FR2857952A1 - Resonateur electromecanique et procede de fabrication d'un tel resonateur - Google Patents
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Abstract
Ce résonateur électromécanique comprend un substrat (S) en silicium monocristallin muni d'une zone active (ZA) délimitée par une région isolante, une poutre vibrante (10) ancrée par l'une au moins de ses extrémités libres sur la région isolante et comprenant une partie médiane vibrante (12) en silicium monocristallin, et une électrode de commande (E) disposée au-dessus de la poutre et en appui sur la zone active, ladite partie médiane (12) de la poutre étant espacée de la zone active (ZA) et de l'électrode de commande (E).
Description
Résonateur électromécanique et procédé de fabrication d'un tel résonateur.
L'invention se rapporte à un résonateur électromécanique et à un procédé de fabrication d'un tel résonateur.
Plus particulièrement, l'invention concerne la réalisation d'un tel résonateur sous forme intégrée, c'est-à-dire en utilisant une technologie utilisée généralement pour la réalisation de circuits intégrés.
Les résonateurs électromécaniques, et en particulier les résonateurs qui fonctionnent en mode de vibration en flexion sont classiquement réalisés sous la forme d'un élément vibrant raccordé à une électrode de commande, une électrode de détection réalisant une mesure d'une caractéristique du circuit intégré traduisant la vibration 15 de l'élément vibrant.
Diverses techniques peuvent être utilisées pour la réalisation d'un tel résonateur. Cependant, la fréquence de vibration du résonateur, qui dépend par ailleurs des dimensions et des caractéristiques mécaniques de l'élément vibrant, est liée à la 20 technique utilisée.
C'est ainsi que, par exemple, selon une technique de fabrication d'un résonateur intégré selon laquelle l'élément vibrant est réalisé de manière superficielle et est dès lors disposé au-dessus d'un circuit électronique à un semi-conducteur, les performances du 25 résonateur sont relativement limitées, notamment en raison du fait que les exigences de compatibilité des matériaux employés imposent d'utiliser des matériaux spécifiques pour la réalisation du résonateur.
En effet, l'élément vibrant ne peut alors être généralement réalisé qu'en silicium amorphe, en silicium polycristallin, ou en nitrure.
De tels résonateurs ne peuvent ainsi généralement pas vibrer à des fréquences supérieures à quelques dizaines de MHz.
Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients et de réaliser un résonateur électromécanique ayant des performances accrues tout en conservant un niveau d'intégration élevé.
Selon l'invention, il est donc proposé un résonateur électromécanique comprenant un substrat en silicium monocristallin muni d'une zone active délimitée par une région isolante.
Il comporte en outre une poutre vibrante ancrée par l'une au 5 moins de ses extrémités libres sur la région isolante et comprenant une partie médiane vibrante en silicium monocristallin, et une électrode de commande disposée au-dessus de la poutre et en appui sur la zone active, ladite partie médiane de la poutre vibrante étant espacée de la zone active et de l'électrode de commande.
Ainsi, la réalisation de l'élément vibrant au sein même du dispositif à semi-conducteur permet de le réaliser en silicium monocristallin et, dès lors, de multiplier la fréquence de vibration du résonateur par un facteur pouvant aller jusqu'à environ 10.
En outre, un tel résonateur peut être réalisé en utilisant une 15 technologie dite technologie SON (< Silicon On Nothing ) qui permet de réaliser les principaux éléments du résonateur en utilisant des techniques de croissance épitaxiale et gravure, qui est une technique particulièrement précise en terme dimensionnel. Il est alors possible de régler de manière particulièrement précise les dimensions 20 du résonateur, et en particulier de la poutre vibrante, et ce avec des tolérances de fabrication de l'ordre du nanomètre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le résonateur comporte en outre au moins une électrode de détection connectée à la zone active.
Par exemple, le résonateur peut comporter deux électrodes de détection en contact ave la zone active et disposées au-dessus de la partie médiane, de part et d'autre de l'électrode de commande, en étant espacées de la poutre.
Dans un mode de réalisation, l'espace entre la poutre, d'une 30 part, et le substrat et l'électrode de commande, d'autre part, étant obtenu par gravure sélective d'une couche de matériau sacrificiel, le résonateur comporte au moins une première couche de matériau d'encapsulation pourvue de trous d'accès à la couche de matériau sacrificiel et une deuxième couche de matériau d'encapsulation servant au bouchage des trous d'accès après gravure de la couche de matériau sacrificiel par l'intermédiaire desdits trous d'accès.
Des vias de contact électrique sont également prévus pour l'accès à l'électrode de commande et à la poutre vibrante.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la poutre est réalisée en silicium monocristallin dopé, la ou les parties d'extrémités de la poutre par la ou lesquelles elle est ancrée sur la région isolante étant réalisée en silicium polycristallin dopé.
