FR2765401A1 - Dispositif capteur, notamment chimique, et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif capteur.Elle se rapporte à un dispositif capteur qui comprend un substrat semi-conducteur, un couche sensible (4) placée sur une première partie du substrat semi-conducteur, des conducteurs (20) de la couche sensible disposés sur une seconde partie du substrat semi-conducteur et au contact de la couche sensible (4), et une couche de passivation disposée sur les conducteurs (20) de la couche sensible et le substrat semi-conducteur, la couche de passivation ayant des ouvertures de contact rejoignant les conducteurs (20) de la couche sensible et disposées de manière qu'une partie au moins de la surface supérieure de la couche sensible (4) soit exposée. La la couche de passivation est une couche unique d'oxyde ou d'oxynitrure de silicium.Application aux capteurs, notamment chimiques.
Description
a présente invention concerne un dispositif capteur, et un procédé pour la fabrication de ce dispositif.
On consacre beaucoup de travaux à l'intégration de dispositifs capteurs chimiques et à d'autres types analogues de capteurs, tels que les biocapteurs, sous forme de circuits intégrés.
De tels dispositifs capteurs comportent habituellement un substrat semi-conducteur, une couche conductrice formée sur une partie du substrat, et une couche sensible formée sur la couche conductrice avec interposition d'une couche isolante. La couche conductrice forme l'organe de chauffage de la couche sensible à certaines températures. La température à laquelle est chauffée la couche sensible détermine la sélectivité du dispositif capteur. Dans le cas de certaines couches sensibles, par exemple formées d'un matériau à base d'une phtalocyanine, un organe de chauffage n'est pas nécessaire. La température de l'organe de chauffage est réglée par réglage d'un signal de tension appliqué à la couche conductrice par des conducteurs métalliques couplés à cette couche.
La réponse du dispositif capteur est déterminée par mesure de la résistance de la couche sensible par des conducteurs métalliques connectés à la couche sensible.
Les capteurs chimiques fonctionnent habituellement à des températures comprises entre 150 et 700 OC et il peut arriver qu'ils aient à fonctionner dans des milieux agressifs. A ces températures élevées et dans de tels milieux, le dispositif capteur risque de s'oxyder et/ou d'être soumis à des forces destructrices. Par exemple, dans certains milieux, la corrosion des conducteurs métalliques peut poser un problème. En outre, au niveau des contacts des conducteurs métalliques et de l'organe de chauffage, la température peut atteindre 300 OC. Dans le cas d'un organe de chauffage formé de silicium polycristallin, à ces températures élevées, le silicium polycristallin entourant les contacts peut s'oxyder en donnant une dérive de la résistance de l'organe de chauffage. Dans des conditions extrêmes, l'organe de chauffage de silicium polycristallin peut être mis en court-circuit.
Ainsi, il faut une certaine protection du dispositif capteur contre le milieu pendant l'utilisation, mais cette protection ne doit pas réduire les performances du dispositif capteur.
L'invention concerne un dispositif capteur qui comprend un substrat semi-conducteur, un couche sensible placée sur une première partie du substrat semi-conducteur, des conducteurs de la couche sensible disposés sur une seconde partie du substrat semi-conducteur et au contact de la couche sensible, et une couche de passivation disposée sur les conducteurs de la couche sensible et le substrat semiconducteur, la couche de passivation ayant des ouvertures de contact rejoignant les conducteurs de la couche sensible et disposées de manière qu'une partie au moins de la surface supérieure de la couche sensible soit exposée.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un dispositif capteur, qui comprend les étapes suivantes la disposition d'un substrat semi-conducteur, la formation d'une couche sensible sur une première partie du substrat semi-conducteur, la formation de conducteurs de la couche sensible s'étendant sur une seconde partie du substrat semiconducteur et au contact de la couche sensible, et la formation d'une couche de passivation qui s'étend sur les conducteurs de la couche sensible et le substrat semiconducteur afin que le dispositif soit protégé, la couche de passivation ayant des ouvertures de contact s'étendant jusqu'aux conducteurs de la couche sensible et disposées de manière qu'une partie au moins de la surface supérieure de la couche sensible soit exposée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une vue schématique en plan d'un premier dispositif capteur selon la présente invention
les figures 2 à 11 sont des coupes schématiques simplifiées d'une partie du premier dispositif capteur de la figure 1 lors de différentes étapes de fabrication
la figure 12 est une vue schématique en plan d'un second dispositif capteur selon la présente invention ; et
les figures 13 à 22 sont des coupes schématiques simplifiées de parties du second dispositif capteur de la figure 12 au cours de différentes étapes de la fabrication.
la figure 1 est une vue schématique en plan d'un premier dispositif capteur selon la présente invention
les figures 2 à 11 sont des coupes schématiques simplifiées d'une partie du premier dispositif capteur de la figure 1 lors de différentes étapes de fabrication
la figure 12 est une vue schématique en plan d'un second dispositif capteur selon la présente invention ; et
les figures 13 à 22 sont des coupes schématiques simplifiées de parties du second dispositif capteur de la figure 12 au cours de différentes étapes de la fabrication.
