Brevet FR2987447A1 — publié le 20130830

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de cap- teur micromécanique à porte mobile comprenant un transistor à effet de champ ayant une région de drain, une région de source et une région de canal intermédiaire avec un premier type de dopage et une porte mobile séparée de la région de canal par un intervalle. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un tel dispositif de capteur micromécanique. Etat de la technique Bien que l'on puisse utiliser des composants microméca- niques quelconques, la présente invention et les problèmes à la base de l'invention seront décrits ci-après dans le cas de composant en technique silicium. Le document DE 44 45 553 A 1 décrit un capteur semi- conducteur d'accélération avec un substrat semi-conducteur, une structure déployable soutenue par le substrat semi-conducteur et une électrode mobile qui est à une distance prédéfinie au-dessus du substrat semi-conducteur. Le composant comporte également des électrodes fixes installées sur le substrat semi conducteur. Un segment de capteur est formé par l'électrode mobile et les électrodes fixes ; il capte l'accélération en modifiant le courant entre les électrodes fixes, ces modifications étant produites par le décalage de l'électrode mobile lié à l'action de l'accélération sur le segment de capteur. Le document EP 0 990 911 Al décrit un capteur micro- mécanique utilisant un transistor à effet de champ à porte mobile. La porte est mobile dans une direction parallèle à la surface du substrat et le mouvement de la porte dans cette direction augmente ou réduit la région de canal chevauchée par la porte et aboutit à un transistor MOSFET. Les dispositifs de capteurs micromécaniques à porte mo- bile ont habituellement des circuits d'exploitation pour détecter les plus petits mouvements qui ont en théorie un rapport signal/bruit remarquable et conviennent de ce fait pour les applications, par exemple dans le domaine des capteurs d'accélération miniaturisés à l'extrême. La figure 3 est une vue en coupe schématique servant à décrire le dispositif de capteur micromécanique à porte mobile connu, la coupe étant une coupe verticale. A la figure 3, la référence 2 désigne un substrat de sili- cium muni d'une région de drain 3, d'une région de source 4 et dans l'intervalle, une région de canal 7 pour former un transistor à effet de champ. Au-dessus de la région de canal 7, il y a une couche d'isolation de porte 5, par exemple une couche d'oxyde. La référence 6 désigne des charges de surface sur la couche d'isolation 5. L'intervalle Z sépare l'électrode de porte 1, mobile, au-dessus du substrat 2. Le fonctionnement d'un tel dispositif de capteur micromécanique à porte mobile est le suivant : une force externe déplace l'électrode de porte 1 dans la direction x,y et/ou dans la direction z. Ce décalage modifie le nombre des porteurs de charge dans la région de canal 7 et se traduit ainsi par une modification de la résistance entre la région de drain 3 et la région de source 4. Cette modification de la résistance se détecte en ce que l'on applique une tension constante et on mesure le courant correspondant ou on applique un courant constant et on mesure la variation de tension qui en résulte. Une particularité d'un tel dispositif de capteur est le bruit élevé pour les débattements dans la direction x,y et que l'on observe dans les applications réelles. Ce bruit élevé provient en grande partie de courants de fuite parasites. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces in- convénients et a ainsi pour objet un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la région de drain, la région de source et la région de canal étant prévues dans un substrat, et au moins les grands côtés de la région de canal ont une région de garde réalisée dans le substrat et ayant un second type de dopage identique au premier type de dopage mais avec une plus forte concentration de dopage que le premier type de dopage. L'idée de base de l'invention est l'utilisation d'une région de garde supplémentaire au moins sur les deux grands côtés de la ré- gion de canal pour réduire le courant de fuite et minimiser le bruit thermique. La région de garde limite l'influence des charges dans la région de canal et tout déplacement x,y de la porte mobile se traduit par une variation optimale de la conductivité du canal. Dans les dispositifs de capteur connus, le chevauchement modulé du canal développe des canaux parasites réduisant la sensibilité. En réduisant le courant de fuite selon l'invention, on diminue le bruit thermique du dispositif de capteur ce qui améliore le rapport signal/bruit (S/B). Cette réduction du rapport S/B permet de réaliser des dispositifs de capteur ayant des performances plus élevées ou de miniaturiser encore plus le noyau du capteur. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la région de canal a une forme annulaire entourant la région de drain, la région de source et la région de canal dans le substrat. Cette caractéristique se traduit par une fabrication ou un traitement plus simple avec des con- ditions de tolérance plus strictes quant au positionnement de la cu- vette. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la région de canal est couverte par au moins une couche d'isolation de porte, ce qui permet d'avoir de meilleures propriétés de surface et ainsi une moindre dispersion des paramètres de canal par l'oxyde utilisé. En outre, cette mesure se traduit par une sensibilité plus faible vis-à-vis des caractéristiques de l'environnement et des propriétés de l'environnement (par exemple l'humidité, la charge en particules ou autre). Suivant une autre caractéristique avantageuse, la porte mobile est en polysilicium. Ce moyen réduit les coûts de fabrication, ce qui permet d'utiliser une micromécanique de surface (micromécanique OMM). Suivant une autre caractéristique avantageuse, la région de garde comporte une borne de tension externe, permettant de définir le potentiel d'une cuvette et d'arriver en plus à une nouvelle réduction du courant de fuite lorsqu'on applique une tension appropriée. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile consis- tant à : réaliser un transistor à effet de champ avec une région de drain, une région de source et une région de canal entre les deux ayant un premier type de dopage et une porte mobile séparée de la région de canal par un intervalle, la région de drain, la région de source et la région de canal étant réalisées dans un substrat, et au moins les grands côtés de la région de canal ont une région de garde dans le substrat, cette région de garde ayant un second type de dopage identique au premier type de dopage mais avec une plus forte concentration en dopage. Selon une caractéristique du procédé, on réalise la région de garde par un procédé de diffusion ou d'implantation en utilisant un masque approprié. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de dispositif de capteur micromécanique représentés dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments ou les éléments de même fonction porteront les mêmes références dans les différentes figures. Ainsi : les figures 1A, 1B sont des vues en coupe schématique pour décrire un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile et un procédé de fabrication selon un exemple de l'invention : * la figure lA est une coupe verticale, * la figure 1B est une coupe horizontale selon la ligne A-A' de la figure 1A, la figure 2 est une coupe schématique pour décrire un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile et son procédé de fabrication selon un autre mode de réalisation de l'invention, coupé par un plan horizontal de façon analogue à la représentation de la fi- gure 1B, la figure 3 est une coupe schématique verticale d'un dispositif de capteur micromécanique connu, à porte mobile.35 Description de modes de réalisation de l'invention Les figures 1A, 1B sont des vues en coupe schématique servant à décrire un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile et son procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation s de l'invention, la figure la étant une coupe verticale et la figure 1B une coupe horizontale selon la ligne A-A' de la figure 1A. Aux figures 1A, 1B, la référence 2 désigne un substrat en silicium dans lequel on a une région de drain 3, une région de source 4 et entre les deux, une région de canal 7 formant un transistor à effet de 10 champ. La région de canal 7 comporte une couche d'isolation de porte 5, par exemple une couche d'oxyde. La référence 6 désigne les charges de surface sur la couche d'isolation 5. L'intervalle Z sépare l'électrode de porte 1, mobile au-dessus du substrat 2. A la différence du dispositif de capteur micromécanique 15 connu, décrit ci-dessus à l'aide de la figure 3, le mode de réalisation de l'invention comporte une région de garde 8 dans le substrat 2 entourant la région de drain 3, la région de source 4 et s'étendant le long des grands côtés Sl, S2 de la région de canal 7 dans le substrat. La région de garde 8 a un type de dopage, par exemple p+/p++ égal au type de 20 dopage de la région de canal 7, de type p mais avec une plus forte con- centration de dopage. Dans le cas du mode de réalisation présenté, la région de garde 8 descend plus en profondeur que la région de canal 7 mais cela peut varier selon les applications. En appliquant une tension supérieure à la tension de 25 seuil à la porte mobile 1, cela se traduit par le développement d'une ré- gion de canal 7, conductrice. Si la région de drain 3 et la région de source 4 ont une différence de potentiel, un courant mesurable passe entre les deux régions. Comme le champ électrique appliqué à la porte 1 n'est pas limité localement à la région géométrique de la région de canal 30 mais se déploie également à l'extérieur, dans le cas des dispositifs de capteur micromécanique connus, cela se traduit par le développement de courants de fuite parasites. La région de garde 8 selon l'invention qui est ici un an- neau de garde, augmente