FR2837984A1 - Procede de fabrication d'un dispositif en couche mince realise sur un substrat notamment un capteur, ainsi que dispositif en couche mince - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un dispositif en couche mince réalisé sur un substrat (1, 26, 48) notamment un capteur (20), ayant un système de couches fonctionnelles (2) relativement minces formé de plusieurs couches séparées constituant comme ensemble une partie électrique fonctionnelle essentielle du dispositif à couche mince pour les structures électriques (41-44), et une métallisation (4) appliquée sur le système de couches fonctionnelles pour des contacts (21, 22) et des chemins conducteurs (4a, 23). Le système de couches fonctionnelles (2) et la métallisation (4) sont réalisés successivement sans dans l'intervalle être mis en contact avec l'atmosphère ambiante; ensuite on effectue la mise en structure des couches.

Description

liaison (25, 26) sont des blocs conducteurs.

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif en couche mince réalisé sur un substrat notamment un capteur, qui comporte un système de couches fonctionnelles relativement s minces formé de plusieurs couches séparées constituant comme ensemble une partie électrique fonctionnelle essentielle du dispositif à couche mince

pour les structures électriques, et une métallisation appliquée sur le sys-

tème de couches fonctionnelles pour des contacts et des chemins con-

ducteurs. o L'invention concerne également un dispositif en couche mince notamment capteur, ayant un système fonctionnel relativement mince formé de plusieurs couches fonctionnelles constituant comme en semble une composante fonctionnelle électrique essentielle du dispositif des structures électriques, ainsi que des contacts appliqués sur le système

fonctionnel et des chemins conducteurs avec une métallisation.

Etat de la technique On réalise souvent les capteurs pour des grandeurs à me surer qui modifient la résistance d'une couche de capteurs sous la forme de montage en pont de Wheatstone pour éliminer l'influence de la tempé o rature sur le signal à traiter. Le traitement dans un tel capteur se fait en utilisant la différence de tension entre deux branches du montage en pont entre lesquelles se trouvent des résistances dépendant des grandeurs à mesurer. La figure 4 montre un montage en pont 40 habituel formé de quatre résistances 41-44. Chaque fois deux résistances 41 et 42 ou 43 et 44 forment une branche 49, 50 du montage en pont. Entre les résistan ces 41, 42 et les résistances 43, 44, des deux branches 49, 50 du pont 40, on prend la tension de capteur 45 pendant que le pont 40 est traversé par

un courant d'entrée 46 ou un courant de sortie 47.

Pour mesurer des gradients d'une grandeur par exemple d'un champ magnétique avec une excursion de signal aussi grande possi ble, il est avantageux de séparer les résistances de mesure 43, 42 et 44, 41 dans l'espace comme cela est représenté schématiquement à la figure 5 tout en les reliant par des chemins conducteurs électriques sur un subs 3s trat 48 (voir à cet effet la figure 2). Lorsqu'on place un tel circuit 40 dans un champ magnétique homogène, la tension 48 fournie par le pont est idéalement égale à zéro. Si au contraire on est en présence d'un champ magnétique extérieur non homogène, on peut mesurer le gradient du champ magnétique par une tension 45 différente de zéro correspondant

au désaccord du pont.

Mais un tel capteur soumis à de multiples influences peut avoir une tension de décalage même pour des grandeurs pour lesquelles la tension du pont devrait normalement étre égale à zéro. Des résistances de mesure non idéales qui peuvent donner une tension de décalage peuvent correspondre aux causes suivantes: a) des variations de l'épaisseur de la couche résistante, b) une structure irrégulière pour la fabrication de la structure en pont, o c) des erreurs de conception en particulier des longueurs ou des largeurs différentes des résistances,

d) des chemins conducteurs comme lignes d'alimentation vers les résis-

tances avec des défauts d'homogénéité selon les points a)... c), e) des défauts d'homogénéité aux points de contact des résistances avec les lignes d'alimentation. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispositif en couche mince notamment un capteur sous la forme d'un montage en pont Wheatstone ne présentant pas de défauts d'homogénéité, ou qui pré sentent des défauts relativement faibles qui entranent par exemple dans

les caractéristiques des couches des tensions de décalage faibles.