On décrit l'invention, dans la description qui suit, en référence à un dispositif capteur chimique à semiconducteur. Cependant, il faut noter que l'invention peut aussi s'appliquer à tout autre dispositif capteur, par exemple à des biocapteurs, qui possèdent une couche sensible, cette couche étant sensible à un paramètre détecté par le dispositif capteur, avec des conducteurs métalliques au contact de la couche sensible.
On se réfère d'abord à la figure 1 ; un premier dispositif capteur chimique à semi-conducteur 2, dans un premier mode de réalisation de l'invention, comporte une couche sensible 4 et un organe de chauffage 10. Dans le mode de réalisation préféré, l'organe 10 de chauffage possède une couche conductrice ayant un trou 28, destiné à être aligné pratiquement sur le centre de la couche sensible 4. Des conducteurs métalliques 20 de la couche sensible sont au contact de cette couche 4 par des contacts 6 et 8 et s'écartent de la couche 4 pour venir à des plages de contact 16, 18. Des conducteurs métalliques 26 d'organes de chauffage sont au contact de la couche conductrice de l'organe 10 par des contacts 12, 14 et s'écartent de la couche conductrice de l'organe 10 pour parvenir à des plages de contact 22, 24.
Une couche de passivation (non représentée sur la figure 1) est placée pratiquement sur la totalité du premier dispositif capteur 2, sauf sur les plages de contact 16, 18, 22, 24 et sur une partie au moins de la couche sensible 4 afin que le dispositif soit protégé contre le milieu environnant. Par exemple, la couche de passivation protège les conducteurs métalliques 20, 26 et l'organe 10 de chauffage de la corrosion et de l'oxydation.
On décrit maintenant, en référence aux figures 1 à 11, un procédé de fabrication du premier dispositif capteur chimique à semi-conducteur 2 dans le premier mode de réalisation de l'invention. Bien que le substrat conducteur, des couches et des régions soient indiqués avec certains types de conductivité et soient formés de certains matériaux dans la description qui suit, celle-ci n'est donnée qu'à titre illustratif. li'invention n'est nullement limitée par les types particuliers de conductivité ni les matériaux particuliers indiqués dans le présent mémoire.
La figure 2 est un schéma en coupe simplifiée d'une partie du dispositif capteur chimique à semi-conducteur 2 de la figure 1. Une première couche 32, par exemple une couche diélectrique formée d'un matériau à base de nitrure ou d'oxyde thermique, est formée sur un substrat semi-conducteur 30, par exemple un substrat de silicium < 100 > de type
P. Une couche conductrice 34 qui, dans le mode de réalisation préféré, est une couche de silicium polycristallin, est formée sur la première couche 32, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). La couche conductrice 34 est alors dopée par une matière de dopage ayant un type de conductivité N+ par exécution d'un dépôt préalable dans une chambre ayant une source de la matière de dopage. Dans le cas d'une matière de dopage de phosphore, une phosphine gazeuse est utilisée comme source de dopage.
P. Une couche conductrice 34 qui, dans le mode de réalisation préféré, est une couche de silicium polycristallin, est formée sur la première couche 32, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). La couche conductrice 34 est alors dopée par une matière de dopage ayant un type de conductivité N+ par exécution d'un dépôt préalable dans une chambre ayant une source de la matière de dopage. Dans le cas d'une matière de dopage de phosphore, une phosphine gazeuse est utilisée comme source de dopage.
La tranche est alors chauffée dans un four, de préférence à 950 C, pendant 4 h.
La couche conductrice 34 est alors soumise à une opération de formation de motifs et attaquée pour la réalisation de la couche conductrice 34 sur une partie du substrat semi-conducteur 30. La couche conductrice 34 qui reste après les étapes de formation de motifs et d'attaque chimique constitue l'organe 10 de chauffage destiné a dispositif capteur chimique à semi-conducteur 2. Une couche isolante 36 est alors formée sur la couche conductrice 34 et les parties exposées de la première couche 32. De préférence, la couche isolante 36 est une couche d'un orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) qui se dépose sur la couche conductrice 34 dans une opération de dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma (PECVD). Une couche de barrage 38 est formée sur la couche isolante 36 (figure 3).
La couche sensible 4 est alors formée sur une partie de la couche de barrage 38 afin qu'elle recouvre la couche conductrice 34 (figure 4). La couche sensible 4 est formée par dépôt initial (par pulvérisation, évaporation ou revêtement) d'une couche d'un matériau sensible à l'espèce chimique à détecter par le dispositif capteur, sur la totalité du dispositif, puis par utilisation de la formation des motifs pour retirer les parties de la couche et ne laisser que la couche sensible 4. Dans le mode de réalisation préféré, le matériau sensible est un oxyde métallique et on utilise une technique classique de séparation par arrachement.
