FR2993873A1 - Structure micromecanique et son procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

La structure micromécanique comporte un substrat avec un côté supérieur, une structure fonctionnelle micromécanique réalisée dans le côté supérieur et un dispositif de chemins conducteurs (L, V ; LB) réalisé au-dessus du côté supérieur (OS) du substrat (1). Le dispositif de chemins conducteurs (L, V ; LB) comporte au moins deux couches d'isolation en une matière non conductrice (10) et dans celle-ci, une couche de chemins conducteurs (L) en matière électroconductrice.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une structure micromécanique et à son procédé de fabrication. Etat de la technique Selon les documents US 2010/0295138 Al, US 2005/00- 95813 Al, on connaît des structures micromécaniques encore appelées structures MEMS ayant des couches CMOS pour réaliser des fonctions micromécaniques. Le document US 2011/0265574 Ai décrit un procédé d'intégration par l'arrière de fonctions MEMS dans un circuit CMOS. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet une structure micromécanique comprenant : un substrat ayant un côté supérieur, une structure fonctionnelle micromécanique réalisée dans le subs- trat au niveau du côté supérieur, et un dispositif de chemins conducteurs réalisé au-dessus du côté supérieur du substrat, le dispositif de chemins conducteurs ayant au moins deux couches d'isolation en une matière non électroconductrice et entre celles-ci, une couche de chemins conducteurs. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'une structure micromécanique comprenant les étapes suivantes consistant à: utiliser un substrat avec un côté supérieur, appliquer et structurer une couche de masque de gravure sur le côté supérieur, développer une structure fonctionnelle micromécanique dans le substrat au niveau du côté supérieur par un procédé de gravure en utilisant la couche de masque de gravure, fermer la couche de masque de gravure, et développer un dispositif de chemins conducteurs au-dessus de la structure fonctionnelle micromécanique, ce dispositif ayant au moins deux couches d'isolation en une matière non électroconduc- trice et entre celles-ci une couche de chemins conducteurs en une matière électroconductrice. L'idée de base de la présente invention consiste à déve- lopper une structure MEMS-CMOS en utilisant des couches structurées dans un substrat et des couches CMOS. La structure micromécanique selon l'invention et son procédé de fabrication permettent d'utiliser une matière de substrat stable pour réaliser la fonction micromécanique, ce qui évite des dépôts coûteux ou des liaisons de transfert coûteuses de couches fonction- nelles micromécaniques épaisses. A cela s'ajoute l'utilisation de la sou- plesse des procédés CMOS existants pour la disposition des chemins conducteurs et les éventuels circuits CMOS. Selon un développement préférentiel, entre la couche de passivation supérieure et le côté supérieur du substrat, il subsiste une cavité, ce qui permet de régler une atmosphère et une pression définies pour la structure fonctionnelle micromécanique. Selon un autre développement, la cavité est délimitée la- téralement par un empilage de couches de chemins conducteurs entre lesquelles des contacts traversants, ce qui permet un arrêt ciblé du pro- cédé de gravure en phase gazeuse dans la direction latérale. Selon un autre développement préférentiel, la structure fonctionnelle micromécanique est couverte par un dispositif de chemins conducteurs ayant au moins un chemin conducteur, ce dispositif étant accroché latéralement à l'empilage, ce qui permet de réaliser un disposi- tif stable de chemins conducteurs. Selon un autre développement, la cavité est fermée par une couche de fermeture, ce qui permet de régler n'importe quelle pression dans la cavité. Selon un autre développement préférentiel, la structure fonctionnelle micromécanique a une installation de masse déplaçable, ce qui permet de réaliser un capteur inertiel robuste, par exemple un capteur d'accélération ou un capteur