Brevet FR2707043A1 — publié le 19941230

" Capteur micromécanique et procédé pour sa fabrication, notamment pour la mesure de l'oscillation, de la déclivité, de l'accélération ou autres " Etat de la technique L'invention part d'un capteur micromécanique, notamment pour la mesure de l'oscillation, de la déclivité, de l'accélération ou de la pression, capteur constitué par un support en substrat de silicium avec une couche d'épi- taxie de silicium rapportée sur le substrat en silicium, tandis que par un processus de mordançage, une partie de la couche d'épitaxie est dégagée sous la forme d'au moins une partie micromécanique de déviation, qui au moins d'un côté est reliée sur une zone d'appui au substrat de silicium et qui, lorsqu'un effort est appliqué sur le capteur, est sus- ceptible de dévier par rapport au reste de la structure du capteur, tandis que des moyens sont prévus pour exploiter la déviation. Par la demande de brevet allemande P 40 00 903.3- 09, on connaît un capteur micromécanique jouant le rôle de capteur d'accélération, qui est réalisé sur la base de la micromécanique du silicium. Ce capteur est constitué par un support en substrat de silicium avec une couche d'épitaxie en silicium rapportée sur le substrat en silicium, tandis que par un processus de mordançage une partie de la couche d'épitaxie est dégagée en tant que parties de déviation mi- cromécanique sous la forme de languettes. Une ou plusieurs 2 2707043 languettes sont en outre suspendues à une ou plusieurs bar- rettes et sont déviées par rapport au reste de la structure du capteur lorsqu'un effort est exercé sur le capteur. Il est en outre prévu des moyens pour l'exploitation de la dé- viation. Par la demande de brevet allemande P 40 034 73.9- 09, il est en outre connu lors de la conception et de l'agencement ainsi que pour le processus de mordançage de tenir compte de l'angle cristallographique d'une tranche monocristalline de silicium. Comme moyens pour l'exploitation de la déviation des languettes sont disposées respectivement des électrodes électriquement isolées de ces languettes de sortes qu'une modification de capacité entre la languette et l'électrode est susceptible d'être mesurée. Le dégagement des languettes en tant que parties constitutives de la couche d'épitaxie s'effectue à l'aide d'un mordançage de la face arrière. Ceci constitue par rap- port à un processus bipolaire habituel une étape supplémen- taire de processus. Par la demande de brevet internationale WO 92/03740, il est connu de rapporter sur un support un substrat de silicium selon un processus LPCVD (dépôt de va- peur chimique à faible pression) une couche de silicium po- lycristallin sur une couche d'oxyde de silicium avec des fenêtres de contact. La couche d'oxyde de silicium est en- levée par un processus de mordançage, grâce à quoi la cou- che de silicium polycristallin se trouve à une certaine distance du substrat de silicium sous la forme de languette ou d'électrode sur les appuis formés dans les fenêtres de contact. Le taux de dépôt de LPCVDPoly-cristal de silicium sous faible contrainte mécanique se situe à environ 60 A/Min et est donc très faible en comparaison avec le taux de dépôt du polysilicium épitaxique d'environ 1il/min. De ce fait, pour des raisons d'économie de processus, seules des couches LPCVD relativement minces sont susceptibles d'être fabriquées, si bien que la capacité de fonctionnement, no- tamment d'un capteur d'accélération latéral, est limitée par les faibles densités de couches correspondantes des languettes. En outre, dans ce cas, des dépôts supplémentai- res de silicium par comparaison avec un processus bipolaire conventionnel sont nécessaires. Avantagcres de l'invention Le capteur selon l'invention dans lequel la par- tie de déviation dégagée est constituée de silicium poly- cristallin, qui dans la zone d'appui à la jonction avec le substrat en silicium, se transforme en silicium monocris- tallin, présente par contre l'avantage qu'une réalisation de la partie de déviation dégagée en silicium polycristal- lin ou bien la couche mécaniquement active est susceptible d'être obtenue sans dépense supplémentaire dans le cadre d'un processus bipolaire ou bien d'un processus MOS, sans que des dépôts supplémentaires de silicium soient nécessai- res. L'épitaxie est un processus spécial connu pour la fa- brication de couches monocristallines en silicium, tandis que selon l'invention, on utilise des couches d'épitaxie polycristallines déposées sur de l'oxyde de silicium ou d'autres couches non cristallines, qui sont appliquées au cours