Brevet FR2955211A1 — publié le 20110715

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un élément de capteur pour la mesure du champ magnétique, ainsi qu'un capteur de champ magnétique équipé d'un tel élément de capteur et un procédé de fabrication d'un élément de capteur de champ magnétique. Etat de la technique On connaît les capteurs de champ magnétique utilisant des éléments Hall, fabriqués actuellement par le procédé des semi-conducteurs planaires. Ainsi, le document EP 1 462 770 décrit un capteur Hall ayant un élément de capteur avec des contacts répartis selon un motif sur un substrat semi-conducteur. Par des contacts sélectionnés, on injecte un courant d'excitation passant dans le plan de la puce et sur d'autres contacts, on mesure la tension de l'effet Hall. En modifiant le choix des contacts, on élimine le décalage. En appliquant un courant d'excitation et en mesurant dans différentes directions, on peut saisir le champ magnétique à la fois dans le plan de la plaquette et aussi perpendiculairement au plan de la plaquette. De tels capteurs permettent de très bien détecter la composante du champ magnétique perpendiculaire au plan de la plaquette. Pour les composantes de champ situées dans le plan de la plaquette, un montage d'électrodes purement planaire, ne pourra d'obtenir que de manière très limitée une sensibilité faible. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un élément de capteur pour la mesure d'un champ magnétique ayant une structure de plaquette, caractérisé en ce que la structure de plaquette comprend un substrat semi-conducteur, une couche d'isolation et une couche semi-conductrice, et - l'élément de capteur comporte un bloc mis en contact à travers la couche d'isolation avec une surface frontale de substrat semi-conducteur, une surface frontale de couche semi-conductrice et des surfaces latérales, parallèles, par paires dans le substrat semi-conducteur, 2 - les surfaces frontales et les surfaces latérales ayant des segments à forte conductivité et le bloc a, à l'intérieur, un dopage à faible conductivité dans la zone intérieure. L'élément de capteur selon la présente invention a l'avantage que l'effet Hall sera rendu maximum pour les directions du champ magnétique situées dans le plan de la plaquette. Le vecteur du champ magnétique peut être fixé dans toutes les trois directions de l'espace avec une bonne précision. En particulier, on pourra saisir simultanément toutes les composantes du champ magnétique sur la structure. On aura ainsi les mêmes dérives, par exemple la même variation en fonction de la température ou des effets des contraintes. Cela peut se réaliser d'une manière particulièrement bonne, si la structure a des dimensions analogues dans toutes les directions. Le passage du courant des éléments Hall, dans la direction perpendiculaire à la direction du champ magnétique, rend la sensibilité maximale. Un autre avantage est que le capteur Hall peut être structuré avec un procédé de fabrication efficace dans toutes les trois directions de l'espace. L'élément de capteur servant à la mesure du champ magnétique a une structure de plaquette et cette structure de plaquette se compose d'un substrat semi-conducteur, d'une couche d'isolation et d'une couche semi-conductrice. Cela permet d'appliquer un procédé de fabrication efficace pour des structures exactes dans la direction perpendiculaire au plan de la plaquette. L'élément de capteur comporte un bloc branché par un contact traversant la couche d'isolation et ayant une surface frontale de substrat semi-conducteur, une surface frontale avec une couche semi-conductrice et des surfaces latérales réparties par paires dans le substrat semi-conducteur, les surfaces frontales et les surfaces latérales ayant des segments avec une forte conductivité ; le bloc se trouve entre les segments à forte conductivité, et il a un dopage intérieur de faible conductivité. En fonctionnement, on pourra faire passer un courant d'excitation, successivement dans différentes directions à travers le bloc et toutes les tensions Hall, pourront être prélevées perpendiculairement aux segments à conductivité élevée. La forte conductivité de ces segments permet une 3 bonne mesure par une accumulation et une évacuation efficace