de vitesse de rotation. Selon un autre développement préférentiel, un ou plu- sieurs blocs de la couche d'isolation, entourés par de la matière électro- conductrice, sont prévus sur l'installation de masse, ce qui augmente la densité d'occupation de la surface de la masse. Selon un autre développement préférentiel, sous la struc- ture fonctionnelle micromécanique dans le substrat, il y a une autre cavité, qui permet de développer des structures fonctionnelles mobiles ou déplaçables et/ou isolées électriquement. Selon un autre développement préférentiel, le substrat est un substrat de silicium monocristallin ou un substrat SOI mono-cristallin. Contrairement aux couches CMOS des dispositifs de chemins conducteurs LB, un silicium monocristallin a des caractéristiques mé- caniques bien définies. Grâce à une rugosité de surface moindre par comparaison au polysilicium, il a en outre une meilleure tenue à la rupture et ainsi, il offre une plus grande fiabilité. A cela s'ajoute que, contrairement à un matériau polycristallin des couches CMOS, dans le cas d'un monocristal, les tensions de couche ou les gradients de tension et les différents coefficients de dilatation thermique n'interviennent pas. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'une structure micro- mécanique selon l'invention et de son procédé de fabrication représen- tés dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments ou les éléments de même fonction portent les mêmes références dans les différentes figures. Ainsi les figures la- 1 c sont des schémas d'une structure microméca- nique correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention : - la figure la est une section plane, - la figure lb est une section perpendiculaire suivant la ligne A-A' de la figure la, - la figure lc est une section perpendiculaire suivant la ligne B-B' de la figure la, les figures 2a-2d sont des schémas pour décrire un procédé de fabrication de la structure micromécanique correspondant au pre- mier mode de réalisation de l'invention par une section suivant la ligne B-B' de la figure la, et la figure 3 est un schéma en vue en coupe selon la ligne B-B' de la figure la d'un second mode de réalisation de la structure micromé- canique selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Bien que la description de l'invention soit faite pour une structure micromécanique sous forme de capteurs d'accélération, l'invention n'est pas limitée à cette forme de réalisation. lo Selon la figure la, la référence 1 désigne un substrat en silicium monocristallin ayant un côté supérieur OS. En variante, on peut également utiliser un substrat SOI (voir ci-après figure 3). A l'aide d'un procédé de gravure à deux étapes qui sera décrit ensuite en référence aux figures 2a-2d, on structure dans le côté 15 supérieur OS du substrat 1, une installation de masse M déplaçable ou mobile suspendue de manière mobile par des éléments élastiques ou à ressort F au substrat environnant 1. Sur les côtés opposés, l'installation de masse M a une première structure en peigne KM1 et une seconde structure en peigne KM2. Dans le côté supérieur OS du substrat 1, on a 20 réalisé une première structure de stator 51 avec une troisième structure de peigne KS1 et une seconde structure de stator S2 avec une quatrième structure de peigne K52. La première structure de peigne KM1 pénètre par une imbrication interdigitée dans la troisième structure de peigne KS1 et la 25 seconde structure de peigne KM2 pénètre par une pénétration interdigi- tée dans la quatrième structure de peigne K52. Une telle structure de condensateur connue en soi per- met de détecter électriquement le débattement de l'installation de masse mobile M par des variations capacitives. 30 Selon la figure lb, le côté supérieur OS du substrat 1 a une région dopée D à la fois sur l'installation de masse mobile M mais aussi sur les structures en peigne KM1, KM2, KS1, K52 et aussi par région dans le substrat environnant 1 pour former des chemins conducteurs et des contacts électriques servant à la prise des signaux du cap- 35 teur.