Selon l'invention, il est également proposé un procédé de 10 fabrication d'un résonateur électromécanique tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - Dépôt par croissance épitaxiale sélective d'une couche de matériau sacrificiel sur la zone active d'un substrat monocristallin délimitée par une région isolante; 15 - Dépôt par croissance épitaxiale non-sélective d'une couche de silicium de sorte que cette couche recouvre la couche sous-jacente de matériau sacrificiel et la région isolante; - Gravure de la couche de silicium de manière à réaliser 20 une poutre ancrée par l'une au moins de ses extrémités sur la région isolante; - Croissance épitaxiale sélective de la couche de matériau sacrificiel de sorte que la couche de matériau sacrificiel entoure la poutre; - Réalisation d'au moins une électrode au-dessus de la poutre et en contact avec la zone active; et - Élimination de la couche de matériau sacrificiel par gravure sélective par rapport au silicium et à l'isolant de la région isolante.
Selon un mode de mise en oeuvre, on réalise une électrode de commande centrale et deux électrodes latérales de détection.
En outre, selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, postérieurement à l'étape de croissance épitaxiale sélective de la couche de matériau sacrificiel, on dépose une couche de masquage pour la gravure; on grave des trous d'accès au silicium de la poutre; on dépose une deuxième couche de masquage; on grave dans ladite deuxième couche de masquage des trous d'accès au matériau sacrificiel; et, postérieurement à la gravure du matériau 5 sacrificiel, on dépose une couche de matériau d'isolation non conforme pour boucher les trous d'accès, et on réalise des vias de contact électrique avec la poutre vibrante et l'électrode de commande.
De préférence, le dépôt du matériau d'isolation s'effectue à basse pression.
Avantageusement, le matériau sacrificiel est du siliciumgermaniun.
Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, au cours de la réalisation des vias, on réalise des trous de contact et l'on emplit lesdits trous avec un matériau électriquement conducteur, et l'on 15 utilise le trou de contact destiné à former le via de contact avec l'électrode de commande pour réaliser une implantation ionique localisée dans l'électrode de commande.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement 20 à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1 à 6 sont des vues schématiques illustrant les principales phases successives d'un procédé de fabrication d'un résonateur électromécanique en flexion conforme à l'invention; - la figure 7 est un schéma illustrant une variante de réalisation d'un résonateur électromécanique conforme à l'invention; - les figures 8 à 13 sont des vues en coupe schématique illustrant des étapes successives d'un mode de mise en oeuvre particulier d'un procédé de fabrication selon l'invention; et - les figures 14 et 15 illustrent une autre variante d'un procédé de fabrication conforme à l'invention.
En se référant tout d'abord aux figures 1 à 6, on va décrire les principales phases d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un résonateur électromécanique conforme à l'invention.
Comme le représente la figure 1, la structure de départ pour la réalisation du résonateur est constituée d'un substrat de silicium S dans lequel est formée une zone active ZA entourée d'une région isolante à tranchée peu profonde STI (Shallow Trench Isolation).
A partir de cette structure, on procède à une réalisation d'une couche C1 de matériau sacrificiel, constituée de préférence de silicium-germanium (SiGe) par l'épitaxie sélective au-dessus de la zone active ZA. On procède alors à une croissance par épitaxie nonsélective d'une couche C2 de silicium.
Les techniques de croissance par épitaxie sélective et nonsélective sont des techniques classiques à la portée d'un homme du métier. Elles ne seront donc pas décrites en détail par la suite. On notera néanmoins que ces étapes permettent d'obtenir une couche de SiGe localisée sur la zone active ZA, une couche de silicium 15 monocristallin sur la couche sousjacente de matériau sacrificiel et une couche de silicium polycristallin sur la région isolante STI qui prolonge latéralement la couche de silicium monocristallin.
On procède alors à une gravure du silicium et de la couche de matériau sacrificiel de manière à réaliser une poutre 10 comprenant 20 une partie médiane 12 réalisée en silicium monocristallin et de parties d'extrémités 14 et 16 en silicium polycristallin par lesquelles la poutre est ancrée sur la région isolante STI, le matériau sacrificiel étant conservé entre la poutre et la zone active (figure 2).
Comme le montre les figure 3 et 4, lors de l'étape suivante, on 25 procède à une épitaxie sélective du SiGe de sorte que ce matériau sacrificiel recouvre la poutre 10 ainsi que la zone active ZA. On procède alors à la réalisation d'une électrode de commande, comme visible sur ces figures, selon une technique classique, par exemple par dépôt de silicium polycristallin et gravure de l'électrode E selon un 30 contour désiré. L'électrode E ainsi réalisée s'étend au-dessus de la poutre 10 et est en appui sur la zone active ZA. Après cette étape de croissance épitaxiale du silicium-germanium et de réalisation de l'électrode de commande E, on procède à une gravure sélective du matériau sacrificiel. Cette gravure doit être sélective, d'une part, vis- à-vis du silicium de l'électrode de commande et du substrat, mais également vis-à-vis de l'isolant de la région isolante STI.