d'un processus bipolaire conventionnel. Le taux de dépôt de l'épitaxie est très élevé par rapport à un processus LPCVD, de sorte que conformément à l'invention des couches relativement épaisses de 10 à 30 gm peuvent être réalisées, ce qui augmente la capacité de tra- vail du capteur latéral. L'invention est caractérisée en ce que en ce que la partie de déviation dégagée est constituée de silicium polycristallin, qui dans la zone d'appui à la liaison vers le substrat de silicium se transforme en silicium monocris- tallin. Un avantage particulier du capteur selon l'inven- tion réside en ce que le procédé selon l'invention est sus- ceptible d'être appliqué de façon universelle sous diffé- rentes formes de réalisation, notamment des agencements de languettes prenant appui d'un seul côté et des plaques pre- nant appui sur les zones de bordure même en plusieurs cou- ches les unes sur les autres. Un autre avantage important réside en ce qu'avec les mêmes étapes de procédé, sans dé- pense supplémentaire notable, sur le même support peuvent être réalisés en supplément au capteur micromécanique des circuits électroniques intégrés, notamment le circuit d'ex- ploitation pour la déviation. De même, une isolation élec- trique de la partie capteur micromécanique, des autres parties électroniques constitutives sur le même support est possible conjointement avec les autres étapes de fabrica- tion. L'invention réside dans un procédé caractérisé en ce que: - sur le substrat de silicium, là o la ou les parties de déviation micromécaniques doivent être dégagées, est rapportée une couche d'oxyde de silicium, tandis qu'au- tour de cette couche d'oxyde de silicium sont réalisées des ouvertures de fenêtre de contact vers le substrat de sili- cium, en ce que sur la couche d'oxyde de silicium et les ouvertures de fenêtre de contact est déposée une couche d'épitaxie en silicium, qui se développe sous la forme po- lycristalline sur la couche d'oxyde de silicium (zone 8) et sous la forme monocristalline dans la zone des ouvertures de fenêtre de contact constituant une liaison directe vers le substrat de silicium (zone 6, 7), en ce que la couche d'oxyde de silicium au-dessous de la zone de la couche d'épitaxie polycristalline est enlevée par un processus de mordançage; - selon un processus de tranchée avant l'enlève- ment de la couche d'oxyde de silicium, les limitations la- térales de la structure de la ou des parties de déviation sont réalisées par mordançage sous la forme de tranchées étroites par la technique du mordançage anisotrope par pla- cement à travers la couche d'épitaxie polycristalline; - sur la couche d'oxyde de silicium, une couche poly-cristal de silicium est rapportée avant l'épitaxie; - pour la passivation électrique avant la déposi- tion de l'oxyde, des couches diélectriques résistant aux HF, notamment des nitrures, sont déposées sur le substrat; - la couche d'oxyde de silicium est dopée; - l'enlèvement de la couche d'oxyde de silicium s'effectue avec de l'acide chlorhydrique; - en utilisant les étapes de procédé pour la réa- lisation du capteur micromécanique, sur le même support pour l'exploitation de la déviation de la partie d'exploitation. Dessins Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins ci-joints et vont être exposés plus en détail dans la description ci-après. - Les figures la à ld montrent une coupe d'un capteur dans différentes phases de la fabrication. - Les figures 2a à 2e montrent une coupe d'un capteur en liaison avec un transistor dans différentes pha- ses de la fabrication d'après un processus bipolaire. - La figure 3a est une vue de dessus d'un cap- teur. - La figure 3b est une coupe de ce capteur. - La figure 4 est une vue de dessus selon une se- conde forme de réalisation d'un capteur. - La figure 5 est une vue de dessus sur une troi- sième forme de réalisation d'un capteur. Description des exemples de réalisation Selon la figure 1 est représenté un support 1 en substrat de silicium sur lequel est rapportée une couche d'oxyde de silicium 2, tandis qu'autour de cette couche d'oxyde de silicium 2, sont réalisées des ouvertures de fe- nêtre de contact 3, 4 pour le substrat en silicium 1. La couche d'oxyde de silicium 2 peut être non do- pée ou bien comprendre également un dopage de phosphore, de bore ou d'arsenic. Un dopage se traduit avantageusement par un processus de mordançage plus court lors de l'enlèvement ultérieur de cette couche d'oxyde de silicium 2 ou bien il peut également être utilisé pour le dopage de la structure de silicium mécaniquement mobile. Sur la couche d'oxyde