Quatre plans ou quatre couches de chemins conducteurs L en une matière électroconductrice sont prévu(e)s sur le côté supérieur OS du substrat et de la région dopée D; des plans voisins sont reliés électriquement par des contacts traversants V. Ainsi, au-dessus de la structure fonctionnelle micromécanique formée de l'installation de masse M des éléments de ressort F et des électrodes de stator Si, S2, on a un dispositif de chemins conducteurs LB à plusieurs couches. Une première cavité H1 en dessous et à côté de la structure fonctionnelle micromécanique M, F, Si, S2 est reliée à une seconde cavité H2 pour avoir une cavité globale au-dessus de la structure fonc- tionnelle micromécanique M, F, Si, S2 dans le dispositif de chemins conducteurs LB et l'empilage VB pour former ainsi une cavité commune H1, H2. La couche 10 désigne des couches d'isolation (cela est re- présenté en trait interrompu aux figures la- 1c) dans laquelle on a formé le dispositif de chemins conducteurs LB et les contacts traversants V. Les contacts V se superposent dans les limites latérales de la cavité H2 avec les couches de chemins conducteurs intermédiaires de façon à limiter la cavité H2 en périphérie. En d'autres termes, la ca- vité H2 est délimitée latéralement par un empilage VB de couches de chemins conducteurs L et entre celles-ci, des contacts traversants V. Le dispositif de chemins conducteurs LB qui couvre la structure fonctionnelle micromécanique est suspendu latéralement à l'empilage VB. Au-dessus de la couche d'isolation 10, une couche de couverture DS est formée à la périphérie de l'empilage VB, par exemple une couche de nitrure ou de carbure. La seconde cavité H2 est fermée en option au niveau du côté supérieur par une couche de fermeture VS qui est par exemple en oxyde, nitrure, carbure ou constituée par une métallisation. Cela permet de régler une atmosphère prédéfinie dans la cavité commune H1, H2. Un ou plusieurs blocs Bi, B2 des couches d'isolation 10, entourés de matière conductrice, sont prévus sur l'installation de masse M. Dans le cas de capteurs inertiels, il est avantageux d'utiliser une masse inerte plus importante de l'installation de masse M pour aug- menter les signaux. Pour augmenter la densité surfacique de la masse d'inertie, les blocs Bi, B2 ainsi enveloppés de métal sont développés dans les couches CMOS diélectriques et sont prévus sur l'installation de masse M inerte. La structure fonctionnelle micromécanique ainsi formée comme capteur d'accélération présente une région fonctionnelle micro- mécanique M, F, Si, S2 bien définie mécaniquement et robuste, dans un silicium monocristallin. Ainsi, il n'y a pratiquement pas de dépendance par rapport aux tensions (thermo) mécaniques dans les couches CMOS du dispositif de chemins conducteurs LB. En outre, on évite un dépôt coûteux ou un transfert coûteux de liaison des couches fonction- nelles micromécaniques épaisses, par exemple en polysilicium ayant une épaisseur de 10 à 20 gni. Le substrat monocristallin 1 en silicium permet en outre de réaliser des couches fonctionnelles plus épaisses ayant une densité de surface massique plus grande, c'est-à-dire elles permettent d'obtenir un meilleur signal de capteur. La densité de surface massique peut être augmentée pratiquement de façon quelconque, neutre du point de vue de la surface, en augmentant la profondeur de gravure verticale de sorte que soit on augmente le signal pour un même encombrement en sur- face, soit en même temps on augmente le niveau du signal et on dimi- nue la surface et ainsi on réalise des puces économiques. Le silicium monocristallin, contrairement aux couches CMOS du dispositif de chemins conducteurs LB, a des caractéristiques mécaniques très bien définies. Par comparaison avec le polysilicium ayant une rugosité surfacique réduite, il possède de plus une plus grande résistance à la rupture et ainsi une plus grande fiabilité. A cela s'ajoute que pour la matière monocristalline, contrairement aux matières polycristallines des couches CMOS, on a des tensions de couche ou des gradients de tension.
La réalisation de la région fonctionnelle micromécanique M, F, Si, S2 dans le substrat 1 a en outre l'avantage de laisser le côté supérieur OS plan pour réaliser de manière monolithique par intégration d'un dispositif de circuit CMOS non représenté. Les contacts traversants V qui forment l'empilage VB avec les contacts traversants V et les couches de chemins conducteurs L permettent de limiter latéralement la cavité H2 (voir les figures 2a-2d). La moindre durée de gravure en phase gazeuse résulte de ce qu'en phase gazeuse, par exemple avec HF, la métallisation constitue une barrière de gravure.
