Brevet FR2984010A1 — publié le 20130614

B11-3653FR 1 Dispositif capacitif intégré ayant une valeur capacitive thermiquement variable L'invention concerne les circuits intégrés, et plus particulièrement les dispositifs capacitifs intégrés ayant une valeur capacitive thermiquement variable. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif capacitif ayant une valeur capacitive thermiquement variable qui puisse être intégré dans tous les flots technologiques CMOS par l'adjonction éventuelle de seulement quelques opérations supplémentaires (l'adjonction d'un niveau de masque, par exemple) et ce, en particulier, sans utiliser la technologie classique du type MEMS. Selon un mode de réalisation, il est également proposé un dispositif capacitif intégré qui puisse être utilisé comme détecteur de température à la fois pour détecter une élévation de température ou bien une baisse de température, ainsi qu'éventuellement la vitesse de variation de cette température. Selon un mode de réalisation, il est ainsi proposé d'utiliser un ensemble thermiquement déformable, réalisé au sein d'un niveau de métallisation du circuit intégré, et d'utiliser le comportement physique du métal formant cet ensemble thermiquement déformable soumis à une variation de température pour modifier la distance séparant une partie de cet élément déformable d'un corps fixe électriquement conducteur et mesurer la valeur capacitive variable du condensateur dont les deux électrodes sont respectivement formées par une partie de cet ensemble thermiquement déformable, et une partie dudit corps fixe. Selon un aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant au dessus d'un substrat une partie comprenant plusieurs niveaux de métallisation séparés par une région isolante. Une telle partie est communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon de « BEOL » (« Back End Of Line »). Selon une caractéristique générale de cet aspect, le circuit intégré comprend en outre au sein de ladite partie, un dispositif capacitif ayant une valeur capacitive thermiquement variable, comportant dans un logement un ensemble thermiquement déformable incluant une poutre maintenue en au moins deux endroits différents par au moins deux bras solidaires de bords du logement, la poutre et les bras étant métalliques et situés au sein d'un même niveau de métallisation ; le dispositif capacitif comprend également un corps fixe électriquement conducteur ; une partie de l'ensemble thermiquement déformable forme une première électrode du dispositif capacitif et une partie dudit corps fixe forme une deuxième électrode du dispositif capacitif ; ledit ensemble possède différentes configurations correspondant respectivement à différentes températures dudit ensemble, et à différentes distances séparant les deux électrodes de façon à conférer respectivement différentes valeurs capacitives au dispositif capacitif ; et ledit ensemble est activable pour passer d'une configuration à une autre. Un tel dispositif capacitif est ainsi réalisé dans la partie dite BEOL des circuits intégrés, au sein d'un même niveau de métallisation ou bien au sein de niveaux différents de métallisation, et ledit ensemble présente une structure essentiellement bidimensionnelle et métallique. Le dispositif capacitif s'intègre donc aisément dans un flot technologique CMOS, en utilisant largement les étapes classiques de réalisation de la partie BEOL du circuit intégré. L'ensemble thermiquement déformable, peut être thermiquement activable ou bien électriquement activable, l'élévation de température étant, dans ce dernier cas, obtenue par effet Joule par la circulation d'un courant dans ledit ensemble. Ladite partie du corps formant la deuxième électrode peut être située au sein du même niveau de métallisation que celui au sein duquel sont situés la poutre et les bras, ou bien au sein d'un niveau de métallisation différent. Différents modes de réalisation de l'ensemble sont possibles, comportant une poutre maintenue en différents endroits par au moins deux bras voire deux paires de bras, certains au moins des bras pouvant comporter plusieurs branches parallèles. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 à 12, pour certaines d'entre elles schématiques, sont relatives à différents modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Si l'on se réfère à la figure 1, on voit que le dispositif capacitif CMT est réalisé au sein d'un même niveau de métallisation Mi de la partie d'interconnexion PITX du circuit intégré CI, cette partie d'interconnexion étant également communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon BEOL. Cette partie PITX se situe au dessus du substrat SB. Dans les exemples décrits ici, le dispositif CMT est métallique, et plus particulièrement en cuivre. Cela étant, le métal pourrait être de l'aluminium ou du tungstène sans que ces deux exemples ne soient limitatifs. Le dispositif CMT comporte ici un ensemble ENSI en forme de croix asymétrique. Cet ensemble ENSI comporte un premier bras BR1A et un deuxième bras BR1B solidaire d'une poutre PTR, également dénommée « pointeur central », en deux emplacements EMPA et EMPB respectivement situés sur deux faces opposées de la poutre PTR. Ces deux emplacements EMPA et EMPB sont espacés d'une distance d. Comme on le verra plus en détail ci après, l'ensemble ENSI est réalisé en utilisant des techniques classiques de réalisation des pistes métalliques de la partie d'interconnexion PITX, utilisées en technologie CMOS notamment. La partie gauche de la figure 1 montre le dispositif CMT, et plus particulièrement l'ensemble ENSI encapsulé dans une région isolante RIS tandis que la partie droite de la figure 1 montre le même ensemble après gravure de la région isolante de façon à libérer les bras BR1A et BR1B ainsi que la poutre PTR. L'ensemble ENSI, ainsi libéré, s'étend donc à l'intérieur d'un logement LG résultant du retrait de la région isolante RIS, les deux bras BR1A et BR1B étant solidaires des bords BDA et BDB du logement. Il a été montré dans l'article de R. Vayrette et autres intitulé : « Residual stress estimation in damascene copper interconnects using embedded sensors », Microelectronics Engineering 87 (2010) 412-415, qu'après désencapsulation d'un ensemble de ce type, il y a une relaxation des contraintes, ce qui provoque une déformation longitudinale résiduelle des bras provoquant une déviation a du pointeur, ici dans le sens des aiguilles d'une montre. Plus précisément, si l'on suppose un bras de largeur Wa constante, la déviation a s'exprime par la formule suivante : d.L.L0(L - L0) a= où Lo est la longueur du bras après relaxation L 1+a E où a désigne la contrainte longitudinale moyenne résiduelle et E le module de Young du matériau (environ égal à 130 GPa pour le cuivre isotrope). a est déterminé expérimentalement à partir de mesures effectuées sur des structures de test présentant diverses valeurs de d et diverses valeurs de Wa. Ainsi, pour 1/d égal à 2 p.m-1 et Wa égal à 0,5 [lm, a vaut environ 800 MPa. A titre indicatif, pour des bras de longueur 10 microns et de largeur 0,2 microns, on a une déviation du pointeur de l'ordre de 0,2 microns pour un espacement d de 2 microns. Pour un espacement de 1 micron, on a une déviation a de l'ordre de 0,3 microns. Ceci s'entend pour des commutateurs recuits à 400° avec une région isolante RIS de 0,56 microns. (2L - Lo) -42.L 0 3 0 Lo est égal à Pour une largeur de ligne (largeur de bras) de l'ordre de 0,2 microns, on obtient une déformation résiduelle longitudinale moyenne comprise entre 0,25% et 0,30% pour une largeur de ligne (largeur des bras) de 0,5 microns, 0,20% pour une largeur de ligne de 1 micron, et un peu moins de 0,20% pour une largeur de ligne de 2 microns. Selon les applications qui seront envisagées, et notamment selon la précision souhaitée, par exemple dans le cas d'une détection de température, on pourra tenir compte ou ne pas tenir compte de cette déviation résiduelle a du pointeur PTR. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le dispositif capacitif CMT comprend, outre l'ensemble ENSI, une butée électriquement conductrice BTA, par exemple une butée métallique, réalisée également au sein du même niveau de métallisation que celui dans lequel a été réalisé l'ensemble ENSI. Sur la partie gauche de la figure 2, on a représenté l'ensemble ENSI avant désencapsulation de la région isolante RIS et sur la partie centrale de la figure 2, on a représenté le même ensemble ENSI une fois désencapsulé c'est-à-dire libéré de la région isolante RIS. Dans l'exemple montré ici, on tient compte de la déviation résiduelle de la poutre PTR (pointeur) liée à la relaxation des contraintes lors de la libération de l'ensemble ENSI de la région isolante RIS qui l'entourait. Comme illustré sur la partie centrale et la partie droite de la figure 2, une partie de l'ensemble thermiquement déformable ENSI, en l'espèce ici l'extrémité droite de la poutre PTR, forme une première électrode El pour le dispositif capacitif CMT, tandis que une partie de la butée BTA, en l'espèce la partie qui est en regard de l'extrémité droite de la poutre PTR, forme une deuxième électrode E2 du dispositif capacitif. Le diélectrique du condensateur ainsi formé est constitué par l'air du logement LG. Sur la partie centrale de la figure 2, l'ensemble ENSI présente une première configuration lorsqu'il a une première température, par exemple la température ambiante. Dans cette première configuration, la poutre est à une première distance de la butée BTA. En d'autres termes, dans cette première configuration, les deux électrodes El et E2 du dispositif capacitif CMT sont à une première distance conférant une première valeur capacitive CV1 au dispositif capacitif. Sur la partie droite de la figure 2, l'ensemble ENSI a été thermiquement activé pour prendre une deuxième configuration dans laquelle l'électrode El s'est rapprochée de l'électrode E2, conférant ainsi une autre valeur capacitive CV2 au dispositif capacitif CMT. Cette activation thermique a été provoquée par une élévation de température des bras d'expansion BR1A et BR1B. En effet, de par l'élévation de température, ces bras se dilatent et, comme les deux points de fixation des deux bras BR1A et BR1B sur la poutre PTR sont espacés dans la direction longitudinale de la poutre, cette dilatation provoque un moment de force non nul résultant en une rotation RTX2 de la poutre PTR dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, rotation RTX 2 inverse de la rotation RTX1 (partie centrale de la figure 2) résultant de la relaxation des contraintes sur l'ensemble ENSI. Connaissant le coefficient de dilatation thermique du matériau formant les bras d'expansion, la géométrie des bras, notamment leur longueur et leur largeur ainsi que leur épaisseur, et l'espacement d entre les deux points de fixation, on peut aisément simuler la déviation du pointeur PTR résultant de la rotation RTX2. Par voie de conséquence, on peut positionner la butée BTA dans le logement, de façon par exemple à ce que le dispositif capacitif puisse être utilisé comme détecteur de température pour une température variant dans une plage prédéfinie. A titre indicatif, pour une largeur de bras de 0,2 micron une longueur de bras de 10 microns et un espacement de 0,4 micron, la courbe CV1 (figure 3) illustre la déviation du pointeur PTR en fonction de la température. La détermination de la valeur capacitive CVi peut s'effectuer en connectant aux deux électrodes El et E2 un circuit électrique spécifique CLC (figure 2). De tels circuits sont classiques et connus en soi. On peut notamment citer des moyens numériques qui mesurent la période de vibration d'un circuit contenant le condensateur dont la valeur capacitive est à mesurer. On peut également citer des moyens permettant de mesurer un temps requis pour charger le condensateur à une certaine valeur, pour autant qu'un courant constant parcoure ce condensateur. On peut également citer des moyens comportant une source de courant alternatif placés aux bornes d'un circuit en pont de Wheatstone, contenant, dans une branche, le condensateur dont on veut mesurer la valeur capacitive, et, dans une autre branche, un condensateur de référence ayant des valeurs capacitives de référence variables et connues. Il convient de noter qu'un tel dispositif capacitif CMT peut également permettre de détecter aussi bien une baisse de température qu'une élévation de température. Plus précisément, lorsque la température descend en dessous de la température ambiante correspondant à la configuration illustrée sur la partie centrale de la figure 2, il y a alors rétractation thermique des bras de l'ensemble EMS1, et la poutre PTR subit une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, de façon à augmenter