La tranche subit alors un traitement à hautes températures destiné à assurer la stabilité de la couche sensible 4. Dans le mode de réalisation préféré qui possède une couche sensible 4 d'un oxyde métallique, la tranche est chauffée dans un four à 650 OC, en atmosphère contenant 33 k d'oxygène à une pression partielle pendant 6 h afin que la couche sensible 4 subisse une oxydation assurant sa stabilité.
Après le traitement d'oxydation à hautes températures, la couche 38 de barrage est mise sous forme de motifs. La couche 38 de barrage et la couche isolante 36 sont alors attaquées (par une opération d'attaque à sec) pour la formation d'ouvertures 40 et 42 destinées à des contacts ohmiques pénétrant dans la couche conductrice comme indiqué sur la figure 5 et destinés à former les contacts 14 et 12 de l'organe de chauffage respectivement. La figure 5 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique à semi-conducteur 2 de la figure 1, par la ligne AA'.
La métallisation, par exemple de chrome-titane-platine, est formée sur la tranche par évaporation. La métallisation est alors soumise à la formation de motifs par une opération de séparation par arrachement ou par attaque chimique qui laisse les conducteurs métalliques 26 de l'organe de chauffage (figure 5) et les conducteurs métalliques 20 de la couche sensible (voir la figure 6 qui est un schéma en coupe d'une partie du dispositif capteur chimique à semiconducteur 2 de la figure 1 par la ligne BB'). Les conducteurs métalliques 26 de l'organe de chauffage sont disposés sur une partie de la couche 38 de barrage et dans les ouvertures 40 et 42 des contacts ohmiques afin qu'ils soient au contact de la couche conductrice 34. Les conducteurs métalliques 20 de la couche sensible s'étendent sur une partie de la couche 38 de barrage et une partie de la couche sensible 4 afin qu'ils soient au contact de la couche sensible 4. Dans une variante, les conducteurs métalliques 20 de la couche sensible peuvent s'étendre juste sur la couche de barrage afin qu'ils soient en butée contre la couche sensible 4 mais ne s'étendent pas sur elle.
Une couche 48 de passivation est alors formée, de préférence par une opération de dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma, sur la tranche, c'est-à-dire sur les conducteurs métalliques 20 et 26 de la couche sensible et de l'organe de chauffage, les parties exposées de la couche 38 de barrage et la couche sensible 4 (voir la figure 7 qui est une coupe schématique d'une partie du dispositif 2 par la ligne AA' de la figure 1, et la figure 8 qui est une coupe schématique d'une partie du dispositif 2 par la ligne B-B' de la figure 1).
La couche 48 de passivation est alors soumise à l'opération de formation de motifs et d'attaque pour la délimitation d'un certain nombre d'ouvertures dans la couche 48 de passivation. Ces ouvertures comprennent des ouvertures de contact destinées aux plages 16, 18 et 22, 24 de contact des conducteurs métalliques 20 et 26 respectivement et une ouverture 52 pour la couche sensible 4 (voir les figures 9, 10 et 11). La figure 9 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique 2 par la ligne AA' de la figure 1 et la figure 10 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique 2 par la ligne BB' de la figure 1. La figure 11 est une coupe schématique d'une ouverture de contact 50 destinée à la plage 24 de contact de la figure 1, par la ligne CC'.
De préférence, les ouvertures de contact formées dans la couche de passivation pour les plages 16, 18, 22, 24 de contact sont destinées à être placées à distance de la couche conductrice 34 de silicium polycristallin. Cette disposition réduit le risque d'oxydation de la couche conductrice de silicium polycristallin par l'intermédiaire des plages de contact.
Des liaisons par fil sont alors formées sur les plages de contact 16, 18, 22, 24.
Il faut noter que d'autres étapes sont nécessaires pour la réalisation totale du dispositif capteur chimique à semiconducteur 2 dans le mode de réalisation préféré de l'invention, telles qu'une attaque complémentaire du substrat 30 de silicium afin que la première couche 32 soit exposée dans la région de l'organe de chauffage 10. Cependant, ces étapes sont bien connues dans la technique et ne sont pas importantes pour la compréhension de la présente invention.
Les couches sensibles d'oxyde métallique sont poreuses.
Ainsi, la couche 38 de barrage est nécessaire pour la protection de la couche isolante placée sous la couche sensible d'oxyde métallique pendant les étapes suivant le dépôt de la couche sensible d'oxyde métallique, par exemple pendant la séparation de la métallisation et pendant l'attaque de la couche de passivation. Cependant, si les étapes suivantes ne comprennent que des opérations telles qu'une attaque à sec ou lorsqu'on utilise une couche sensible non poreuse, la couche de barrage 38 peut être omise. La couche de barrage 38 est ainsi formée d'un matériau qui est isolant et constitue un barrage aux ions provenant de l'atmosphère. Dans le mode de réalisation préféré, la couche 38 de barrage est une couche de nitrure de silicium.
