Brevet FR3006501A1 — publié le 20141205

Capteur intégré à effet Hall L'invention concerne les circuits intégrés, notamment les capteurs à effet Hall intégrés au sein de tels circuits, et plus particulièrement ceux réalisés dans une technologie du type silicium sur isolant totalement déserté (FD SOI : Fully Depleted Silicon On Insulator). Un capteur à effet Hall génère, lorsqu'il est traversé par un courant dit « courant de polarisation », et soumis à un champ magnétique, une tension, dite tension Hall, dans une direction orthogonale à celles du courant et du champ magnétique. Il existe actuellement des capteurs à effet Hall réalisés dans une technologie de substrat silicium massif (technologie « bulk ») et comportant une région semi-conductrice ménagée dans le substrat massif et destinée à être parcourue par ledit courant de polarisation. Cependant l'épaisseur de ladite région semi-conductrice est généralement importante dans une telle technologie, ce qui pénalise le gain d'un tel capteur, c'est-à-dire le rapport entre la tension Hall et le courant de polarisation. En outre cette épaisseur est sujette à des variations en raison notamment du procédé de fabrication habituellement utilisé, ce qui a encore un impact négatif sur la valeur réelle du gain. Selon un mode de réalisation, il est proposé un capteur intégré à effet Hall présentant une sensibilité ou gain amélioré. Selon un aspect, il est proposé un capteur intégré à effet Hall, réalisé dans et sur une région d'un substrat du type du silicium sur isolant, un tel substrat du type SOI comportant un film semiconducteur disposé au dessus d'une couche isolante dite enterrée elle- même disposée au dessus d'un substrat support. Le capteur intégré comprend en outre une électrode enterrée disposé dans ladite région (généralement un caisson semi-conducteur) du substrat support sous la région de ladite couche isolante enterrée, des premiers moyens couplés à une première zone de ladite région du film et configurée pour recevoir un courant, des deuxièmes moyens couplés à une deuxième zone de ladite région du film et configurés pour délivrer le courant ayant traversé la région du film, des troisièmes moyens couplés à une troisième zone de ladite région dudit film et configurés pour délivrer une tension Hall, et des moyens de polarisation configurés pour polariser ladite électrode enterrée. Ainsi, l'utilisation d'une technologie du type SOI, et en particulier du type FD SOI, c'est-à-dire avec un substrat totalement déserté dans lequel le film semi conducteur est particulièrement mince, typiquement de l'ordre de la dizaine de nanomètre, permet d'avoir une épaisseur du film semi conducteur très bien contrôlée et donc quasi uniforme et ayant une valeur inférieure à celle de la région semi conductrice homologue réalisée en technologie substrat massif. De ce fait, puisque l'épaisseur physique du film semi conducteur est réduite, le gain ou sensibilité du capteur à effet Hall est augmenté puisque ce gain varie de façon proportionnelle à l'inverse de l'épaisseur du film. Par ailleurs, en combinaison avec l'utilisation d'une telle technologie, le fait de polariser l'électrode enterrée permet de diminuer la concentration de dopants du matériau semi conducteur du film pour se rapprocher de la concentration de dopants du matériau intrinsèque. De ce fait, la constante de Hall est augmentée, ce qui permet d'augmenter le gain du capteur. En outre, la polarisation de l'électrode enterrée permet de repousser les lignes de courant vers la surface du film semi conducteur, et par conséquent de diminuer l'épaisseur effective de la région de canal dans laquelle va circuler le courant traversant le capteur à effet Hall. Et, le fait de diminuer par effet de polarisation, l'épaisseur effective de la région dans laquelle va circuler le courant, permet encore d'augmenter le gain du capteur. Cette tension de polarisation dépend notamment du type de caisson sous le film du capteur et ne doit pas excéder la tenue en tension de l'oxyde et la diode éventuelle entre le caisson et le reste du substrat-support, typiquement 10 volts en valeur absolue. Selon un mode de réalisation, la concentration initiale de dopants dans la région du film semi-conducteur en l'absence de polarisation de ladite électrode enterrée est supérieure à la concentration de dopants du matériau semi-conducteur intrinsèque, en raison notamment du dopage résiduel dû à la réalisation par implantation de l'électrode enterrée, et la concentration de dopants dans ladite région du film semi conducteur en présence de polarisation de l'électrode enterrée est comprise entre ladite concentration du matériau intrinsèque et ladite concentration initiale, et préférentiellement égale ou voisine de cette concentration du matériau intrinsèque. Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant au moins un capteur tel que définie ci-avant. Et, selon un mode de réalisation, le circuit intégré peut comprendre en outre au moins un composant, par exemple un processeur, une métallisation couplée audit composant, disposée au voisinage du capteur, et destinée à être parcouru par un courant, par exemple le courant absorbé par le processeur, de façon à générer un champ magnétique au niveau dudit capteur. On prévoit alors des moyens de détermination configurés pour déterminer le courant circulant dans ladite métallisation. Ceci permet par l'utilisation du capteur intégré à effet Hall, de déterminer très simplement la valeur du courant, par exemple absorbé par le processeur, et d'appliquer alors par exemple des actions appropriées. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de génération d'une tension Hall au niveau d'un film semi-conducteur, comprenant une circulation d'un courant dans ledit film semi conducteur soumis à un champ magnétique et disposé au dessus d'une couche isolante dite enterrée elle-même disposée au dessus d'un substrat support contenant une électrode enterrée située sous la couche isolante, et une polarisation de ladite électrode enterrée. Selon un mode de mise en oeuvre la concentration initiale de dopants dans le film semi-conducteur en l'absence de polarisation de ladite électrode enterrée est supérieure à la concentration de dopants du matériau semi-conducteur intrinsèque, et on polarise ladite électrode enterrée avec une tension de polarisation choisie de façon à obtenir une concentration de dopants dans le film semi-conducteur comprise entre ladite concentration du matériau intrinsèque et ladite concentration initiale, préférentiellement égale ou voisine de ladite concentration du matériau intrinsèque. Selon un autre aspect, il est encore proposé un procédé de détermination d'un courant traversant une métallisation disposée au voisinage d'un film semi conducteur, procédé comprenant une mesure de la tension Hall générée au niveau dudit film par le procédé de génération telle que défini ci-avant, le champ magnétique auquel est soumis le film provenant du champ magnétique généré par la circulation dudit courant dans ladite métallisation, et une détermination du champ magnétique et une détermination dudit courant circulant dans ladite métallisation à partir de la valeur du champ magnétique. D' autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de mode de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 à 4 illustrent schématiquement différents modes de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référence CI désigne un circuit intégré réalisé dans une technologie SOI, et plus particulièrement dans une technologie FD SOI. Dans une technologie SOI, le substrat de type SOI comporte classiquement un film semi conducteur FLM disposé au dessus d'une région isolante enterrée BX, (communément désigné par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon BOX) elle-même disposée au dessus d'un substrat support SB, par exemple en silicium. Dans une technologie du type silicium sur isolant totalement déserté (FD SOI : Fully Depleted Silicon On Insulator) le film de silicium est particulièrement fin, par exemple de l'ordre de la dizaine de nanomètre, et est initialement formé de matériau intrinsèque, par exemple du silicium intrinsèque ayant un dopage de l'ordre de 1010 atomes par cm3. L'épaisseur de la couche isolante enterrée BX est typiquement de l'ordre de 25 nm. Le circuit intégré CI comporte, dans