Exposé et avantages de l'invention

A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-

dessus caractérisé en ce que le système de couches fonctionnelles et la 2s métallisation sont réalisés successivement sans dans l'intervalle étre mis en contact avec l'atmosphère amblante, et ensuite on effectue la mise en

structure des couches.

L'invention concerne également un dispositif du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'on a toujours un système de couches

fonctionnelles sous les chemins conducteurs.

C ette façon de pro céder rep o se sur le fait qu'en p articulier dans des dispositifs de capteur utilisant des montages en pont de mesure de Wheatetone, on rencontre des tensions de décalage du fait qu'à la mise en contact de structures réalisées à partir du système de couches fonc

tionnelles, on a des irrégularités liées à la métallisation.

Cette difficulté sera explicitée à l'aide du procédé de fabri-

cation actuel.

Si l'on utilise par exemple un système à couches GMR (GMR, Grande Résistance Magnéto) comme matière sensible en général, pour le procédé de fabrication, on applique tout d'abord sur un substrat par exemple une plaquette de silicium avec par exemple une couche de s dioxyde de siliclum, la matière GMR déposce avec par exemple une couche de protection de chrome ou de tantale. Ensuite on réalise la structure de cette construction en couche pour obtenir des résistances appropriées pour le montage en pont de Wheatstone. La couche protectrice a pour but d'éviter l'oxydation de la pile de couches GMR pendant la mise en struc o ture en particulier lors du pelage, c'est-à-dire de l'enlèvement de la couche

de photolaque, dans un plasma d'oxygène. La couche protectrice qui sub-

siste sur la couche GMR doit être aussi mince que possible (dans un ordre

de grandeur de 5 à 15 nm) pour ne pas gêner autant que possible le fonc-

tionnement de la couche GMR. Sur les structures GMR avec la couche

s protectrice, on applique ensuite la métallisation, en général par pulvérisa-

tion et également par mise en structure. Pour réaliser un contact électri-

que de qualité suffisamment bonne entre la matière GMR et la métallisation, immédiatement avant la pulvérisation, on enlève la couche d'oxyde formée sur la couche protectrice par une étape d'attaque chimique o en général une gravure par pulvérisation. Cette étape d'attaque chimique ou de gravure doit se faire sans interruption du vide, directement avant

l'application de la couche de métallisation pour éviter la formation de cou-

ches d'oxyde les plus minces, avant d'appliquer la métallisation. On risque ainsi de n'enlever que partiellement la couche d'oxyde, ce qui se traduit s directement par des défauts d'homogénéité de la résistance de passage entre la métallisation et la couche GMR avec la couche protectrice. En cas de gravures excessives de la couche protectrice, on aura certes enlevé complètement l'oxyde gênant mais on a alors le risque d'endommager le système de couche GMR, ce qui se traduit par des résistances irrégulières et ainsi par des problèmes de décalage. Au contraire dans le procédé de l'invention, les couches sont appliquées successivement sans risque d'oxydation. Cela permet d'obtenir des résistances très régulières entre la

métallisation et la couche GMR déjà lors du dépôt. En réalisant les con-

tacts, on supprime ainsi un prétraitement de la surface à mettre en con 3s tact par gravure chimique et qui serait délicat à cause d'une gravure

excessive. Ainsi, le procédé selon l'invention convient tout particulière-

ment pour des systèmes de couches fonctionnelles ayant un grand nom bre de couches séparées et l'épaisseur globale des couches est de manière

caractéristique de l'ordre de 40 à 150 nm.