La couche 48 de passivation est formée d'un matériau choisi en fonction de son aptitude à induire une contrainte dans le silicium, de son aptitude à supporter des températures pouvant atteindre 700 OC, et de son aptitude à supporter des substances agressives du milieu, telles que le sel, le chlore ou l'oxygène.
La couche 48 de passivation peut comprendre une première couche de 50 à 1 000 nm d'épaisseur, par exemple une couche d'oxyde de silicium de 50 nm d'épaisseur, sous une couche de nitrure de silicium de 50 à 150 nm d'épaisseur. La couche de nitrure de silicium agit efficacement contre la diffusion de l'oxygène et la couche d'oxyde de silicium protège les conducteurs métalliques 20, 26 contre des réactions indésirables avec des gaz réactifs utilisés pour le dépôt de la couche de nitrure de silicium à 480 OC. Cette couche de passivation est attaquée à sec ou par des procédés à sec et humide pour la formation des ouvertures dans la couche de passivation. Dans un autre mode de réalisation, la couche 48 de passivation peut comprendre une seule couche de 50 à 1 000 nm d'épaisseur, par exemple une couche d'oxynitrure de silicium de 50 à 200 nm d'épaisseur. Dans ce cas, les ouvertures sont formées par attaque de type humide avec par exemple une solution d'acide fluorhydrique.
Ainsi, dans le dispositif capteur chimique à semiconducteur du premier aspect de la présente invention, la couche sensible est formée et le traitement à hautes températures est réalisé avant la métallisation, si bien que la métallisation n'est pas exposée aux étapes de traitement à hautes températures. Les problèmes posés par l'oxydation des conducteurs métalliques (couche conductrice de silicium polycristallin) au cours de la fabrication peuvent donc être évités. Par exemple, selon la présente invention, on peut utiliser n'importe quel métal pour la métallisation. Cela signifie que l'organe de chauffage ne doit pas être obligatoirement formé d'un métal et il peut être formé de tout matériau conducteur qui donne une bonne homogénéité de température, et il peut être facilement réalisé par un procédé de fabrication de circuits intégrés, par exemple à partir de silicium polycristallin.
La couche de passivation protège le dispositif capteur à semi-conducteur, sauf les plages de contact et la couche sensible 4, lors des étapes ultérieures de traitement et pendant l'utilisation du dispositif capteur.
Pendant l'utilisation, la couche de passivation protège le dispositif capteur contre les matières contaminantes, telles que le sel, et protège aussi la couche conductrice et les contacts contre l'oxydation à hautes températures : les contacts du dispositif de chauffage peuvent atteindre des températures de l'ordre de 300 C. Comme les plages de contact sont placées loin de la couche conductrice, l'oxydation de celle-ci est réduite.
Ainsi, grâce à la protection de la métallisation et de la pastille, l'invention accroît la fiabilité et la durée de service du dispositif capteur.
On se réfère maintenant à la figure 12 qui représente un second dispositif capteur chimique à semi-conducteur 102 dans un second mode de réalisation de l'invention, comprenant une couche sensible 104 et un organe de chauffage 110.
Les éléments analogues à ceux du dispositif capteur chimique 2 représenté sur les figures 1 à 11 portent les mêmes références numériques, précédées du chiffre 1 des centaines.
Dans le mode de réalisation préféré, l'organe de chauffage 110 comporte une couche conductrice ayant un trou 128 qui est destiné à être aligné pratiquement sur le centre de la couche sensible 104.
Des conducteurs métalliques 120 de la couche sensible sont au contact de la couche sensible 104 au niveau de contacts 106, 108 et s'écartent de la couche sensible 104 vers des plages de contact 116, 118. Des conducteurs métalliques 126 d'organe de chauffage sont au contact de la couche conductrice de l'organe 110 par des contacts 112, 114 et s'écartent de la couche conductrice de l'organe 110 vers des plages de contact 122, 124.
Une couche de passivation (non représentée sur la figure 12) est placée sur la totalité pratiquement du second dispositif capteur 102, sauf sur les plages de contact 116, 118, 122, 124 et une partie au moins de la couche sensible 104 afin que le dispositif soit protégé contre le milieu environnant.
On décrit maintenant, en référence aux figures 12 à 22 des dessins, un procédé de fabrication du second dispositif capteur chimique à semi-conducteur 102 dans le second mode de réalisation de l'invention.
