Brevet FR2698211A1 — publié le 19940520

PROCEDE DE FABRICATION AVEC ENCAPSULATION, D'UN CAPTEUR DE TYPE ISFET ET CAPTEUR EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne le domaine technique général des capteurs électrochimiques intégrés, appelés communément ISFET, et constitués d'un transistor à effet de champ dans lequel la grille métallique est remplacée par une grille sélective d'une espèce ionique à doser et placée en contact avec la solution à analyser. De tels capteurs résultent de l'évolution ou du développement des propriétés des transistors à effet de champ de type MOSFET (metal oxide semiconducteur field effect transistor). D'une manière classique, un transistor à effet de champ comprend dans un substrat semi-conducteur, deux zones dopées dénommées source et drain et une couche d'un matériau diélectrique recouvrant le semiconducteur dans une zone centrale ou canal entre les zones dopées, recouverte d'une grille dont l'alimentation électrique variable permet de moduler le passage du courant entre la source et le drain. L'état de la technique a proposé de remplacer la grille métallique du MOSFET par une grille sélective à une espèce ionique. Il est ainsi prévu de réaliser, sur la surface du matériau diélectrique, une surface grille ionosensible pouvant être constituée par une membrane organique ou minérale rapportée par collage ou par apport par dépôt chimique sous vide. ll est ainsi possible de disposer d'une surfacegrille spécifique d'un produit et d'assurer ainsi facilement l'analyse de ce dernier dans un milieu déterminé. Comme il a été présenté dans l'article J.M. CHOVELON, N. JAFFREZIC-RENAULT, Y. CROS, J.J. FOMBON et D. PEDONE. Sensors and Actuators B, 3 (1991), p.43-50, l'inconvénient majeur des capteurs ISFET tient à leur relative durée de vie limitée comparée à celle des électrodes électrochimiques en verre. Un tel problème est dû principalement aux défauts apparaissant lors de l'encapsulation du capteur. En effet, il est prévu, d'une manière habituelle, de monter le substrat formant le capteur sur un support et de relier les plots de contact du transistor par des fils de connexion à des pistes conductrices aménagées sur le support. Les pistes conductrices présentent des connexions à un circuit électronique extérieur. L'ensemble ainsi réalisé est revêtu manuellement par l'intermédiaire d'un matériau de protection.Un tel montage conduit à l'apparition de défauts d'enrobage et de liaison électrique au niveau des fils de contact entre le capteur intégré et les pistes du support. De tels défauts sont d'autant plus dommageables que les diverses connexions concernées sont généralement immergées dans la solution à analyser. La présente invention vise à résoudre le problème énoncé ci-dessus en proposant un nouveau procédé de fabrication d'un capteur électrochimique intégré présentant une encapsulation optimisée, afin d'obtenir un capteur possédant des caractéristiques de fonctionnement fiables dans le temps. Pour atteindre cet objectif, le procédé selon l'invention consiste - à réaliser dans le substrat des prises de contact électrique au moins pour les zones de drain et de source, - à ménager les plots de connexion dans une région localisée qui est située sur le substrat à l'opposé de la région regroupant les zones du transistor, - à réaliser dans le substrat des pistes conductrices au moins entre les zones de drain et de source et respectivement les plots de connexion de source et de drain, - et à recouvrir le capteur ainsi réalisé à l'exception des plots de connexion et de la zone de grille, par un revêtement de protection. L'invention a égalementpour objet un capteur électrochimique intégré du type comprenant, dans un substrat semi-conducteur, au moins un transistor à effet de champ présentant une zone de drain, une zone de source, une grille qui est sélective à une espèce ionique à doser, les zones du transistor et le substrat étant reliés respectivement à des plots de connexion.Selon l'invention, le capteur comporte: - un substrat présentant une forme générale allongée, - des zones de source, de drain et de grille du transistor ménagées dans une région localisée qui est située sur le substrat à l'opposé d'une région regroupant les plots de connexion, - des zones de drain et de source qui sont associées à des prises de contact électrique reliées, respectivement aux plots de connexion de drain et de source, par des pistes conductrices aménagées dans le substrat, - et un revêtement de protection recouvrant le capteur, à l'exception des plots de connexion et de la zone de la grille. