Brevet FR2700633A1 — publié le 19940722

PROCEDE DE REALISATION D'UNE TETE MAGNETIQUE A DETECTEUR DE CHAMP A SEMICONDUCTEUR ET TETE OBTENUE PAR CE PROCEDE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet une tête magnétique à détecteur de champ à semiconducteur et une tête obtenue par ce procédé. La tête magnétique de l'invention est soit à lecture seule, soit à lecture et à écriture. Elle trouve une application dans l'enregistrement magnétique, quel que soit le support bande, disque rigide, disque souple etc. Etat de la technique antérieure La tête magnétique de l'invention est du type général à structure planaire et à couches minces. De telles têtes sont bien connues et sont décrites notamment dans les demandes de brevets européens EP-A-152 326 et EP-A-262 028 (ou son correspondant américain US-A-4 837 924). Pour accroître la capacité de stockage des informations sur des pistes lues par de telles têtes, on a réduit la largeur de ces pistes Par ailleurs, la vitesse de défilement de la couche d'enregistrement, face à la tête de lecture, a diminué également Pour cette double raison, le signal de lecture engendré par un enroulement conducteur, a vu son intensité décroître. Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'utiliser un élément magnétorésistant placé dans le/ou à proximité du circuit magnétique, afin de lire les variations du flux magnétique Cet élément est en général une couche ferromagnétique, le plus souvent en fer-nickel. Une telle tête à élément magnétorésistant est décrite dans la demande de brevet français FR-A-2 645 314 La figure 1 annexée montre, en coupe, les moyens essentiels d'une tête de ce type Telle que représentée, la tête comprend un substrat 10, par exemple en silicium, dans lequel un caisson a été gravé On a fait croître dans ce caisson, par électrolyse, une couche magnétique horizontale 12, prolongée par deux piliers verticaux 13 Un bobinage d'écriture 14 a également été formé, qui entoure les piliers 13 Ce bobinage est noyé dans une couche isolante 16 Un élément magnétorésistant 22 est ensuite formé, puis une couche magnétique supérieure 18 avec un espaceur amagnétique 20. Dans une telle tête, le signal de lecture est prelevé aux bornes de l'élément magnétorésistant 22. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces dispositifs présentent des inconvénients. En effet, les variations de résistance de l'élément magnétorésistant sont sensiblement quadratiques, de sorte que, pour obtenir une réponse linéaire, il faut appliquer à l'élément magnétorésistant un champ magnétique continu afin que soit polarisée l'aimantation de la couche ferromagnétique. L'aimantation se trouve en général dirigée à 450 des lignes de courant traversant l'élément. Cette exigence complique singulièrement la mise en oeuvre de ce moyen de lecture. En outre, le signal de lecture, prélevé aux bornes de l'élément magnétorésistant, est fortement perturbé par les changements de l'état magnétique de la couche En effet, celle-ci est souvent brisée en domaines, lesquels produisent des variations brusques d'aimantation lorsque leurs parois se déplacent ou se déforment Ces variations brusques se traduisent par un bruit important dans le signal de lecture. Enfin et surtout, la couche magnétique mince voit ses caractéristiques varier en fonction du champ à détecter Si le champ appliqué est trop important, la couche est saturée et la sensibilité de la lecture tombe rapidement. