Brevet FR2801970A1 — publié le 20010608

CAPTEUR MAGNÉTIQUE DE TRÈS HAUTE SENSIBILITÉ La présente invention concerne un capteur magnétique compre nant une membrane déformable en matériau conducteur, un procédé de fa brication de ce capteur magnétique et un dispositif de mesure du champ magnétique. Les capteurs magnétiques à base de silicium utilisent générale ment la dissymétrie induite par le champ magnétique par effet Hall. En ef fet, suite à l'application d'un champ magnétique, il se crée un champ élec trique perpendiculaire au courant électrique entraînant une dérive des li gnes de courant. Il apparaît alors une différence de potentiel que l'on peut mesurer et qui est proportionnelle au champ magnétique et au courant. Dans le domaine de la micro-électronique, l'évolution vers des composants de dimensions de plus en plus petites conduit à une réduction néfaste de la sensibilité, des capteurs de ce type. Pour palier cet inconvé nient, il faut soit utiliser une température de fonctionnement basse, soit un matériau ayant une mobilité électronique élevée. L'emploi d'une tem pérature basse rend plus difficile l'utilisation de capteurs et accroit la complexité et le coût des dispositifs de mesure de champ magnétique. D'autre part, le silicium, qui est un matériau de choix de la mi- croélectronique, présente une mobilité électronique relativement peu éle- vée (1500 cm2.V-1.s-l à température ambiante), ce qui nuit à son utilisation dans les capteurs à effet Hall. La demanderesse a trouvé de manière surprenante qu'il était pos sible de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en réalisant un cap teur magnétique non plus basé sur l'effet Hall mais sur l'action de la force de Lorentz. Un objet de la présente invention est donc un capteur magnétique comprenant une membrane déformable électriquement conductrice. Un autre objet de la présente invention consiste en un procédé de fabrication de ce capteur magnétique. La présente invention concerne aussi un dispositif de mesure du champ magnétique. D'autres caractéristiques, aspects et avantages de l'invention ap- pareîtront encore plus clairement à la lecture de la description, des dessins annexés et des divers exemples qui suivent. La présente invention concerne un capteur magnétique qui com prend une membrane déformable électriquement conductrice, de préfé rence en silicium monocristallin, constituant une première armature d'un condensateur et parcourue par un courant électrique engendrant dans la membrane des lignes de courant, ladite membrane se déformant sous l'ef fet de la force de Lorentz engendrée par un champ magnétique situé dans le plan de la membrane et perpendiculaire aux lignes de courant, une deuxiè me armature de condensateur constituée par une zone dopée d'un substrat semi-conducteur, et une couche d'un diélectrique gazeux séparant les deux armatures. La membrane a une épaisseur qui varie de 5 à 100 nm, de préfé rence de 10 à 20 nm. D'autre part, le substrat semi-conducteur est de préférence en si licium et le diélectrique gazeux est de préférence choisi parmi l'air et l'azote, et tout particulièrement, l'air. Le capteur magnétique de la présente invention peut être fabri qué selon le procédé suivant qui comprend les étapes consistant à : - fournir un substrat en matériau semi-conducteur, de préféren ce en silicium, ayant une surface principale ; - déposer par épitaxie sur la surface principale du substrat une couche de Ge ou alliage SiGe ; - déposer sur la couche de Ge ou alliage SiGe une mince couche de matériau électriquement conducteur, de préférence de silicium -, - graver au moyen d'un masque deux tranchées latérales dans la mince couche supérieure de matériau électriquement conducteur, la cou che de Ge ou alliage SiGe et une partie du substrat pour définir un empile- ment central constitué par une partie de la mince couche de matériau élec triquement conducteur, une partie de la couche de Ge ou alliage SiGe et une partie du substrat, et laissant apparaître sur deux côtés latéraux oppo sés de l'empilement la partie de la couche de Ge ou alliage SiGe ; - éliminer sélectivement latéralement la partie de la couche de Ge ou alliage SiGe de manière à former une cavité délimitée par la partie du substrat et la partie de la couche supérieure de matériau électriquement conducteur de l'empilement, la partie de la couche supérieure de matériau électriquement