La figure 13 est une couche élastique simplifiée d'une partie du second dispositif capteur chimique 102 de la figure 12. Une première couche 132, par exemple une couche diélectrique formée d'un matériau à base de nitrure ou d'oxyde thermique, est réalisée sur un substrat semiconducteur 130, par exemple un substrat de silicium < 100 > de type P. Une couche conductrice 134 qui, dans le mode de réalisation préféré, est une couche de silicium polycristallin, est formée sur la première couche 132, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression. La couche conductrice 134 est alors dopée par une matière de dopage donnant un type de conductivité N+ par une opération de dépôt préalable dans une chambre à l'aide d'une source d'une matière de dopage. Dans le cas d'un dopage par le phosphore, une phosphine est utilisée comme source de matière de dopage. La tranche est alors chauffée au four, par exemple à 950 OC pendant 4 h.
La couche conductrice 134 est alors mise sous forme de motifs et attaquée pour la réalisation de la couche conductrice 134 sur une partie du substrat semi-conducteur 130.
Cette couche conductrice 134 qui reste après l'opération de formation de motifs et d'attaque, constitue l'organe 110 de chauffage du dispositif capteur 102. Une couche isolante 136 est alors formée sur la couche conductrice 134 et les parties exposées de la première couche 132. La couche isolante 136 est de préférence une couche d'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) déposée sur la couche conductrice 134 par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma.
La couche isolante 136 est alors soumise aux opérations de formation de motifs et d'attaque pour la réalisation d'ouvertures de contacts ohmiques 135 et 137 rejoignant la couche conductrice 134 comme indiqué sur la figure 14 pour les contacts 112 et 114 de l'organe de chauffage respectivement. La figure 14 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 de la figure 12, par la ligne AA'.
Une métallisation, par exemple de chrome-titaneplatine, est réalisée sur la tranche par évaporation. Cette métallisation est alors soumise à la formation de motifs et à une attaque chimique ou un arrachement qui laissent les conducteurs métalliques 126 (figure 14) de l'organe de chauffage et les conducteurs métalliques 120 de la couche sensible (voir la figure 15 qui est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 de la figure 12 par la ligne BB'). Les conducteurs métalliques 126 de l'organe de chauffage sont disposés sur une partie de la couche isolante 136 et dans les ouvertures des contacts ohmiques 135 et 137 afin qu'ils soient au contact de la couche conductrice 134. Les conducteurs métalliques 120 de la couche sensible s'étendent sur une partie de la couche isolante 136.
Une couche 148 de passivation est alors formée sur la tranche par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma, c'est-à-dire sur les conducteurs métalliques 120 de la couche sensible et les conducteurs métalliques 126 et les parties exposées de la couche isolante 136 (voir la figure 16 qui est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 par la ligne AA' de la figure 12 et la figure 17 qui est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 par la ligne BB' de la figure 12).
La couche 148 de passivation est alors soumise à une opération de formation de motifs et à une attaque chimique qui délimitent un certain nombre d'ouvertures dans la couche 148 de passivation. Ces ouvertures comprennent des ouvertures de contact destinées aux plages 116, 118, 122 et 124 de contact des conducteurs métalliques 120 et 126 de la couche sensible et de l'organe de chauffage, et aux ouvertures 152, 153 de la couche sensible (voir figures 18, 19 et 20) . Les ouvertures 152, 153 atteignent les conducteurs métalliques 120. La figure 18 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 par la ligne AA' de la figure 12 et la figure 19 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur 102 par la ligne BB' de la figure 12. La figure 20 est une coupe schématique d'une ouverture de contact 150 destinée à la plage 124 de contact de la figure 12, par la ligne CC'.
De préférence, les ouvertures de contact formées dans la couche 48 de passivation et destinées aux plages de contact 116, 118, 122, 124 sont destinées à s'écarter de la couche conductrice 134 de silicium polycristallin. Le risque d'oxydation de la couche conductrice de silicium polycristallin par l'intermédiaire des plages de contact est alors réduit.
La couche sensible 104 est alors formée sur une partie de la couche 148 de passivation afin qu'elle recouvre la couche conductrice 134 (figures 21, 22) et elle s'étend dans les ouvertures 152 et 153 de la couche sensible afin que la couche sensible 104 soit au contact des conducteurs métalliques 120. La figure 21 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique 102 par la ligne
AA' de la figure 12, et la figure 22 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique 102 par la ligne BB' de la figure 12. La couche sensible 104 est formée par dépôt initial (par pulvérisation, évaporation ou revêtement) d'une couche d'une matière sensible à l'espèce chimique à détecter par le dispositif capteur sur la totalité du dispositif, puis par utilisation de la formation de motifs pour l'extraction de parties de la couche qui laissent la couche sensible 104. Dans le mode de réalisation préféré, la matière sensible est une phtalocyanine et on utilise la technique classique d'enlèvement par arrachement.