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients A cette fin, elle préconise de renoncer aux couches magnétorésistantes ferromagnétiques de l'art antérieur pour adopter un20 autre type de moyen sensible au champ magnétique. Cet autre moyen est un capteur semiconducteur De tels capteurs sont naturellement connus, en tant que tels, mais non comme moyen de lecture dans une tête magnétique Il peut s'agir de cellules à effet HALL,25 de magnétodiodes, de magnétotransistors etc. On pourrait placer un tel détecteur, par exemple une sonde à effet HALL, dans un intervalle ménagé spécialement dans le circuit magnétique d'une tête Mais, il s'agirait là d'une technique complexe nécessitant un assemblage mécanique, un collage etc et seulement valable pour les circuits magnétiques massifs (par exemple en mumétal). La présente invention propose d'utiliser plutôt de tels capteurs dans les têtes de lecture à couches minces et en particulier dans des têtes planaires sur silicium. La présente invention propose donc un procédé de réalisation d'une tête magnétique du type planaire avec substrat en silicium, dans lequel on commence par réaliser un capteur à semiconducteur, ce qui requiert l'usage de hautes températures, puis on bâtit, autour de ce capteur, le circuit magnétique propre à la tête Le capteur ne sera donc pas rapporté sur la tête, mais bel et bien intégré à celle-ci. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'une tête magnétique de lecture, qui est caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes on part d'un substrat en silicium, dans une première phase, on réalise, sur une face de ce substrat, au moins un capteur à semiconducteur sensible au champ magnétique, dans une seconde phase, on forme, sur la même face du substrat et autour du capteur, un circuit magnétique comprenant une couche magnétique inférieure parallèle au substrat, deux piliers magnétiques perpendiculaires au substrat et une couche magnétique supérieure parallèle au substrat, en appui sur les deux piliers et avec un entrefer. Deux variantes sont prévues, selon que le capteur est sensible à un champ magnétique perpendiculaire ou à un champ parallèle. Selon un mode de réalisation simple, on ne réalise qu'un seul capteur Mais il est possible d'en réaliser deux.30 Le procédé de l'invention vise avant tout la réalisation d'une tête magnétique de lecture. Mais il peut être complété par la formation d'un enroulement conducteur pour obtenir une tête qui fonctionne aussi en écriture. La présente invention a également pour objet une tête magnétique Cette tête est obtenue par le procédé qui vient d'être défini. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, montre une tête planaire avec magnétorésistance, selon l'art antérieur; les figures 2 a à 2 i illustrent différentes phases de réalisation d'une tête magnétique selon une variante de l'invention; la figure 3 montre, de manière schématique, la traversée du capteur par les lignes de champ, dans une variante à capteur sensible à un champ vertical; les figures 4 a et 4 b illustrent une variante à deux capteurs; les figures 5 a à 5 d illustrent différentes phases de réalisation d'une tête magnétique selon encore une autre variante de l'invention; les figures 6 a à 6 d illustrent différentes phases de réalisation d'une tête magnétique selon encore une autre variante de l'invention à capteur sensible à un champ horizontal; la figure 7 montre, en vue de dessus, un sous-ensemble avec son capteur et ses moyens de mise en oeuvre; la figure 8 illustre un capteur du type cellule de HALL en technologie intégrée bipolaire; la figure 9 illustre un capteur du type cellule de HALL en configuration verticale en technologie CMOS; la figure 10 illustre un capteur du type magnétotransistor à structure MOS à canal N; la figure 11 illustre un capteur du type magnétotransistor à double drains. Exposé détaillé de modes de réalisation Les figures 2 a à 2 i illustrent quelques étapes d'une première variante de mise en oeuvre du procédé dans laquelle on réalise un seul capteur semiconducteur sensible à un champ magnétique parallèle au plan du capteur. On part d'un substrat 30 en siliciium monocristallin (fig 2 a). On dépose, sur la face supérieure de ce substrat, un capteur semiconducteur 32 (fig 2 b). Puis on creuse un caisson 34 dans le substrat , avec une première extrémité 33 située à proximité du capteur 32 et une autre extrémité 35 éloignée du capteur 32 (fig 2 c). Dans ce caisson 34, on