une région RG du substrat FD SOI, un capteur à effet Hall CPT. Ce capteur CPT comporte, dans ce mode de réalisation, une région de film semi-conducteur 3 disposée au dessus d'une région de couche isolante enterrée 4 elle-même disposée au dessus d'une région du substrat support qui comporte ici un caisson 1, par exemple de type de conductivité N, logé au sein d'un substrat sous-jacent de type P. Une électrode enterrée 2, communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « ground plane », et généralement réalisée par implantation de dopants, est disposée au sein du caisson 1 sous la région de couche isolante 4. Cette couche enterrée, est par exemple ici également de type N. Cela étant, généralement, la concentration de dopants de l'électrode enterrée 2 est supérieure à la concentration de dopants du caisson 1. Deux régions 5 et 6, en général épitaxiées, sont formées au dessus du film semi conducteur 3 de façon à permettre, comme on le verra ci-après, des prises de contact sur le film pour mesurer la tension Hall générée. La région de film 3, la région de couche isolante 4, l'électrode enterrée 2 et la région de caisson 1 située sous la région de couche isolante 4, sont isolés du reste du circuit intégré par une région isolante 7, par exemple des tranchées isolantes. Par ailleurs, afin de pouvoir polariser l'électrode enterrée 2, il est prévu à l'extérieur de la région isolante 7, un puits de contact comportant une région 10 plus fortement dopée, par exemple de dopage N+, de façon à permettre une prise de contact sur le caisson 1. Ce puits de contact est délimité par la région isolante 7 et par une autre région isolante 8. Des moyens de polarisation MPL comportant ici une source de tension de polarisation Vp vont permettre de polariser l'électrode enterrée 2 via le puits de contact 10 avec la tension de polarisation Vp. Le circuit intégré peut également comprendre, comme illustré sur la figure 1, dans une autre région RG1du circuit intégré, un caisson CSP de type P, polarisable par un puits de contact comportant une zone P+, et situé sous la couche isolante BX supportant le film semi- conducteur FLM. Dans cette autre région RG1 du circuit intégré, peuvent être ainsi réalisés d'autres composants, comme par exemple des transistors. La figure 2 illustre une vue de dessus schématique du capteur CPT tandis que la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne de la figure 2. On retrouve sur ces figures, la région de film semi conducteur 3 ayant une épaisseur physique D, disposée au dessus de la région de couche isolante 4 elle-même située au dessus de la région de caisson 1 comportant l'électrode enterrée 2 capable d'être polarisée via la région de contact 10 par la tension de polarisation Vp. Le capteur CPT comporte également à deux extrémités, ici les extrémités longitudinales, du film 3 deux régions 11, en général épitaxiées par exemple dopées N+. Le capteur CPT comporte par ailleurs des premiers moyens 111 couplés à une première zone, en l'espèce, une première extrémité longitudinale de ladite région du film 3 et configurées pour recevoir un courant de polarisation Idc et des deuxièmes moyens 110 couplés à une deuxième zone, en l'espèce l'extrémité longitudinale opposée, de ladite région du film 3, et configurés pour délivrer le courant ayant traversé ladite région du film 3. Comme illustrée sur la figure 3 notamment, les deuxièmes moyens 110 comportent une métallisation, située par exemple au niveau au métal 1 de la partie d'interconnexion (communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon BEOL : « Back End Of Lines »), et venant contacter la région 11 dopée N+ par l'intermédiaire de plots de contact, plus simplement désignés par « contacts » métalliques, par exemple en tungstène. Les premiers moyens 111 ont une structure analogue aux deuxièmes moyens 110. Comme illustré sur la figure 2, lorsque le film 3 est traversé par le courant de polarisation Idc et soumis au champ magnétique B orthogonal à la direction du courant de polarisation, il se créé une tension dite « tension Hall » VH orthogonale à la fois aux lignes du courant de polarisation et au champ magnétique. La