte 8 fixée au cadre par des barres minces de suspension 9 Une seule barre apparaît dans la vue en coupe schématique de la figure 1 De façon clas- sique, on utilisera des systèmes de suspension à deux ou quatre barres Les plaquettes externes 2 et 3 délimitent avec le cadre formé à la périphérie de la plaquette centrale un espace vide. On détecte les variations de capacité entre la face supérieure de la masselotte et la plaquette de silicium 3 et éventuellement également entre la faè inférieure de la masselotte et la pla- quette inférieure 2 Quand le dispositif est soumis à une acoc- lération, la masselotte 8 se déplace par rapport à l'ensemble du -dispositif et les capacités susmentionnées varient Il est éga- lement généralement prévu un asservissement électrostatique pour maintenir en place la masselotte par application d'un champ électrique continu et c'est alors le signal d'erreur qui donne une indication de la variation de capacité. Des structures du type de celle de la figure 1 sont décrites plus en détail par exemple dans la demande de brevet EP-A-369 352. La figure 2 représente très schématiquement une struc- ture constituant un capteur de pression La plaquette inférieure 2 est gravée pour y former une membrane minè 11 La plaquette 1 est gravée pour former un plot 12 appuyé sur ètte membrane Une lamelle de silicium 13 s' étend entre ce plot et le cadre de la plaquette 1 A nouveau, l'espace délimité par la plaquette supé- rieure, la plaquette inférieure et le cadre de la plaquette cen- trale définit un espace vide Des variations de pression externe déforment la membrane 11 et font varier la tension de la lamelle 13 Cette variation de tension entraîne une variation de la fréquence de résonance du résonateur capacitif constitué par la lamelle 13 et la surface en regard de la plaquette 3 De préfé- rence, la face interne de la plaquette 3 est gravée pour former une bande en saillie en face de la lamelle 13. Dans le cas de la figure 1, des électrodes 21, 22 et 23 doivent être respectivement solidaires des plaquettes 1, 2 et 3 Dans le cas de la figure 2, seules les électrodes 21 et 23 seront nécessaires. Ces structures de l'art antérieur, qu'elles utilisent directement une mesure de capacité ou une mesure de fréquence de résonance présentent l'inconvénient que ces mesures sont forte- ment affectées par la présence de capacités parasites élevées. Ces capacités parasites correspondent essentiellement aux capa- cités entre le cadre formé dans la plaquette 1 et les parties en regard de la plaquette supérieure et/ou inférieure, capacités dont le diélectrique est constitué par les couches d'isolant (oxyde de silicium) 5 et 6. Ce problème des capacités parasites est clairement souligné dans la demande de brevet européen 369352 susmentionnée o il est indiqué (colonne 6, lignes 45 à 52): "la capacité de la partie de liaison devient une capacité parasite Ainsi, la capacité électrique à ce niveau doit être aussi faible que possible Dans ce but, la surfaoe de la partie de liaison doit être aussi petite que possible et les couches d'oxydation ther- mique doivent être aussi épaisses que possibles". Toutefois, un problème se pose puisque l'épaisseur du cadre 1 est dans un procédé de fabrication simple la même que l'épaisseur de la masselotte 8 Ainsi, l'épaisseur des couches isolantes (oxyde) 5 et 6 définit, d'une part, la valeur de l'in- tervalle entre la masselotte et chacune des faès en regard, d'autre part, l'isolement entre plaquettes de silicium Cette épaisseur doit être faible pour que la capacité active (définie par l'intervalle entre la masselotte et les faès en regard) soit aussi grande que possible De façon antinomique, ètte épaisseur doit être aussi grande que possible pour limiter la capacité parasite. Pour résoudre ce problème, la demande de brevet sus- mentionnée propose (comme cela est illustré dans sa figure 4) de déposer des couches de silicium polycristallin sur les faès internes des plaquettes externes, en regard de la masselotte, pour réduire l'intervalle entre la masselotte et les faces en regard On peut ainsi dissocier les paramètres antinaniques susmentionnés Toutefois, ce procédé est relativement complexe puisqu'il nécessite des étapes de fabrication supplémentaires camprenant un dépôt de silicium polycristallin et une gravure de celui-ci sur les faoes internes Une autre solution est proposée dans cette demande de brevet antérieure en relation avec sa figure 24 Elle consiste d'une part à rendre inégales l'épais- seur de la masselotte et l'épaisseur du cadre, d'autre part à creuser les faces externes et à les remplir d'un verre isolant aux endroits de contact A nouveau, il s'agit là d'un procédé complexe et l'utilisation de dépôts de verre n'est pas sans inconvénients. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de micro- capteur capacitif dans laquelle les capacités parasites sont réduites. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure dans laquelle on évite des variations de ces capacités d'un composant à un autre et au cours du temps. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un micro-capteur capacitif comprenant un sandwich de trois plaquettes de silicium, une bande périphérique de la face interne de chaque plaquette externe étant accolée à une bande correspondante de la faoe en regard de la plaquette centrale par l'intermédiaire d'une bande isolante La bande isolante est une bande d'oxyde de silicium qui pénètre partiellement à l'inté- rieur des plaquettes externes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la hauteur en saillie de la bande isolante est sensiblement la moitié de son épaisseur totale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la bande isolante est une bande d'oxyde de silicium. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication du microcapteur capacitif susmentionné qui consiste à assembler trois plaquettes de silicium séparées entre elles, au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, chacune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par découpe de l'assemblage de tranches, dans lequel la bande isolante est formée par oxydation localisée des plaquettes externes. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication du micro- capteur capacitif susmentionné qui consiste à assembler trois plaquettes de silicium séparées entre elles, -au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, chacune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par découpe de l'assemblage de tranches, dans lequel la bande isolante est formée par creusement des régions appropriées des plaquettes externes, dépôt d'un isolant et gravure de l'isolant en dehors des régions creusées. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2 décrites précédemment sont des vues en coupe schématique d'un micro-capteur d'accélération et d'un micro-capteur de pression selon l'art antérieur; La figure 3 est une vue en coupe d' une variante de micro-capteur d'accélération selon l'art antérieur; la figure 4 représente une vue en coupe d'un micro- capteur d'accélération selon la présente invention; les figures 5 A à 5 E représentent en coupe des vues succssives d'une tranche de silicium à partir de laquelle est formée une plaquette externe selon la présente invention, à des stades successifs de fabrication; la figure 6 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention à une étape intermédiaire de fabrication; et la figure 7 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention à une étape intermédiaire ultérieure de fabrication. Dans les diverses vues en coupe, les épaisseurs ne sont pas tracées à l'échelle et sont arbitrairement dilatées pour rendre les figures lisibles Par exemple, les épaisseurs des plaquettes de silicium sont de l'ordre de 300 à 500 micro- mètres tandis que les épaisseurs des couches d'isolant sont de l'ordre de 2 à 4 micranètres Les dimensions latérales de chaque composant pourront être de l'ordre de 3 à 6 mm. La figure 4 représente une vue en coupe d'un disposi- tif selon la présente invention Les couches d'isolant destinées à séparer les plaquettes externes de la plaquette centrale sont des couches d'oxyde qui pénètrent partiellement dans les pla- quettes externes et en font partiellement saillie Ainsi, leur épaisseur en saillie dl délimite l'intervalle entre la masse- lotte et les plaquettes externes tandis que leur épaisseur totale d 2 détermine la valeur des capacités parasites Il est donc ainsi possible de limiter la valeur des capacités parasites sans réduire la valeur de l'intervalle actif. Une telle structure peut être fabriquée simplement par divers procédés classiques utilisant des couches d'oxyde de silicium. Les figures 5 A à 5 E représentent des étapes succes- sives de fabrication utilisant le procédé classique désigné dans la technique des semiconducteurs sous l'appellation "LOCOS" Ces figures 5 A à 5 E représentent une tranche de silicium externe. Dans un premier temps, on décrira seulement les opérations effectuées sur la face inférieure de cette tranche externe considérée comne étant une tranche supérieure. La figure SA représente une tranche nue 30. A l'étape de la figure 5 B, la face inférieure de cette tranche est revêtue d'une couche mince de nitrure de silicium 31 Classiquement, cette couche de nitrure de silicium a une épaisseur d'une centaine de nanomètres et est déposée sur une couche très minè d'oxyde de silicium d'une épaisseur d'une dizaine de narnomètres. A l'étape de la figure 5 C, la couche de nitrure de silicium 31 est gravée pour laisser en place des régions 32. A l'étape de la figure 5 D, une oxydation thermique est réalisée qui se produit seulement dans les ouvertures ménagées entre les régions 32 On obtient ainsi des régions d'oxyde 33 -qui pénètrent d'une certaine profondeur dans la tranche de sili- cium et font saillie d'une hauteur déterminée. Enfin, comme le représente la figure 5 E, on procède à une gravure pour éliminer le nitrure de silicium La gravure du nitrure