Pour éviter que le système de couches fonctionnelles subis-

sent des dommages lors de la mise en structure de la métallisation aux s endroits o l'on enlève la métallisation, il est en outre proposé de déposer une couche protectrice entre le système de couches fonctionnelles et la métallisation, sans mise en contact avec l'atmosphère amblante entre les applications des couches. On réalise ainsi non seulement des contacts homogènes sous la métallisation mais également des structures électri

o ques à partir du système de couches fonctionnelles, possédant des pro-

priétés électriques encore plus régulières.

Une possibilité de ne pas exposer les couches à l'atmosphère amblante entre les dépôts consiste à déposer le système de couches fonctionnelles, la métallisation et le cas échéant une couche pro s tectrice entre les deux couches au cours d'une même étape de mise sous vide. I1 est en outre particulièrement avantageux que dans une

étape suivante, on met en structure tout d'abord seulement la métallisa-

tion pour réaliser les contacts et les chemins conducteurs. Cette mise en o structure se fait de préférence sélectivement sur à la couche fonctionnelle,

le cas échéant sur une couche protectrice. En utilisant une couche pro-

tectrice, on obtient ce résultat par exemple en ce que l'on enlève tout d'abord la plus grande partie de l'épaisseur de la couche (par gravure, par faisceaux ioniques ou procédé IBE), puis on effectue une gravure par voie s humide qui peut se contrôler facilement de manière sélective par rapport à la couche protectrice pour l'enlèvement résiduel de la métallisation. Pour ce procédé, on protoge la métallisation aux endroits o elle doit subsister de préférence par une couche de photolaque qui sera pelée au cours d'une étape ultérieure du procédé, c'est-à-dire qu'elle sera enlevoe par exemple

avec un plasma d'oxygène.

Il est en outre avantageux qu'après avoir généré les contacts et les chemins conducteurs, on effectue la mise en structure du système

de couches fonctionnelles avec le cas échéant une couche protectrice jus-

qu'à arriver au substrat (substrat non conducteur). Cette étape de mise en

3s structure est effectuce de préférence à l'aide d'un masque de photolaque.

Dans un procédé de fabrication utilisant une couche pro-

tectrice, il faut veiller à choisir l'épaisseur de la couche protectrice pour que par enlèvement du masquage de photolaque dans un plasma s d'oxygène 02, on n'oxyde pas complètement la couche protectrice dans son épaisseur. En effet, on attaquerait alors de nouveau le système des

couches fonctionnelles par exemple la pile de couches GMR.

Au cas o pour la mise en structure du système de couches s fonctionnelles avec une couche protectrice, on ne masque pas les chemins conducteurs déjà réalisés (à l'exception des zones de contact), il est en outre préférable de fixer l'épaisseur de la métallisation pour qu'après la gravore du système de couches fonctionnelles avec la couche protectrice, lorsqu' on attaque également normalement la métallisation, il sub siste o l'épaisseur finale souhaitée pour la métallisation. Dans la mesure o la vitesse de gravure de la métallisation (rM), celle du système de couches fonctionnelles (rFs) ainsi que celle de la couche protectrice (rs) dans le mi lieu de gravure sont connues pour le système de couches fonctionnelles et la couche protectrice, on aura l'épaisseur de la métallisation (dM) qu'il faut déposer pour qu'il subsiste l'épaisseur finale souhaitée de la métallisation (dMw) en application de la relation suivante: dM = dMw + ( dFs + ds) * rM/taux de gravure moyens de (rFs + rs' Dans cette formule dFs est d'épaisseur du système de cou

ches fonctionnelles; ds est l'épaisseur de la couche protectrice.

Dans la mesure o il n'a pas de couche protectrice dans la

structure stratifiée, ds et vs seront égaux à zéro.

Un dispositif à couche mince réalisé selon le procédé pré sente toujours sous les chemins conducteurs, un système de couches

fonctionnelles et le cas échéant une couche protectrice.