Comme on le voit sur la figure 5 et sur la figure 6 qui représente une vue en coupe selon les lignes VI-VI de la figure 5, 5 après cette étape d'élimination sélective du silicium-germanium, on obtient une poutre ancrée par ses extrémités libres mutuellement opposées 14 et 16 sur la région isolante STI et dont la partie médiane 12 est suspendue au-dessus de la zone active et est espacée de l'électrode de commande E d'un espace correspondant à l'épaisseur de 10 la couche de matériau sacrificiel gravée. De même, l'électrode de commande E est suspendue au-dessus de la poutre tout en restant en appui contre la zone active.
Comme on le sait, cette électrode de commande E sert à provoquer l'excitation de la poutre, de sorte que celle-ci se mette à 15 vibrer à une fréquence imposée notamment par les caractéristiques structurelles et par les caractéristiques mécaniques de la poutre. En raison de l'utilisation du silicium monocristallin pour la partie active de la poutre, c'est-à-dire pour sa partie médiane, on obtient une fréquence de vibration pouvant aller jusqu'à des fréquences de l'ordre 20 du GHz.
La mesure de la fréquence de vibration de la poutre s'effectue en utilisant une ou plusieurs électrodes de détection connectées à la zone active, par exemple des électrodes aptes à mesurer la valeur de la capacité formée par l'interstice autour de l'élément vibrant 12.
Comme on le voit sur la figure 7, selon un mode de mise en oeuvre, les électrodes de détection E' et E" sont réalisées simultanément à la réalisation de l'électrode de commande (figure 3) par exemple en utilisant un masque de photolithographie et une gravure spécifiques, de manière à former une électrode de commande 30 centrale pour l'activation de la poutre vibrante 10, et deux électrodes de détection E' et E" latérales disposées de part et d'autre de l'électrode de commande E pour la détection et la mesure de la fréquence de vibration de la poutre 10.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 8 à 13, un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un résonateur électromécanique conforme à l'invention.
Comme on le voit sur la figure 8, la structure de départ de cette 5 variante correspond à la phase du processus décrit précédemment en référence à la figure 3. En d'autres termes, on part d'une structure de départ comportant une zone active ZA formée dans un substrat de silicium S et délimitée par une région isolante STI, sur laquelle est ancrée une poutre 10 dont la partie médiane 12 est réalisée en silicium 10 monocristallin et dont les zones d'extrémités 14 et 16, qui sont ancrées sur la région isolante STI, sont réalisées en silicium polycristallin. La poutre est entourée de matériau sacrificiel constitué de siliciumgermanium En outre, une électrode de commande E en silicium polycristallin est réalisée au-dessus de la poutre 10.
Comme on le voit sur la figure 9, à partir de cette structure, on procède à un dépôt d'une première couche 18 de masquage sur l'ensemble du dispositif semi-conducteur, par exemple une couche de nitrure de silicium Si3N4, puis on procède à une gravure de cette couche 18 de masquage de manière à dégager des futures zones de 20 contact électrique 20 et 22 qui serviront au raccordement électrique de la poutre 10.
En se référant maintenant à la figure 10, on procède alors à un dépôt sur l'ensemble d'une couche d'oxyde 24, puis l'on grave des trous 26 et 28 d'accès au matériau sacrificiel.
On procède alors à un retrait sélectif des couches de siliciumgermanium afin de libérer la partie médiane 12 de la poutre pour lui permettre de vibrer librement (figure 11).
En se référant maintenant à la figure 12, on dépose alors sur l'ensemble une couche 30 d'un matériau d'isolation non conforme pour 30 le bouchage des trous d'accès 26 et 28 et l'on procède à une planarisation du dispositif. On notera que, de préférence, le dépôt de la couche 30 de matériau d'isolation s'effectue à basse pression afin d'éviter d'emplir l'espace entourant la partie vibrante 12 de la poutre.
Enfin, en référence à la figure 13, on procède à la réalisation de vias 32, 34 et 36 pour le raccordement électrique de l'électrode de commande et de la poutre 10. Comme cela est bien connu d'un homme du métier, ces vias sont réalisés en formant des trous et en emplissant ces trous avec un matériau électriquement conducteur.
