Brevet FR2876089A1 — publié le 20060407

Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique ayant au moins une membrane, la membrane étant réalisée suivant un système stratifié sur un substrat et couvrant une cavité du substrat, le système stratifié se composant d'au moins une couche de support réalisée sur le substrat pour des éléments de circuit, et au moins une couche de masquage structurée réalisée sur la couche de support pour définir des éléments de circuit. L'invention concerne également un procédé de fabrication 10 d'un composant micromécanique ayant au moins une membrane selon lequel - la membrane est réalisée selon un système de couche sur un substrat et elle couvre une cavité réalisée dans le substrat, - le système de couche comprend au moins une couche de support réali- sée sur le substrat pour recevoir des éléments de circuit, et - une couche de masquage structurée pour définir des éléments de cir- cuit étant réalisée sur la couche de support, Etat de la technique En particulier dans le cadre des applications pratiques de capteurs on utilise fréquemment des composants comportant non seule-ment un circuit intégré mais également des composants micromécaniques comme par exemple une membrane. Pour des raisons de coût et aussi dans le cadre de la miniaturisation de tels composants, il est avantageux de structurer la membrane avant d'appliquer le procédé proprement dit de fabrication des semi-conducteurs. Ainsi, dans une variante de fabrication connue on réalise tout d'abord une zone poreuse dans la surface d'un substrat de silicium. Après croissance d'une couche de silicium épitaxiale à la surface du substrat la zone poreuse forme une cavité aux températures élevées. Cette zone est revêtue d'une mince couche épitaxiale qui la ferme. Le vide est en général réalisé dans la cavité. La couche de silicium épitaxiale sert non seulement à fermer la cavité mais également de couche de support pour des éléments de circuit réalisée ensuite par exemple par des procédés de dépôt et de diffusion. En général, pour réaliser des éléments de circuit il faut appliquer des températures élevées et à une pres- Sion de procédé allant jusqu'à une atmosphère. On a constaté que la membrane d'un composant tel que celui décrit cidessus, qui a été dégagée avant de fabriquer les éléments de circuits, présentait une déformation en creux en direction de la cavité même à la température ambiante et sous vide (p = 0 bar). Cet effet provient au moins en partie des caractéristiques de la matière de la couche de silicium. Le silicium présente à la température ambiante un comportement élastique pratiquement parfait et lorsque la température ambiante augmente au-delà toutefois de 500 K jusqu'à 800 K, le silicium devient mou et subit une déformation plastique. Comme certains des procédés de dépôt nécessaires pour la fabrication des éléments de circuit doivent être exécutés sous pression et à des températures beaucoup plus élevées supérieures à 1000 K, alors qu'à l'intérieur de la cavité règne le vide, la mince couche de silicium couvrant la cavité se dé-forme vers l'intérieur en direction de la cavité. Au bord de la cavité ou de la membrane on a une tension alors qu'au milieu de la membrane on a une pression. Aux températures élevées du procédé, la couche de silicium subit une déformation plastique au moins aux endroits où la tension est la plus élevée. Cette déformation plastique reste conservée même à la température ambiante et en l'absence de pression extérieure. A cela s'ajoute que la déformation élastique de la mince couche de silicium peut être gelée par le dépôt sous pression d'autres couches. Déjà la première couche déposée sur la couche de silicium dé-formée s'étale sur une surface supérieure à la couche de silicium déformée. C'est pourquoi la couche ainsi déposée fonctionne comme un coin qui interdit la relaxation totale de la couche de silicium lorsqu'on enlève la pression du procédé. Cet effet est encore amplifié par le développement d'autres couches. De cette manière les contraintes mécaniques à l'intérieur de la membrane et qui s'appliquent sous vide (p = 0 bar) sont en quelque sorte gelées . Les éléments de circuit installés sur ou dans la membrane font en général partie d'un circuit d'exploitation comme par exemple d'un montage en pont de Wheatstone qui permet de déterminer par exemple la pression qui produit une déformation correspondante de la membrane. Les tensions mécaniques bloquées ou gelées dans la membrane s'appliquant également à une pression ambiante de p = 0 bar, conduisent en pratique fréquemment à des difficultés pour la saisie et l'exploitation des signaux. Dans le cas d'un montage en pont, intégré, les contraintes mécaniques gelées dans la membrane produisent un décalage de tension non souhaitable. But de l'invention La présente invention a pour but de développer des moyens permettant de s'opposer aux tensions mécaniques gelées dans la membrane d'un composant du type décrit ci-dessus pour influencer de manière précise la membrane et éviter sa déformation de base. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un composant micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la couche de masquage) est structurée au niveau de la membrane pour compenser au moins en partie les contraintes mécaniques agissant au niveau de la membrane lorsque le vide (p = 0 bar) règne dans la cavité. Selon l'invention on n'a tout d'abord décelé que la déformation de la couche de support, liée au procédé, participant dans l'application du procédé de fabrication des éléments de circuit et pendant l'établissement de la membrane, essentiellement par des tensions mécaniques qui sont bloquées ou gelées dans la membrane du composant. L'invention a en outre reconnu que la déformation de la couche de support devait être compensée si possible avant le dépôt d'autres couches car tout dépôt de nouvelle couche rigidifie la structure de la membrane. Ainsi, toute forme ou position et en particulier aussi une déformation ou un dé-battement non souhaitable de la membrane apparaît dans ces conditions. L'invention a en outre reconnu que les couches de masque qui servent habituellement pour définir la position et la géométrie des éléments de circuit et sont ainsi directement appliquées sur la couche de support ont une contrainte intrinsèque engendrée par une adaptation défectueuse de la grille. Selon l'invention on a enfin reconnu que cette propriété des couches de masquage pouvait s'utiliser pour engendrer de manière précise un couple antagoniste compensant au moins en partie les contraintes mécaniques produites dans la couche de support. C'est pourquoi l'invention propose comme indiqué ci-dessus de structurer les couches de masquage suivant les contraintes internes respectives et les tensions mécaniques au niveau de la membrane. Selon une variante avantageuse du composant de l'invention, la mise en structure de la couche de masquage au niveau de la membrane est conçue pour qu'à côté des effets des tensions mécaniques on compense également les déformations plastiques. Comme déjà indiqué, les couches de masquage utilisées pour le procédé de fabrication d'éléments de circuit sont appliquées habi- tuellement sur la couche de support et ont des contraintes mécaniques intrinsèques engendrées par l'adaptation par défaut de la grille lors du dépôt ou de la croissance de la matière de la couche. Ces contraintes mécaniques intrinsèques agissent dans la plupart des cas par compression. Comme exemple on évoquera l'oxyde de champ développé sur une couche de support de silicium à une pression de procédé de 1 bar. Les contraintes intrinsèques d'une telle couche d'oxyde de champ sont de l'ordre de - 350 MPa. Dans certains cas, les contraintes mécaniques intrinsèques agissent également en tension. Ainsi, les contraintes intrinsèques d'une couche de nitrure de silicium sur une couche de support de silicium correspondent à environ + 1000 MPa pour une pression de procédé de 0,3 bar. Dans la zone centrale de la membrane, à la surface de la couche de silicium, il y a pendant la fabrication des éléments de circuit, normalement des contraintes de pression alors que dans la zone marginale règnent des contraintes de traction. Les contraintes de pression dans la zone centrale peuvent se compenser avantageusement par une couche de masquage ayant des contraintes intrinsèques chimiques, négatives (contraintes de compression) si au moins un segment de la couche de masquage est prévu dans la zone centrale de la membrane. Au niveau de la surface limite entre la couche de silicium et la couche de masquage on a une variation de contrainte car la couche de masquage travaillant par compression cherche à s'étendre et produit ainsi des contraintes de traction dans la couche de silicium placée en dessous. C'est pourquoi il est avantageux