AA' de la figure 12, et la figure 22 est une coupe schématique d'une partie du dispositif capteur chimique 102 par la ligne BB' de la figure 12. La couche sensible 104 est formée par dépôt initial (par pulvérisation, évaporation ou revêtement) d'une couche d'une matière sensible à l'espèce chimique à détecter par le dispositif capteur sur la totalité du dispositif, puis par utilisation de la formation de motifs pour l'extraction de parties de la couche qui laissent la couche sensible 104. Dans le mode de réalisation préféré, la matière sensible est une phtalocyanine et on utilise la technique classique d'enlèvement par arrachement.
La tranche subit alors le traitement à hautes températures assurant la stabilité de la couche sensible 104. Dans le mode de réalisation préféré qui possède une couche sensible de phtalocyanine, la tranche est chauffée dans un four à 150 OC en présence d'air pendant 5 h.
Des liaisons par fil sont alors formées avec les plages de contact 116, 118, 122, 124.
I1 faut noter qu'il faut d'autres étapes pour la fabrication complète du dispositif capteur chimique à semiconducteur 102 dans le mode de réalisation préféré de l'invention, par exemple une attaque par l'arrière du substrat 130 de silicium afin que la première couche 132 soit exposée dans la région de l'organe de chauffage 110.
Cependant, ces étapes sont bien connues des hommes du métier et n'ont pas d'importance pour la compréhension de la présente invention.
La couche 148 de passivation est formée d'un matériau choisi en fonction de son aptitude à induire des contraintes dans le silicium, de son aptitude à supporter des températures jusqu'à 700 OC et de son aptitude à supporter des substances agressives présentes dans le milieu, par exemple un sel, du chlore ou de l'oxygène.
Par exemple, la couche 148 de passivation peu comprendre une première couche de 50 à 1 000 nm d'épaisseur, par exemple une couche d'oxyde de silicium de 50 nm d'épaisseur, sous une couche de nitrure de silicium de 50 à 150 nm d'épaisseur. La couche de nitrure de silicium empêche efficacement la diffusion d'oxygène, et la couche d'oxyde de silicium protège la première et la seconde couche métallique 144, 146 contre les réactions indésirables avec des gaz réactifs utilisés pour le dépôt de la couche de nitrure de silicium à 480 OC. Dans un autre mode de réalisation, la couche de passivation 148 peut comprendreune seule couche de 50 à 1 000 nm d'épaisseur, par exemple une couche unique d'oxynitrure de silicium de 50 à 200 nm d'épaisseur.
Ainsi, avec le dispositif capteur chimique à semiconducteur du second mode de réalisation de l'invention, la couche sensible est réalisée et le traitement à hautes températures est exécuté après métallisation. La couche de passivation, formée avant la couche sensible, protège la métallisation pendant le traitement à hautes températures et le dispositif lui-même lors des étapes ultérieures de traitement et contre le milieu pendant toute la durée de service du dispositif capteur.
Le premier dispositif 2 et le second dispositif capteur 102 selon l'invention utilisent tous deux une couche de passivation destinée à protéger le dispositif contre le milieu pendant son utilisation. Dans le cas du premier dispositif capteur 2, les conducteurs métalliques 20, 26 sont formés après que la couche sensible 4 a été formée, alors que, dans le second dispositif capteur 102, les conducteurs métalliques 120, 126 sont formés avant que la couche sensible 104 ne soit formée. La nature du matériau utilisé pour la couche sensible détermine celui des deux modes de réalisation qui donne la structure préférée.
Par exemple, les dispositifs capteurs chimiques ayant une couche sensible d'oxyde métallique nécessitent un traitement à hautes températures d'environ 650 OC en atmosphère oxydante, indépendamment du fait que la couche sensible est formée par dépôt métallique et oxydation ou par dépôt direct d'un oxyde, pour la stabilisation du degré d'oxydation et ainsi pour la stabilisation de la résistivité de la couche sensible. Lorsque les contacts métalliques sont formés avant le traitement à hautes températures, à moins que les contacts ne soient formés de métaux qui peuvent résister à ces températures élevées, les contacts métalliques s'oxydent et peuvent donner une dérive de 2 à 3 k de la résistance de l'organe de chauffage et donc une réduction de la stabilité du dispositif capteur.
Ainsi, dans le cas de dispositif capteur ayant une couche sensible d'un oxyde métallique, les conducteurs métalliques sont de préférence formés après que la couche sensible a été formée et a subi le traitement à hautes températures, comme dans le premier dispositif capteur 2 décrit précédemment.