forme la couche magnétique inférieure 36 (fig 2 d) Pour ce faire, et selon un processus connu on peut déposer une couche métallique 37 au fond du caisson et faire croître20 la couche 36 électrolytiquement en prenant la couche 37 comme électrode. Dans le cas ou l'on veut obtenir non seulement une tête de lecture mais aussi une tête d'écriture, on forme un enroulement conducteur en déposant une couche isolante 38, par exemple en silice, en gravant une spirale dans cette couche et en comblant cette spirale par un métal On obtient ainsi un enroulement spiralé 40 qui, de préférence, se referme sur le côté opposé au capteur 32 (fig 2 e).30 On dépose ensuite une seconde couche isolante 42, par exemple en silice, pour enterrer complètement l'enroulement 40 (fig 2 f). On grave deux ouvertures 44 et 46 dans les isolants 38 et 42, la première au-dessus du capteur 32, la seconde au-dessus de l'extrémité 35 de la couche magnétique inférieure 36 (fig 2 g). On forme alors, par exemple par croissance électrolytique, un premier pilier magnétique 48 sur le capteur 32 et un second pilier magnétique 50 sur l'extrémité 35 de la couche magnétique (fig 2 h). Sur ces deux piliers 48, 50, on réalise enfin la couche magnétique supérieure 52 avec son entrefer 54 (fig 2 i). La figure 3 montre plus en détail la zone du capteur Les lignes en interrompu représentent les lignes de champ magnétique entre l'extrémité 33 de la couche 36 et le pilier magnétique 48 Cette figure montre que le capteur est traversé par des lignes de champ qui, sans être rigoureusement perpendiculaires au plan du capteur, ont tout de même une composante perpendiculaire très importante. Les figures 4 a et 4 b illustrent une variante à deux capteurs Dans ce cas, le procédé comprend les opérations essentielles suivantes: on réalise, sur la face supérieure du substrat 30, deux capteurs 32/1, 32/2, écartés l'un de l'autre, on creuse un caisson 34 dans le substrat, entre les deux capteurs 32/1, 32/2, on forme la couche magnétique inférieure 36 dans ce caisson 34, (fig 4 a). Par des opérations analogues à celles des figures 2 g, 2 h, on réalise ensuite deux piliers magnétiques 48/1, 48/22 au-dessus des deux capteurs 32/1, 32/2, (fig 4 b). On terminera la tête, comme dans la variante précédente, en réalisant sur les deux piliers magnétiques 48/1, 48/2, la couche magnétique supérieure avec son entrefer (non représentés). Les figures 5 a à 5 d illustrent une variante dans laquelle le capteur est disposé sensiblement au centre de la couche magnétique inférieure, au lieu d'être situé à l'une de ses extrémités Dans cette variante: on réalise un seul capteur 32 à la surface du substrat 30, on creuse un premier caisson 34/1 dans le substrat avec une première extrémité 33/1 située à proximité du capteur 32 et une seconde extrémité /1 éloignée du capteur 32, dans ce premier caisson 34/1 on forme une première portion 36/1 de la couche magnétique inférieure (fig 5 a). On dépose ensuite sur l'ensemble une couche isolante 60 et l'on grave un second caisson 34/2 symétrique du premier par rapport au capteur 32. Ce second caisson a une première extrémité 33/2 située près du capteur et une seconde extrémité 35/2 éloignée du capteur (fig 5 b). On forme ensuite, par exemple par croissance électrolytique, la seconde portion 36/2 de la couche magnétique inférieure (fig 5 c). On forme deux piliers magnétiques 50/1, 50/2 aux deux extrémités 35/1, 35/2, éloignées du capteur (fig 5 d). On réalisera enfin, sur ces deux piliers magnétiques 50/1, 50/2, la couche magnétique supérieure avec son entrefer (non représentés). Dans les deux variantes des figures 4 a, 4 b, d'une part, et 5 a à 5 d d'autre part, on voit que l'enroulement conducteur 40 peut entourer les deux piliers magnétiques, en raison de la symétrie de la structure. Dans les modes de mise en oeuvre qui viennent d'être illustrés, le capteur à semiconducteur travaille avec un champ magnétique qui est sensiblement perpendiculaire