tension VH est donc, en l'espèce, générée entre les deux extrémités latérales du film 3. Aussi, le capteur CPT comporte-il des troisièmes moyens couplés à une troisième zone, en l'espèce les deux extrémités latérales du film 3, par l'intermédiaire des deux zones dopées N+ 5 et 6 et configurés pour délivrer la tension Hall VH. Ces troisièmes moyens comportent notamment des métallisations 50 et 60 situés au niveau de métal 1 et en contact électrique avec les zones 5 et 6 par des contacts métalliques. La tension Hall VH est donnée par la formule (I) ci-dessous RhxIdcxB D dans laquelle : Rh désigne la constante de Hall, Idc désigne l'intensité du courant de polarisation traversant le film semi conducteur 3, B désigne l'intensité du champ magnétique et D désigne l'épaisseur effective de la région semi conductrice traversée par les lignes de courant. La constante de Hall Rh est quant à elle donnée par la formule (II) ci-dessous 1 Rh - r 1-b (II) q x p (1+b) dans laquelle : q désigne la charge élémentaire de l'électron, p, qui est supposé ici égal à n, désigne la densité des porteurs (trous et électrons), b désigne le rapport entre la mobilité des électrons et la mobilité des trous, et r est une constante. La densité des porteurs du matériau intrinsèque du film 3, en l'espèce le silicium, est égale à 1010 atomes par cm'. Par ailleurs, l'électrode enterrée 2 est généralement obtenue par implantation. De ce fait, après cette implantation, la queue de dopage de cette électrode enterrée conduit à une densité de porteurs dans le film 3 de l'ordre de 1015 atomes par cm'. La tension de polarisation Vp a pour effet de modifier n et p dans le film 3 pour diminuer leur concentration et ramener celle-ci au niveau de celle du silicium intrinsèque, c'est-à-dire de l'ordre de 1.1010 atomes par cm'. De ce fait, il ressort de la formule (II) que la diminution de la concentration p a pour effet d'augmenter la constante de Hall Rh. Il ressort alors de la formule (I) que l'augmentation de cette constante de Hall a pour effet d'augmenter le rapport VH/Idc, c'est-à- dire le gain ou la sensibilité du capteur. Par ailleurs, la tension de polarisation Vp a également pour effet de repousser les lignes de courant vers la face supérieure du film semi conducteur 3 et donc par conséquent de réduire l'épaisseur « effective » de la zone du film 3 dans laquelle passent effectivement les lignes de courant Idc. En conséquence, cette épaisseur prend une valeur qui est inférieure à la valeur D physique du film 3, ce qui a donc pour effet, en vertu de la formule (I), d'augmenter encore le gain du capteur CPT. A titre indicatif le passage d'une technologie substrat massif à une technologie FD SOI 28 nanomètres permet, sans polarisation du caisson, de gagner un facteur de l'ordre de 1000 sur le gain du capteur en raison principalement de la réduction d'épaisseur du capteur. En polarisant l'électrode enterrée on peut encore gagner un facteur supplémentaire compris entre 1,5 et 10. Les applications d'un tel capteur à effet Hall sont multiples, comme par exemple la mesure du champ électromagnétique dans un appareil d'imagerie médicale du type IRM, ou encore, la détermination de la valeur du courant absorbé par un composant, par exemple un processeur, ou bien un domaine d'activité d'un circuit intégré, de façon à pouvoir commander par exemple l'activité du processeur. A cet égard, comme illustré sur la figure 4, pour pouvoir mesurer le courant 12 absorbé par un composant CMP, par exemple un processeur, de façon à pouvoir notamment contrôler son activité, on dispose au voisinage du capteur CPT une métallisation MTL connectée au composant CMP. Cette métallisation MTL va être traversée par le courant 12 et, par conséquent, générer un champ magnétique (loi de Biot et Savart) au niveau du capteur CPT. Le capteur CPT va, lorsqu'il est parcouru par le courant de polarisation Il généré par les moyens de génération GEN, générer au niveau des métallisations 50 et 60 la tension Hall VH qui va être mesurée par les moyens MTR1. Les moyens MTR1 vont donc en déduire (formule (I)) la valeur du champ magnétique B générée par le courant 12 et, les moyens MTR2 vont