Brevet FR2748159A1 — publié le 19971031

L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments semi-conducteurs présentant des structures micromé- caniques. Etat de la technique Il est connu de mettre sur la surface d'éléments semi-conducteurs, par exemple de tranches de silicium présen- tant des circuits intégrés (IC), des structures micromécani- ques. Celles-ci peuvent être par exemple des éléments de détection librement mobiles, se présentant sous la forme de dé- tecteurs capacitifs d'accélération, qui consistent en une masse sismique suspendue de façon élastique, et une structure de pei- gne servant à l'exploitation capacitive du déploiement, dû à l'accélération, de la masse sismique. Les procédés traditionnels de la micromécanique de surface ont recours, pour réaliser de tels éléments de cons- truction, à des couches sacrifiées intégrées dans la construc- tion de la tranche de silicium et, par-dessus, à des couches actives de silicium, par exemple en polysilicium sur des îlots de silice, de telle sorte qu'on doit procéder à une venue en prise massive durant les procédés de fabrication de circuits intégrés. Selon un autre procédé connu de fabrication, on réalise ces éléments de détection à l'aide de la technique LIGA dans des couches métalliques déposées galvaniquement. Dans le cas du procédé LIGA, on forme galvaniquement des structures élevées de résiste fabriquées par irradiation synchrotron, et on obtient à partir de là d'abord une première matrice. On uti- lise ensuite cette matrice pour étamper à haute pression des couches polymères mises sur des tranches de silicium, couches qui prennent de cette façon une forme en négatif qui est en- suite remplie galvaniquement. La forme polymère est ensuite dé- truite, de telle sorte que l'élément de détection repose librement. L'inconvénient dans ce cas est que l'on ne peut réa- liser une irradiation synchrotron qu'avec de grands moyens, et par conséquent un coût élevé, à l'aide d'installations de syn- chrotrons qui ne sont pas courantes dans l'industrie pour une fabrication de composants semi-conducteurs. On outre on court le risque de détruire la tranche de silicium, la forme de ma- triçage ou les circuits électroniques intégrés dans la tranche de silicium, du fait des pressions élevées de matriçage pendant le matriçage des structures en négatif. De plus un ajustage exact lors du matriçage des éléments de détection, pose des problèmes pour les circuits contenus dans la tranche de sili- cium. Du fait de l'usure de la forme de matriçage, il est né- cessaire d'établir plusieurs répliques de cette forme avant que la fabrication proprement dite des éléments de détection ait lieu. Le déroulement du procédé complet ne pouvait pas encore jusqu'ici être pratiquement mis en évidence. En tout cas, le matriçage sur une tranche de silicium pour circuits intégrés, constitue une intervention dangereuse dans les procédés de fa- brication de circuits intégrés. On connaît par le document DE-44 18 163 Ai un pro- cédé dans lequel les structures micromécaniques sont structu- rées après coup sur un élément semi-conducteur achevé, en formant les structures ultérieures dans des couches rajoutées et en les faisant croître ultérieurement de façon galvanique. L'inconvénient dans ce cas est qcue, du fait de la formation galvanique des structures micromécaniques, l'ensemble du compo- sant semi-conducteur se compose de matériaux différents qui peuvent conduire à des défaillances dans les zones limites de l'application des composants semi-conducteurs du fait de leurs comportements thermiques différents. Avantages de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvé- nients ci-dessus et concerne à cet effet un procédé de fabrica- tion d'éléments semi-conducteurs présentant des structures micromécaniques, caractérisé en ce que les structures micromé- caniques sont structurées dans une seconde tranche par exemple en silicium et cette seconde tranche de silicium est jointe avec une première tranche par exemple en silicium, à l'élément semi-conducteur. Le procédé selon l'invention offre ainsi l'avantage qu'en plus du découplage de la fabrication des structures mi- cromécaniques du procédé de fabrication des circuits intégrés pour obtenir une tranche de silicium achevée on peut produire les structures micromécaniques avec les mêmes matériaux que ceux qui sont habituels pour la fabrication de la tranche de silicium présentant des circuits intégrés. Grâce au fait que les structures micromécaniques sont structurées dans une se- conde tranche de silicium et que cette deuxième tranche de si- licium est jointe au composant semi-conducteur avec la première tranche de silicium présentant des circuits intégrés, il est possible de façon avantageuse d'obtenir un découplage complet des procédés de fabrication en ce qui concerne la technique de fabrication de la partie