Brevet FR2909988A1 — publié le 20080620

Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant micro-mécanique comportant un substrat portant au moins une succession de couches avec au moins un élément micro-mécanique fonctionnel et sur lequel il y a au moins une succession de couches fonctionnant au moins comme un composant macro-électronique passif. L'invention concerne également procédé de fabrication d'un composant micro-mécanique, selon lequel on génère sur un substrat, au moins une couche fonctionnelle micro-mécanique par une suc-cession d'étapes de dépôt et de mise en structure. Etat de la technique Il est connu de fabriquer des capteurs micro-mécaniques intégrés monolithiques. Pour cela, on génère par différentes étapes d'usinage en micro-technique, sous la forme d'une succession 15 d'opérations de dépôt et de mise en structure, des structures mécaniques auto-porteuses ayant des couches fonctionnelles pouvant se dé-former de manière définie et qui sont généralement combinées à l'état de puce comme ensemble sensible dans des appareils plus complexes. Bien que la réalisation de composants micro-mécaniques sous forme 20 d'ensembles intégrés tels que des piles MEMS (système micro-électro mécanique) permette une réduction considérable des moyens d'application par comparaison à une structure discrète, il subsiste en général, pour le montage donnant un appareil complet susceptible de fonctionner, la nécessité d'une intégration compliquée du point de vue 25 des circuits pour les composants micro-mécaniques. Pour réduire les moyens à mettre en oeuvre pour combiner les composants micro-mécaniques dans les circuits avec des systèmes complets ayant des fonctions de commande et d'exploitation, on utilise également pour des circuits d'exploitation de commande néces- 30 saires, des composants électroniques à intégration poussée tels que notamment des circuits ASIC. Il est connu de combiner un circuit d'exploitation fondé sur des procédés CMOS ou des procédés mixtes avec des composants MEMS sur une puce. De tels capteurs ont en eux-mêmes déjà une 2909988 2 fonctionnalité totale et en général on prévoit un encapsulage protecteur par exemple un emballage dans un boîtier moulé. Il est en outre connu d'augmenter le degré d'intégration effectif par ce qui est nommé système emballé . Les différents compo- 5 sants tels que par exemple un groupe micro-mécanique sur puce et un circuit ASIC avec le circuit d'exploitation correspondant sont logés dans un boîtier commun et reliés l'un à l'autre. De tels capteurs sont égale-ment totalement fonctionnels. Pour de nombreuses applications dans le domaine auto-mobile on combine dans un boîtier, des capteurs emballés avec d'autres composants externes à l'emballage sur une plaque de circuit, ou bien on les combine à des circuits hybrides. Très fréquemment, il faut des combinaisons de capteurs emballés dans des boîtiers et des condensateurs d'appui, externes, nécessaires pour atténuer les pointes de ten- 15 Sion provoquées par les décharges électro-statiques ESD. Ces pointes de tension doivent être atténuées dans le domaine de la construction automobile notamment si le module de capteur n'est pas intégré dans un appareil de commande protégé globalement mais s'il est relié directe-ment à l'alimentation en tension du réseau embarqué. Une intégration 20 directe de condensateur tampon dans un circuit ASIC nécessite le traitement de difficultés techniques considérables à cause des dimensions extrêmement différentes et des effets d'alternance prévisibles d'importants décalages de charge au cours du passage de charge dans les condensateurs, au voisinage immédiat de structures de microélectronique. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une possibilité de réduire les moyens à mettre en oeuvre pour l'application de capteurs micro-mécaniques vis-à- vis de l'état de la technique et de ré- 30 duire l'encombrement nécessaire pour permettre d'envisager d'éventuels nouveaux emplacements d'installation. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un composant micro-mécanique comportant un substrat portant au moins une succession 35 de couches avec au moins un élément micro-mécanique fonctionnel et 2909988 3 sur lequel il y a au moins une succession de couches fonctionnant au moins comme un composant macro-électronique passif. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel composant micro-mécanique, ce procédé étant caractérisé en ce 5 que des étapes de dépôt et/ou de mise en structure sont effectuées qui génèrent au moins une suite de couches sur le même substrat pouvant fonctionner au moins comme un composant macro-électronique passif. L'invention résulte de la considération suivant laquelle dans des structures MEMS il existe des régions de surface et de volume dans lesquelles, contrairement aux régions de forte densité d'intégration et de sensibilité vis-à-vis des perturbations dans les circuits ASIC et autres circuits micro-électroniques, l'intégration de composant macroélectroniques passifs n'entraîne aucune détérioration des fonctionnalités. On a constaté que dans ces zones selon l'invention, on peut intégrer par exemple directement des condensateurs tampons sans préjudice mécanique ou électrique de systèmes composés de composants micro-mécaniques et de circuits d'exploitation intégrés, par l'effet de déplace-ment de charge, relativement important pendant le changement de charge de condensateur, par exemple lorsque se produisent des pointes de tension qu'il faut atténuer. L'invention se réalise par un composant micro-mécanique comprenant un substrat muni d'au moins une suite de couches, contenant au moins un élément fonctionnel micro-mécanique et formant une première zone fonctionnelle avec au moins une suite de couches fonctionnant au moins comme un composant ma- cro-électronique passif ou susceptible de fonctionner comme tel et constituant une seconde région fonctionnelle. Les composants macroélectroniques dans le sens de l'invention sont des composants passifs qui peuvent remplacer par leur dimensionnement, différents composants discrets, usuellement séparés, et qui sont disponibles et bran- chés. Effets avantageux En particulier des condensateurs relativement importants qui du fait de leur dimensionnement peuvent être utilisés comme condensateurs tampons pour protéger les circuits micro-électroniques, 2909988 4 peuvent être avantageusement intégrés dans des composants micro-mécaniques. On peut réaliser des composants selon l'invention, particulièrement peu encombrant si au moins une suite de couches agissant 5 comme composants macro-électroniques passifs, est prévue entre la suite de couches ayant au moins un élément fonctionnel micro-mécanique et le substrat. De plus dans ce cas, on pourra faire un traitement en série qui permet une adaptation et une optimisation indépendantes des différentes étapes du procédé. 10 De manière avantageuse, il faut néanmoins veiller à ce que les régions de surface du substrat au-dessus desquelles se trouve la pile de couches et qui servent de composants électroniques passifs et les régions de surface où passent des structures fonctionnant comme des chemins conducteurs pour la mise en contact micro-mécanique, 15 soient juxtaposées dans le plan de la puce car ainsi on évite d'une manière simple les interactions perturbatrices en respectant des distances minimales. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 20 plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre une structure de principe d'un composant micro-mécanique selon l'invention ; la figure 2 montre la structure de principe d'un composant micro- 25 mécanique selon l'invention avec un composant passif placé en des- sous ; la figure 3 est une vue en coupe détaillée d'un composant micro-mécanique selon l'invention et la figure 4 est une vue schématique d'une unité fonctionnelle avec 30 un composant micro-mécanique selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre la structure de principe d'un composant micro-mécanique 1 selon l'invention. Ce composant présente sur substrat commun 2 en silicium mono-cristallin, au moins une région fonctionnelle 3 comportant au moins un élément fonctionnel micro- 2909988 5 mécanique. Selon l'invention, sur le même substrat 2 on a une autre région fonctionnelle 4 ayant une structure réalisée par un procédé de micro-technique qui peut fonctionner au moins comme un composant macro-électronique passif. Les régions fonctionnelles 3, 4 dans le sens 5 de l'invention sont des suites de couches, traitées, avec une fonctionna-lité délimitée le cas échéant en associant différentes couches à plu-sieurs régions fonctionnelles. La figure 2 montre la structure de principe d'un composant micro-mécanique 1 selon l'invention avec un composant passif 10 placé en dessous. Les régions fonctionnelles 3, 4 présentées figure 1 se situent dans ce cas au moins en partie dans des plans différents du composant micro-mécanique 1 ce qui offre l'avantage de permettre un traitement en série et une conception peut encombrante. La figure 3 est une vue en coupe détaillée d'un compo- 15 sant micro-mécanique 1 selon l'invention pour lequel, dans une région avec des éléments à fonction micro-mécanique on a une pile de couches fonctionnant comme condensateur. Le dispositif se trouve sur un substrat Si, 