on peut encore rapporter au choix d'autres couches telles que par exemple du nitrure de silicium ou bien du polysilicium. Selon la figure lb, dans une autre étape du pro- cédé, une couche d'épitaxie 5 en silicium est déposée sur le support 1 ou bien sur la couche d'oxyde de silicium 2 et les ouvertures de fenêtre de contact 3, 4. L'épitaxie est un processus spécial en soi connu pour la réalisation de couches monocristallines en silicium. Dans le présent pro- cessus, la couche drépitaxie 5 croit seulement dans les zo- nes d'appui 6, 7 sur le substrat en silicium 1 sous la forme monocristalline. Sur la couche d'oxyde de silicium 2 par contre, sur une zone 8 correspondant à peu près à la largeur de la flèche 9, la couche d'épitaxie croît sous la forme polycristalline (indiqué par les hachures). Le support sous la forme de plaquettes de sili- cium est de préférence orienté dans une direction de cris- tal. Leur orientation dans la direction 100 est techniquement significative pour un processus MOS- (métal oxyde de semi-conducteur)ou cellule de mémoire MOS et pour un processus BICMOS- ou circuit intégré semi- conducteur oxyde métallique, l'orientation 111 pour un processus bipolaire. Une orientation 110 est techniquement peu importante. Pour améliorer la qualité de la couche d'épitaxie polycristalline (zone 8), une couche Poly-cristal de sili- cium 10 peut être rapportée avant l'épitaxie sur la couche d'oxyde de silicium 2, comme cela est indiqué en tiret sur la figure la. Des formes de réalisation spéciale du capteur né- cessitent sur le substrat, sous le matériau mordancé du capteur, des liaisons des contre-électrodes qui sont limi- tées par des transitions pn. Pour la passivation électri- que, des couches diélectriques résistant aux hautes fréquences (par exemple des nitrures) peuvent être déposées sur le substrat avant la déposition de l'oxyde. Elles empê- chent des courants de fuite élevés par l'intermédiaire des transitions pn libérées après le mordançage de l'oxyde. A partir de la couche polycristalline d'épitaxie dans la zone 8, les parties micromécaniques de déviation sont dégagées. Comme le montre la figure lc, des tranchées de mordançage profondes et étroites sont mises en oeuvre selon un processus de creusement à travers la couche d'épi- taxie polycristalline 8. A cet effet un masque approprié par exemple sous la forme de laque de protection est néces- saire. La réalisation des tranchées s'effectue avec la technique du mordançage par placement anisotrope en tant que processus de mordançage à sec avec une anisotropie éle- vée. Grâce aux cinq tranchées 11 indiquées, les délimita- tions de structure latérale de quatre parties de déviation en forme de languette 12, 13, 14, 15 sont obtenues par mor- dançage. Dans une autre étape du procédé, la couche d'oxyde de silicium 2 est enlevée. Cet enlèvement est ef- fectué avec une sélectivité élevée par rapport au silicium avec de l'acide fluorhydrique (HF). Comme on peut le voir sur la figure ld, un cap- teur micromécanique 16 peut ainsi être réalisé avec des parties de déviation 12, 13, 14, 15 en silicium polycris- tallin, qui se transforment en silicium monocristallin dans la zone d'appui à la liaison vers le substrat de silicium 1. Lorsqu'un effort agit sur le capteur, ces parties de dé- viation 12, 13, 14, 15 sont déviées par rapport au reste de la structure du capteur, notamment par rapport au substrat de silicium 1. Cette déviation peut être exploitée capaci- tivement ou piezorésistivement pour des mesures. Manifestement, le procédé précédemment décrit peut être appliqué plusieurs fois l'une sur l'autre, par apport alternatif d'une couche d'oxyde de silicium 2, d'au- tres couches 10 et d'une couche d'épitaxie 5 de sorte qu'après des processus de mordançage adéquats plusieurs couches de parties de déviation 12, 13, 14, 15 peuvent être obtenues les unes au-dessus des autres. De telles réalisa- tions conviennent particulièrement pour des capteurs capa- citifs d'accélération. Le taux de dépôt pour la couche d'épitaxie est relativement élevé de sorte que les épaisseurs de couches d'épitaxie et donc les épaisseurs des parties de déviation 12, 13, 14, 15 sont susceptibles d'être réalisées de 10 à gm d'épaisseur. Selon la représentation schématique à l'aide des figures la à ld la réalisation et la conformation d'un cap- teur micromécanique concret 16 va être exposé en liaison avec la possibilité d'intégration dans un processus bipo- laire pour un transistor 17 placé à côté. Ce transistor est là par exemple pour des circuits IC, notamment un circuit