conducteur constituant une mince membrane ; - former des espaceurs latéraux pour fermer la cavité sous la membrane; doper, avec un dopant ayant un premier type de conductivité, la membrane pour former une première armature d'un condensateur ; - doper, avec un dopant du prernier type de conductivité, la partie du substrat située sous la membrane pour former une deuxième armature du condensateur ; et - doper, avec un dopant d'un second type de conductivité, opposé au premier, le substrat situé au fond des tranchées de façon à isoler la deuxième armature du condensateur. Par alliage SiGe, on sous-entend dans la présente invention les composés répondant aux formules suivantes : Sil-xGcx avec 0 x 1, et Sil-x-yGexc y avec 0 x :5 0,95 et 0 y :9 0,05. De préférence, on utilise un alliage SiGe à teneur élevée en ger manium, et en particulier, comportant de 10 à 30 % en poids de germa nium. On peut effectuer la gravure sélective latérale de Ge ou de l'allia ge SiGe selon l'une des techniques bien connues de l'homme de métier, tel les que la gravure par plasma isotrope, et l'attaque au moyen d'une solu tion chimique oxydante, par exemple, une solution de 40 ml de HN03 50 107o, de 20 ml de H202 et de 5 ml de HF 0,5 17o. Ce procédé peut comporter en outre la formation classique d'une couche d'oxyde de silicium et la gravure sélective de cette couche en vue de l'élaboration des interconnexions. D'autre part, préalablement au dépôt et à la gravure de la couche de Si02, on peut effectuer une étape supplé mentaire consistant à déposer une couche d'arrêt de gravure en Si3N4. Cet te couche qui présente généralement une épaisseur d'environ 40 nm, per met d'arrêter la gravure ultérieure de la structure formée par le procédé se lon l'invention de façon précise, sans risque de gravure des couches sous- jacentes. La présente invention concerne également un dispositif de me sure du champ magnétique comprenant un circuit oscillant dont la capaci té est constituée par au moins un capteur magnétique tel que défini ci-des- gus. Le courant électrique parcourant la membrane du capteur peut être modulé, et corrélé avec la fréquence liée au champ magnétique. Cela permet d'améliorer la sensibilité, au champ magnétique. Le courant électrique I circulant dans la membrane, sous l'effet de l'induction magnétique B génère une force normale à la surface qui dé- formera la membrane. Par une mesure de la capacité, C entre la membrane et le substrat, cette déformation sera mesurée. Cette mesure, faite en diffé- rentielle afin d'améliorer l'immunité au bruit, au moyen de deux structures côte à côte qui sont parcourues par des courants de sens opposé, sera faite soit par une méthode de détection synchrone en modulant le courant 1 et en calculant la fonction de corrélation entre I et C, soit par mesure directe de la fréquence d'un oscillateur dont la fréquence est fonction de la valeur de la capacité ainsi réalisée. D'autre part, on peut utiliser le capteur magnétique selon l'in vention sur le même principe comme capteur de pression dans le cas où au cun courant n'est appliqué dans la membrane. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur les quels : lesFigures laà Id représentent les étapes principales du procédé de l'invention pour la fabrication d'un capteur selon l'invention ; la Figure 2 représente un dispositif comprenant un capteur ma gnétique selon l'invention ; la Figure 3 représente un dispositif comprenant deux capteurs magnétiques selon l'invention ; la Figure 4 représente un dispositif comprenant deux capteurs magnétiques selon l'invention et un corrélateur. Comme le montre la figure la, on commence par former sur un substrat en silicium 1, une couche de SiGe 2 et une couche mince de maté riau électriquement conducteur 3, dans le cas présent du silicium, puis un masque de résine photorésistive 4. Les couches de SiGe 2 et de silicium 3 peuvent être formées sur le substrat 1 par épitaxies. Comme le montre la figure lb, on grave, à l'aide du masque, des tranchées latérales 5 dans la mince couche de Si 3, la couche de SiGe 2 et une partie du substrat 1. Ainsi, les tranchées 5 définissant des empile ments de type mésa, laissent apparaître la couche de SiGe sur deux côtés latéraux de l'empilement. On élimine alors la couche de SiGe des empile ments pour former des cavités 6 dont la paroi supérieure est constituée par la partie restante de la mince