2, couvert par une couche d'isolation 5. La couche d'isolation 5 est un oxyde thermique généré de manière connue (comprenant par 20 exemple 2,5 m d'oxyde de champ). Au-dessus de cette couche on a une électrode de surface inférieure 6 de préférence sous la forme d'une couche d'une épaisseur de 275 nm formée de silicium poly-cristallin, dopé ; le dopage est constitué par des éléments de valence 3 ou 5 (par exemple P, AS, B) car les deux types de conduction conviennent pour réaliser 25 l'électrode. Sur l'électrode de surface inférieure 6 se trouve une couche 7 fonctionnant comme diélectrique. Cette couche est réalisée sous la forme d'une pile ONO (oxyde nitrure oxyde). Dans le présent exemple, la pile commence par une couche d'une épaisseur de 27 nm d'un oxyde thermique. Au-dessus de celle-ci se trouve une couche de nitrure dépo- 30 sée par réaction et ayant une épaisseur de 15 nm (dépôt par procédé LPCVD). Ensuite on a une couche d'oxyde d'une épaisseur de l'ordre de 5 nm en nitrure ré-oxydée. Directement au-dessus du diélectrique on a une électrode de surface supérieure 8 en silicium poly-cristallin d'une épaisseur de 450 nm. Ce montage s'utilise comme condensateur en 35 surface. Par une mise en structure appropriée des électrodes 6, 8 on 2909988 6 peut réaliser de cette manière également plusieurs condensateurs indépendants dans un plan. Sur la pile de couches telle que décrite, qui peut fonctionner comme condensateur, il y a une autre pile de couches ; celle-ci 5 comprend de manière habituelle au moins une couche fonctionnelle micro-mécanique qui dans le cas présent comporte des masses sismiques qui peuvent être déviées de manière définie pour mesurer des accélérations. Cette pile supérieure comprend de manière détaillée plusieurs couches d'isolation 9, 10, 11 servant en même temps de profil mécanique pour la suite de la structure et qui corresponde en partie à des volumes 12 remplis de la matière constituant la couche sacrificielle ainsi que la couche fonctionnelle mécanique 13 proprement dite qui après dégagement de la couche sacrificielle reçoit par une étape de gravure appropriée, des éléments fonctionnels mobiles sous la forme de masse 15 sismique 14. Pour les régions à mettre en contact, il y a en outre une couche de métallisation 15. Les deux piles de couches représentées ne se chevauchent pas nécessairement pleinement. La structure de couches donnée à titre d'exemple a une capacité d'environ 1,1 nF/mm2. En particulier 20 en utilisant les condensateurs intégrés selon l'invention comme condensateurs tampons pour les circuits micro-électroniques, il est toutefois avantageux si au moins des parties du substrat 2 sont couvertes par au moins une couche d'isolation 5 sur laquelle se trouve au moins une électrode de surface inférieure 6 ; sur celle-ci se trouve au moins une 25 couche diélectrique 7 et sur celle-ci au moins une électrode de surface supérieure 8 ; sur cette dernière il y au moins une couche d'isolation 9 faisant partie ainsi d'une suite de couches ayant au moins un élément fonctionnel micro-mécanique c'est-à-dire au moins un chevauchement partiel des deux piles de couches ou des régions fonctionnelles 3, 4 du 30 composant micro-mécanique 1 selon l'invention. Pour minimiser les interactions entre les différentes régions fonctionnelles 3, 4 il est en outre avantageux que les régions de surface du substrat autour desquelles se trouvent les piles de couches servant de composants électroniques passifs, se situent dans la région 35 du cadre de liaison. Dans ce cas, on n'augmente pas la taille de la puce 2909988 7 d'un composant micro-mécanique par exemple d'un capteur d'accélération ou de vitesse de rotation sauf si du fait d'un plus grand nombre de pattes de contact nécessaires pour mettre en contact les composants de passivation, on augmente la surface de cadre de liaison. 5 Le cadre de liaison est la surface qui dans un composant micro-mécanique sert à l'encapsulage de la structure du capteur avec une structure de capuchon constituant une surface de liaison. Une particularité avantageuse de cet exemple de réalisation est que l'électrode de surface supérieure 8 sert de couche conductrice dans le plan du procédé dans laquelle il y a également des chemins de contact inférieurs réalisés sous la forme de chemins conducteurs enfouis, de la pile de couches micro-mécanique se trouvant au-dessus de la structure de condensateur. Cela ne constitue pas une nécessité fondamentale du système selon l'invention. Toutefois il est avantageux 15 que l'électrode de surface supérieure se situe au moins en partie dans un plan avec des chemins conducteurs réalisés sous la forme de chemins