FR2845200A1 - Procede de fabrication d'un composant electronique incluant une structure micro-electromecanique - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un composant électronique incluant une structure micro-électromécanique comportant des portions métalliques ancrées sur un substrat (1) par des zones d'ancrage (20), et possédant des zones (24) mécaniquement séparées du substrat (1) aptes à se déplacer par rapport audit substrat (1), caractérisé en ce qu'il comporte :• des étapes de réalisation, au-dessus du substrat, d'au moins deux couches (8) superposées à base de dioxyde de silicium, les deux couches, à savoir la couche supérieure et la couche inférieure (8) ayant des formulations chimiques différentes ;• une ou plusieurs étapes de réalisation, à travers les couches superposées à base de dioxyde de silicium (8), de zones d'ancrage (20) des portions métalliques sur le substrat ;• une ou plusieurs étapes de réalisation, au dessus de la couche supérieure à base de dioxyde de silicium, de zones (24) des portions métalliques destinées à être séparées mécaniquement du substrat ;• une étape de gravure de la couche supérieure à base de dioxyde de silicium, par une phase gazeuse d'acide fluorhydrique anhydre.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN COMPOSANT ELECTRONIQUE

INCLUANT UNE STRUCTURE MICRO-ELECTROMECANIQUIE.

Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la rnicroéiectronique, et plus précisément au secteur de fabrication de composants incluant des structures microélectromécaniques, généralement appelées par l'abréviation "MEMS". L'invention concerne plus spécifiquement un procédé permettant de réaliser de tels 10 composants. Un tel procédé permet notamment d'assurer un excellent ancrage des portions métalliques des structures MEMS, tout en permettant leur libération vis-àvis du reste du composant de manière à autoriser une bonne amplitude de mouvement. Techniques antérieures De façon générale, les structures MEMS implantées sur des composants électroniques comportent des portions qui sont ancrées sur le substrat, et qui possèdent une capacité de déformation utilisée pour remplir des fonctions déterminées. Dans certains cas, ces portions sont métalliques pour permettre le 20 passage d'un courant. D'un point de vue mécanique, ces portions déformables sont ancrées sur le substrat du composant, directement, ou par l'intermédiaire de couches ou de zones prévues à cet effet. Ces zones peuvent par exemple constituer les pistes d'amenée du courant. Au-delà des zones d'ancrage, ces portions métalliques sont donc mécaniquement séparées du substrat, ce qui leur confère une 25 capacité de déformation et/ou de déplacement par rapport au substrat. Ce déplacement peut s'obtenir sous l'effet de forces de différents types, que ce soit

électrostatique, électromagnétique, thermique ou mécanique.

Le Demandeur a décrit dans les demandes de brevets français n0 FR 30 02. 05200 et FR 02.08250, non encore publiées à la date de dépôt de la présente demande, des exemples de telles structures MEMS. Plus précisément, les composants décrits dans ces documents sont des microcommutateurs utilisés dans des circuits radiofréquences, et qui possèdent une portion métallique déformable en forme de poutre. Cette poutre conductrice peut être déformée et adopter plusieurs positions d'équilibre. Dans certaines de ces positions, le microcommutateur est dans un état fermé, alors que dans d'autres positions, le micro5 commutateur est ouvert. Pour un bon fonctionnement du micro-commutateur, il est nécessaire de tenir compte de différents phénomènes. Ainsi, dans les circuits radiofréquences, il est préférable que les portions métalliques conduisant les signaux soient relativement éloignés du reste du substrat. Cela nécessite donc d'écarter suffisamment la poutre du substrat, ce qui pose des problèmes de rigidité 10 mécanique. En effet, outre les questions de rigidité propre de la structure, il

importe également que la poutre soit fermement ancrée par rapport au substrat.

L'augmentation des dimensions de la zone d'ancrage de la poutre par rapport au substrat, n'est pas satisfaisante, puisqu'elle augmente la rigidité de l'ensemble, et diminue donc la capacité de déformation de la poutre. 15 Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de procurer un ancrage efficace, qui ne modifie pas la structure mécanique des portions déformables, et qui permette la libération des portions déformables pour autoriser

leur mouvement.

De façon générale, les procédés employés pour réaliser de telles structures consistent à déposer une couche sacrificielle sur le substrat, puis à réaliser par dessus les portions déformables, et enfin à éliminer la couche sacrificielle de manière à libérer les portions déformables. 25 On conçoit qu'un tel procédé n'est pas satisfaisant, puisque l'ancrage des portions déformables se fait directement sur le substrat ou sur les couches supérieures apparentes, ce qui augmente les contraintes au niveau des zones d'ancrage, avec des risques de rupture. En outre, le substrat, ou plus précisément, 30 les pistes qui sont réalisées sur ce dernier, ne sont plus électriquement isolées, ce

qui peut poser certains problèmes.