électronique comme aussi de la partie sensible du composant semi-conducteur. A aucun instant de la fabrication on ne doit revenir sur les détails de fabrication de la première tranche de silicium présentant les circuits in- tégrés, ou intervenir dans celle-ci. Grâce à la jonction après coup de la partie électronique (première tranche de silicium) et de la partie sensible (deuxième tranche de silicium), il est possible d'obtenir une construction du composant semi- conducteur de type sandwich dans laquelle la partie sensible peut être disposée directement sur la partie électronique. De cette manière on n'a pas besoin de surfaces additionnelles à20 travers la partie sensible. Au total, on peut ainsi obtenir un composant semi-conducteur très compact dans lequel aussi bien la partie électronique que la partie sensible sont réalisées sensiblement dans les mêmes matières. De cette façon, on ob- tient aussi bien en charge permanente qu'avec un certain nombre de changements de charge, d'excellentes propriétés mécaniques qui sont à mettre en particulier au compte d'un même comporte- ment thermique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - pour fabriquer la tranche de silicium, on produit sur un + substrat de silicium dopé, de type n, une couche de sili- cium dopée de type p - entre le substrat de silicium et la couche de silicium on ap- plique une zone, suffisamment large, qui est faiblement do- pée, de type n. - le substrat de silicium est converti en silicium poreux. - la conversion a lieu au moyen d'un procédé d'anodisation électrochimique. - le silicium poreux est stabilisé chimiquement par une pré- oxydation. - les structures micromécaniques et les éléments de fixation pour les structures micromécaniques, sont définis et produits par les côtés de la couche de silicium dans la tranche de si- licium. - la production des structures micromécaniques et des éléments de fixation a lieu au moyen d'au moins un masquage et ensuite d'un procédé de creusage par jet de plasma. - la seconde tranche de silicium préparée est exactement ajus- tée, lors de la jonction, sur la première tranche de sili- cium. - les éléments de fixation de la seconde tranche de silicium sont reliés de façon mécanique et électriquement conductrice, aux zones de contact de la première tranche de silicium. - la seconde tranche de silicium est exposée à un moyen de chauffage et la première tranche de silicium est exposée à un moyen de refroidissement, d'une manière telle que l'on ob- tienne une liaison permanente entre les éléments de fixation et les zones de contact, au moyen d'un brasage ou d'une liai- son eutectique. - le silicium poreux est enlevé pour pouvoir mettre librement les structures micromécaniques. Dessins La présente invention sera décrite ci-après plus en détail à partir d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 à 6 permettent, à l'aide d'une re- présentation schématique d'un composant semi-conducteur, d'ex- pliquer le procédé de fabrication. Description de l'exemple de réalisation Sur les figures 1 à 6 on a représenté les différen- tes séquences du procédé servant à fabriquer un composant semi- conducteur 10. Fondamentalement le composant semi-conducteur 10 consiste en une première tranche 12, par exemple en silicium, qui présente des circuits intégrés que l'on n'a pas représentés plus en détail. La tranche de silicium 12 forme la partie élec- tronique ultérieure du composant semi-conducteur 10. Le composant semi-conducteur 10 possède en outre une seconde tranche, par exemple également en silicium 14, structurée à l'intérieur de la structure micromécanique, par exemple un détecteur d'accélération capacitif, détecteur qui5 consiste en une masse sismique suspendue de façon élastique, et une structure de peigne servant à l'exploitation capacitive d'un déploiement de la masse sismique, dû à l'accélération. La seconde tranche de silicium 14 forme la partie sensible ulté- rieure du composant semi-conducteur 10.l0 On va expliquer ci-après plus en détail les diffé- rentes séquences du procédé de fabrication du composant semi- conducteur 10 réalisé selon le procédé de l'invention, dans l'état achevé montré à la figure 6. Les mêmes pièces sont pour- vues sur les figures 1 à 6 des mêmes références et ne seront respectivement décrites qu'une seule fois. La figure 1 montre la seconde tranche de silicium 14 dans son état de départ. La tranche de silicium 14 consiste par exemple en un substrat en silicium 16 hautement dopé (nf) 18 sur lequel on a fait croître par épitaxie une couche de si- licium 18 hautement dopée (p). La couche de silicium dopée de type p peut être déposée entièrement sans contraintes inter- nes, par codopage avec du germanium, pendant l'épitaxie, de telle sorte que la tranche de silicium soit complètement plane + et ne se gauchisse pas. Entre la couche de silicium de type p + 18 et le