des supports de charge développant la tension Hall sur les surfaces frontales et les surfaces latérales des blocs. En vue de dessus, le bloc a de préférence la forme d'un polyèdre. De manière avantageuse, le bloc a des dimensions identiques en hauteur et en largeur. Avec une section carrée, on aura un bloc très simple en forme de dé à jouer, ayant des sensibilités symétriques et des dérives symétriques dans les trois dimensions. Dans le cas d'une section en octaèdre, les mesures sont possibles avec un courant-enveloppe dans le plan de coupe ; on alimente successivement avec ce courant d'excitation, les surfaces latérales voisines et on mesure la tension Hall dans la direction perpendiculaire aux surfaces latérales. La même remarque s'applique à des polyèdres ayant un nombre de sommets plus important et dans le cas d'un multiple de quatre, les 15 polyèdres ont chaque fois des paires de surfaces latérales perpendiculaires. Les segments à forte conductivité pour la surface frontale et les surfaces latérales, sont de préférence écartés l'un de l'autre. Ces segments sont avantageusement reliés électriquement par des fils de 20 liaison à la surface supérieure de l'élément de capteur. Ces deux caractéristiques améliorent le prélèvement des porteurs de charge qui développent la tension Hall. Les segments à forte conductivité des surfaces latérales, ont avantageusement un dopage de surfaces latérales supérieur au 25 dopage dans la zone intérieure du bloc. Le segment conducteur de la surface frontale supérieure présente avantageusement un dopage de surfaces frontales qui est supérieur au dopage intérieur. Cela permet d'avoir les conductivités différentes, souhaitées. Selon un développement de l'invention, les surfaces de 30 liaison reliées en conduction aux segments de forte conductivité des surfaces latérales, sont prévues sur le bloc principalement, sur les segments de forte conductivité des surfaces latérales. Selon une variante de réalisation de l'invention, les surfaces latérales se placent dans un canal en tranchée et les segments 35 à forte conductivité des surfaces latérales, sont reliés respectivement à 4 une couche conductrice qui passe à travers le canal en tranchée et les côtés opposés pour rejoindre le côté supérieur du substrat. Les surfaces conductrices reliées en conduction aux segments à forte conductivité des surfaces latérales, sont installées sur le substrat semi-conducteur à côté du bloc. L'élément de capteur comporte de préférence un bloc de contact, conducteur, branché à travers la couche d'isolation ; le bloc et le bloc de contact sont reliés en conduction sous la couche d'isolation. Le bloc de contact sert à relier la face inférieure du bloc avec une surface de contact sur la surface supérieure de l'élément de capteur. Ainsi, toutes les surfaces de liaison se situent sur le côté de l'élément de capteur. La liaison électrique entre le bloc et le bloc de contact, se fait soit par l'intermédiaire d'un segment conducteur dans la couche semi-conductrice sous la couche d'isolation, soit par un conducteur sur la face intérieure du capteur. Un capteur de champ magnétique avec un élément de capteur selon l'invention pour une mesure en plusieurs dimensions du champ magnétique, comporte une unité de commande pour la commande électrique de l'élément de capteur et la mesure et l'exploitation des tensions Hall. De manière préférentielle, on a une mesure tridimensionnelle du champ magnétique bien que l'invention puisse également se reporter plus simplement à une mesure bidimensionnelle par exemple avec seulement une paire de surfaces latérales configurées comme indiqué ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un élément de capteur pour la mesure du champ magnétique, comprenant les étapes suivantes non nécessairement exécutées dans l'ordre donné ci-après : a) fabrication d'une structure de plaquette avec un substrat semi-conducteur, une couche d'isolation et une couche semi-conductrice, le procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : b) formation d'un bloc branché à travers la couche d'isolation, le bloc ayant une surface frontale de substrat semi-conducteur, une surface frontale de couche semi-conductrice et des surfaces latérales parallèles par paires