d'exploitation pour la déviation mécanique des parties de déviation dans le capteur 16. Sur la figure 2a est représenté en tant que par- tie de sortie un support 1 en substrat de silicium de do- page p. Sur la figure 2b est représenté un état de pro- cessus habituel dans la technique bipolaire selon une dif- fusion n+ (Buried Layer Diffusion) et une diffusion p (diffusion d'isolation inférieure). Les couches 2 et 10 re- présentées dans la partie gauche de la figure 2b correspon- dent aux couches 2 et 10 sur la figure 1. La couche d'oxyde de silicium 18 représentée sur la partie droite (dans la partie droite doit apparaître le transistor) est enlevée pour les étapes suivantes du procédé, tandis que la couche de silicium 2 subsiste avec les fenêtres de contact représentées. Comme représenté sur la figure 2c, il sera ensuite rapporté sur cette structure, la couche 5 d'épitaxie n, qui se développe sous la forme polycristalline sur la couche d'oxyde de silicium 2 subsistante dans la zone 8 de façon correspondante au dimensionnement de la flèche 9. - Conformément à la figure 2d, une isolation élec- trique est ensuite effectuée par l'intermédiaire d'une dif- fusion d'isolation p 19 tout comme une diffusion de base p 20. En outre, une diffusion de raccordement collecteur n+ 21 et une diffusion d'émetteur n+ est rapportée de façon connue selon le processus bipolaire. En outre, il est rap- porté une couche supérieure d'oxyde de silicium 23. Dans des étapes suivantes du procédé selon la fi- gure 2e, une tranchée il est rapportée pour la limitation latérale de la structure de la partie de déviation en forme de languette 12 et pour le dégagement de la surface infé- rieure la couche d'oxyde de silicium 2 est enlevée avec de l'acide chlorhydrique. En outre, des ouvertures de contact et une métallisation sont réalisées pour des raccordements au capteur 16 ainsi que pour les raccordements E, B, C au transistor 17. Selon la figure 2e, il a été ainsi créé un cap- teur micromécanique 16 avec une partie de déviation en forme de languette 12, qui lors de l'application d'un ef- fort est susceptible de dévier à l'intérieur de la fente d'aération 24. Par l'intermédiaire des raccordements 25 et 26, des modifications de capacité peuvent être saisies et exploitées. Sur les figures 3a et 3b est représenté en détail un capteur 16 correspondant à un processus de réalisation 1M 2707043 selon les figures 2a à 2e, côté gauche. La figure 3b montre en outre une section transversale correspondante le long d'une ligne de coupe 27 de la vue de dessus selon la figure 3a. Sur la figure 3a on peut voir qu'à l'aide du pro- cessus de tranchée, une tranchée 11 a été réalisée qui dé- limite une structure en forme de plaque en tant que partie de déviation 12, celle-ci étant reliée par l'intermédiaire de deux barrettes 28, 29 avec le reste de la structure. Le capteur est ainsi de préférence susceptible d'être mis en oeuvre pour des déplacements verticaux par rapport au plan de support en tant que capteur d'accélération. Selon une autre forme de réalisation selon la fi- gure 4, un élément de déviation 30 en forme de plaque à peu près carrée est maintenu aux coins par l'intermédiaire de quatre barrettes 31, 32, 33, 34. Une telle forme de réali- sation convient particulièrement en tant que capteur d'ac- célération capacitif. A partir d'une vue de dessus sur une troisième forme de réalisation selon la figure 5, on peut voir qu'avec la technique précédemment décrite, on peut légale- ment réaliser dans un capteur des types de construction avec une pluralité d'électrodes 36 reliées par l'intermé- diaire de pistes conductrices 35. En face de ces électrodes fixes 36, se déplace une masse de silicium libre 37 réali- sée selon le procédé décrit. Elle est de son côté munie d'électrodes qui s'étendent entre les électrodes fixes 36. La déviation de la masse 37 du fait de l'accélération en direction latérale peut ainsi être captée capacitivement. 1 12707043 R E V E N D I C A T IONS 1) Capteur micromécanique (16), notamment pour la mesure de l'oscillation, de la déclivité, de l'accélération ou de la pression, capteur constitué d'un support en substrat de si- licium (1) avec une couche d'épitaxie (5) en silicium rap- portée sur ce substrat en silicium (1), tandis que par un processus de mordançage une partie de la couche d'épitaxie (5) est dégagée sous la forme d'au moins une partie de dé- viation micromécanique (12 à 15; 30; 36), qui est reliée au moins d'un côté sur une zone d'appui avec le substrat de silicium (1) et qui lorsqu'un effort agit sur le capteur (16) est susceptible de dévier par rapport au reste de la structure du capteur, et avec des moyens pour exploiter cette déviation, capteur micromécanique caractérisé en ce que la partie de déviation dégagée (12 à 15; 30; 37) est constituée de silicium polycristallin, qui dans la zone d'appui à la liaison vers le substrat de silicium (1) se transforme en silicium monocristallin. 2) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'exploitation de la déviation s'effectue de façon capacitive ou piézorésistive. 3) Capteur micromécanique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de déviation est constituée d'une ou plusieurs languettes (12 à 15; 36) supportées d'un côté. 4) Capteur micromécanique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de déviation, notamment pour la réalisation d'un capteur d'ac- célération capacitif avec une sensibilité ou bien un sens de détection latéral, est constituée aux coins par une pla- que (30) soutenue aux zones de bordure. ) Capteur micromécanique selon une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs couches de parties de déviation sont dégagées à partir de couches d'épitaxie superposées et que le taux de dépôt de l'épitaxie est très élevé, de sorte que des couches de 10 à Lm peuvent être réalisées ce qui augmente la capacité de travail du capteur latéral. 6) Capteur micromécanique selon une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que le support (1) sous la forme de tranches de silicium est orienté dans la direction cristallographique (111) ou (100). 7) Capteur micromécanique selon une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que sur le même support (1) sont disposés en supplément du capteur micromécanique (16) des circuits électroniques intégrés (17), notamment les moyens pour l'exploitation de la déviation. 8) Capteur micromécanique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'isolation électrique de la par- tie de capteur micromécanique (16) par rapport aux autres parties constitutives (17) sur le même support (1) est réa- lisée par des diffusions d'isolation (19) ou bien par des tranchées. 9) Procédé pour la fabrication du capteur micro- mécanique selon une des revendications 1 à 8, procédé ca- ractérisé en ce que sur le substrat de silicium (1), là o la ou les parties de déviation micromécaniques (12 à 15; ; 36) doivent être dégagées, est rapportée une couche d'oxyde de silicium (2), tandis qu'autour de cette couche d'oxyde de silicium (2) sont réalisées des ouvertures de fenêtre de contact (3, 4) vers le substrat de silicium (1), en ce que sur la couche d'oxyde de silicium (2) et les ou- vertures de fenêtre de contact (3, 4) est déposée une cou- che d'épitaxie (5) en silicium, qui se développe sous la forme polycristalline sur la couche d'oxyde de silicium (2) (zone 8) et sous la forme monocristalline dans la zone des ouvertures de fenêtre de contact (3, 4) constituant une liaison directe vers le substrat de silicium (1) (zone 6, 7), en ce que la couche d'oxyde de silicium (2) au- dessous de la zone (8) de la couche d'épitaxie polycristalline est enlevée par un processus de mordançage. ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que selon un processus de tranchée avant l'enlèvement de la couche d'oxyde de silicium (2), les limitations laté- rales de la structure de la ou des parties de déviation (12 à 15; 30; 36, 37) sont réalisées par mordançage sous la forme de tranchées étroites (11) par la technique du mor- dançage anisotrope par placement à travers la couche d'épi- taxie polycristalline (8). 11) Procédé selon une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que sur la couche d'oxyde de silicium (2), une couche poly-cristal de silicium (10) est rapportée avant l'épitaxie. 12) Procédé selon une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que pour la passivation électrique avant la déposition de l'oxyde, des couches diélectriques résis- tant aux HF, notamment des nitrures, sont déposées sur le substrat; 13) Procédé selon une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la couche d'oxyde de silicium (2) est dopée. 14) Procédé selon une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que l'enlèvement de la couche d'oxyde de silicium (2) s'effectue avec de l'acide chlorhydrique. ) Procédé selon une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que, en utilisant les étapes de procédé pour la réalisation du capteur micromécanique (16), des circuits électroniques intégrés (17) sont réalisés sur le même support (1) pour l'exploitation de la déviation de la partie d'exploitation.