substrat de silicium de type n 16, il subsiste, dans la zone du passage pn 20, une zone 22 avec un dopage effectif bas de type n. La zone 22 peut en cas de besoin être en outre élargie, en démarrant l'épitaxie de la couche de silicium de + type p 18 d'abord sans gaz de dopage, c'est-à-dire en faisant d'abord croître une couche de silicium dopée très faiblement et, seulement après la croissance de cette couche addition- nelle, en ajoutant les gaz de dopage, par exemple B2H4 et GeH4. Pendant la croissance épitaxiale de la couche de silicium 18 fortement dopée, il se produit une diffusion de matières dopées de type n d'une part et de matières dopées de type p d'autre part, dans la couche de démarrage faiblement dopée (zone 22), de telle sorte qu'en particulier il se produit une zone de do- page remarquablement bas de type n. Lors d'une deuxième séquence du procédé, représen- + tée sur la figure 2, le substrat de silicium 16, de type n, est transformé en silicium poreux 24. Cette transformation peut par exemple avoir lieu au moyen d'un procédé électrochimique5 d'anodisation dans une solution d'acide fluorhydrique, le rac- cordement anodique de la tranche de silicium 14 pouvant avoir lieu directement au moyen de l'électrolyte allant vers le côté + p de la tranche de silicium, donc au moyen de la couche de si- + licium 18 de type p. La tranche de silicium 14 peut pour cela être par exemple serrée dans un support approprié, le support empêchant le passage direct du courant tout autour de la tran- che de silicium 14. La couche de silicium 18, de type p, se trouve en regard de l'anode, elle est ainsi elle-même branchée de façon cathodique par rapport à l'électrolyte. Le dopage éle- vé de type p de la couche de silicium 18 est nécessaire pour réduire l'action de la diode Schotky située entre l'électrolyte et le silicium de la tranche 14. Une autre possibilité de transformation du substrat 16 en silicium poreux consiste à mé- talliser un côté de la tranche de silicium 14 et à mettre di- rectement en contact la surface métallique. Dans ce cas toutefois la métallisation et la mise en contact doivent être protégées de l'attaque de l'électrolyte pendant l'anodisation, par exemple en montant la tranche de silicium 14 dans une boîte de gravure. La transformation électrochimique du substrat de silicium 16 en silicium poreux 24 s'arrête, dans le cas d'un choix approprié du potentiel, sur la zone 22 faiblement dopée de type n. La tranche de silicium 14 qui est alors en grande partie poreuse, conserve largement sa stabilité mécanique qui est suffisamment élevée pour un autre déroulement du procédé. Le silicium poreux 24 ainsi produit est par ailleurs chimique- ment extrêmement instable et se dissout en peu de temps dans de nombreux réactifs chimiques, en étant exposé à un réactant cor- respondant. Pour obtenir, pour la suite du procédé de traite- ment de la tranche de silicium 14, une stabilisation chimique suffisante, on effectue une pré-oxydation à environ 450 C. De cette façon, on arrive à ce que le silicium poreux 24 demeure stable lors des séquences suivantes du procédé. Selon la séquence suivante du procédé, représentée à la figure 3, les structures micromécaniques de la partie sen- sible et ses éléments de fixation sur la partie électronique (tranche de silicium 14 ou tranche de silicium 12) sont défi- nies dans la tranche de silicium 14 à partir des côtés de la couche de silicium 18 non poreuse de type p+. Pour cela on pro- duit par exemple au moyen d'un procédé, connu en soi, photoli- thographique, un masque sur la couche de silicium 18 de type + p, masque qui permet de creuser ensuite des ébauches 26 des structures micromécaniques ultérieures. On réalise les creusu- res 28 en fonction du nombre, du choix, et de la dimension des différentes structures micromécaniques. Pour produire les structures micromécaniques et les éléments de fixation, on ap- plique d'une manière avantageuse deux masquages, par exemple en oxyde à plasma, pour définir les éléments de fixation ulté- rieurs, et un second masque en photorésiste pour définir les structures sensibles. Grâce à deux processus de creusement par jet de plasma, on produit les détecteurs micromécaniques ulté- rieurs à l'aide du masque en photorésiste et, à l'aide du mas- que en oxyde à plasma, on réalise ensuite les éléments ultérieurs de fixation (figure 4). Les creusures 28, qui ser- vent à définir les structures micromécaniques ultérieures sont dans ce cas gravées sur la zone 22 jusque dans le silicium po- reux 24. Le procédé de gravure par jet de plasma, représenté à la figure 4, qui sert à produire les éléments de fixation 30, constitue un procédé de gravure en retrait à plat. Pour proté- ger d'une autre attaque les creusures 28 déjà crées auparavant, on peut insérer, comme protection des arêtes, par exemple un photorésiste ou un plasma polymère