dans le substrat semi-conducteur, b) dopage de la zone intérieure du bloc avec une faible conductivité, c) formation de segments de forte conductivité sur la surface frontale 5 semi-conductrice et sur les surfaces latérales. De manière préférentielle, le bloc a une section pratiquement polygonale et le procédé comprend l'étape suivante : e) enlèvement des coins des surfaces latérales adjacentes du bloc. Ainsi on isole l'un de l'autre les segments de forte conductivité sur les surfaces latérales. De manière avantageuse, le procédé est complété par une autre étape suivante : f) formation de surfaces de liaison sur le côté supérieur du substrat semi-conducteur, surfaces reliées aux segments à forte conductivité. Les segments à forte conductivité des surfaces latérales, sont conduits selon une variante jusqu'au côté supérieur du substrat semi-conducteur pour recevoir par métallisation les fils de liaison. Dans une seconde variante, les segments à forte conductivité des surfaces latérales, passent par les parois latérales d'un canal en tranchée pour rejoindre le côté supérieur de l'élément de capteur et se situent à l'extérieur du bloc. La liaison électrique du côté intérieur du bloc se fait avantageusement par une surface de liaison sur le côté supérieur de l'élément de capteur en appliquant les étapes de procédé suivantes : g) formation d'un bloc de contact conducteur, branché à travers la couche d'isolation, h) formation d'une liaison semi-conductrice composée du bloc et du bloc de contact dans la couche semi-conductrice. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un ordinogramme du procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique pour la fabrication d'un élément de capteur dans une plaquette selon l'invention, 6 - la figure 3 montre schématiquement l'usinage d'un bloc d'un élément de capteur selon l'invention, - la figure 4 est une représentation schématique de la fabrication de l'élément de capteur dans le cas d'une structure de plaquette avec branchement selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique montrant la fabrication d'un élément de capteur dans une plaquette avec un autre contact selon l'invention, - la figure 6 est une vue de dessus du dos de la plaquette avec un élément de capteur selon l'invention. Description de modes de réalisation préférentiels de l'invention La figure 1 montre l'ordinogramme 10 du procédé selon l'invention de réalisation d'un élément de capteur pour la mesure d'un champ magnétique ; toutes les étapes du procédé décrites ci-après ne sont pas nécessairement exécutées dans l'ordre de leur présentation. Les étapes du procédé représentées par l'ordinogramme 10, seront explicitées ci-après à l'aide des figures 2 à 5. En référence à la figure 2A, le point de départ est l'étape de procédé : a) de fabrication d'une structure de plaquette 12 avec un substrat semi-conducteur 13, une couche d'isolation 14 et une couche semi-conductrice 15, avec un substrat semi-conducteur 13. Sur ce substrat semi-conducteur 13, on dépose une couche d'isolation 14 que l'on charge d'une couche semi-conductrice 15. La couche semi-conductrice 15 est isolée électriquement du substrat semi-conducteur 13 par la couche d'isolation 14. Ainsi, dans le cas de la technique du silicium, on obtient par exemple une plaquette SOI (plaquette silicium sur isolant). En référence à la figure 2B : l'étape de procédé suivante est : b) Formation d'un bloc 16 mis en contact à travers la couche d'isolation 14 et qui comporte une surface frontale 17 de substrat semi-conducteur, une surface frontale 18 de couche semi-conductrice et des surfaces latérales 19 parallèles deux à deux dans le substrat semi-conducteur 13. Le bloc 16 formé par une gravure en tranchée, est mis en contact par le contact traversant 20. Les surfaces latérales 19 sont appliquées aux 7 canaux en tranchée 22, 23. A la figure 2B, on a en outre représenté un bloc de contact 24 branché par le contact traversant 25 et situé entre les canaux de tranchée 23, 26. Le contact traversant 20 occupe la surface frontale de la couche semi-conductrice 18 avec un segment de forte conductivité. L'étape de procédé suivante : c) Dopage de la zone intérieure 27 du bloc 16 avec une conductivité plus faible, peut par