Le remplissage partiel de la cavité avec des blocs d'oxyde enveloppés de métal et des chemins conducteurs raccourcit non seulement la durée de gravure en phase gazeuse mais en plus permet d'appliquer une couche de fermeture VS stable. Les figures 2a-2d sont des schémas servant à décrire le procédé de fabrication du premier mode de réalisation de la structure fonctionnelle micromécanique selon l'invention par des coupes verticales suivant la ligne B-B' de la figure la. Selon la figure 2a, par un procédé de gravure à deux étapes, en utilisant une couche de masque de gravure 10a avec des trous d'accès ML dans la première étape de gravure anisotropique, on réalise une gravure verticale pour définir l'épaisseur de la structure fonctionnelle micromécanique M, F, Sl, S2 ; préalablement, on crée la région dopée D, par exemple par implantation. Dans une seconde étape de gravure, on effectue une sous-gravure isotrope de la structure fonc- tionnelle micromécanique M, F, Sl, S2 pour développer la cavité Hl et rendre mobile l'installation de masse M, c'est-à-dire pour lui permettre de se débattre. La gravure sur un contour dans la première étape de gra- vure anisotrope et la gravure en contre dépouille dans la seconde étape de gravure isotrope permettent de générer des structures isolées électri- quement du substrat 1 comme par exemple des électrodes de stator 51, S2. La fixation mécanique se fait par des couches de polysilicium et/ou des couches métalliques. A la fin de la réalisation de la région fonctionnelle micro- mécanique M, F, Sl, S2, on ferme les trous d'accès ML, par exemple en déposant une autre couche mince d'oxyde puis des couches CMOS pour développer le dispositif de chemins conducteurs LB avec des contacts traversants V et entre ceux-ci des couches d'oxyde 10, réalisées par dépôt et mises en structure.
Après avoir réalisé le dispositif de chemins conducteurs LB, comme le montre la figure 2b, on dépose une couche de couverture DS et on la structure de façon qu'elle se termine à la limite des contacts traversants VB.
Selon la figure 2c, par une gravure en phase gazeuse avec HF, on dégage les structures dans la cavité H2. Enfin en référence à la figure 2d, on dépose la couche de fermeture VS par un procédé de pulvérisation ou de dépôt PECVD à faible température et ensuite, on réalise la structure. Dans un procédé lo de pulvérisation, il est avantageux que la couche de fermeture VS soit une couche métallique alors que dans le procédé PECVD, il est avantageux que la couche de fermeture VS soit une couche diélectrique. La pression de procédé qui règne à ce moment est emprisonnée dans la cavité Hi, H2 commune. 15 De façon avantageuse, le procédé de définition des fonc- tions micromécaniques peut être intégré dans un procédé CMOS usuel après application des couches CMOS sur la face avant (dopage, oxydes, empilage de couches de porte) et ainsi on structure une couche d'isolation par exemple une couche BPSG et/ou une couche de métal en 20 combinaison avec la couche d'isolation comme masque de gravure pour le procédé de gravure servant à structurer la région fonctionnelle micromécanique M, F, Si, S2. La figure 3 est un schéma d'une structure microméca- nique correspondant à un second mode de réalisation de l'invention re- 25 présentant une section verticale suivant la ligne B-B' de la figure la. La figure 3 qui est une représentation analogue à celle de la figure lc, utilise à la place du substrat de silicium monocristallin 1, un substrat SOI l' dont le côté supérieur porte la référence OS'. Le substrat SOI l' a une couche inférieure de silicium monocristallin la, 30 une couche moyenne d'oxyde lb et une couche supérieure de silicium monocristallin lc. L'utilisation d'un tel substrat SOI l' a l'avantage de bien définir la hauteur de la structure fonctionnelle micromécanique M, F, Si, S2 formée par la seconde couche de silicium monocristallin lc grâce 35 à la couche d'oxyde lb enfouie.
La présente invention permet des modifications des exemples de réalisation et bien que l'invention soit décrite pour des structures micromécaniques sous la forme de capteurs d'accélération, elle n'est pas limitée à de telles structures micromécaniques.