couche supérieure de Si 3, qui formera ulté rieurement la membrane du capteur. Enfin, on élimine le masque de résine. On peut également former sur les parois intérieures de la cavité de minces couches de matériau dié lectrique 7, par exemple Si02, pour servir de barrière de protection. Comme le montre la figure le, on forme alors de manière classi que des espaceurs en matériau diélectrique 8, par exemple Si02, de chaque côté de l'empilement de type mésa pour fermer la cavité 6 sous la membra ne 3. Puis, on procède à l'implantation classique de dopant dans les différentes zones de la structure. Ainsi, on implante dans la membrane et la partie de substrat de l'empilement de type mésa, un dopant d'un premier type de conductivité. La membrane de silicium 3 constitue ainsi une arma ture d'un condensateur et la partie dopée du substrat de l'empilement de ty pe mésa qui est une région de canal 9 d'un dispositif semi-conducteur constitue une seconde armature de condensateur. Le substrat au fond des tranchées 5 est alors dopé avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier pour former des ré gions de source et de drain 10 et 11, isolant électriquement la région de ca nal 9 et donc la deuxième armature de la structure capacitive. Comme le montre la figure Id, on forme successivement une couche de Si3N4 12 et une couche de Si02 13, puis on grave la couche de Si02 13 de manière classique au moyen d'un masque, la couche de Si3N4 12 servant de couche d'arrêt de gravure, pour achever le capteur. Ce capteur magnétique peut être utilisé ensuite dans un disposi tif selon l'invention. Trois exemples de dispositifs sont illustrés dans les figures 2 à 4. Comme le montre la figure 2, un générateur de courant électrique est relié à la membrane du capteur constituant une première armature d'un condensateur cependant que la région de canal du capteur, constituant la seconde armature du condensateur est reliée à un oscillateur. Le courant électrique 1 produit par le générateur circule dans la membrane, par exem ple comme indiqué sur la figure. Lorsque ce capteur est placé dans un champ magnétique de sorte que le champ soit perpendiculaire aux lignes de courant et situé dans le plan de la membrane, par exemple comme indiqué sur la figure 2, la mem brane se déforme sous l'action de la force de Lorentz créée et la capacité du condensateur varie, faisant également varier la fréquence de l'oscillateur. La mesure de la fréquence de l'oscillateur est donc représentative, pour un courant 1 constant de la valeur du champ magnétique appliqué. Par ailleurs, pour améliorer l'immunité au bruit, on peut effec tuer cette mesure en différentielle au moyen de deux capteurs selon l'in vention (capteur 1 et capteur 2) disposés côte à côte comme le montre la figure 3. Ces deux capteurs sont montés de telle sorte que leurs membranes sont parcourues par des courants de même intensité mais de sens opposés. Ainsi, les variations de capacité liées au champ magnétique s'ajoutent tan dis que celles liées aux variations de pression se retranchent. De ce fait, la fréquence de l'oscillateur est fonction de la variation de la valeur de la capacité, due au champ magnétique, indépendanu-nent des variations de pression de l'atmosphère environnant les capteurs. Comme le montre la figure 4, le courant électrique parcourant la membrane du capteur peut être modulé et corrélé avec la fréquence liée au champ magnétique. Le générateur de courant est relié, à la membrane du capteur 1, elle-même reliée à la membrane du capteur 2 qui est mise à la masse. Les régions de canal des capteurs 1 et 2, constituant les secondes armatures des condensateurs, sont reliées à un oscillateur. Dans cette réalisation, le courant I modulé circule dans le même sens dans chacune des membranes des capteurs 1 et 2. Le courant de sortie du générateur constitue un des signaux d'entrée d'un corrélateur, par exemple un multi plicateur suivi d'un filtre passe-bas, dont un second signal d'entrée est constitué, par le signal de sortie de l'oscillateur. Le corrélateur fournit donc un signal représentatif des variations du champ magnétique corrélé avec le courant modulé. On accroit ainsi la sensibilité du capteur magnéti que réalisé. REVENDICATIONS 1. Capteur magnétique caractérisé en ce qu'il comprend une min ce membrane déformable en matériau conducteur constituant une premiè re armature d'un condensateur et parcourue par un courant électrique en gendrant dans la membrane des lignes de courant, ladite membrane se dé- formant sous l'effet de la force de Lorentz engendrée par un champ magné tique situé dans le plan de la membrane et perpendiculaire aux lignes de courant, une deuxième armature de condensateur constituée par une zone dopée d'un substrat senù-conducteur, et une couche d'un diélectrique ga zeux séparant les deux armatures. 