exemple se faire après l'étape de procédé b) ou déjà par la sélection d'une plaquette prédosée. Puis, en référence à la figure 2C, on effectue l'étape de procédé suivante : d) Formation de segments 28, 29, 30 de forte conductivité sur les surfaces latérales 19 et la surface frontale 17 du substrat semi-conducteur. Cela se fait en garnissant le bloc 16 d'une couche semi- conductrice fortement dopée ou de préférence par diffusion interne d'un dopant. Le bloc 16 et la couche semi-conductrice 13 peuvent, en option, être protégés également par la couche d'isolation 14 avec un masquage 32, partiellement avant de l'opération de diffusion. Ensuite, on peut rendre conductrices les surfaces latérales ou les contacts frontaux à l'aide par exemple d'une diffusion dans cette surface d'un dopant. La figure 3 montre l'étape de procédé suivante : e) Enlèvement des coins 33 des surfaces latérales 19, 34 adjacentes du bloc 16 ; le bloc 16 est de nouveau structuré, pour arriver à une séparation électrique des surfaces latérales 19, 34. Pour cela, on isole les segments de forte conductivité sur les surfaces latérales. Si l'élément de capteur, terminé fonctionne ensuite avec un courant d'excitation traversant les surfaces frontales 17, 18, cela permet de mesurer indépendamment l'une de l'autre, les tensions Hall Ux 35 et Uy 36. La figure 4 montre l'étape de procédé suivante : f) Information des surfaces de liaison 37, 38 sur le côté supérieur 39 du substrat semi-conducteur 13, surfaces reliées aux segments 28, 29, 30 de forte conductivité. Les segments 28, 29 de forte conductivité sur les surfaces latérales, passent, selon une première variante, jusque sur le côté supérieur 39 du substrat semi-conducteur 13 pour, à cet endroit, déposer sous forme 8 de métal, les surfaces de liaison 37, 38. Les surfaces de liaison 37, 38 peuvent être reliées par des fils de liaison 40 à un circuit électronique d'exploitation ou à une autre puce. La figure 4 et la figure 2B décrivent en outre une liaison électrique avantageuse par le côté inférieur du bloc ou la surface supérieure 18, avec une surface de liaison 41 sur la face supérieure de l'élément de capteur 42 par les étapes de procédé suivantes : g) Formation d'un bloc de contact 24 conducteur, branché à travers la couche d'isolation 14, io h) Formation d'une autre liaison 43 du bloc 16 et du bloc de contact 24 sous la couche d'isolation 14. La liaison 43 présentée à la figure 4 entre le bloc 16 et le bloc de contact 24, sort comme conducteur 44 sur le côté inférieur de l'élément de capteur 42 sur la couche semi-conductrice 15. Les 15 segments de plaquette 45, 46 du bloc 16 et du bloc de contact 24, sont séparés électriquement. La figure 5 montre un mode de réalisation ayant une conception alternative, indépendante de la précédente représentée à la figure 4. Dans cette figure 5, on a désigné les éléments analogues à 20 ceux de la figure 4 avec les mêmes références complétées par un prime. La première variante de conception concerne le déplacement des surfaces de liaison du bloc 16 vers l'extérieur. Dans ce cas, seuls les segments de forte conductivité des surfaces latérales 19' seront également munis, en variante, de couches métalliques 48, 49 sur 25 les parois latérales d'un canal en tranchée 50 sur le côté supérieur 39' de l'élément de capteur 42 pour former des contacts intérieurs 51. Un canal en tranchée complètement rempli serait également envisageable. Les fils de liaison sont reliés directement aux contacts de paroi latérale 51 des couches métalliques 48, 49. Cette conception développée dans 30 l'espace, facilite la réalisation des liaisons. La seconde conception en variante, concerne la liaison électrique du côté inférieur du bloc ou de la surface frontale 18 avec une surface latérale 41 sur le côté supérieur de l'élément de capteur 42. La liaison conductrice 43 représentée à la figure 4 et reliant le bloc 16' 35 et le bloc de contact 24', est ici une liaison dopée 54, par laquelle la 9 couche semi-conductrice 15' sort de dessous la couche d'isolation. Le bloc de contact est entouré par un canal en tranchée 55. La figure 6 montre le côté arrière de la plaquette avec l'élément de capteur 42' de la figure 5 selon l'invention ; le côté supérieur de l'élément de