déposé. Le procédé de fabrication expliqué à partir des fi- gures 1 à 4, constitue un traitement préalable de la seconde tranche de silicium 14. Cette seconde tranche de silicium 14, ainsi préparée à l'avance de cette manière, est jointe au cours d'une séquence suivante du procédé, comme on l'a représenté à la figure 5, à la première tranche de silicium 12 (partie élec- tronique) déjà traitée complètement. Pour cela, on place la tranche de silicium 14 sur le tranche de silicium 12 d'une ma- nière telle que les éléments de fixation 30 reposent sur des zones de contact 32 de la tranche de silicium 12, prévues pour cela. La jonction de la tranche de silicium 14 avec la tranche de silicium 12 a lieu dans ce cas selon un processus de jonc- tion ajusté, de telle sorte que l'on ait l'assurance que chaque élément de fixation 32 vienne en contact avec la zone de con- tact qui lui correspond. Grâce à un traitement chimique préala- ble approprié de la tranche de silicium 12, par exemple une hydrophilisation, on obtient, grâce aux forces de Van der Waals, un contact ferme entre les éléments de fixation 30 réa- lisés en silicium, et les zones de contact 32 réalisées par exemple en aluminium. Lors d'une séquence suivante du procédé, la tranche de silicium 14 (partie sensible) est brièvement chauffée, tan- dis que la tranche de silicium 12 (partie électronique) est re- froidie. On peut réaliser cette séquence du procédé au moyen d'un dispositif approprié qui présente par exemple un système de refroidissement venant en contact avec la tranche de sili- cium 12 et un système de chauffage venant en contact avec la tranche de silicium 14. De cette façon on arrive à ce que les points de contact entre les éléments de fixation 30 et les zo- nes de contact 32 puissent être chauffés à des températures su- périeures à 450 C, tandis qu'en même temps on protège la tranche de silicium 12 d'un chauffage excessif. Grâce à l'échauffement de la zone de contact on arrive à avoir la for- mation d'un alliage entre le silicium des éléments de fixation et l'aluminium des zones de contact 32, de telle sorte que la tranche de silicium 14 soit reliée de façon solidaire, méca- niquement et électriquement, par la formation d'un mélange eu- tectique aluminium/silicium. Au lieu de cela on peut naturellement aussi utiliser une brasure que l'on imprime aupa- ravant sur les tampons de contact de la tranche de silicium à circuits intégrés. Lors d'une dernière séquence du procédé, on dissout le silicium poreux 24 de la tranche de silicium 12 et, de cette façon, on libère les structures micromécaniques 34. Pour dis- soudre le silicium poreux 24 on peut, par exemple, activer chi- miquement à nouveau le silicium oxydé auparavant, pour assurer sa stabilisation chimique, au moyen d'une solution d'acide fluorhydrique fortement étendue. Grâce à la solution d'acide fluorhydrique on réalise un enlèvement de l'oxyde interne créé par la pré-oxydation du silicium poreux 24. Le silicium 24 po- reux, qui est alors de nouveau instable, peut être par exemple dissous au moyen d'une eau ammoniacale étendue, d'une solution étendue de KOH, d'une solution de NaOH, d'un mélange aqueux de HF/HNO3 ou d'autres moyens appropriés. La dissolution du sili- cium poreux a lieu dans ce cas très vite, par exemple dans un intervalle de temps inférieur à une minute. Grâce à ce temps très faible de réaction des solutions d'attaque et à leur effi- cacité aux basses températures, par exemple à la température ambiante, il est exclu d'avoir un endommagement de la tranche de silicium 12 et des structures micromécaniques 34. A la fin de tout le processus, on obtient le compo- sant semi-conducteur 10 indiqué dans une représentation schéma- tique à la figure 6. Le composant semi-conducteur 10 possède dans ce cas la tranche de silicium 12 avec des circuits inté- grés, non représentés, et des structures micromécaniques dispo- sées sur la tranche de silicium 12 qui restent comme rudiment de la tranche de silicium initiale 14, structures mécaniques qui sont disposées de façon solidaire et permanente sur la tranche de silicium 12. Conformément à la fabrication expliquée sur les figures 3 et 4, des creusures 28 ou des éléments de fixation 30, on peut créer ainsi d'une manière simple des mas- ses sismiques suspendues de façon élastique et des structures de peigne correspondantes pour l'exploitation capacitive des mouvements des masses sismiques. Une autre variante de fabrication consiste à faire un collage entre la tranche de silicium 14, non structurée, qui présente le silicium poreux 24, et la tranche de silicium 12, à enlever ensuite le silicium poreux 24 et à réaliser la structu- ration des structures micromécaniques après cela, à partir de la surface, sur la couche active restante (zone 22, couche de + silicium p 18). De cette façon on évite d'avoir à faire la jonction par ajustage