2. Capteur magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est en silicium. 3. Capteur magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane présente une épaisseur de 5 à 100 nm. 4. Capteur magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane présente une épaisseur de 10 à 20 nm. 5. Capteur magnétique selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que le substrat est en silicium. 6. Capteur magnétique selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que le diélectrique est un gaz. 7. Procédé de fabrication d'un capteur magnétique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il com prend les étapes consistant à : - fournir un substrat en matériau semi-conducteur, ayant une sur face principale ; - déposer par épitaxie sur la une surface principale du substrat une couche de Ge ou alliage SiGe ; - déposer sur la couche de Ge ou alliage SiGe une mince couche de matériau électriquement conducteur ; - graver au moyen d'un masque deux tranchées latérales la mince couche de matériau électriquement conducteur, la couche de Ge ou alliage SiGe et une partie du substrat pour définir un empilement central constitué par une partie de la mince couche de matériau électriquement conducteur, une partie de la couche de Ge ou alliage SiGe et une partie du substrat, et laissant apparaîÎtre sur deux côtés latéraux opposés de l'empilement la par tie de la couche de Ge ou alliage SiGe ; - éliminer sélectivement latéralement la partie de la couche de Ge ou alliage SiGe de manière à former une cavité délimitée par la partie du substrat et la partie de la couche supérieure de matériau électriquement conducteur de l'empilement, la partie de la couche supérieure de matériau électriquement conducteur constituant une mince membrane ; - former des espaceurs latéraux pour fermer la cavité sous la membrane ; - doper, avec un dopant ayant un premier type de conductivité, la membrane pour former une première armature d'un condensateur , - doper, avec un dopant du premier type de conductivité, la partie du substrat située sous la membrane pour former une deuxième armature du condensateur ; et - doper, avec un dopant d'un second type de conductivité opposé au premier, le substrat situé au fond des tranchées de façon à isoler la deuxième armature du condensateur. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il com prend en outre le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium et la gravure sé lective de cette couche en vue de l'élaboration d'interconnexions. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il com prend, préalablement au dépôt et à la gravure de la couche de Si02, une étape supplémentaire consistant à déposer une couche d'arrêt de gravure en Si3N4- 10. Procédé selon la revendications 9, caractérisé en ce que la couche de Si3N4 présente une épaisseur d'environ 40 nm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, ca ractérisé, en ce le matériau électriquement conducteur de la membrane est du silicium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, ca ractérisé en ce que la membrane présente une épaisseur de 5 à 100 nm. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la membrane présente une épaisseur de 10 à 20 nm. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, ca ractérisé en ce que le matériau semi-conducteur du substrat est du silicium. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, ca ractérisé en ce que le diélectrique est un gaz. 16. Dispositif de mesure du champ magnétique comprenant un circuit oscillant, caractérisé en ce que la capacité du circuit oscillant est constituée par au moins un capteur magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé, en ce que le courant électrique parcourant la membrane du capteur est modulé et corré lé avec la fréquence liée au champ magnétique. 18. Dispositif selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont les membranes sont parcourues par des courants de sens opposé.