capteur se trouve sur le côté arrière de la plaquette. Sur la structure de plaquette 12', le bloc 16' est entouré d'une surface de liaison métallique 38' de section carrée avec les contacts métalliques latéraux 51, 52. Le bloc de contact 24' se trouve à côté comme contact de face inférieure en étant également muni de fils io de liaison 41, métalliques entourés par le canal de tranchée 55. Le fonctionnement d'un capteur de champ magnétique équipé d'un élément de capteur selon l'invention pour mesurer un champ magnétique dans plusieurs dimensions, sera décrit ci-après de manière plus détaillée en référence aux axes de coordonnées x, y, de la 15 figure 6 ; l'axe z est généralement perpendiculaire au plan de la figure. Une unité de commande électrique de l'élément de capteur, de mesure et d'exploitation des tensions Hall, fait passer un courant d'excitation prédéfini, successivement dans les directions x-, y- et la direction z à la fois dans le sens positif et dans le sens négatif des coordonnées, en 20 passant par les paires de contacts 38' avec 41', 51 et 52. Un courant d'excitation lz passant par les paires de contacts 28' et 41', traverse le bloc 16' dans la direction verticale z. Les composantes de champ magnétique dans le plan de la plaquette, génèrent également des tensions Hall dans le plan de la plaquette, 25 perpendiculairement aux composantes de champ magnétique. La tension Hall générée par la composante de champ magnétique Bx dans la direction x est mesurée au niveau de la paire de contacts 52 dans la direction y et la tension Hall générée dans la direction y par la composante de champ magnétique By, est ensuite mesurée sur la paire 30 de contacts 51 dans la direction x. Le courant d'excitation lx passant par la paire de contacts 51, traverse le bloc 16' horizontalement dans la direction x ; les composantes du champ magnétique dans la direction y et dans la direction z, génèrent également des tensions Hall dans la direction z et 35 dans la direction y perpendiculairement à la composante de champ 10 magnétique. La composante de champ magnétique By dans la direction y, génère une tension Hall mesurée au niveau de la paire de contacts 38' en 41' dans la direction z et la tension Hall générée par la composante de champ magnétique Bz dans la direction z, est mesurée sur la paire de contacts 52 dans la direction y. Les mêmes remarques s'appliquent au courant d'excitation ly passant par la paire de contacts 52. La redondance est utilisée pour mesurer plusieurs fois la même composante de champ magnétique en particulier en prenant en compte à ce que chaque fois les deux sens de passage du courant, utilisent une détermination permanente du décalage et de la dérive. 20 NOMENCLATURE 10 12 13 14 14' 15 15' 16 16' 17, 18 19 19' 20 22, 23 24 24' 26 27 28, 29, 30 32 33 34 37, 38 38' 39 39' 40, 41 42 42' 44 45, 46 47 48, 49 ordinogramme structure de plaquette substrat semi-conducteur couche d'isolation couche d'isolation couche semi-conductrice couche semi-conductrice bloc bloc surface frontale du substrat semi-conducteur surface latérale surface latérale contact traversant canal en tranchée bloc de contact bloc de contact canal en tranchée zone intérieure du bloc 16 segment de forte conductivité masquage coin surface latérale fil de liaison fil de liaison surface supérieure surface supérieure fil de liaison élément de capteur élément de capteur conducteur segment de plaquette du bloc 16 canal en tranchée couche conductrice REVENDICATIONS1 °) Elément de capteur (42, 42') pour la mesure d'un champ magnétique ayant une structure de plaquette (12), caractérisé en ce que la structure de plaquette (12) comprend un substrat semi-conducteur (13), une couche d'isolation (14, 14') et une couche semi-conductrice (15, 15'), et - l'élément de capteur comporte un bloc (16, 16') mis en contact à travers la couche d'isolation (14, 14') avec une surface frontale (17) de substrat semi-conducteur, une surface frontale (18) de couche de semi-conducteur et des surfaces latérales (19, 19'), parallèles, par paires dans le substrat semi-conducteur (13), - les surfaces frontales (17, 18) et les surfaces latérales (19, 19') ont des segments (28, 29, 30) à forte conductivité et dans la zone intérieure (27) le bloc (16, 16') a un dopage à faible conductivité. 