Brevet FR2827041A1 — publié le 20030110

corrects. DISPOSITIF PIEZORESISTIF ET PROCEDES DE FABRICATION DE CE DISPOSITIF DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif piézorésistif, ce dispositif comprenant au moins une jauge piézorécistive, ainsi que des procédés de fabrication de ce dispositif. L'invention s'applique notamment à la mesure de pressions ou disccélérations. Etat de la technique antérieure On rappelle que les jauges piézarésistives sont utilisées en tant que moyens de mesure sur un grand nombre de capteurs mécaniques, par exemple des capteurs de pression ou des capteurs d'accélération. Il s'agit en fait de résistances électriques dont la valeur est modifiée sous l'effet de contraintes extérieures. Au sujet de telles jauges, on se reportera par exemple au doeument suivant: US-A-5,973,590, "Ultrathin surface mount wafer sensor structures and methad of fabricating same". Pour former des jauges piézorésistives, il est connu de former d'abord, dans un substrat en siliclum, un caisson ayant un type de dopage opposé à celui du substrat, puis de définir des jauges piézarésistives dans ce caisson par une implantation de même type que celui du substrat. A titre d'exemple, on voit sur la figure 1 un substrat 2 en silicium monocristallin de type P. un caisson 4 de type N++ dans ce substrat et deux jauges piézorésistives 6 et 8 en silicium monocristallin de type P+, qui sont formées dans ce caisson. Les jauges sont donc isolées l'une de l'autre par une jonction P- N. Le système de jauges de la figure 1 présente un inconvénient: il existe un courant de fuite entre les jauges piézorésistives 6 et 8 et ce courant augmente exponentiellement avec la température, de sorte que la température de fonctionnement de ce système ne peut dépasser une valeur de l'ordre de 125 C. Il est également connu de former des jauges piézorésistives sur une couche de SiO2, elle-même formée sur un substrat, en déposant une couche de polysilicLum sur cette couche de SiO2 et en gravant ensuite cette couche de polysiliclum jusqu'à la couche de SiO2 pour former les jauges. L'effet piézorésistif est alors moindre que si l'on utilisait une couche de silicLum monocristallin. De plus, le polysiliclum a de moins bonnes propriétés intrinsèques que le siliclum monocristallin car il précente notamment des contraintes résiduelles et des caractéristiques mécaniques inférieures. On connaît en outre des jauges piézorésistives qui sont forméss sur un substrat SOI. Cette technique connue est schématiquement illustrce par la figure 2 o l'on voit des jauges piézorésistives 10 et 12 que l'on a gravées dans la couche 14 en siliclum monocristallin d'un substrat SOI 16 comprenant un substrat primaire 18, une couche 20 en SiO2 formoe sur ce dernier et la couche 14 formée sur cette couche 20. On bénéficie ainsi de toutes les propriétés d'un matériau monocristallin et l'effet piézarésistif est maxlmum. I1 est aussi connu de coller des jauges piézorésistives du genre de celles de la figure 2 sur la couche superficielle en SiO2 d'un substrat de base. A ce suj et, on consultera le document suivant: US-A-5,877,425, "Semiconductor-type pressure sensor with sensing basad upon pressure to a silicon plate". On sait en outre que des jauges piézorésistives du genre de celles de la figure 2 peuvent être recouvertes d'une couche électriquement isolante, appelée couche de passivation. Dans cette dernière, on forme des trous de contact qui déLouchent sur les jauges et l'on dépose des conducteurs sur cette couche de passivation et dans les trous de contact. Cependant, il est rare que le dépôt de la couche de passivation soit parfaitement conforme et l'on trouve souvent des vides (en anglais "voids") le long des flancs des jauges. Ces vides sont susceptibles de nuire à la résistance des jauges au vieillissement. Les jauges piézorésistives du genre de celles de la figure 2 sont formoes par un procédé classique de gravure sèche (en anglais "dry etchingi'). Il en résulte ,. un lnconvenlent. En effet, les flancs des jauges ainsi obtenues sont abrupEs car ces flancs forment des angles proches de 90 avec la couche sur laquelle les jauges sont formées, d'o un risque de mauvais recouvrement de ces jauges par la couche de passivation ultérieurement formée. Ceci est schématiquement illustré par la figure 3 o l'on voit une jauge piézarésistive 22, formée sur une couche 24 de SiO2, ainsi que la couche de passivation 26 qui recouvre mal la jauge 22. Cette couche de passivation est en effet interrompue à certains endroits. Un autre inconvénient résulte de l'existence, sur les flancs des jauges, telles que la jauge 22, de résidus de gravure 28 qui sont susceptibles d'empêcher la bonne adhérence de la couche de passivation sur les flancs des jauges. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un dispositif piézorésistif, ce dispositif comprenant au moins une jauge piézorésistive, cette jauge ayant une meilleure résistance mécanique que les jauges connues, mentionnées plus haut. L' invention a également pour but de proposer des procédés de fabrication de ce dispositif, qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés plus haut. De facon précise, la présente invention a pour objet un dispositif piézarésistif, ce dispositif comprenant au moins une jauge piézarésistive et une couche électriquement isolante sur laquelle est formoe la jauge piézorésistive, ce dispositif étant caractérisé en ce que les tangentes aux flancs de cette jauge piézarésistive, lorsque le dispositif est vu en coupe, font essentiellement des angles supérieurs à 90 avec la surface de la couche électriquement isolante sur laquelle la jauge piézarésistive est formée. Le matériau dont est faite cette jauge peut être choisi parmi le siliclum monocristallin, le silicium polycristallin et le carbure de silicium. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du dispositif objet de l'invention, dans lequel: - on forme une couche d'un matériau pour jauge piézarésistive sur la couche électriquement isolante, - on forme un masque de gravure sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empécher la gravure du matériau quil recouvre, - on effectue une gravure humide isetrope des zones du matériau qui ne sont pas protégées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif objet de l'invention, dans lequel: - on forme une couche d'un matériau pour jauge piézarésistive sur la couche électriquement isolante, - on forme un masque de gravore sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la gravure du matériau qu'il recouvre, - on effectue une gravure isotrope par plasma des zones du matériau qui ne sont pas protégées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. La présente invention concerne également un procédé de fabrication du dispositif objet de l 'invention, dans lequel: - on forme une couche d'un matériau pour jauge piézorésistive sur la couche électriquement isolante, - on forme un masque de gravure sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la gravure du matériau quil recouvre, - on effectue une gravure chimique anisotrope des zones du matériau qui ne sont pas protogées par le masque et - on retire ce masque de façon sélective. La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif objet de l 'invention, dans lequel: - on forme une couche d'un matériau pour jauge piézarécistive sur la couche électriquement isolante, ce matériau étant capable d'être transformé en un matériau électriquement isolant, - on forme un masque sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la transformation du matériau qu'il recouvre en un deuxième matériau électriquement isolant, - on transforme en ce deuxTème matériau électriquement isolant le matériau pour jauge piézarésistive dans les zones de ce dernier matériau qui ne sont pas protégées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. Le deuxTème matériau électriquement isolant peut être le même que celui de la couche électriquement isolante. Le masque utilisé dans ces procédés peut être en nitrure de siliclum. On peut en outre former une couche électriquement isolante de passivation sur la jauge piézorésistive. La couche électriquement isolante de passivation peut être réalisoe par transformation du matériau de la .... auge plèzares1sUlve. On peut aussi former une ouverture de contact à travers la couche de passivation, au niveau de la jauge piézorésistive, former une couche électriquement conductrice sur la couche de passivation et dans louverture de contact et graver cette couche électriquement conductrice pour délimiter cette dernière. Selon un mode de réalisation particulier de l' invention: - on forme en outre une couche électriquement isolante sur la couche électriquement conductrice pour protoger cette dernière, et - on forme une ouverture à travers cette couche électriquement isolante en vue de former un contact avec la couche électriquement conductrice. Brève description des dessins La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant rétérence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 à 3 sont des vues en coupe schématiques de jauges piézarésistives connues et ont déjà été décrites, - les figures 4 à 6 sont des vues en coupe schématiques de dispositifs piézorésistifs conformes à linvention, en cours de fabrication par un procédé de gravure humide isotrope (figure 4), un procédé de gravure chimique anisatrope (figure 5), et un procédé de croissance d'isolant (figure 6), conformément à l 'invention, et - la figure 7 est une vue en coupe schématique dun dispositif piézarésistif conforme à l 'invention, comprenant une couche de passivation électriquement isolante. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un dispositif piézorésistif conforme à l 'invention qui est en cours de fabrication par un procédé de gravure humide isotrope. Ce dispositif comprend une jauge piézorésistive 29. I1 est fabriqué à partir d'une structure comprenant une couche de silicium monocristallin 30 qui est formoe sur une couche de silice 32, elle-même formée sur un substrat en silicium (non représenté). On commence par déposer et structurer un masque de gravure 34, par exemple en nitrure de silicium, sur la couche de silicium 30. On effectue ensuite une gravure isatrope de cette couche de siliclum 30 jusqu'à la couche de silice 32. On utilise pour ce faire une gravure humide isatrope au moyen d'acide fluorhydrique ou d'acide nitrique. Au lieu d'une gravure humide isotrope, on peut utiliser une gravure isatrope par plasma. On effectue ensuite un retrait sélectif du masque 34, par exemple au moyen d'acide phosphorique chaud. Les flancs 36 de la jauge piézorésistive 29 sont en pente douce: quasiment toutes les tangentes T à ces flancs font des angles supérieurs à 90 avec la surface 37 de la couche de silice 32, sauf au voisinage du sommet de la jauge piézarésistive 29, là o se trouvait le masque 34. On notera en particulier les angles obLus aux endroits o ces flancs se raccordent à la surface 37 (ceci étant également le cas pour les jauges piézorésistives des figures 5 à 7). La technique que l'on vient de décrire en faisant rétérence à la figure 4 est simple. Le fait diavoir des flancs en pente douce diminue le risque daboutir à un recouvrement discontinu lors d'un dépôt ultérieur sur la jauge piézoréaistive 29. De plus, il n'y a pas de résidus de gravure sur les flancs 36 de cette jauge 29. La figure 5 est une vue en coupe schématique d'un autre dispositif piézorésistif conforme à l' invention qui est en cours de fabrication par un procédé de gravure chimique anisatrope. Ce dispositif comprend une jauge piézorésistive 38. Il est encore fabriqué à partir de la structure mentionnée dans la description de la figure 4, comprenant la couche de silicium 30 sur la couche de silice 32, elle-méme formoe sur un substrat (non représenté). On commence par déposer et structurer un masque de gravure 40, par exemple en nitrure de silicium, sur la couche de silicium 30. On effectue ensuite une gravure chimique anisotrope de la couche de silicium 30 jusqu'à la couche de silice 32. Pour ce faire, on utilise par exemple de la potasse ou du TMAH (abréviation de tétra-méthyle- ammonTum hydroxyde) ou tout autre produit de gravure apte à graver de façon anisetrope le silicium monocristallin. On effectue ensuite un rerait sélectif du r.asque , par exemple au moyen d'acide phosphorique chaud. La technique que l'on vient de décrire en faisant rétérence à la figure 5 est simple. Les flancs 42 de la jauge piézorésistive 38 sont encore peu abrupts: les tangentes T à ces flancs 42 font des angles supérieurs à 90 avec la surface 43 de la couche de silice 32. Il n'y a pas non plus de résidus de gravure sur ces flancs 42. De plus, dans le cas de la figure 5, les flancs de la jauge piézorésistive sont limités par des plans cristallins, d'o une très faible rugosité de surface. La figure 6 est une vue en coupe schématique d'un autre dispositif piézarésistif conforme à l' invention qui est en cours de fabrication par un procédé de croissance d'isolant. I1 est encore fabriqué à partir de la structure mentionnce dans la description de la figure 4, comprenant la couche de siliclum 30 sur la couche de silice 32, ellemême formoe sur un substrat en silicium (non représenté). Ce dispositif comprend une jauge piézorésistive 44. Les parties d'autres jauges piézorésistives que l'on voit sur la figure 6 correspondent à une variante du dispositif, qui sera décrite ultérieurement. On commence par déposer et structurer un masque de gravure 46, par exemple en nitrure de siliclum, sur la couche de siliclum 30. On fait alors croître de la silice dans les zones 47 et 48 de cette couche 30, qui ne sont pas protégées par le masque 46, par oxydation du silicium jusqu'à la couche de silice 32. On effectue ensuite un retrait sélectif du masque 46, par exemple au moyen d'acide