Les dispositifs capteurs ayant des couches sensibles formées d'un matériau qui est plus fragile que les oxydes métalliques nécessitent un traitement de stabilisation à plus basses températures. Par exemple, les couches sensibles de phtalocyanine nécessitent un traitement de stabilisation à 150 OC. Comme une métallisation nécessite habituellement une stabilisation à 450 OC, dans le cas d'un dispositif capteur ayant une couche sensible de phtalocyanine, des conducteurs métalliques doivent être formés avant le traitement de formation de la couche sensible comme dans le second dispositif capteur 102 décrit précédemment.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif assurant la protection du dispositif capteur contre les milieux agressifs afin que la fiabilité et la durée de service du dispositif soient
Claims (19)
1. Dispositif capteur, caractérisé en ce qu'il comprend
un substrat semi-conducteur (30, 130),
un couche sensible (4, 104) placée sur une première partie du substrat semi-conducteur (30, 130),
des conducteurs (20, 120) de la couche sensible disposés sur une seconde partie du substrat semi-conducteur (30, 130) et au contact de la couche sensible (4, 104), et
une couche de passivation (48, 148) disposée sur les conducteurs (20, 120) de la couche sensible et le substrat semi-conducteur (30, 130), la couche de passivation (48, 148) ayant des ouvertures de contact rejoignant les conducteurs (20, 120) de la couche sensible et disposées de manière qu'une partie au moins de la surface supérieure de la couche sensible (4, 104) soit exposée.
2. Dispositif capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de passivation (48, 148) est une couche unique d'un matériau ayant une épaisseur comprise entre 50 et 1 000 nm.
3. Dispositif capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche unique est une couche unique d'oxyde ou d'oxynitrure de silicium.
4. Dispositif capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de passivation (48, 148) comporte une première couche dont l'épaisseur est comprise entre 50 et 1 000 nm et une seconde couche placée sur la première et dont l'épaisseur est comprise entre 50 et 150 nm.
5. Dispositif capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première couche est une couche d'oxyde de silicium et la seconde couche une couche de nitrure de silicium.
6. Dispositif capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre
une couche conductrice placée au moins sur la première partie du substrat semi-conducteur (30, 130) sous la couche sensible (4, 104), la couche conductrice formant un organe de chauffage (10, 110) du dispositif capteur, et
des conducteurs (26, 126) d'organe de chauffage (10, 110), disposés sur une troisième partie du substrat semiconducteur (30, 130) et au contact de la couche conductrice, la couche de passivation (48, 148) s'étendant sur les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110) et comprenant en outre des ouvertures de contact rejoignant les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110).
7. Dispositif capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures de contact formées dans la couche de passivation (48, 148) sont disposées afin qu'elles ne recouvrent pas la couche conductrice.
8. Dispositif capteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la couche conductrice est une couche de silicium polycristallin.
9. Dispositif capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre
une couche isolante (36, 136) placée sur la couche conductrice et le substrat semi-conducteur (30, 130), et
une couche de barrage (38) placée sur la couche isolante (36, 136), la couche sensible (4, 104) s'étendant sur une première partie de la couche de barrage (38), les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110) s'étendant sur une seconde partie de la couche de barrage (38) et étant au contact de la couche conductrice par des ouvertures qui traversent la couche de barrage (38) et la couche isolante (36, 136), les conducteurs (20, 120) de la couche sensible s'étendant sur une troisième partie de la couche de barrage (38) afin qu'ils soient au contact de la couche sensible (4, 104), et la couche de passivation (48, 148) s'étendant sur la couche sensible (4, 104) et les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110), la partie restante exposée de la couche de barrage (38) et une partie de la couche sensible (4, 104).
10. Dispositif capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de barrage (38) est une couche de nitrure de silicium.
11. Dispositif capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche isolante (36, 136) formée sur la couche conductrice et le substrat semi-conducteur (30, 130), et les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110) s'étendent sur une première partie de la couche isolante (36, 136) et sont au contact de la couche conductrice par des ouvertures formées dans la couche isolante (36, 136), les conducteurs (20, 120) de la couche sensible s'étendent sur une seconde partie de la couche isolante (36, 136), la couche de passivation (48, 148) s'étend sur les conducteurs (20, 120) de la couche sensible et de l'organe de chauffage (10, 110) et sur la couche isolante (36, 136), et la couche sensible (4, 104) est formée au moins dans des ouvertures de la couche de passivation (48, 148) qui s'étendent jusqu'aux conducteurs (20, 120) de la couche sensible.
12. Procédé de fabrication d'un dispositif capteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
la disposition d'un substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation d'une couche sensible (4, 104) sur une première partie du substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation de conducteurs (20, 120) de la couche sensible s'étendant sur une seconde partie du substrat semiconducteur (30, 130) et au contact de la couche sensible (4, 104), et
la formation d'une couche de passivation (48, 148) qui s'étend sur les conducteurs (20, 120) de la couche sensible et le substrat semi-conducteur (30, 130) afin que le dispositif soit protégé, la couche de passivation (48, 148) ayant des ouvertures de contact s'étendant jusqu'aux conducteurs (20, 120) de la couche sensible et disposées de manière qu'une partie au moins de la surface supérieure de la couche sensible (4, 104) soit exposée.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes
la formation d'une couche conductrice sur la première partie au moins du substrat semi-conducteur (30, 130) sous la couche sensible (4, 104), la couche conductrice formant un organe de chauffage (10, 110) du dispositif capteur, et
la formation de conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110), s'étendant sur une troisième partie du substrat semi-conducteur (30, 130) et au contact de la couche conductrice, la couche de passivation (48, 148) s'étendant sur les conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110) et comprenant des ouvertures de contact s'étendant jusqu'aux conducteurs (26, 126) de l'organe de chauffage (10, 110).