de silicium peut être suivie d'une gravure de l'oxyde de silicium pour laisser en saillie seulement une hauteur choisie d'oxyde de silicium Classiquement, la hauteur en saillie est sensiblement égale à la profondeur de pénétration Ainsi, si la couche d'oxyde de silicium a une épaisseur totale de l'ordre de 2 micromètres, la hauteur en saillie sera de l'ordre de 1 micro- mètre ou moins Èn peut envisager de faire croître des couches d'oxyde ayant des épaisseurs totales allant jusqu'à 3 à 4 micro- mètres. Comme le représentent les figures 5 A à 5 E, en même temps que l'on forme les régions 33, on peut former sur la face supérieure de la tranche 30 des régions sensiblement camplémen- taires 34. Comme le représente la figure 6, on peut ensuite assembler deux tranches externes telles que la tranche 30, respectivement désignées par les références 30 et 40 de part et d'autre d'une tranche èntrale 35, la tranche 40 comprenant des régions d'oxyde 43 symétriques des régions d'oxyde 33 La tran- che centrale a une structure classique connue dans la tech- nique L'ensemble est ensuite soudé par traitement thermique et l'on obtient bien le résultat souhaitée, à savoir que l'épais- seur d 2 de l'oxyde 33 contribuant à la définition des capacités parasites est plus élevée que l'intervalle dl entre la mas- selotte et les tranches externes Une fois la structure assemblée, on peut de façon classique diviser l'assemblage des trois tranches en composants élémentaires tels que oelui de la figure 4 par sciage selon les lignes indiquées en pointillés par les référenoes 50. La figure 7 représente un autre mode de séparation en composants élémentaires Selon oet autre mode de séparation, on utilise les régions 34 et 44 précédemment définies comme masque -de gravure des plaquettes de silicium externes 30 et 40 Et l'on grave ces plaquettes jusqu'à atteindre les couches d'oxyde 33 et 43 C'est seulement après cette gravure des plaquettes externes que l'on réalise une séparation en composants élémentaires par sciage selon les lignes 50 Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, comme dans le premier, on a l'avantage d'une augmentation de l'épaisseur de l'isolant de séparation entre plaquettes mais on a un avantage supplémentaire lié au fait que le sciage n'est pas effectué le long de la tranche du dispositif et n'est donc pas susceptible d'entraîner des copeaux de silicium au niveau des parois apparentes des bandes d'oxyde latérales. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art Par exemple, au lieu d'utiliser le procédé "LOCOS" pour former les régions d'oxyde partiellement enterrées 33, on pourrait d'abord effectuer une gravure des tranches de silicium externes, en ménageant des creusements au niveau des régions 33, puis procé- der à une oxydation uniforme et enlever l'oxyde de silicium par masquage en dehors des zones de creux On obtient alors sensi- blement le même résultat. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Notamment, on a décrit un mode de réalisation de l'invention en relation avec un accéléromêtre très schématique De nombreuses autres structures d'accéléramètre sont connues dans la technique30 et l'on soulignera à nouveau que la présente invention s'appli- que également à des structures du type capteur de pression telle que celle illustrée en figure 2. REVENDICATIONS 1 Micro-capteur capacitif comprenant un sandwich de -trois plaquettes de silicium ( 1, 2, 3), une bande périphérique de la face interne de chaque plaquette externe étant accolée à une bande correspondante de la face en regard de la plaquette centrale par l'intermédiaire d'une bande isolante ( 5, 6), carac- térisé en ce que ladite bande isolante est une bande d'oxyde de silicium qui pénètre partiellement à l'intérieur des plaquettes externes. 2 Micro-capteur capacitif selon la revendication 1, caractérisé en oe que la hauteur en saillie (dl) de la bande isolante est sensiblement la moitié de son épaisseur totale. 3 Micro-capteur capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande isolante est une bande d'oxyde de silicium. 4 Procédé de fabrication d'un micro-capteur capacitif selon la revendication 1, consistant à assembler trois pla- quettes de silicium séparées entre elles, au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, chacune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par découpe de l'assemblage de tranches, caractérisé en ce que ladite bande isolante est formée par oxydation localisée des plaquettes externes. Procédé de fabrication d'un micro-capteur capacitif selon la revendication 1, consistant à assembler trois pla- quettes de silicium séparées entre elles, au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, chacune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par découpe de l'assemblage de tranches, caractérisé en ce que ladite bande isolante est formée par creusement des régions appropriées des plaquettes externes, dépôt d'un isolant et gravure de l'isolant en dehors des régions creusées.