exact de la tranche de silicium 14 pré- traitée et achevée, avec la tranche de silicium 12 (figure 5). L'inconvénient toutefois est que, dans ce cas, la tranche de silicium 12 doit posséder des sorties de contact sur lesquelles on puisse faire le collage de la tranche de silicium 14. Une autre variante de fabrication consiste à prépa- rer la tranche de silicium 14 jusqu'à l'état représenté sur les figures 1 à 3, à faire le collage de celle-ci contre des sor- ties de contact de la tranche de silicium 12 et finalement à enlever le silicium poreux 24. De cette façon, on fait l'écono- mie de la séquence du procédé de gravure en retrait, superfi- cielle, servant à produire les éléments de fixation 30 (figure 4). Du fait de l'apposition des sorties de contact sur la tran- che de silicium 12, il est toutefois nécessaire d'avoir une in- tervention dans le processus, c'est-à-dire dans la production des circuits intégrés dans la tranche de silicium 12. On a indiqué uniquement à titre d'exemple la liai- son mécanique et électrique décrite entre les tranches de sili- cium 14 et 12 (partie sensible avec partie électronique). C'est ainsi qu'il est possible de recourir, en plus de la production du mélange eutectique aluminium/silicium au point de liaison, à d'autres techniques connues, par exemple à l'utilisation de colles conductrices ou de brasures. A partir de la description, il est clair qu'au moyen d'un petit nombre de séquences généralement maîtrisables, on peut créer avec des matériaux du même type, aussi bien pour la tranche de silicium 12 (partie électronique) que pour la tranche de silicium 14 (partie sensible), toutes les structures conçues pour un composant semiconducteur correspondant 10 ou nécessaires à celui-ci. Grâce au choix du même matériau pour la tranche de silicium 12 et pour la tranche de silicium 14, on obtient un comportement thermique très avantageux du composant semi-conducteur 10 aussi bien en régime permanent qu'en cas de charges variables. ll R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé de fabrication d'éléments semi-conducteurs présen- tant des structures micromécaniques, caractérisé en ce que les structures micromécaniques (34) sont structurées dans une seconde tranche par exemple en silicium (14) et cette seconde tranche de silicium (14) est jointe avec une première tranche par exemple en silicium (12), à l'élément semi-conducteur (10). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour fabriquer la tranche de silicium (14), on produit sur un + substrat de silicium (16) dopé de type n, une couche de sili- + cium (18) dopée de type p. 3 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' entre le substrat de silicium (16) et la couche de silicium (18), on applique une zone (22), suffisamment large, qui est faiblement dopée, de type n. 4 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat de silicium (16) est converti en silicium poreux (24). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conversion a lieu au moyen d'un procédé d'anodisation élec- trochimique. 6 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le silicium poreux (24) est stabilisé chimiquement par une pré- oxydation. 7 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures micromécaniques (34) et les éléments de fixation (30) pour les structures micromécaniques (34), sont définis et produits par les côtés de la couche de silicium (18) dans la tranche de silicium (14) 8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la production des structures micromécaniques (34) et des élé- ments de fixation (30) a lieu au moyen d'au moins un masquage et ensuite d'un procédé de creusage par jet de plasma. 9 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tranche de silicium préparée (14) est exactement ajustée lors de la jonction, sur la tranche de silicium (12). ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de fixation (30) de la tranche de silicium (14) sont reliés de façon mécanique et électriquement conductrice, aux zones de contact (32) de la tranche se silicium (12). 11 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tranche de silicium (14) est exposée à un moyen de chauffage et la tranche de silicium (12) est exposée à un moyen de re- froidissement, d'une manière telle qu'on obtienne une liaison permanente entre les éléments de fixation (30) et les zones de contact (32), au moyen d'un brasage ou d'une liaison eutecti- que. 12 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le silicium poreux (24) est enlevé pour pouvoir mettre libre- ment les structures micromécaniques (34). 13 ) Elément semi-conducteur comprenant des structures micromé- caniques disposées sur la surface d'une tranche de silicium qui présente des circuits intégrés, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur (10) est fabriqué selon l'une au moins des revendications 1 à 12.