Un autre exemple préférentiel d'application de la struc- ture micromécanique selon l'invention est celui de capteurs de pression absolue.10 NOMENCLATURE 1, l' Substrat la, le Couche de silicium lb Couche intermédiaire d'oxyde Couche d'isolation 10a Couche formant masque de gravure Bl, B2 Bloc de la couche d'isolation D Région dopée 10 DS Couche de couverture Hl, H2 Cavité L Couche de chemins conducteurs LV, LB Dispositif de chemins conducteurs M Installation de masse déplaçable ML Trou d'accès M, F, Sl, S2 Structure fonctionnelle micromécanique OS, OS' Côté supérieur du substrat 51, S2 Electrode de stator V Contact traversants VB Empilage VS Couche de fermeture25

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1°) Structure micromécanique comprenant : un substrat (1, 1') ayant un côté supérieur (OS, OS'), une structure fonctionnelle micromécanique (M, F, 51, S2) réalisée dans le substrat (1, 1') au niveau du côté supérieur (OS, OS'), et un dispositif de chemins conducteurs (L, V; LB) réalisé au-dessus du côté supérieur (OS, OS') du substrat (1, 1'), le dispositif de chemins conducteurs (L, V; LB) ayant au moins deux couches d'isolation en une matière non électroconductrice (10) et entre celles-ci, une couche de chemins conducteurs (L).
  2. 2°) Structure micromécanique selon la revendication 1, caractérisée par une cavité (H2) entre la couche de chemins conducteurs (L) supérieure et le côté supérieur (OS, OS') du substrat (1, 1').
  3. 3°) Structure micromécanique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la cavité (H2) est délimitée latéralement par un empilage (VB) de couches de chemins conducteurs (L) avec entre celles-ci, des contacts traversants (V).
  4. 4°) Structure micromécanique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la structure fonctionnelle micromécanique (M, F, 51, S2) est couverte par un dispositif de chemins conducteurs (LB) ayant au moins un chemin conducteur et qui est ancrée latéralement dans l'empilage (VB).
  5. 5°) Structure micromécanique selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la cavité (H2) est fermée par une couche de fermeture (VS).
  6. 6°) Structure micromécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce quela structure fonctionnelle micromécanique (M, F, Si, S2) comporte une installation de masse déplaçable (M).
  7. 7°) Structure micromécanique selon la revendication 6, caractérisée en ce qu' un ou plusieurs blocs (B1, B2) des couches d'isolation (10), entourés de matière électroconductrice sont situés sur l'installation de masse (M).
  8. 8°) Structure micromécanique selon la revendication 1, caractérisée par une autre cavité (H1) dans le substrat (S, S') en dessous de la structure fonctionnelle micromécanique (M, F, Si, S2).
  9. 9°) Structure micromécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat (1, 1') est un substrat de silicium monocristallin (1) ou un substrat SOI monocristallin (1').
  10. 10°) Procédé de réalisation d'une structure micromécanique compre- nant les étapes suivantes consistant à: utiliser un substrat (1, 1') avec un côté supérieur (OS, OS'), appliquer et structurer une couche de masque de gravure (10a) sur le côté supérieur (OS, OS'), développer une structure fonctionnelle micromécanique (M, F, Sl, S2) dans le substrat (1, 1') au niveau du côté supérieur (OS, OS') par un procédé de gravure en utilisant la couche de masque de gravure (10a), fermer la couche de masque de gravure (10a), et développer un dispositif de chemins conducteurs (L, V; LB) au- dessus de la structure fonctionnelle micromécanique (M, F, Si, S2), le dispositif de chemins conducteurs (L, V; LB) ayant au moins deux couches d'isolation en une matière non électroconductrice (10) et entre celles-ci une couche de chemins conducteurs (L) en une matière électroconductrice.3511°) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' on a une cavité (H2) entre une couche supérieure de passivation (10) et le côté supérieur (OS, OS') du substrat (1, 1'). 12°) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que latéralement à la cavité (H2), on forme un empilage (VB) de couches de chemins conducteurs (L) et entre celles-ci des contacts traversants (V) pour limiter latéralement la cavité (H2) par l'empilage (VB). 13°) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité (H2) est fermée par une couche de fermeture (VS). 14°) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de chemins conducteurs (LB) est accroché à l'empilage (VB). 20
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