la distance entre les électrodes El et E2, et conférer ainsi une autre valeur capacitive au dispositif capacitif. Par ailleurs, un tel dispositif peut permettre non seulement la détection de la valeur de la température, mais également de la vitesse de variation de température, en mesurant, par exemple à l'aide du circuit CLC, la vitesse de variation de la valeur capacitive du dispositif capacitif. On se réfère maintenant plus particulièrement aux figures 4 à 6, pour illustrer un mode de fabrication d'un exemple de réalisation d'un dispositif capacitif CMT selon l'invention. On suppose sur ces figures que l'ensemble ENSI, ainsi que la butée BTA, sont réalisés au niveau de métallisation M3 (Métal 3). On voit alors (figure 4) que l'on utilise le niveau V2 de vias 2 entre le niveau de métal 2 et le niveau de métal 3 et le niveau V3 de vias 3 entre le métal 3 et le métal 4 pour former un mur « de protection » pour la gravure oxyde qui va suivre et permettre la désencapsulation de l'ensemble ENSI et des différentes butées. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 5, tant la partie mobile du dispositif capacitif CMT, en l'espèce la poutre PTR, que la partie fixe, en l'espèce la butée BTA, sont réalisées au niveau du métal 3. Par ailleurs, la butée BTA est reliée au niveau de métal 2 par un via V20. Le dispositif capacitif CMT, et notamment l'ensemble ENSI sont réalisés en utilisant des étapes classiques de fabrication de niveau de métallisation et de vias. Plus précisément, comme illustré sur la figure 6, après réalisation du niveau de métal M2 et de niveau de via V2, l'ensemble ENSI, représenté ici en pointillés à des fins de simplification, est réalisé de façon classique par gravure de l'oxyde sous jacent et dépôt de métal en l'espèce du cuivre dans les tranchées. Puis, l'ensemble est recouvert d'oxyde et le niveau de métallisation M4 est ensuite réalisé. Après formation sur le niveau de métal 4 d'une couche classique de nitrure Cl, on procède à la réalisation d'un peigne dans ce niveau de métal 4 de façon à former des orifices OR. Puis, on procède à une gravure sèche isotrope suivie d'une gravure humide par exemple avec de l'acide fluorhydrique, de façon à éliminer la région isolante (oxyde) encapsulant l'ensemble ENSI ainsi que la butée et réaliser par là même le logement LG. Puis, on procède à un dépôt non conforme d'oxyde de façon à former une couche C2 bouchant les orifices OR. Bien entendu, ce qui vient d'être décrit pour les niveaux de métal M2, M3, M4 peut se généraliser aux niveaux de métal Mi-1, Mi, +i- Le process classique de réalisation des différents niveaux de métallisation supérieurs se poursuit ensuite. Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, le condensateur dont on veut mesurer la valeur capacitive thermiquement variable CVi est, comme illustré sur la partie gauche de la figure 8, un condensateur métal/air/métal réalisé essentiellement dans le plan XY, et la valeur capacitive dépend de la distance dans le plan XY entre deux électrodes métalliques El et E2 réalisées au sein d'un même niveau de métallisation, en l'espèce le niveau de métal n référencé Mn. Cela étant, en variante, comme illustré très schématiquement sur la figure 7, il serait possible de réaliser un dispositif capacitif dont les deux électrodes El et E2 seraient disposées dans deux niveaux de métallisation différents, en l'espèce deux niveaux de métallisation adjacents, par exemple le niveau de métal Mn pour l'électrode El, et le niveau de métal Mn_1 pour l'électrode E2. A cet égard, d'un point de vue réalisation, il serait simplement nécessaire de prévoir un niveau de vias supplémentaire et un niveau de métallisation supplémentaire. Dans ce cas, le condensateur métal/air/métal a également une composante selon l'axe Z, puisque de par son mouvement MVT la poutre PTR peut alors se rapprocher ou s'éloigner de l'électrode E2, éventuellement passer au-dessus. D'autres variantes de réalisation du dispositif capacitif CMT sont possibles. Ainsi, comme illustré sur la figure 8, les deux bras de l'ensemble ENSI sont reliés au voisinage d'une première extrémité de la poutre PTR. Bien entendu, les deux points de fixation des deux bras sur la poutre sont là encore espacés dans le sens longitudinal