la tension de seuil ou repousse les porteurs 35 de charge qui ont une polarisation identique aux porteurs de charge de la région de canal 7 à l'extérieur de la région de canal définie géométriquement. Cela provient de ce que la région de garde 8 est dopée fortement avec des porteurs de charge identiques aux porteurs de charge de la région de canal 7. Par exemple, dans la région de canal 7 à dopage n, la région de garde 8 sera dopée avec des porteurs de charge n+/n++ et dans le cas d'une région de canal 7 à dopage p, la région de garde sera dopée avec des porteurs de charge p+/p++. En option, l'anneau de garde 8 a une borne de tension externe V ainsi mise à un potentiel fixe par l'intermédiaire d'un contact électrique. On peut en particulier imaginer que la région de canal 7 soit rétrécie pendant le fonctionnement du capteur par une tension correspondante appliquée à la borne de tension V de la région de garde ou anneau de garde 8. On atteint ainsi une concentration de champ dans la région de canal 7, ce qui augmente d'autant la sensibilité pour de faibles mouvements latéraux de la porte 1. La figure 2 est une coupe schématique servant à décrire un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile et son procédé de fabrication correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention. Cette figure est une vue en coupe horizontale analogue à celle représentée à la figure 1B. Dans ce second mode de réalisation, la région de garde 8a, 8b ne se présente pas sous une forme annulaire comme dans le premier mode de réalisation mais se compose pratiquement de deux régions en forme de bandes 8a, 8b dans le substrat 2 ; ces deux bandes sont parallèles aux grands côtés S1, S2 de la région de canal 7 et ont pratiquement la même longueur que la région de canal 7. Pour le reste, la structure de ce second mode de réalisa- tion est identique à celle du premier mode de réalisation décrit ci-dessus. L'invention s'applique d'une manière particulièrement avantageuse à des capteurs MEMS miniatures, économiques, très sensibles et robustes comme par exemple des capteurs inertiels, des capteurs de pression, des capteurs d'image, des micros, des commutateurs micromécaniques et autres éléments de ce type. Bien que l'invention ne soit pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus, elle peut être modifiée quant aux matières et aux topologies utilisées, informations qui ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs. 10 NOMENCLATURE 1 Electrode de porte 2 Substrat de silicium 3 Région de drain 4 Région de source 5 Couche d'isolation 6 Charges de surface 7 Région de canal 8 Région de garde/anneau de garde 8a, 8b Régions de garde 51, S2 Grands côtés de la région de canal 7 Z Intervalle/sens de déplacement15 REVENDICATIONS1°) Dispositif de capteur micromécanique à porte mobile (1) comprenant : un transistor à effet de champ ayant une région de drain (3), une région de source (4) et une région de canal (7) intermédiaire avec un premier type de dopage et une porte mobile (1) séparée de la région de canal (7) par un intervalle (Z), la région de drain (3), la région de source (4) et la région de canal (7) étant prévues dans un substrat (2), et au moins les grands côtés (51, S2) de la région de canal (7) ont une région de garde (8 ; 8a, 8b) réalisée dans le substrat (2) et ayant un second type de dopage identique au premier type de dopage mais avec une plus forte concentration de dopage que le premier type de dopage. 2°) Dispositif de capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de garde (8) a une forme annulaire entourant la région de drain (3), la région de source (4) et la région de canal (7) dans le subs- trat (2). 3°) Dispositif de capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de canal (7) est couverte par au moins une couche d'isolation de porte (5). 4°) Dispositif de capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la porte mobile (7) est en polysilicium. 5°) Dispositif de capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de garde (8 ; 8a, 8b) a une borne de tension externe (V).6°) Procédé de réalisation d'un dispositif de capteur micromécanique à porte mobile comprenant les étapes suivantes consistant à : réaliser un transistor à effet de champ avec une région de drain (3), une région de source (4) et une région de canal (7) entre les deux ayant un premier type de dopage et une porte mobile (1) séparée de la région de canal (7) par un intervalle (Z), la région de drain (3), la région de source (4) et la région de canal (7) étant réalisées dans un substrat (2), et au moins les grands côtés (Si, S2) de la région de canal (7) ont une région de garde (8 ; 8a, 8b) dans le substrat (2), cette région de garde ayant un second type de dopage identique au premier type de dopage mais avec une plus forte concentration en dopage. 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la région de garde (8 ; 8a, 8b) est réalisée par un procédé de diffusion ou un procédé d'implantation utilisant un masque approprié.20