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La Fig. 1 est une vue de dessus d'un capteur électrochimique intégré conforme à l'invention. Les Fig. 2A à 2C sont des coupes transversales prises respectivement selon les lignes I-I à m-m de la Fig. 1 et illustrant le capteur à la fin du processus de fabrication. Les Fig. 3A-3C et 3D-3E sont des coupes transversales prises respectivement sensiblement selon les lignes I-I et II-II de la Fig. 1 et montrant un exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention. Les Fig. 4A à 4F montrent des exemples de réalisation de masques de photogravures utilisés dans le processus de fabrication du capteur selon l'invention. Les Fig. 1 et 2A à 2C illustrent un capteur électrochimique intégré comprenant un substrat A réalisé en un matériau semi-conducteur et présentant, selon une caractéristique de l'invention, une forme générale allongée selon une direction générale x-x'. Le substrat A comporte, à partir de l'une de ses faces, par exemple A1, deux zones dopées 1 et 2 constituant respectivement un drain et une source d'un transistor à effet de champ. Les zones de drain 1 et de source 2 délimitent une zone centrale 3 destinée à constituer une grille qui est isolée des zones de drain 1 et de source 2 par l'intermédiaire d'une couche d'un matériau diélectrique 4.D'une manière classique, le transistor à effet de champ ainsi réalisé présente en plan, un profil en U dont les branches constitutives des zones de drain et de source s'étendent sensiblement parallèlement à la direction x-x' du substrat, tandis que la partie médiane délimite la grille 3. Selon une caractéristique de l'invention, les zones de drain 1 et de source 2 sont associées respectivement à des prises de contact électrique Sl, 52 ménagées dans le substrat A. Les prises de contact électrique de drain 5, et de source 52 sont reliées par des pistes conductrices 6 ménagées dans le substrat A, à des plots de connexion respectivement de drain 71 et de source 7 Le capteur selon l'invention comporte, également, un plot de connexion du substrat 73 ménagé dans le substrat, dans une région Z regroupant également les plots de connexion de drain 71 et de source 72. De préférence, les plots de connexion 71-73 sont alignés selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction x-x' et située à proximité de l'extrémité du substrat. Le plot de connexion 73 peut se trouver en liaison électrique directe avec le substrat ou, comme illustré sur la Fig. 1, être relié par une piste conductrice 6 à une prise de contact électrique 53 ménagée au niveau de la section transversale du substrat comportant les prises de contact Si et 52. Selon une caractéristique de l'invention, les plots de connexion 71 à 73 sont situés dans une région localisée Z située sur le substrat A, à l'opposé d'une région Z' regroupant les diverses zones 1 à 3 du transistor. La forme allongée du capteur est ainsi mise à profit, afin d'écarter ou d'éloigner, selon un intervalle donné, les plots de connexion 71 à 73 de notamment la grille 3. Selon une caractéristique de l'invention, le capteur ainsi constitué est recouvert, à l'exception des plots de connexion 71 à 73 (Fig. 2C) et de la zone de grille 3 (Fig. 2A), par un revêtement de protection 8 permettant l'encapsulation du capteur. Selon une variante de réalisation préférée, le revêtement de protection 8 est formé par un dépôt de silice assurant une passivation du capteur. Le capteur selon l'invention est réalisé à partir d'un substrat semiconducteur comportant d'un côté, un transistor à effet de champ et, du côté opposé, des plots de connexion à un circuit électronique extérieur. L'éloignement ainsi réalisé entre la grille 3 et les plots de connexion 71 à 73 permet d'immerger dans le milieu liquide à analyser, la région Z' du capteur, afin que la grille 3 se trouve en contact avec la solution à analyser, tout en permettant que les plots de connexion 71 à 73 ne se trouvent jamais en contact direct ou indirect avec