phosphorique chaud. Les flancs 50 de la jauge piézorésistive 44 sont encore en pente douce: les tangentes T à ces flancs font des angles supérieurs à 90 avec la surface 51 de la couche de silice 32. La transition, ou interface, entre le matériau actif, c'est-à-dire le siliclum de la jauge piézorésistive 44, et le matériau isolant, c'est-àdire la silice des zones 47 et 48, est parfaite: elle ne présente aucune discontinuité. De plus, la couverture des flancs 50 de la jauge 44 ne pose pas de problème car la silice des zones 47 et 48 est formée à partir du silicium existant. Les dispositifs conformes à l 'invention, que l'on a décrit en faisant référence aux figures 4 à 6, ne comprennent qu'une jauge piézorésistive mais pourraient comprendre une pluralité de telles jauges, espacées les unes des autres sur la couche de silice 32. Ceci est schématiquement illustré sur la figure 6 o l'on voit des parties 52 et 54 d'autres jauges piézarésistives en siliclum qui sont formoes sur la couche de silice 32, de part et d'autre de la jauge piézorésistive 44, et sont séparées de cette jauge 44 par les zones de silice 47 et 48. Le masque 46 est bien entendu adapté à la fabrication de l'ensemble des jauges. On voit aussi sur la figure 6 des parties 58 et 60 du masque 46 qui correspondent aux parties 52 et 54 des autres jauges, en cours de fabrication. Dans la présente invention, au lieu du silicLum monocristallin, on peut utiliser tout autre matériau qui permet la formation de jauges piézarésistives, par exemple le siliclum polycristallin ou le carbure de siliclum, et que l'on est capable de graver par gravure humide isotrope ou par gravure isotrope par plasma ou à partir duquel on est capable de former un matériau électriquement isolant par exemple au moyen d'une réaction chimique, ce matériau électriquement isolant étant par exemple un nitrure, un oxyde ou tout autre composé électriquement isolant. La figure 7 est une vue en coupe schématique d'une jauge piézorésistive 62 conforme à l' invention. Cette jauge piézorésistive 62, dont les flancs sont en pente douce, est formée par un procédé conforme à l 'invention sur une couche en silice 64 elle-même formée sur un substrat en silicium 66. Une fois cette jauge 62 fabriquée, on peut former sur elle une couche isolante passivante 68 par exemple en silice. On obtient ainsi ce que l'on peut appeler une jauge piézorésistive enterrée. Cette couche passivante peut être réalisée soit par dépôt de matériau isolant (par exemple silice ou nitrure) soit par transformation (par exemple par oxydation) d'une couche superficielle du matériau de la jauge en un matériau isolant. On peut ensuite former, à travers cette couche 68 et au niveau de la jauge piézorésistive 62, une ouverture 70 permettant de former un contact électrique avec cette jauge. On dépose ensuite, à la su:-face de la couche passivante 68 et dans cette ouverture 70, une couche électriquement conductrice 72 par exemple en aluminTum, qui est ainsi en contact avec le silicium de la jauge. Dans une variante non reprécentée, cette couche électriquement conductrice est un empilement dune couche de titane (pour avoir un contact avec le silicTum), d'une couche de nitrure de titane (pour former une barrière de diffusion) et d'une couche déor (pour disposer d'un conducteur de faible résistivité). On grave ensuite la couche électriquement conductrice 72 pour la délimiter. Si besoin est. on peut ensuite former une couche électriquement isolante 74, par exemple en silice, sur la couche conductrice ainsi délimitée, afin de protoger cette dernière, puis former une ouverture 76 à travers cette couche 74 et au-dessus de la couche conductrice 72, pour pouvoir former un contact (non représenté) avec cette dernière, par exemple au moyen de la technique de liaison par fil (en anglais "wire bonding'i). A titre purement indicatif et nullement limitatif, une jauge piézorésistive conforme à l' invention a une hauteur de l'ordre de 0,2,um à quelques micromètres, une longueur (comptée parallèlement au plan des figures 4 à 7) de l'ordre de 50,um à 250 um et une profondeur (comptée perpendiculairement au plan des figures) de lordre de quelques micromètres. L' invention a divers avantages, en particulier: - une meilleure récistance mécanique des jauges piézorésistives du fait que leurs flancs sont en pente douce, et - une fiabilité considérablement améliorée du dispositif piézorésistif dans le cas o les jauges sont enterrces, ou encapeulées, dans un matériau électriquement isolant, du fait que cette encapsulation est complète, sans discontinuités aux interfaces. En outre, le procédé de fabrication, dont un exemple a été donné en faisant référence à la figure 6, conduit à une grande fiabilité du fait quil n'utilise pas de gravure et quil n'y a donc pas de risque de redépôt de matière sur les parois. De plus, ce procédé de fabrication conduit à une parfaite continuité entre la couche d'isolant électrique (silice dans l'exemple de la figure 6) et les jauges, do une meilleure résistance thermique et un risque réduit de fissuration. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézarésistif, ce dispositif comprenant au moins une jauge piézorésistive (29, 38, 44, 62) et une couche électriquement isolante (32, 64) sur laquelle est formée la jauge piézorésistive, ce dispositif étant caractérisé en ce que les tangentes (T) aux flancs de cette jauge piézorésistive, lorsque le dispositif est vu en coupe, font essentiellement des angles () supérieurs à 90 avec la surface de la couche électriquement isolante sur laquelle la jauge piézorésistive est formée. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau dont est faite la jauge piézorésisive est choisi parmi le siiicLum monocristallin, le silicium polycristallin et le carture de silicium. 203. Procédé de fabrication du dispositif piézarésistif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel: - on forme une couche (30) d'un matériau pour jauge piézorésistive sur la couche électriquement isolante (32), - on forme un masque de gravure (34) sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la gravure du matériau qu'il recouvre, - on effectue une gravure humide isotrope des zones du matériau qui ne sont pas protégéss par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. 4. Procédé de fabrication du dispositif piézorésistif selon l'une quelcouque des revendications 1 et 2, dans lequel: - on forme une couche (30) d'un matériau pour jauge piézarésistive sur la couche électriquement isolante (33), - on forme un masque de gravure (34) sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la gravure du matériau qu'il recouvre, - on effectue une gravure isotrope par plasma des zones du matériau qui ne sont pas protégées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. 5. Procédé de fabrication du dispositif piézarésistif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel: - on forme une couche (30) d'un matériau pour jauge piézorésistive sur la couche électriquement isolante (33), - on forme un masque de gravure (40) sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la gravure du matériau qu'il recouvre, - on effectue une gravure chimique anisatrope des zones du matériau qui ne sont pas protégées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. 6. Procédé de fabrication du dispositif piézorésistif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel: - on forme une couche (30) d'un matériau pour jauge piézorésistive sur la couche électriquement isolante (32), - on forme un masque (46) sur cette couche du matériau, ce masque étant destiné à empêcher la transformation du matériau qu'il recouvre en un deuxTème matériau électriquement isolant, - on transforme en ce deuxième matériau électriquement isolant le matériau pour jauge piézorésistive dans les zones (47, 48) de ce dernier matériau qui ne sont pas protogées par le masque, et - on retire ce masque de façon sélective. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le deuxTème matériau électriquement isolant est le même que celui de la couche électriquement isolante (32). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel le masque (34, 40, 46) est en nitrure de silicium.. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel on forme en outre une couche électriquement isolante de passivation (68) sur la jauge piézorésistive (62). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la couche électriquement isolante de passivation (68) est réalisée par transformation du matériau de la jauge piézorésistive. 11. Procédé selon d'une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel: - on forme une ouverture de contact (70) à travers la couche de passivation (68), au niveau de la jauge piézorésistive (62), - on forme une couche électriquement conductrice (72) sur la couche de passivation (68) et dans liouverture de contact (70),et - on grave cette couche électriquement conductrice pour délimiter cette dernière. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel: - on forme en outre une couche électriquement isolante (74) sur la couche électriquement conductrice (72) pour protéger cette dernière, et - on forme une ouverture (76) à travers cette couche électriquement isolante en vue de former un