conducteurs enfouis pour brancher les régions à mettre en contact de la suite de couches située au-dessus car dans ce cas on pourra faire un traitement commun des surfaces d'électrodes ou des chemins 20 conducteurs nécessaires aux deux régions fonctionnelles. Selon le présent exemple de réalisation, on peut compléter ou remplacer différents détails par des variantes de même fonction notamment les matières utilisées et les dimensions choisies. A titre d'exemple, devant cet arrière-plan de micro-technique on peut utiliser 25 d'autres couches diélectriques notamment des diélectriques à compatibilité de circuit intégré IC avec un nombre diélectrique particulièrement élevé et une bonne stabilité en température et on les utilise de préférence car les diélectriques doivent résister aux procédés de dopage et de développement épitaxial. 30 La figure 4 est une vue schématique d'une unité fonctionnelle 20 ayant un composant micro-mécanique 1 selon l'invention. La figure montre un composant micro-mécanique 1 ayant au moins un composant microélectronique 16 réunis en une unité fonctionnelle 20 ; à l'intérieur de l'unité fonctionnelle 20 on a un circuit qui combine dans 35 le composant micro-mécanique 16, les condensateurs intégrés 17 2909988 8 comme condensateurs tampons pour le composant micro-électronique. Le composant micro-mécanique 1 comprend comme région fonctionnelle micro-mécanique 3, un ensemble sensible à l'accélération, ayant des masses sismiques dont le débattement est déterminé et exploité par un 5 circuit d'exploitation sous la forme d'un circuit ASIC comme composant micro-électronique 16. Les condensateurs 17 intégrés dans le composant micro-mécanique 1 sont utilisés comme condensateurs tampons pour le circuit ASIC 16 auxquels elles sont reliées par des lignes 18 appropriées. En variante on peut avoir un circuit séparé pour les condensateurs intégrés 17 pour d'autres applications. L'ensemble de l'unité fonctionnelle 20 est logée dans un boîtier de moule 19 ce qui permet d'économiser une plaque de circuit distincte pour un câblage extérieur ou de réduire la surface. Un avantage de l'invention est que pour établir le compo- 15 sant passif intégré, il n'est pas nécessaire d'avoir un procédé de circuit intégré IC complet mais déjà l'extension du procédé de fabrication des piles MEMS usuel pour fabriquer les composants selon l'invention est suffisante. Selon le présent exemple de réalisation, cela se fait par un procédé consistant à générer une suite de couches fonctionnant comme 20 au moins un condensateur tampon pour un circuit micro-électronique en ce qu'après application d'une couche d'isolation de préférence sous la forme d'une couche d'oxyde thermique, sur une plaquette en silicium mono-cristallin on intègre les étapes de procédé suivantes : dépôt d'une première couche de silicium poly-cristallin sur un subs- 25 trat de silicium ; dopage de la couche de silicium poly-cristallin pour la rendre conductrice comme électrode de surface inférieure ; nettoyage de la couche de silicium poly-cristallin avec de l'acide fluorhydrique pour enlever la couche d'oxyde proche de la surface 30 qui se produit après le dopage ; masquage photo-lithographique de la couche de silicium polycristallin ; réalisation de la structure par gravure de la couche de silicium polycristallin avec laquelle on fixe la géométrie de l'électrode de surface 35 inférieure ; 2909988 9 enlèvement du photo-resist qui subsiste des futures surfaces d'électrodes ; dépôt d'un diélectrique oxyde-nitrure-oxyde sur une base de silicium ce qui commence tout d'abord par un dépôt réactif d'une couche de 5 dioxyde de silicium, puis par dépôt réactif d'une couche de nitrure de silicium Si3N4 et ensuite se termine par la réoxydation proche de la surface de la couche de nitrure de silicium ; masquage photo-lithographique du diélectrique oxyde-nitrureoxyde ; 10 réalisation d'une structure par gravure du diélectrique oxydenitrure-oxyde, la mise en structure de la couche inférieure se faisant dans la pile de couches du diélectrique dans une étape de gravure en chimie humide ; enlèvement du photo-resist qui subsiste sur le diélectrique ; 15 installation d'une couche avec des chemins conducteurs enfouis. L'installation de la couche avec des chemins conducteurs enfouis représente une étape de procédé qui participe au développement des deux régions fonctionnelles d'un composant micro-mécanique selon l'invention. Suivant la mise en contact, les régions conductrices de cette 20 couche constituent une électrode de surface supérieure d'une structure de condensateur située en-dessous ou d'un moyen de mise en contact, inférieur d'une structure