2s Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de plu sieurs exemples de réalisation représentés schématiquement dans les des sins annexés dans lesquels: - les figures la-lc sont des vues en coupe schématique d'étapes de pro so cédé différentes d'un dispositif de capteur explicitant le procédé de fa brication, - la figure 2 montre la conception pour la fabrication d'un capteur; ici, il s'agit d'un gradiométre GMR, les figures 3a-3d sont des vues en coupe schématique à différents sta as des du procédé de fabrication d'un dispositif de capteur réalisé selon un procédé habituel, - la figure 4 est un schéma de principe d'un pont de mesure de Wheats tone, - la figure 5 montre la conception de principe d'un pont de mesure de Wheatstone applicable à un dispositif de capteur à gradiométre repré

senté de manière détaillée à la figure 2.

Description de modes de réalisation

On décrira ci-après un procédé connu de fabrication d'un capteur tel qu'un gradiométre GMR avec un système de couches fonction nelles GMR composé de plusieurs couches séparées en se référant ci après aux figures 3a-3d: a) tout d'abord, sur un substrat ou support 30, on dépose une couche o GMR31 et une couche protectrice 32 au cours d'une méme opération effectuée sous vide, b) puis on réalise une mise en structure commune de la couche GMR31 et de la couche protectrice 32. Cela peut se faire par exemple par l'application d'un masque de photolaque avec la structure correspon s dante suivie de la gravure de la couche GMR et de la couche protec trice, par exemple par gravure IBE (gravure par faisceaux d'électrons) et pelage du vernis (combustion de photolaque) dans un plasma d'oxygène 02. En particulier l'étape d'enlèvement de photolaque dans le plasma 02 a un effet oxydant sur la couche protectrice 32 (voir à cet o effet la figure 3b), c) c'est pourquoi, il faut une étape de retour du dépôt d'une couche de métallisation 33 pour enlever la couche d'oxyde développée sur la cou che protectrice 32. Cela peut se faire par exemple par attaque physique dans un plasma (attaque par pulvérisation). Pour cela est important s qu'après l'étape de gravure en retrait, au cours d'une méme étape de mise sous vide, on applique la métallisation pour éviter une nouvelle oxydation de la couche protectrice avant l'application de la métallisa tion (voir à cet effet la figure 3c), d) dans l'étape finale du procédé, on réalise la structure de la métallisa tion 33. Cela se fait régulièrement avec un masque de photolaque suivi de la gravure de la métallisation; on utilise par exemple la combinai son d'une étape de gravure à sec (gravure par faisceaux ioniques) suivie d'une gravure par vue humide. Dans le procédé de gravure par voie humide, on n'attaque pas le substrat 30 de sorte qu'il constitue à ce

3s niveau une barrière de gravure.

La photolaque est enlevé de nouveau avec un plasma de d'oxygène 02. Cela se traduit par une oxydation surfacique de la métalli

sation et une nouvelle oxydation de la couche protectrice restante.

Dans le système à couches fonctionnelles comme par exem-

ple un système à couches GMR, l'étape de gravure chimique en retrait dé-

crite sous le point c) est particulièrement délicate à effectuer car la couche protectrice ne peut être appliquée sur une épaisseur quelconque, de ma s nière à ne pas détériorer le futur fonctionnement de la couche GMR. Déjà pour une faible gravure chimique excessive dans la couche protectrice, on

endommage le système de couches GMR. De plus pour la mise en struc-

ture suivante de la métallisation, il faut également disposer d'une épais-

seur résiduelle suffisante pour la couche protectrice (voir la référence d)).

o Dans tous les cas, pour éviter une difficulté de décalage en particulier dans les montages en pont électriques de mesure Wheatstone, il faut avant l'application de la métallisation, enlever complètement l'oxyde en surface. Méme les plus faibles restes d'oxyde conduisent à un décalage gênant. Indépendamment de cela, méme lorsque l'oxyde a été enlevé com s plètement, on risque de rencontrer des défauts d'homogénéité si l'étape de gravure en un retrait ne s'effectue pas régulièrement. Cela conduit à des épaisseurs différentes pour la couche protectrice et ainsi à des tensions de

surface ou à des variations de propriété d'un capteur à l'autre.