Exposé de l'invention L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'un composant

électronique incluant une structure micro-électromécanique, ou structure MEMS.

De façon classique, cette structure MEMS comporte des portions métalliques ancrées sur le substrat du composant par des zones d'ancrage. Ces portions métalliques possèdent également des zones mécaniquement séparées du substrat

pour pouvoir être déplacées par rapport à ce dernier.

Conformément à l'invention, ce procédé se caractérise en ce qu'il comporte des étapes de réalisation, au-dessus du substrat, d'au moins deux couches superposées à base de dioxyde de silicium. Ces deux couches, à savoir la couche supérieure et la couche inférieure, présentent des formulations chimiques différentes. Le procédé comprend ensuite une ou plusieurs étapes permettant de réaliser, à travers les couches superposées à base de silice, des zones d'ancrage des portions

métalliques sur le substrat.

Le procédé comprend par la suite une ou plusieurs étapes de réalisation, au

dessus de la couche supérieure, des zones des portions métalliques qui seront 20 destinées à être séparées mécaniquement du substrat.

Enfin, le procédé conforme à l'invention comporte une étape de gravure de la couche supérieure à base de silice, par une phase gazeuse d'acide fluorhydrique anhydre. Autrement dit, l'invention consiste à réaliser les portions déformables de la structure MEMS au dessus d'une couche intermédiaire, dont la fraction supérieure

peut ensuite être éliminée sans endommager la fraction inférieure.

Cette couche inférieure recouvre l'ensemble du substrat, et entoure les zones 30 d'ancrage des portions métalliques. Cet ancrage est donc ainsi amélioré, ce qui augmente la robustesse de la structure MEMS, et donc la fiabilité globale du composant. Il est ainsi possible d'éliminer la couche supérieure sans attaquer la couche inférieure, du fait d'une sélectivité plus importante de la couche supérieure à la gravure par l'acide fluorhydrique anhydre. Cette sélectivité est supérieure à un pour cent, ou un pour dix mille. Grâce à cette amélioration de l'ancrage, il est possible d'augmenter la distance entre les portions déformables et le substrat, ce qui joue en faveur du découplage entre les portions métalliques déformables et le reste du substrat. 10 En pratique, la couche inférieure peut être réalisée par exemple en dioxyde de

silicium thermique, ou bien encore en Tétraethyl Ortho Silicate.

La couche supérieure, présentant donc une sélectivité plus importante à la 15 gravure par l'acide fluorhydrique, peut être réalisée en dioxyde de silicium dopé, au bore et/ou au phosphore. Dans le cas o la couche inférieure est en silicium

thermique, on peut également utiliser du TEOS pour former la couche supérieure.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ces seuls types de matériaux 20 dopés, mais couvre également des variantes d'autres oxydes également dopés.

En pratique, on peut réaliser les deux couches superposées à base de dioxyde de silicium de différentes manières. Ainsi, on peut réaliser deux dépôts successifs de couches de formulations chimiques différentes, ou bien encore réaliser un dépôt 25 initial d'une couche homogène, suivi d'une étape de diffusion thermique d'impuretés destinée à doper une fraction de l'épaisseur de cette couche homogène,

et ainsi former la couche supérieure.

Avantageusement, en pratique, l'étape de gravure peut s'effectuer en présence 30 de méthanol, qui augmente la sélectivité de la gravure en combinaison avec les

ions fluorure de l'acide fluorhydrique.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent,

ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des

figures annexées dans lesquelles: * les figures 1 à 15 représentent une vue en coupe d'un substrat sur lequel est réalisé l'ancrage d'une portion métallique de structure MEMS, montré au fur et à mesure des étapes du procédé conforme à l'invention; la figure 16 est une vue selon le plan 1616' de la figure 15. 10 Bien entendu, les formes et dimensions montrées aux figures ne le sont qu'à titre d'illustration, et les dimensions réelles des composants, notamment leurs épaisseurs, peuvent différer en réalité de celles qui sont illustrées, dans le but de faciliter la compréhension de l'invention. 15 Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un procédé permettant de réaliser des structures MEMS en privilégiant un bon ancrage de ces dernières sur le substrat, et tout en autorisant leur libération. De telles structures permettent donc 20 de réaliser des structures MEMS soit sur des composants dédiés, c'est-à-dire n'incluant que la structure MEMS, soit sur des composants incluant déjà des zones fonctionnelles préalablement réalisées sur le substrat. La structure MEMS est alors disposée au dessus du circuit intégré, selon une technique connue sous l'appellation

de "ABOVEIC".