de la poutre PTR. L'autre extrémité de la poutre PTR peut alors se rapprocher ou s'éloigner d'une butée électriquement conductrice BT, par exemple une butée métallique, en fonction de la température appliquée sur l'ensemble ENSI. Dans l'exemple décrit ici, le circuit électrique CLC est là encore relié entre la butée BT et le bord BDB du logement. En variante, comme illustré sur la figure 9, l'ensemble ENSI, thermiquement déformable, peut être activable électriquement. En effet, il est alors prévu des moyens GEN, classiques et connus en soi, aptes à faire circuler un courant électrique dans au moins un des bras de l'ensemble ENSI, en l'espèce ici dans les deux bras ENSI, entre les deux bords BDA et BDB du logement. La masse pourrait être appliquée au point S2 et une tension Vdd au point Si. De ce fait, l'effet Joule produit une élévation de température des deux bras, ce qui provoque la déviation de la poutre PTR. On voit donc, dans cet exemple de réalisation, que la valeur capacitive CVi dépend non seulement de la température de l'ensemble ENSI mais également de l'intensité du courant qui parcourt cet ensemble ENSI. En conséquence, une application possible de l'invention pourrait consister à utiliser le dispositif capacitif CMT pour mesurer, à l'aide du circuit CLC, l'intensité du courant traversant une autre partie du circuit intégré qui serait connecté en lieu et place du générateur GEN. Une autre application possible pourrait consister à connecter le condensateur de valeur capacitive variable au circuit CLC contenant un circuit résonant résistif-capacitif et utiliser ce condensateur de valeur capacitive variable pour moduler le circuit résistif capacitif résultant, et donc la fréquence de résonance, à partir de la gestion électrique du condensateur de valeur capacitive variable, c'est-à-dire à partir de l'intensité du courant traversant ce condensateur. La figure 10 illustre à titre d'exemple, une courbe CV3 montrant l'évolution de la déviation du pointeur PTR en fonction de la différence de potentiel appliquée entre les points S1 et S2, toujours pour une largeur de ligne de 0,2 micron. Bien entendu, tous les modes de réalisation qui ont été décrits préalablement à la figure 9, peuvent être également utilisés lorsque le commutateur est électriquement activable. Les figures 11 et 12 illustrent deux autres modes de réalisation du dispositif capacitif CMT. Sur la figure 11, l'ensemble ENSI comporte une première paire de premiers bras BRAI, BRA2, respectivement fixés sur une première face de la poutre PTR aux emplacements EMP1 et EMP4 situés au voisinage des deux extrémités de la poutre PTR. L'ensemble ENSI comporte également une deuxième paire de deuxièmes bras BRB1, BRB2 respectivement fixés sur une deuxième face de la poutre PTR, opposée à la première face, à deux emplacements EMP2, EMP3 respectivement situés au voisinage des deux extrémités de la partie PCPTR de la poutre située entre les bras de la première paire BRAI, BRA2. Cette partie PCPTR de la poutre, qui inclut la partie centrale de la poutre, est située, comme illustré sur la partie gauche de la figure 11, lorsque l'ensemble ENSI est dans sa première configuration, à distance de la butée BT. Bien entendu, là encore, les emplacements EMP1 et EMP2 sont espacés dans la direction longitudinale de la poutre de même que les emplacements EMP3 et EMP4. Dans cette variante de réalisation, la partie centrale PCPTR de la poutre forme la première électrode El tandis que la butée BT forme la deuxième électrode E2 du condensateur. Dans la configuration illustrée sur la partie gauche de la figure 11, le condensateur métal/air/métal ainsi formé présente une première valeur capacitive. Comme illustré sur la partie droite de la figure 11, en présence d'une élévation de température des bras BRAI et BRA2, que cette élévation soit provoquée thermiquement ou électriquement par effet Joule, il y a dilatation des bras BRAI et BRA2 et courbure de la partie centrale PCPTR de la poutre qui vient alors dans une deuxième configuration à une autre distance de la butée BT. De ce fait, la valeur capacitive du condensateur métal/air/métal a alors changé. Sur la figure 12, chaque bras BRAI, BRA2 comporte plusieurs branches parallèles, ici trois branches parallèles