alors pouvoir calculer le courant 12 à partir de la valeur déterminée du champ magnétique B, en utilisant la relation de Biot et Savart. Les moyens MTR1 et MTR2 peuvent comprendre par exemple un convertisseur analogique numérique connecté en sortie à des circuits logiques ou à un module logiciel au sein d'un microcontrôleur, ou bien comprendre des éléments purement analogiques basés sur des amplificateurs/comparateurs. REVENDICATIONS1. Procédé de génération d'une tension Hall au niveau d'un film semi-conducteur, comprenant une circulation d'un courant dans ledit film semi-conducteur (3) soumis à un champ magnétique et disposé au dessus d'une couche isolante (4) dite enterrée elle-même disposée au dessus d'un substrat support (1) contenant une électrode enterrée (2) située sous la couche isolante, et une polarisation (Vp) de ladite électrode enterrée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la concentration initiale de dopants dans le film semi-conducteur (3) en l'absence de polarisation de ladite électrode enterrée (2) est supérieure à la concentration de dopants du matériau semi-conducteur intrinsèque, et on polarise ladite électrode enterrée avec une tension de polarisation (Vp) choisie de façon à obtenir une concentration de dopants dans le film semi-conducteur comprise entre ladite concentration du matériau intrinsèque et ladite concentration initiale, préférentiellement égale ou voisine de ladite concentration du matériau intrinsèque. 3. Procédé de détermination d'un courant traversant une métallisation disposée au voisinage d'un film semi-conducteur, comprenant une mesure de la tension hall générée au niveau dudit film par le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, le champ magnétique auquel est soumis le film provenant du champ magnétique généré par la circulation dudit courant (I2) dans ladite métallisation (MTL), et une détermination du champ magnétique et une détermination dudit courant(I2) traversant ladite métallisation à partir de la valeur du champ magnétique. 4.Capteur intégré à effet Hall, réalisé dans et sur une région d'un substrat du type silicium sur isolant comportant un film semi- conducteur disposé au dessus d'une couche isolante dite enterrée elle- même disposée au dessus d'un substrat support, et comprenant en outre une électrode enterrée (2) disposée dans ladite région du substrat support (1) sous ladite région de ladite couche isolante enterrée (4),des premiers moyens (111) couplés à une première zone de ladite région du film et configurés pour recevoir un courant (Ide), des deuxièmes moyens (110) couplés à une deuxième zone de ladite région dudit film et configurés pour délivrer le courant ayant traversé ladite région dudit film(3), des troisièmes moyens (50, 60) couplés à une troisième zone de ladite région dudit film et configurés pour délivrer une tension Hall, et des moyens de polarisation (Vp) configurés pour polariser ladite électrode enterrée. 5. Capteur selon la revendication 4, dans lequel la concentration initiale de dopants dans ladite région du film semi- conducteur en l'absence de polarisation de ladite électrode enterrée (2) est supérieure à la concentration de dopants du matériau semiconducteur intrinsèque, et la concentration de dopants dans ladite région du film semi-conducteur en présence de polarisation de ladite électrode enterrée est comprise entre ladite concentration du matériau intrinsèque et ladite concentration initiale, préférentiellement égale ou voisine de ladite concentration du matériau intrinsèque. 6. Capteur selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel le substrat sur isolant est un substrat sur isolant totalement déserté. 7. Circuit intégré comprenant au moins un capteur selon l'une des revendications 4 à 6. 8. Circuit intégré selon la revendication 7, comprenant en outre au moins un composant (CMP), une métallisation (MTL) couplée audit composant, disposée au voisinage du capteur, et destinée à être parcourue par un courant de façon à générer un champ magnétique au niveau dudit capteur, et des moyens de détermination (MTR1, MTR2) configurés pour déterminer le courant circulant dans ladite métallisation.