Dans la forme de réalisation illustrée aux figures, la couche de substrat (1)

représentée reçoit une piste métallique (2) réalisée au dessus de la couche de passivation (3), à l'intérieur d'une couche de matériau de faible permittivité relative (4). Cette piste métallique (2) peut par exemple servir pour amener le courant à la 30 future portion libre de la structure MEMS.

Comme illustré à la figure 2, cette piste métallique peut ensuite être recouverte d'une couche de protection (5) à base d'un alliage de cobalt/tungstène et phosphore, déposée en utilisant une technique de dépôt auto catalytique par électrolyse. L'ensemble est par la suite, comme illustré à la figure 3, recouvert de la couche inférieure (8) à base de dioxyde de silicium. Cette couche peut être déposée par des techniques de dépôt communément appelées "PECVD" pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ou "APCVD" pour Atmospheric Plasma 10 Chemical Vapor Deposition. Cette couche inférieure (8) peut par exemple être réalisée par les dépôts successifs d'un empilement de couches élémentaires (non représentées), d'une épaisseur de l'ordre du micron. Les matériaux utilisés pour

réaliser cette couche inférieure peuvent dépendre du type de composant à réaliser.

Ainsi, pour réaliser un composant dédié, incluant la structure MEMS uniquement, c'est-à-dire par des applications couramment dénommées "stand alone", on pourra utiliser de l'oxyde de silicium thermique déposé par une technique de croissance d'oxyde de Silicium en milieu mixte de vapeur d'eau et de gaz d'oxygène dans une gamme de température variant entre 850'C et 1050'C. 20 A l'inverse, lorsque la structure MEMS est réalisée au dessus d'un circuit intégré, on pourra utiliser comme couche inférieure, ou servant de couche

d'ancrage, du Tétraethyl Ortho Silicate (TEOS) (Si(OCH2H5)4).

Par la suite, et comme illustré à la figure 4, on procède au dépôt de la couche supérieure (9) à base du dioxyde de silicium. Cette couche supérieure (9) peut être réalisée comme la couche inférieure par dépôt successif de couches élémentaires d'une épaisseur de l'ordre du micron. Les mêmes techniques de PECVD ou

APCVD peuvent être employées.

Le matériau utilisé pour la couche supérieure (9) diffère, conformément à l'invention, de celui de la couche inférieure (8). Ainsi, pour la réalisation de

structures MEMS "stand alone", la couche supérieure (9), destinée à être ultérieurement éliminée, peut être réalisée à base de dioxyde de silicium dopé au bore et/ou au phosphore, ou bien encore d'autres oxydes présentant une capacité à être gravés par l'acide fluorhydrique gazeux nettement supérieure à celle de la 5 couche inférieure. On peut également utiliser pour les structures MEMS "stand alone", du TEOS pour réaliser cette couche supérieure.

D'autres types d'impuretés, tels que l'arsenic, le phosphore, ou le molybdène,

peuvent être utilisés pour doper une couche de dioxyde de silicium, et ainsi former 10 la couche supérieure caractéristique.

Par la suite, et comme illustré à la figure 5, on réalise un masque de gravure (11) définissant une ouverture (12) destinée à former le trou d'interconnexion avec

la piste métallique (2).

Comme illustré à la figure 6, le trou d'interconnexion (ou via) est ensuite

réalisé par gravure chimique.

Comme illustré à la figure 7, la via (12) et les faces supérieures apparentes 20 (14) sont recouvertes d'une couche barrière à diffusion du cuivre (15), pouvant être par exemple à base de tantale ou nitrure de tantale, d'une épaisseur de quelques

centaines d'angstrôms.

Par la suite, comme illustré à la figure 8, le composant reçoit un dépôt d'une 25 couche amorce de cuivre (16).

Après dépôt d'une résine de lithographie (17), destinée à protéger les faces supérieures de la couche amorce de cuivre (16), on procède à un dépôt de cuivre (20) par voie électrolytique destiné à remplir la via (12) . 30 Comme illustré à la figure 10, on procède ensuite à l'élimination de la couche de résine (17), ainsi qu'au nettoyage par voie chimique de la face supérieure du cuivre (20) déposé dans la via (12). On peut également procéder à une étape de recuit améliorant l'arrangement cristallographique du cuivre. On dépose ensuite une couche épaisse de résine (22) destinée à définir l'emplacement (23) de la future

portion métallique libre de la structure MEMS.