BRA10-BRA12 et BRA20-BRA22 respectivement raccordées à la poutre PTR par deux parties d'extrémité BRA13 et BRA23 solidaires de la poutre PTR. Un tel mode de réalisation permet d'avoir des déformations thermiques plus importantes. REVENDICATIONS1. Circuit intégré, comprenant au dessus d'un substrat une partie (RITX) comportant plusieurs niveaux de métallisation séparés par une région isolante, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au sein de ladite partie, un dispositif capacitif ayant une valeur capacitive thermiquement variable (CMT) comportant dans un logement (LG) un ensemble thermiquement déformable (ENSI) incluant une poutre (PTR) maintenue en au moins deux endroits différents par au moins deux bras (BR1A, BR1B) solidaires de bords (BDA, BDB) du logement, la poutre et les bras étant métalliques et situés au sein d'un même niveau de métallisation, et un corps fixe électriquement conducteur (BTA), une partie dudit ensemble thermiquement déformable formant une première électrode du dispositif capacitif et une partie dudit corps fixe formant une deuxième électrode du dispositif capacitif, ledit ensemble (ENSI) ayant différentes configurations correspondant respectivement à différentes températures dudit ensemble et à différentes distances séparant les deux électrodes de façon à conférer respectivement différentes valeurs capacitives au dispositif capacitif, ledit ensemble étant activable pour passer d'une configuration à une autre. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel ladite partie du corps (BTA) formant ladite deuxième électrode (E2) est située au sein du même niveau de métallisation que celui au sein duquel sont situés la poutre (PTR) et les bras (BRAI, BR1B). 3. Circuit selon la revendication 1, dans lequel ladite partie du corps formant ladite deuxième électrode (E2) est située au sein d'un niveau de métallisation différent de celui au sein duquel sont situés la poutre et les bras. 4. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie dudit ensemble thermiquement déformable formant la première électrode (El) est une partie de la poutre. 5. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit ensemble (ENSI) comprend ladite poutre (PTR) et deux bras (BR1A, BR1B) respectivement solidaires de la poutre sur deux faces opposées de ladite poutre, au voisinage de la partie centrale de ladite poutre, les deux points de fixation des deux bras sur la poutre étant espacés (d) dans la direction longitudinale de la poutre. 6. Circuit selon la revendication 5, dans lequel ladite partie dudit ensemble thermiquement déformable formant la première électrode (El) est une partie d'extrémité de la poutre. 7. Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier ensemble (ENSI) comprend une première paire de premiers bras (BRAI, BRA2) respectivement fixés sur une première face de la poutre au voisinage des deux extrémités de ladite poutre (PTR), une deuxième paire de deuxièmes bras (BRB1, BRB2) respectivement fixés sur une deuxième face de ladite poutre, opposée à la première face, au voisinage des deux extrémités de la partie (PCPTR) de la poutre située entre les bras (BRAI, BRA2) de la première paire, les deux points de fixation respectifs sur la poutre d'un premier bras et d'un deuxième bras voisin étant espacés dans la direction longitudinale de la poutre. 8. Circuit selon la revendication 7, dans lequel chaque premier bras (BRAI) comprend plusieurs branches (BRA10, BRA11, BRA12) raccordées à une partie d'extrémité (BRA13) solidaire de ladite poutre. 9. Circuit selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ladite partie dudit ensemble thermiquement déformable formant la première électrode (El) est ladite partie (PCPTR) de la poutre située entre les bras. 10. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit ensemble (ENSI) est thermiquement activable. 11. Circuit selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre des moyens (GEN) aptes à faire circuler un courant électrique dans au moins une partie dudit ensemble (ENSI) de façon à l'amener à une température dont la valeur dépend de l'intensité du courant. 12. Circuit intégré selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un circuit électrique (CLC) connecté aux deux électrodes.