de compenser les contraintes de traction dans la zone marginale à l'aide d'une couche de masquage ayant des contraintes intrinsèques chimique positives (contraintes de traction) en installant au moins un segment de la couche de masquage dans la zone marginale de la membrane. Cette mise en structure déforme la membrane ce qui influence de nouveau de manière positive les états de contrainte à l'emplacement des résistances piézo-électriques. Les composants envisagés utilisent fréquemment une cou- che de silicium, notamment une couche monocristalline obtenue par croissance épitaxiale comme couche de support. La couche de masquage utilisée pour la fabrication des éléments de circuit est souvent une couche d'oxyde de champ SiO2, structurée. Cette couche est également avanta- geuse dans le cadre de la présente invention car de telles couches de silice SiO2 ont des tensions intrinsèques négatives relativement élevées. Par une mise en structure appropriée on peut également engendrer des contre-couples relativement importants dans les zones de forte contrainte de compression dans la membrane. Une couche de silice SiO2 peut en outre se structurer simplement à l'aide des procédés connus en utilisant un masque approprié de nitrure de silicium (Si3Ni4). Cela est particulièrement avantageux notamment parce que les couches de nitrure de silicium ont des contraintes de tension intrinsèques positives, relativement élevées. La structure du masque de nitrure de silicium complémentaire à la structure de la couche de silice SiO2 engendre des couples antagonistes relativement importants dans la zone marginale de la membrane là où règne des contraintes de traction importantes. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 15 détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre une structure stratifiée d'une membrane d'un composant micromécanique en vue en coupe schématique, - la figure 2a est une vue en coupe de la couche de support d'une mem- brane munie d'une couche de masque structurée selon l'invention en liaison avec un graphique représentant la déformation correspondante liée à la fabrication. La simulation montre de manière simplifiée la membrane avec une symétrie de rotation en 2D, - la figure 2b est une vue en coupe de la couche de support d'une mem- 25 brane avec une couche de masquage non structurée en liaison avec un graphique représentant le débattement lié à la fabrication de la mem- brane. La simulation montre de manière simplifiée la membrane avec une symétrie de rotation en 2D, - la figure 3 est une vue de dessus de la couche de support représentée à 30 la figure 2a munie d'une couche de masquage à structure selon l'invention, la figure 4 est une vue en coupe de la couche de support d'une membrane avec deux couches de masquage à structures supplémentaires en liaison avec un graphique représentant la déformation de la mem- brane liée à la fabrication. La simulation correspond de manière simplifiée à une membrane à symétrie de rotation en 2D. Description des modes de réalisation Pour expliquer le problème à la base de la présente invention et présenter la solution proposée selon l'invention, la figure 1 montre la structure stratifiée d'une membrane 1 qui constitue un élément micro- mécanique d'un composant muni d'éléments de circuit intégré. La membrane 1 couvre une cavité 2 réalisée dans le substrat 3 du composant. Dans le cas présenté ici il s'agit d'un substrat de silicium à dopage (p). La structure stratifiée de la membrane 1 comprend une couche de support 4 réalisée directement sur le substrat 3 comme couche de silicium monocristallin obtenue par croissance épitaxiale. La couche de support 4 intègre des éléments de circuit sous la forme de zones dopées. Ces éléments ne sont pas représentés ici. La position et la géométrie des zones dopées se définit à l'aide d'une couche formant masque 6 appliquée sur la couche de support 4 et mise en structure de façon appropriée. Au cours du traitement ou du procédé de fabrication d'autres éléments de circuit également au-delà de la zone de la membrane, on dépose sur la couche de masque structurée 6, d'autres couches 7, 9 en des matières différentes. Ces couches 7-9 rigidifient la structure de la membrane et les déformations manifestées de la membrane produites par les fortes températures et pressions exercées dans certains procédés de fabrication de semi-conducteurs. De plus, de tels systèmes à