le milieu liquide.Bien entendu, l'éloignement des plots de connexion 7i à 73 par rapport à la grille 3 est choisi en fonction de l'application visée. fi est à noter qu'il peut être prévu d'adapter, par tout moyen convenable, le capteur ainsi réalisé sur un support offrant une résistance mécanique suffisante pour son utilisation. Ainsi, il peut être prévu de monter le substrat sur un circuit imprimé comportant des bandes conductrices de liaison, d'une part, d'un circuit électrique extérieur et, d'autre part, aux plots de connexion. La description qui suit illustre un exemple de fabrication d'un capteur électrochimique intégré conforme à l'invention, réalisé selon la technologie C-MOS du type planar. La Fig. 3A illustre un substrat semi-conducteur A, tel que du silicium, présentant sur une surface Al une couche d'oxydation 10 réalisée, par exemple, par oxydation thermique par voie humide à 10500 C et présentant une épaisseur de 0,6 lum. Le procédé consiste, ensuite, à ouvrir des zones d'isolation 11 par une opération classique de photogravure de la couche 10 à l'aide du masque M1, illustré à la Fig. 4A, délimitant les contours du capteur. Il est ensuite procédé à une opération d'oxydation thermique par voie sèche donnant une couche de silice 12. L'opération d'oxydation est suivie par une implantation de dopants de type, par exemple, p+. Le procédé consiste, ensuite, à réaliser l'implantation des zones de drain 1 et de source 2. A cet effet et tel que cela ressort de la Fig. 3B, les opérations suivantes sont effectuées, à savoir une oxydation thermique par voie humide à 10500 C, permettant d'obtenir une couche de silice d'épaisseur de l'ordre de 0,4 #m, une opération de photogravure à l'aide du masque M2 illustré à la Fig. 4B, afin d'ouvrir les zones drain et source, une oxydation thermique par voie sèche à 10500 C, donnant une couche de silice 13, une implantation de dopants n+ dans les zones de drain 1 et de source 2 et une oxydation humide thermique à 10500 C donnant une couche 14 de silice de l'ordre de 0,3 item. Le procédé de fabrication vise ensuite à réaliser la zone de grille 3. Tel que cela apparaît à la Fig. 3C, l'ouverture de la grille est réalisée par une opération de photogravure à l'aide du masque M, illustré à la Fig. 4C. Une oxydation sèche à 10500 C est réalisée, afin de constituer la couche de silice 4, par exemple, d'épaisseur 0,1 ,um dans la région médiane des zones de drain 1 et de source 2. Le procédé de fabrication selon l'invention prévoit, ensuite, de réaliser les prises de contact électrique 51 à 53 respectivement sur le drain 1 , la source 2 et le substrat. Tel que cela apparaît plus précisément à la Fig. 3D, il est prévu d'assurer par photogravure, à l'aide d'un masque M4 (Fig. 4D), comportant le dessin des prises de contact, l'ouverture des contacts et une gravure localisée correspondante des couches de silice 13 et 14. L'ouverture des contacts est réalisée, comme cela apparaît sur le masque M4, en comparaison avec le masque M2, selon une section droite transversale s'établissant dans la région d'extrémité des branches du capteur formant les zones de drain et de source. Le procédé prévoit, ensuite, d'assurer un dépôt métallique, par exemple d'aluminium sous vide d'épaisseur de l'ordre 0,8 clam, et d'effectuer une gravure du métal (Fig. 3E) par l'intermédiaire d'une opération de photogravure réalisée à partir d'un masque M5 (Fig. 4E) qui reprend le dessin des prises de contact Si à 53, des pistes conductrices 6 et des plots de connexion 71 à 73. Le procédé selon l'invention vise, ensuite, à assurer le dépôt d'un matériau de protection 8 sur l'ensemble du capteur ainsi constitué, à l'exclusion des plots de connexion 71 à 73 et de la zone de grille 3. A cet effet, il est prévu de réaliser un dépôt d'une couche de silice 8 à environ 4300 C, selon une épaisseur de l'ordre de 0,4 #. ll est prévu, ensuite, d'assurer, par photogravure à l'aide du masque M6 (Fig. 4F), l'ouverture de la zone de grille 3 (Fig. 2A) et des plots de connexion 71 à 73 (Fig. 2C). Le capteur ainsi réalisé est recouvert d'une couche de silice 8 sur la totalité de sa surface supérieure et, notamment, au niveau des prises de contact 51 à 53 (Fig. 2B), à l'exclusion uniquement de la zone de grille 3 (Fig. 2A) et des plots de