On notera que, dans les différents modes de réalisation décrits précédemment, la poutre est rendue conductrice par implantation de dopant, par exemple par implantation de dopant du même type de conductivité que le substrat S. En se référant à la figure 14, dans le but d'éviter l'apparition de capacités parasites de part et d'autre de la poutre, entre le silicium polycristallin constitutif de l'électrode de commande E et le silicium constitutif du substrat S, l'électrode de commande E n'est rendue conductrice que dans une zone 40 située au-dessus de la poutre 15 vibrante 10, cette zone étant bordée latéralement de deux zones 42 et 44 isolantes.
Comme on le voit sur la figure 15, cet agencement est obtenu en utilisant comme matériau constitutif de l'électrode de commande un silicium polycristallin intrinsèque et en venant doper la zone 40 de 20 l'électrode située au-dessus de la poutre 10. Cette implantation est réalisée en utilisant le trou 34, avant son remplissage par un matériau électriquement conducteur pour la réalisation du via 34 de raccordement électrique de l'électrode de commande.
Claims (12)
1. Résonateur électromécanique, comprenant un substrat (S) en silicium monocristallin muni d'une zone active (ZA) délimitée par une région isolante (STI), caractérisé en ce qu'il comporte une poutre 5 vibrante (10) ancrée par l'une au moins de ses extrémités libres sur la région isolante et comprenant une partie médiane (12) vibrante en silicium monocristallin, et une électrode de commande (E) disposée au-dessus de la poutre et en appui sur la zone active, la partie médiane de la poutre vibrante étant espacée de la zone active (ZA) et de 10 l'électrode de commande (E).
2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une électrode de détection (E', E") connectée à la zone active.
3. Résonateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé 15 en ce qu'il comporte deux électrodes de détection (E', E'') en contact avec la zone active et disposées au-dessus de la partie médiane, de part et d'autre de l'électrode de commande (E), en étant espacées de la poutre.
4. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisé en ce que l'espace entre la poutre, d'une part, et le substrat et l'électrode de commande, d'autre part, étant obtenu par gravure sélective d'une couche de matériau sacrificiel, il comporte au moins une première couche (18) de matériau d'encapsulation pourvue de trous (26, 28) d'accès à la couche de matériau sacrificiel et une 25 deuxième couche (30) de matériau d'encapsulation servant au bouchage des trous d'accès après gravure de la couche de matériau sacrificiel par l'intermédiaire desdits trous d'accès.
5. Résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des vias (32, 34, 36) de contact électrique pour 30 l'accès à l'électrode de commande et à la poutre vibrante.
6. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la poutre est réalisée en silicium monocristallin dopé et en ce que la ou les parties d'extrémité (14, 16) de la poutre par la ou lesquelles elle est ancrée sur la région isolante est réalisée en silicium polycristallin dopé.
7. Procédé de fabrication d'un résonateur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - Dépôt par croissance épitaxiale sélective d'une couche (C1) de matériau sacrificiel sur la zone active d'un substrat monocristallin délimitée par une région isolante; - Dépôt par croissance épitaxiale non-sélective d'une 10 couche (C2) de silicium de sorte que cette couche recouvre la couche sous-jacente de matériau sacrificiel et la région isolante; - Gravure de la couche de silicium de manière à réaliser une poutre (10) ancrée par l'une au moins de ses extrémités 15 sur la région isolante; - Croissance épitaxiale sélective de la couche de matériau sacrificiel de sorte que la couche de matériau sacrificiel entoure la poutre; - Réalisation d'au moins une électrode (E, E', E'"') au20 dessus de la poutre et en contact avec la zone active; et Élimination de la couche de matériau sacrificiel par gravure sélective par rapport au silicium et à l'isolant de la région isolante.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on 25 réalise une électrode de commande (E) centrale et deux électrodes latérales de détection (E', E'').
9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que postérieurement à l'étape de croissance épitaxiale sélective de la couche de matériau sacrificiel, on dépose une couche de masquage 30 (18); on grave des trous d'accès au silicium de la poutre; on dépose une deuxième couche de masquage (24); on grave dans ladite deuxième couche de masquage des trous (26, 28) d'accès au matériau sacrificiel; et en ce que postérieurement à la gravure du matériau sacrificiel, on dépose une couche de matériau d'isolation (30) non l1 conforme pour boucher les trous d'accès, et l'on réalise des vias (32, 34, 36) de contact électrique avec la poutre vibrante et l'électrode de commande.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dépôt du matériau d'isolation s'effectue à base pression.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le matériau sacrificiel est du silicium-germanium
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'au cours de la réalisation des vias, on réalise des 10 trous de contact et l'on emplit lesdits trous avec un matériau électriquement conducteur, et en ce que l'on utilise le trou de contact destiné à former le via (34) de contact avec l'électrode de commande pour réaliser une implantation ionique localisée dans ladite électrode de commande.
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