couches multiples ont des effets de bimétal engendrés par les contraintes intrinsèques et les coefficients de dilatation thermique différents des couches. Il convient de remarquer ici que le système stratifié et en particulier les couches présentant des contraintes de pression et de traction peuvent naturellement se déposer également sur la face inférieure de la couche de support en conduisant le procédé de manière appropriée. Pour cela il faut ouvrir la couche de support avant d'exécuter le procédé de dépôt pour permettre de développer un système stratifié correspondant à l'intérieur de la cavité. Ensuite on peut de nouveau fermer la membrane. Les figures 2a et 2b montrent une coupe d'une couche de support de silicium 4 d'une membrane en partant de l'axe de symétrie 11 de la membrane jusqu'à la zone marginale 12 de celle-ci. La couche de masquage 6 telle que présentée est constituée par une couche d'oxyde de champ. Comme déjà indiqué, la couche de masquage 6 permet de définir les éléments de circuit dans la couche de support 4. La couche de masquage n'est ainsi indispensable qu'en certains endroits, à savoir dans l'environnement des éléments de circuit ce qui permet de structurer de manière quelconque les autres parties. La variante de la figure 2a correspond à une couche de masquage 6 structurée selon l'invention. La couche de masquage 6 a été enlevée dans la zone marginale de la membrane pour ne laisser que dans la zone centrale de la membrane un segment d'oxyde de champ 13. La figure 3 est une vue de dessus de cette variante. Au contraire de cela, la figure 2b correspond à la situation représentée à la figure 1. Si l'on met la couche de masquage 6 en structure comme le montre la figure 2a, on obtient différents segments ayant une courbure définie par le paquet de couches respectif. L'oxyde de champ, c'est-à-dire la silice thermique SiO2 est soumise à des contraintes de compression. Cet oxyde a une tension chimique intrinsèque d'environ - 350 Mpa. La tension fortement négative dans la couche d'oxyde de champ fait que cette couche et ainsi les couches adjacentes à la surface supérieure cherchent à se dilater. Un segment d'oxyde dans la zone centrale de la membrane se bombe ainsi vers le haut. Cette déformation bombée induit un contre-couple de signe algébrique opposé en dehors du segment d'oxyde dans la couche de support qui se trouve en dessous. Par une disposition et une dimension appropriée du segment on peut ainsi s'opposer aux contraintes produites pendant l'opération au niveau de la membrane et en particulier de la zone marginale de celle-ci. La comparaison des graphiques des figures 2a, 2b montre l'effet de lissage du segment d'oxyde de champ 13 dans la zone centrale de la membrane. Alors que la couche d'oxyde de champ 6 continue représentée à la figure 2b souligne la déformation de la couche de support 4 liée à la fabrication et dirigée vers l'intérieur de la cavité, le segment d'oxyde de champ 13 prévu dans la zone centrale de la membrane selon la figure 2a a tendance à tirer la couche de support 4 vers le haut. Ainsi, les contraintes de tension mécanique dans la direction radiale, c'est-à-dire s'exerçant à la surface de la couche de support 4 dans la zone centrale de la membrane deviennent fortement positives. De plus, l'amplitude du segment d'oxyde de champ 13 influence de façon déterminante la tension dans la zone marginale de la membrane. Les contraintes dans la zone de la membrane liées au pro-cédé peuvent au moins être compensées par partie également à l'aide d'une couche de matière ayant des contraintes de traction intrinsèques. Cette couche de matière doit alors être structurée pour qu'au moins un segment de couche se trouve dans la zone marginale de la membrane. Ce segment de couche induit une courbure négative et s'oppose ainsi aux contraintes de traction existant dans la zone marginale de la membrane. La figure 4 montre une variante de l'invention utilisée pour cet effet. Dans ce cas également la couche de support 4 est une couche épitaxiale de silicium monocristallin réalisée sur un substrat de silicium. Comme couche de masquage pour définir les éléments de circuit dans la couche de support 4 on utilisé une couche d'oxyde de champ. La couche d'oxyde de champ a été mise en structure selon l'invention pour ne laisser qu'un segment d'oxyde de champ 13 dans la zone centrale de la membrane. La mise en structure de la