micro-mécanique située au-dessus. L'extension du procédé selon l'invention n'entraîne qu'un coût supplémentaire réduit pour l'intégration des composants passifs 25 notamment pour l'intégration de composants de grande surface, de structures simples telles que des condensateurs de surface. Ces coûts supplémentaires dans le cas d'une capacité de support de 1 - 2 nF sont inférieurs à 1 cent par puce. 30 REVENDICATIONS 1 ) Composant micro-mécanique (1) comportant un substrat (2) portant au moins une succession de couches (3) avec au moins un élément micro-mécanique fonctionnel et sur lequel il y a au moins une succession de couches (4) fonctionnant au moins comme un composant macroélectronique passif. 2 ) Composant micro-mécanique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte des condensateurs (17) constituant des composants électroniques passifs. 3 ) Composant micro-mécanique (1) selon la revendication 1, caractérisé par au moins une suite de couches (4) fonctionnant comme composant passif macro-électronique, au moins en partie entre la suite de couches (3), comportant au moins un élément fonctionnel micro-mécanique et le substrat (2). 4 ) Composant micro-mécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les régions de surface du substrat (2) au dessus desquelles se trouve la pile de couches (4) et qui servent de composants électroniques passifs et les régions de surface sur lesquelles passent des chemins conducteurs pour la mise en contact de structures à effet micro-mécanique, sont juxtaposées dans le plan de la puce. 5 ) Composant micro-mécanique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions de surface du substrat (2) au-dessus desquelles se trouve la pile de couches (4), utilisées comme composants électroniques passifs se situent dans la région du cadre de liaison. 6 ) Composant micro-mécanique (1) selon la revendication 1, 2909988 11 caractérisé en ce qu' au moins des parties du substrat (2) sont couvertes par au moins une couche d'isolation (5) sur laquelle se trouve au moins une électrode de surface inférieure (6) sur laquelle il y a au moins une couche diélectri- 5 que (7) sur laquelle il y a au moins une électrode de surface supérieure (8) et sur celle-ci se trouve au moins une couche d'isolation (9) comme faisant partie de la suite de couches (3) comportant au moins un élément fonctionnel micro-mécanique. 10 7 ) Composant micro-mécanique (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électrode de surface supérieure (8) se situe dans un plan avec des chemins conducteurs réalisés comme chemins conducteurs enfouis pour brancher les régions à mettre en contact de la suite de couches (3) 15 située au-dessus. 8 ) Montage comportant au moins un composant micro-mécanique selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que 20 le composant micro-mécanique (1) est regroupé avec au moins un composant micro-mécanique (16) pour former une unité fonctionnelle (20), et à l'intérieur de l'unité fonctionnelle (20) il y a un circuit qui combine comme condensateur tampon, des condensateurs (17) intégrés dans le composant de micro-mécanique (1), pour le composant micro-électrique 25 (16). 9 ) Procédé de fabrication d'un composant micro-mécanique selon l'une des revendications 1 à 7, selon lequel 30 on génère sur un substrat, au moins une couche fonctionnelle micro-mécanique par une succession d'étapes de dépôt et de mise en structure, caractérisé en ce que 2909988 12 des étapes de dépôt et/ou de mise en structure sont effectuées qui génèrent au moins une suite de couches sur le même substrat pouvant fonctionner au moins comme un composant macro-électronique passif. 5 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on génère une suite de couches fonctionnant au moins comme un condensateur tampon pour un circuit micro-électronique, et dans lequel on intègre les étapes de procédé suivantes dans le procédé : 10 dépôt d'une première couche de silicium poly-cristallin sur un substrat de silicium ; dopage de la couche de silicium poly-cristallin ; nettoyage de la couche de silicium poly-cristallin avec de l'acide fluorhydrique ; 15 masquage photo-lithographique de la couche de silicium polycristallin ; réalisation de la structure par gravure de la couche de silicium polycristallin ; enlèvement de la couche de photo-resist qui subsiste ; 20 dépôt d'un diélectrique oxyde-nitrure-oxyde sur la base de silicium ; masquage photo-lithographique du diélectrique oxyde-nitrureoxyde ; réalisation d'une structure par gravure du diélectrique oxydenitrure-oxyde ; 25 enlèvement du photo-resist qui subsiste ; installation d'une couche avec des chemins conducteurs enfouis. 30