au plan du capteur Dans le cas des figures 6 a à 6 d, d'une part, et 7, d'autre part, le capteur travaille au contraire avec un champ magnétique parallèle à son plan. Pour obtenir une tête magnétique avec un tel capteur, on peut s'y prendre comme suit. On commence par réaliser un capteur 32 de type horizontal sur le substrat en silicium 30 On creuse, de chaque côté du capteur 32, un premier et un second caissons 70/1, 70/2 ayant une certaine profondeur (fig 6 a). On forme, dans ce premier et ce second caissons, une première et une seconde couches magnétiques, respectivement 72/1, 72/2 Ces couches ont chacune une épaisseur double de la profondeur du premier et du second caissons 70/1, 70/2, (fig. 6 b). On dépose ensuite un isolant 74 sur l'ensemble et on forme un enroulement conducteur 76 à double spirale (fig 6 c). On creuse ensuite deux ouvertures dans l'isolant 74 au-dessus des extrémités 77/1, 77/2 des première et seconde couches 72/1, 72/2 qui sont opposées au capteur 32 On forme, dans ces ouvertures, deux piliers magnétiques 80/1 et 80/2 Le procédé s'achève par la réalisation, sur les deux piliers magnétiques 80/1, 80/2, d'une couche magnétique supérieure 84 avec son entrefer 86 (fig 6 d). Dans ce mode de réalisation, le capteur 32 se trouve encadré par les deux pièces magnétiques 72/1, 72/2 et il est situé à mi-hauteur Il est donc traversé par des lignes de champ magnétique qui passent horizontalement d'une pièce à l'autre (lignes interrompues sur la fig 6 d) Il fonctionne donc bien avec un champ parallèle à son plan. On voit, sur la figure 7, une vue de dessus selon la coupe marquée sur la figure 6 d, passant par les piliers 80/1, 80/2 Le capteur 32 est montré entouré de divers moyens 90 représentés schématiquement et qui sont des contacts d'alimentation, des contacts de mesure, des circuits de polarisation etc. La structure d'un capteur à semiconducteur est décrite plus en détail sur les figures 8 à 11. On peut rappeler que, en soi, chacun de ces dispositifs est connu On pourra en trouver une description suivant leur mode de réalisation, dans les articles suivants: H P BALTES et R S POPOVIC "Integrated Semiconductor Magnetic-Field Sensor" Proc IEEE, 74 ( 1986) 1107-1132. S KORDIC "Integrated Silicon Magnetic-Field Sensors, Sensors and Actuators" Proc IEEE, 10 ( 1986) 347-378. J E LENZ "A Review of Magnetic Sensors" Proc IEEE, 78 ( 1990) 973-989. S TAKAMIYA et K FUJIKAWA "Differential Amplification Magnetic Sensor" IEEE Trans Electr Dev ED-19 ( 1972) 1085-1090. R S POPOVIC "The Vertical HALL-Effect Device" IEEE Electr Dev Lett EDL-5 ( 1984) 357-358. Par ailleurs, ces capteurs ont fait l'objet d'une Thèse soutenue par Nathalie MATHIEU et intitulée "Etude de capteurs intégrés sur Si et Ga As pour la détection de champs magnétiques" thèse soutenue le 16 Juillet 1992 à l'Institut National Polytechnique de Grenoble. La figure 8, tout d'abord, montre une cellule de HALL en technologie intégrée bipolaire On y il retrouve le substrat en silicium 30, en l'occurrence de type P, avec une couche épitaxiée 31 de type N. Cette couche est isolée par une couche appauvrie 33. Les amenées de courant s'effectuent par les deux contacts 102, 104 de type N+ La tension HALL, qui sera la tension de lecture délivrée par la tête, est prélevée sur des contacts latéraux 106, 108 également dopés N+. On peut également utiliser, dans l'invention, une cellule de HALL associée à un amplificateur différentiel à deux transistors (appelé encore DAMS pour "Differential Amplification Magnetic Sensor"). La région à effet Hall est alors la base commune des transistors.15 Ces capteurs sont sensibles à un champ appliqué perpendiculairement à leur plan La figure 9 montre encore une cellule de HALL mais sensible cette fois, à un champ horizontal Cette figure 9 correspond à une technologie CMOS Le substrat 3020 est en silicium de type N Il est entouré d'un anneau de garde 110 de type P Il comprend des contacts d'amenée de