couche d'oxyde de champ s'est faite ici à l'aide d'un masque de nitrure de silicium, c'est-à-dire une couche de nitrure de silicium 14 de structure complémentaire. Comme la tension chimique interne du nitrure de silicium se situe à environ + 1000 MPA, ce masque de nitrure de silicium 14 prévu dans la zone marginale de la membrane assure l'effet de compensation de contrainte du segment d'oxyde de champ 13 dans la zone médiane de la membrane. Le graphique de la figure 4 montre que dans le cas décrit ici on ne constate qu'une dé- formation ou qu'un débattement minimum de la membrane. La comparai- son entre les graphiques des figures 4 et 2a explicite l'effet complémentaire du masque de nitrure de silicium 14. NOMENCLATURE 1 membrane 2 cavité 3 substrat 4 couche de support 6 couche de masquage 7 autre couche 8 autre couche 9 autre couche 11 axe de symétrie de la membrane 12 zone marginale de la membrane 13 segment d'oxyde de champ 14 masque/couche de nitrure de silicium REVENDICATIONS 1 ) Composant micromécanique ayant au moins une membrane (1), la membrane (1) étant réalisée suivant un système stratifié sur un substrat (3) et couvrant une cavité (2) du substrat (3), le système stratifié se composant d'au moins une couche de support (4) réalisée sur le substrat (3) pour des éléments de circuit (5), et au moins une couche de masquage structurée (6) réalisée sur la couche de support (4) pour définir des éléments de circuit (5), caractérisé en ce que la couche de masquage (6) est structurée au niveau de la membrane (1) pour compenser au moins en partie les contraintes mécaniques agissant au niveau de la membrane (1) lorsque le vide (p = 0 bar) règne dans la cavité (2). 2 ) Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de masquage (6) est structurée au niveau de la membrane (1) pour éviter au moins en partie des déformations plastiques de la membrane (1). 3 ) Composant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de masquage (6) est réalisée sur le côté supérieur ou sur le côté inférieur de la couche de support (4). 4 ) Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de masquage (6) présente des contraintes chimiques intrinsèques négatives (contraintes de compression) et au moins un segment (13) de la couche de masquage (6) est prévu dans la zone centrale de la membrane (1) à l'endroit où règne les contraintes de compression gelée , engendrées par le procédé. 5 ) Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de masquage (8) présente des contraintes chimiques intrinsèques positives (contraintes de traction) et au moins un segment de la cou- che de masquage (6) est prévu dans la zone marginale de la membrane (1), là où règne les contraintes de traction gelée , engendrées par le procédé. 6 ) Composant selon la revendication 1, ayant une couche de silicium no-5 tamment une couche épitaxiale monocristalline comme couche de support (4), caractérisé en ce qu' une couche de silice SiO2 notamment une couche d'oxyde de champ sert de couche de masquage (6) avec des contraintes intrinsèques négatives. io 7 ) Composant selon la revendication 1, selon lequel une couche de silicium notamment une couche épitaxiale monocristalline sert de couche de support (4), caractérisé en ce qu' une couche de nitrure de silicium (Si3Ni4) est utilisée comme couche de masquage (14) avec ses contraintes internes positives. 8 ) Procédé de fabrication d'un composant micromécanique ayant au moins une membrane notamment un composant selon l'une des revendi-20 cations 1 à 7, selon lequel - la membrane est réalisée selon un système de couche sur un substrat et elle couvre une cavité réalisée dans le substrat, - le système de couche comprend au moins une couche de support réalisée sur le substrat pour recevoir des éléments de circuit, et - une couche de masquage structurée pour définir des éléments de circuit étant réalisée sur la couche de support, caractérisé en ce que la couche de masquage est structurée au niveau de la membrane pour compenser au moins en partie les contraintes gelées engendrées par le procédé, et qui agissent au niveau de la membrane en présence du vide (p = 0 bar), les contraintes intrinsèques de la couche de masquage étant prises en compte pour la mise en structure. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de masquage est structurée au niveau de la membrane pour compenser au moins en partie les déformations plastiques de la membrane.