2°) Elément de capteur selon la revendication 1, élément caractérisé en ce que le bloc (16, 16') présente en vue de dessus la forme d'un polyèdre. 3°) Elément de capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bloc (16, 16') a des dimensions analogues en hauteur et en largeur. 4°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments (28, 29) de forte conductivité de la surface frontale (17) et des surfaces latérales (19, 19'), sont écartés les uns des autres. 5°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments (28, 29, 30) de forte conductivité, sont reliés de manière conductrice par des fils de liaison (37, 38, 38', 51) à la surface supérieure (39, 39') de l'élément de capteur.35 14 6°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments (28, 29) de forte conductivité des surfaces latérales (19, 19'), ont un dopage de surface latérale supérieur au dopage dans la zone intérieure (27). 7°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment conducteur (30) de la surface frontale supérieure (17) a un dopage de surface frontale, supérieur au dopage dans la zone intérieure (27). 8°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces latérales (19, 19') se situent dans un canal en tranchée (22, 23) et les segments (28, 29) à forte conductivité des surfaces latérales, sont reliés respectivement à une couche conductrice (48, 49) traversant le canal en tranchée (50) pour rejoindre le côté supérieur (39') du substrat par les côtés opposés. 9°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur (42, 42') comporte un bloc de contact (24, 24') conducteur relié à travers la couche d'isolation (14, 14'), le bloc (16, 16') et le bloc de contact (24, 24') étant reliés en conduction sous la couche d'isolation (14, 14'). 10°) Capteur de champ magnétique comportant une unité de commande pour la commande électrique d'un élément de capteur pour mesurer un champ magnétique dans plusieurs dimensions et pour mesurer et exploiter des tensions Hall, capteur caractérisé par un élément de capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.15 11 °) Procédé de fabrication d'un élément de capteur pour la mesure du champ magnétique, comprenant les étapes suivantes non nécessairement exécutées dans l'ordre donné ci-après : a) fabrication d'une structure de plaquette (12) avec un substrat semis conducteur (13), une couche d'isolation (14, 14') et une couche semi-conductrice (15, 15'), procédé caractérisé par les étapes suivantes : b) formation d'un bloc (16, 16') branché à travers la couche d'isolation (14, 14'), le bloc ayant une surface frontale de substrat semi-conducteur, une surface frontale (17) de couche semi-conductrice et des surfaces latérales (19, 19') parallèles par paires dans le substrat semi-conducteur (13), c) dopage de la zone intérieure (27) du bloc (16, 16') avec une faible conductivité, 15 d) formation de segments (28, 29, 30) de forte conductivité sur la surface frontale semi-conductrice (18) et sur les surfaces latérales (19, 19'). 12°) Procédé de fabrication d'un élément de capteur selon la 20 revendication 11, caractérisé en ce que le bloc (16, 16') a une section pratiquement polygonale et le procédé comprend l'étape suivante : e) élimination des coins (33) des surfaces latérales adjacentes (19, 19') 25 du bloc (16, 16'). 13°) Procédé de fabrication d'un élément de capteur selon la revendication 11, caractérisé par l'étape de procédé suivante : 30 f) formation de surfaces de liaison (37, 38, 38', 51) sur le côté supérieur du substrat semi-conducteur, ces surfaces étant reliées aux segments (28, 29, 30) de forte conductivité. 14°) Procédé de fabrication d'un élément de capteur selon la 35 revendication 13, 16 caractérisé en ce que les surfaces de liaison (51) reliées aux segments de forte conductivité des surfaces latérales (19') sont extérieures au bloc (16'). 15°) Procédé de fabrication d'un élément de capteur selon la revendication 11, caractérisé par les étapes de procédé suivantes : g) formation d'un bloc de contact (24, 24') conducteur traversant la couche d'isolation (14, 14'), h) formation d'une liaison conductrice du bloc (16, 16') et du bloc de contact (24, 24') sous la couche d'isolation (14, 14'). 20