courant 112, 114 de type N+, des contacts de grille 116, 118 et un contact central 120 de prélèvement de la tension de lecture.25 Les figures 10 et 11 se rapportent à des capteurs du type magnétotransistors La figure 10, tout d'abord, montre une structure MOS à canal N. On y retrouve le substrat 30 en silicium de type P, une source 120 et un drain 122, tous deux de type30 N+, une couche isolante 124, une grille conductrice Il comprend en outre deux contacts latéraux 126 dopés N+ sur lesquels est prélevée la tension de lecture, qui est fonction du champ magnétique appliqué Ce champ est appliqué verticalement.35 Sur la figure 11, le magnétotransistor possède encore une source 130 dopée N+, une grille 132 mais un drain dédoublé en deux parties 134/1, 134/2 Lorsqu'on applique un champ magnétique perpendiculaire au plan du dispositif, la symétrie des lignes de courant de drain est brisée Le signal utile est formé par la différence des courants de drains. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une tête magnétique de lecture, caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes: on part d'un substrat en silicium ( 30), dans une première phase, on réalise, sur une face de ce substrat ( 30), au moins un capteur à semiconducteur ( 32) sensible au champ magnétique, dans une seconde phase, on forme, sur la même face du substrat ( 30) et autour du capteur, un circuit magnétique comprenant une couche magnétique inférieure ( 36, 36/1, 36/2, 72/1, 72/2) parallèle au substrat, deux piliers magnétiques ( 48, 50, 80/1, /2) perpendiculaires au substrat ( 30) et une couche magnétique supérieure ( 52, 84) parallèle au substrat et en appui sur les deux piliers et avec un entrefer ( 54, 86). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise un capteur à semiconducteur ( 32) sensible à un champ magnétique dirigé sensiblement perpendiculairement au substrat ( 30). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que: on réalise un seul capteur ( 32) à la surface du substrat ( 30), on creuse un caisson ( 34) dans le substrat ( 30) avec une première extrémité ( 33) située à proximité du capteur ( 32) et une autre extrémité ( 35) éloignée du capteur ( 32), dans ce caisson ( 34), on forme la couche magnétique inférieure ( 36), on forme un premier pilier magnétique ( 48) sur le capteur ( 32) et un second pilier magnétique ( 50) sur l'extrémité ( 35) de la couche magnétique inférieure éloignée du capteur ( 32), on réalise, sur ces deux piliers 48, 50), la couche magnétique supérieure ( 52) avec son entrefer ( 54). 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que: on réalise, sur la face du substrat ( 30), deux capteurs ( 32/1, 32/2), écartés l'un de l'autre, on creuse un caisson ( 34) dans le substrat, entre les deux capteurs ( 32/1, 32/2), on forme la couche magnétique inférieure ( 36) dans ce caisson ( 34), on réalise deux piliers magnétiques ( 48/1, 48/2) au-dessus des deux capteurs ( 32/1, 32/2), on réalise, sur ces deux piliers magnétiques ( 48/1, 48/2), la couche magnétique supérieure ( 52) avec son entrefer ( 54). Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que: on réalise un seul capteur ( 32) à la surface du substrat ( 30), on creuse un caisson ( 34/1) dans le substrat ( 30) avec une première extrémité ( 33/1) située à proximité du capteur ( 32) et une seconde extrémité ( 35/1) éloignée du capteur ( 32), dans ce premier caisson ( 34/1) on forme une première portion ( 36/1) de la couche magnétique inférieure, sur le substrat ( 30) et symétriquement de cette première portion ( 36/1) par rapport au capteur ( 32), on forme une seconde portion ( 36/2) de la couche magnétique inférieure, avec une première extrémité ( 33/2) située à proximité du capteur ( 32) et une seconde extrémité ( 35/2) éloignée du capteur ( 32), on forme deux piliers magnétiques ( 50/1, 50/2) aux deux extrémités ( 35/1, 35/2) éloignées du capteur de la première ( 36/1) et de la seconde ( 36/2) portions de couche magnétique inférieure, on réalise, sur ces deux piliers magnétiques ( 50/1, /2) la couche magnétique supérieure ( 52) avec son entrefer ( 54). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que l'on réalise un capteur de type cellule de HALL en partant d'un substrat ( 30) en silicium de type P, en formant, dans ce substrat ( 30), une couche de type10 N ( 31), en réalisant deux premiers contacts ( 102, 104) pour des amenées de courant et deux seconds contacts ( 106, 108) pour recueillir une tension de lecture. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le capteur à cellule de HALL comprend en outre un amplificateur différentiel à deux transistors. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que l'on réalise, sur un substrat ( 30) en silicium dopé P, un capteur du type magnéto-transistor MOS à effet de champ à effet HALL, avec une source ( 120) dopée N+, un drain ( 122) dopé N+, une couche isolante ( 124) et une grille conductrice ( 125). 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le magnétotransistor comprend deux contacts latéraux ( 126, 128) situés de part et d'autre du canal ( 124). Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on réalise un magnétotransistor à deux drains ( 134/1, 134/2). 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé par le fait que l'on réalise un capteur du type magnétotransistor bipolaire. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le magnétotransistor est du type latéral. 13 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on réalise un capteur à semiconducteur ( 32) sensible à un champ magnétique dirigé parallèlement au plan du substrat ( 30) sur lequel il est formé. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que: on réalise un seul capteur ( 32) sur le substrat ( 30), on creuse, de chaque côté du capteur ( 32), un premier et un second caissons ( 70/1, 70/2) ayant une certaine profondeur, on forme, dans ce premier ( 70/1) et ce second ( 70/2) caissons, une première ( 72/1) et une seconde ( 72/2) couches magnétiques ayant chacune une épaisseur double de la profondeur du premier et du second caissons ( 70/1, 70/2), sur les extrémités ( 77/1, 77/2) des première et seconde couches ( 72/1, 72/2) qui sont opposées au capteur ( 32), on forme deux piliers magnétiques ( 80/1, 80/2), on réalise, sur ces deux piliers magnétiques ( 80/1, /2), la couche magnétique supérieure ( 84) avec son entrefer ( 86). Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé par le fait que l'on réalise un capteur du type HALL vertical en technologie MOS. 16 Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé par le fait que l'on réalise un capteur du type magnétotransistor vertical. 17 Procédé de réalisation d'une tête magnétique de lecture et d'écriture, caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 avec, en 5 outre, une opération de réalisation d'un enroulement conducteur ( 40) enterré dans un matériau isolant ( 38, 42) cet enroulement ( 40) entourant au moins l'un des deux piliers magnétiques ( 48, 50, 80/1, 80/2). 18 Tête magnétique de lecture à structure planaire obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'elle comprend, sur un même substrat en silicium ( 30): un capteur à semiconducteur ( 32) sensible au champ magnétique, autour de ce capteur, un circuit magnétique formé par une couche magnétique inférieure ( 36, 36/1, 36/2, 72/1, 72/2) parallèle au substrat ( 30), deux piliers magnétiques ( 48, 50, 80/1, 80/2) perpendiculaires au substrat ( 30) et une couche magnétique supérieure ( 52, 84) en appui sur les deux piliers et parallèle au substrat ( 30) et avec un entrefer ( 54). 19 Tête magnétique de lecture et d'écriture, caractérisé par le fait qu'elle comprend les moyens de la tête selon la revendication 18 avec, en outre, un enroulement conducteur ( 40) enterré dans un matériau isolant ( 38, 42) cet enroulement ( 40) entourant au moins l'un des deux piliers magnétiques ( 48, 50, 80/1,30 80/2).