Comme illustré ensuite à la figure 11, on procède à un dépôt électrolytique de cuivre permettant de réaliser la portion (24) de la structure MEMS destinée à être

libérée du substrat. Les couches de résine (22) sont ensuite éliminées.

Comme illustré ensuite à la figure 12, on procède à une étape de gravure sélective permettant d'éliminer la couche amorce de cuivre et la couche barrière à

diffusion du cuivre à l'extérieur du motif de cuivre préalablement réalisé.

Comme illustré ensuite à la figure 13, on procède au dépôt d'une couverture 15 du motif de cuivre, par une couche (26) de nitrure de titane, destinée à protéger la portion (24) de la structure MEMS qui sera ensuite libérée. La face supérieure de cette portion métallique est ensuite, comme illustré à la figure 14, protégée par une

résine (27).

Par la suite, comme illustré à la figure 15, on procède à la gravure chimique

de la couche supérieure à base de dioxyde de silicium.

Conformément à l'invention, cette gravure s'effectue en phase gazeuse d'acide fluorhydrique anhydre. Dans ce cas, cette gravure met en oeuvre des réactions 25 chimiques pendant lesquelles les ions H2F- captent les impuretés dopant la couche

supérieure. Cette gravure de la couche (9) de dioxyde de silicium dopé s'effectue avec une vitesse de l'ordre de 1000 fois supérieure à celle du dioxyde de silicium thermique (8), de sorte que la réaction se stoppe pratiquement lorsque la couche supérieure (9) est gravée et que la couche inférieure (8) devient apparente. Cette 30 gravure peut également mettre en oeuvre l'emploi de méthanol.

On obtient ainsi, comme illustré aux figures 15 et 16, une structure MEMS,

dont les portions d'ancrage (20) sur la couche métallique (2) au contact dudit substrat (1), traversent la couche inférieure (8) à base de dioxyde de silicium. Cette disposition améliore l'ancrage. La partie supérieure (24) de la structure MEMS. 5 libre par rapport au substrat, peut donc recevoir les efforts en permettant la déformation, selon la géométrie et la configuration de la structure.

Bien entendu, le procédé conforme à l'invention peut être utilisé pour réaliser

de nombreux types de structures comportant une paroi libre par rapport au substrat, 10 et n'est pas limité à la seule application décrite ci-avant.

Il ressort de ce qui précède que le procédé conforme à l'invention présente

l'avantage important de permettre la réalisation de structures MEMS dont certaines parties sont libérées par rapport au substrat, en améliorant l'ancrage et ce, sans 15 augmenter le nombre d'étapes du procédé.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1/ Procédé de fabrication d'un composant électronique incluant une structure micro-électromécanique comportant des portions métalliques ancrées sur un 5 substrat (1) par des zones d'ancrage (20), et possédant des zones (24) mécaniquement séparées du substrat (1) aptes à se déplacer par rapport audit substrat (1), caractérisé en ce qu'il comporte: * des étapes de réalisation, au-dessus du substrat, d'au moins deux couches (8, 9) superposées à base de dioxyde de silicium, les deux 10 couches, à savoir la couche supérieure (9) et la couche inférieure (8) ayant des formulations chimiques différentes; une ou plusieurs étapes de réalisation, à travers les couches superposées à base de dioxyde de silicium (8,9), de zones d'ancrage (20) des portions métalliques sur le substrat; * une ou plusieurs étapes de réalisation, au dessus de la couche supérieure à base de dioxyde de silicium, de zones (24) des portions métalliques destinées à être séparées mécaniquement du substrat; * une étape de gravure de la couche supérieure (9) à base de dioxyde de silicium, par une phase gazeuse d'acide fluorhydrique anhydre. 20 2/ Procédé de fabrication d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche inférieure (8) est réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant le dioxyde de silicium thermique, et le Tétraethyl Ortho

Silicate (TEOS) (Si(OCH2H5)4).

3/ Procédé de fabrication d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche supérieure (9) est réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant: * le dioxyde de silicium dopé au bore; 30. le dioxyde de silicium dopé au phosphore;

* le Tétraethyl Ortho Silicate.

il 4/ Procédé de fabrication d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches superposées (8,9) sont obtenues par des

dépôts successifs de couches de formulations chimiques différentes.

5/ Procédé de fabrication d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches superposées sont obtenues par un dépôt d'une couche homogène, suivie d'une étape de diffusion thermique d'impuretés

destinée à doper une fraction de l'épaisseur de la couche homogène.

6/ Procédé de fabrication d'un composant électronique selon la revendication 1,

caractérisé en ce que l'étape de gravure s'effectue en présence de méthanol.

Déposant: MEMSCAP Mandataire * Cabinet LAURENT ET CHARRAS