14. Procédé de fabrication d'un dispositif capteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
la disposition d'un substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation d'une couche conductrice sur une partie du substrat semi-conducteur (30, 130), la couche conductrice formant un organe de chauffage (10, 110) du dispositif capteur,
la formation d'une couche isolante (36, 136) sur la couche conductrice et le substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation d'une couche de barrage (38) sur la couche isolante (36, 136),
la formation d'une couche sensible (4, 104) sur une première partie de la couche de barrage (38),
la formation d'une ouverture dans la couche de barrage (38) et la couche isolante (36, 136), l'ouverture traversant la couche de barrage (38) et la couche isolante (36, 136) jusqu'à la couche conductrice,
la formation d'un premier conducteur s'étendant sur une seconde partie de la couche de barrage (38) et dans l'ouverture afin qu'il soit au contact de la couche conductrice,
la formation d'un second conducteur s'étendant sur une troisième partie de la couche de barrage (38) afin qu'il soit au contact de la couche sensible (4, 104),
la formation d'une couche de passivation (48, 148) sur le premier et le second conducteur, la partie exposée restante de la couche de barrage (38) et la couche sensible (4, 104),
la formation d'ouvertures de contact et d'une ouverture de capteur dans la couche de passivation (48, 148), l'ouverture de capteur s'étendant à travers la couche de passivation (48, 148) jusqu'à la couche sensible (4, 104) et les ouvertures de contact s'étendant à travers la couche de passivation (48, 148) jusqu'aux premier et second conducteurs, et
la formation de plages (16, 18, 22, 24 ; 116, 118, 122, 124) de contact dans les ouvertures de contact de la couche de passivation (48, 148) afin qu'elles soient au contact des premier et second conducteurs respectifs.
15. Procédé de fabrication d'un dispositif capteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
la disposition d'un substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation d'une couche conductrice sur une partie du substrat semi-conducteur (30, 130), la couche conductrice formant un organe de chauffage (10, 110) du dispositif capteur,
la formation d'une couche isolante (36, 136) sur la couche conductrice et le substrat semi-conducteur (30, 130),
la formation d'une ouverture dans la couche isolante (36, 136), l'ouverture s'étendant à travers la couche isolante (36, 136) jusqu'à la couche conductrice,
la formation d'un premier conducteur s'étendant sur une première partie de la couche isolante (36, 136) et dans l'ouverture afin qu'il soit au contact de la couche conductrice,
la formation d'un second conducteur s'étendant sur une seconde partie de la couche isolante (36, 136),
la formation d'une couche de passivation (48, 148) sur les premier et second conducteurs et la couche isolante (36, 136),
la formation d'ouvertures de contact et d'une ouverture de capteur dans la couche de passivation (48, 148), l'ouverture de capteur traversant la couche de passivation (48, 148) jusqu'au second conducteur et les ouvertures de contact s'étendant à travers la couche de passivation (48, 148) jusqu'aux premier et second conducteurs,
la formation d'une couche sensible (4, 104) au moins dans l'ouverture de capteur dans la couche de passivation (48, 148) afin que la couche sensible (4, 104) soit au contact du second conducteur, et
la formation de plages (16, 18, 22, 24 ; 116, 118, 122, 124) de contact dans les ouvertures de contact de la couche de passivation (48, 148) afin qu'elles soient au contact des premier et second conducteurs respectifs.
16. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'étape de formation de la couche sensible (4, 104), une étape de chauffage du dispositif capteur à une température comprise entre 150 et 650 OC.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de barrage (38) comprend la formation d'une couche de nitrure de silicium sur la couche isolante (36, 136).
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de passivation (48, 148) comprend les étapes suivantes
la formation d'une couche d'oxyde de silicium sur le premier et le second conducteur, la partie exposée restante de la couche de barrage (38) et la couche sensible (4, 104), et
la formation d'une couche de nitrure de silicium sur la couche d'oxyde de silicium.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de passivation (48, 148) comprend la formation d'une seule couche d'oxynitrure de silicium sur les premier et second conducteurs, la partie exposée restante de la couche de barrage (38) et la couche sensible (4, 104).
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| FR9708005A FR2765401B1 (fr) | 1997-06-26 | 1997-06-26 | Dispositif capteur, notamment chimique, et son procede de fabrication |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1273908A1 (fr) * | 2001-07-05 | 2003-01-08 | Microchemical Systems S.A. | Capteur chimique de gaz |
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1997
- 1997-06-26 FR FR9708005A patent/FR2765401B1/fr not_active Expired - Fee Related
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