connexion 71 à 73 (Fig. 2C). Une telle couche de protection 8 permet d'assurer une encapsulation complète du capteur par l'intermédiaire d'une silice qui présente une totale imperméabilité à l'eau. L'enrobage du capteur, réalisé au cours de son procédé, permet d'assurer une encapsulation minimisant les risques de défaut et augmentant la durée de vie d'un tel capteur. L'encapsulation est également améliorée par la réalisation, directement sur le substrat au cours du processus de fabrication du capteur, des prises de contact électrique, des pistes conductrices et de plots de connexion, permettant de s'affranchir de l'utilisation de fils de connexion dans la zone d'immersion du capteur. REVENDICATIONS: 1 - Procédé de fabrication d'au moins un capteur électrochimique intégré, du type consistant à réaliser dans un substrat semi-conducteur (A), un transistor à effet de champ présentant une zone de drain (1), une zone de source (2) et une zone de grille (3) qui est sélective à une espèce ionique à doser, les zones (1-3) du transistor étant reliées respectivement à des plots de connexion (71-73), caractérisé en ce qu'il consiste à:: - à réaliser dans le substrat (A), des prises de contact électrique (5i, 52) au moins pour les zones de drain et de source, - à ménager les plots de connexion (71-73) dans une région localisée (Z) qui est située sur le substrat (A), à l'opposé de la région (Z') regroupant les zones (1-3) du transistor, - à réaliser dans le substrat, des pistes conductrices (6) au moins entre les zones de drain (1) et de source (2) et respectivement les plots de connexion de source (71) et de drain (72), - et à recouvrir le capteur ainsi réalisé à l'exception des plots de connexion (71-73) et de la zone de grille (3), par un revêtement de protection (8). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir le capteur, à l'exception des plots de connexion (7r7,) et de la zone de grille (3), par un revêtement (8) formé par un dépôt de silice assurant une passivation du capteur. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser dans le substrat (A), d'une part, une prise de contact électrique (5,) pour le substrat et, d'autre part, une piste conductrice (6) reliant ladite prise de contact au plot de connexion du substrat (73). 4 - Procédé selon les revendication l et 3, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les prises de contact électrique (5i-5,) par une opération de photogravure suivie d'une opération de métallisation du substrat qui précède une autre opération de photogravure permettant de réaliser les prises de contact électrique (51-53), les pistes conductrices (6) et les plots de connexion (71-73). 5 - Capteur électrochimique intégré du type comprenant, dans un substrat semi-conducteur (A), au moins un transistor à effet de champ présentant une zone de drain (1), une zone de source (2) et une de grille (3) qui est sélective à une espèce ionique à doser, les zones (1-2) du transistor et le substrat étant reliés respectivement à des plots de connexion (7r7#), caractérisé en ce que:: - le substrat (A) présente une forme générale allongée, selon une direction (x-x'), - les zones de source (2), de drain (1) et de grille (3) du transistor sont ménagées dans une région localisée (Z') qui est située sur le substrat (A) à l'opposé d'une région (Z) regroupant les plots de connexion (7,-7,), - les zones de drain (1) et de source (2) du transistor sont associées à des prises de contact électrique (51 52) reliées respectivement aux plots de connexion de drain (71) et de source (72), par des pistes conductrices aménagées dans le substrat (A), - et en ce que le capteur est recouvert, à l'exception des plots de connexion (7,-7# et de la zone de grille (3), par un revêtement de protection (8). 6 - Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement de protection (8) est formé par une couche de silice assurant la passivation du capteur. 7 - Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une prise de contact électrique (5,) pour le substrat relié par une piste conductrice (6) au plot de connexion du substrat (7,). 8 - Capteur selon la revendication 5 ou 7, caractérisé en ce que les plots de connexion (7,-7# sont alignés selon une direction sensiblement perpendiculaire à celle (x-x') du capteur.