Le pro cédé de fabrication p erfectionné d'un capteur no o tamment d'un capteur de type gradiométre GMR sous la forme d'un mon tage en pont de mesure de Wheatetone est explicité aux figures la-lc et sera décrit ciaprès: a) tout d'abord on dépose une pile de couches sur un substrat 1 au cours d'une opération de mise sous vide commune; cette opération se com s pose d'un système de couches fonctionnelles minces 2, d'une couche protectrice 3 et d'une métallisation 4. Le système de couches fonction nelles est par exemple une couche GMR. Mais il peut également s'agir d'un autre système de couches sensibles, minces comme par exemple d'une couche AMR (anisotrope magnétique résistant) ou TMR (résis

so tance à effet magnétique de tunnel), avec des systèmes de couches.

Comme couches protectrices, on utilise de préférence du chrome ou du tantale avec une épaisseur de couche par exemple de 5 à 15 nm. Pour réaliser la métallisation, on dépose avantageusement de l'alumintum

(voir à cet effet la fgure la).

s b) ensuite on met en structure la métallisation 4 pour former les chemins conducteurs; contrairement toutefois à ce qui est habituel, cette mé tallisation ne se fait pas juste qu'au substrat isolant mais seulement

jusqu'au niveau de la couche protectrice 3 (voir à cet effet la figure lb) .

La mise en structure de la métallisaffon 4 peut se faire avec un masque de photolaque en utilisant un procédé de gravures combinés compre nant une phase de gravure à sec par exemple une gravure IBE ou des gravures humides pour obtenir la sélectivité par rapport à la couche s protectrice 3. Dans ce stade du procédé, il faut définir géométrique ment les structures des chemins conducteurs qui sont néanmoins court-ctrcuitées par le fond conducteur (couche protectrice 3). Le mas que de photolaque est enlevé de préférence par un plasma d'oxygène 02 par combustion. Mais alors la métallisation à la surface et celle de la o couche protectrice 3, qui vient d'étre dégagée sont oxydées, c) puis on réalise la structure des zones de capteur jusqu'au substrat isolant (voir à cet effet la figure lc)). Dans cette étape, on enlève égale ment le fond con du cteur dans la zone à côté d es chemins con du cteurs pour réaliser la fonction de capteur et de chemins conducteurs. A la différence du procédé habituel, on aura alors un système de couches fonctionnelles 2 sous les chemins conducteurs 4a. Cette mise en structure de la couche protectrice 3 et du système de couches fonc tionnelles 2 sera effectuée de préférence à l'aide d'un masque de pho tolaque habituel; la gravure de la couche protectrice 3 et du système o de couches fonctionnelles 4 peut se faire par l'intermédiaire d'un pro cédé IBE. L'enlèvement de la couche de photolaque peut se faire là en core avec un plasma à oxygène 02. Cela augmente encore plus l'épaisseur d'oxyde dans la couche protectrice et le cas échéant égale

ment pour les chemins conducteurs.

s Ainsi l'épaisseur de la couche protectrice 3 peut étre choisie pour que le système de couches fonctionnelles 2 ne soit pas complètement oxydé au travers après les deux étapes d'enlèvement du photolaque, mais que l'oxyde se situe totalement à l'intérieur de la plage de couche protec

trice non encore oxydée.

L'épaisseur de la métallisation dans ce dépôt doit étre di mensionnée pour qu'après la gravure du système de couches fonctionnel les 2, il subsiste l'épaisseur finale souhaitée de la métallisation 4, 4a, si dans cette étape, la métallisation 3 n'est pas protégée dans cette zone des points de contact le vernis et que par ailleurs le milieu de gravure a enlevé

3s la métallisation.

La figure 2 montre une conception pratique 20 d'un capteur sous la forme d'un gradiométre GMR réalisé comme circuit en pont de Wheatstone. Sur le côté gauche, on a réalisé deux résistances 43, 42 du pont avec un tracé en méandres imbriqués (voir à cet effet la disposition

schématique de la figure 5). Sur le côté droit, on a également des résistan-

ces de pont 44, 41 imbriquées sous la forme de méandres.

Les résistances de pont 41-44 sont reliées au niveau des points de contact 21, 22 par des chemins conducteurs aux patins de branchement 24 par lesquels on peut assurer l'alimentation électrique avec les courants 46, 47 ainsi qu'au niveau du patin de branchement 25 permettant de prendre la tension de pont 45. Le capteur gradiométrique

est réalisé de préférence sur un substrat de siliclum 26.

Claims (7)

R E V E N D I C A T I O N S

1 ) Procédé de fabrication d'un dispositif en couche mince réalisé sur un substrat (1, 26, 48) notamment un capteur (20), qui comporte un système de couches fonctionnelles (2) relativement minces formé de plusieurs cou ches séparces constituant comme ensemble une partie électrique fonc- tionnelle essentielle du dispositif à couche mince pour les structures électriques (41-44), et une métallisation (4) appliquée sur le systéme de

couches fonctionnelles pour des contacts (21, 22) et des chemins conduc-

teurs (4a, 23), o caractérisé en ce que le systéme de couches fonctionnelles (2) et la métallisation (4) sont réalisés successivement sans dans l'intervalle être mis en contact avec

l'atmosphére ambiante, et ensuite on effectue la structure des couches.

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' entre le systéme de couches fonctionnelles (2) et la métallisation on dépose une couche protectrice sans produire de contact avec l'atmosphére am

biante entre les applications des couches.

3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le systéme de couches fonctionnelles (2) et la métallisation (4) ainsi qu'une couche protectrice possible (3) sont déposés au cours d'un même procédé

effectué sous vide.

4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on structure la métallisation (4) pour réaliser les contacts (21, 22) et des

chemins conducteurs (23).

) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on structure le systéme de couches fonctionnelles (2) jusqu'à atteindre le

substrat (1, 26) pour générer les contacts (21, 22) et les chemins conduc-

teurs (23).

6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'

on effectue les étapes de structure avec des masques de photolaque.

7 ) Procédé selon l'une quelconque des caractéristiques 2 à 5, caractérisé en ce que

l'on choisit l'épaisseur de la couche protectrice (3) pour qu'après enlève-

ment de l'un ou des deux masques de photogravure dans un plasma O2,

on ne traverse pas complètement la couche protectrice (3) en l'oxydant.

o 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fixe l'épaisseur de la métallisation (4) pour qu'une épaisseur donnée de

métallisation (4) subsiste après la gravure du système de couches fonc-

tionnelles (2) et d'une éventuelle couche protectrice (3), gravure qui atta-

que également la métallisation (4).

9 ) Dispositif en couche mince notamment capteur, ayant un système

fonctionnel (2) relativement mince formé de plusieurs couches fonction-

nelles constituant comme ensemble une composante fonctionnelle électri que essentielle du dispositif des structures électriques (41-44), ainsi que

des contacts (21, 22) appliqués sur le système fonctionnel (2) et des che-

mins conducteurs (4a, 23) avec une métallisation (4), caractérisé en ce que l'on a toujours un système de couches fonctionnelles (2) sous les chemins

:5 conducteurs (4a, 23).

) Dispositif en couche mince selon la revendication 9, caractérisé en ce que sur le système de couches fonctionnelles, avant la métallisation, on appli

que une couche protectrice de façon à avoir toujours un système de cou-

ches fonctionnelles (2) et une couche protectrice (3) sous les chemins