c. Autres procédés intra-CMOS

Il existe d’autres procédés proposés par différents instituts, universités ou entreprises. Parmi ceux-ci, on peut citer le procédé né d’une collaboration entre l’institut Fraunhofer et

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l’université de Aachen en Allemagne. Ce procédé [27], destiné à des capteurs de pression capacitifs, commence par le procédé CMOS qui reste inchangé jusqu’à la formation du drain et de la source des transistors. L’implantation « n+ » est utilisée en tant qu’une des deux électrodes du capteur de pression (Figure 2.21). Une fois le drain et la source réalisés, une couche d’isolation en nitrure de silicium est déposée ainsi qu’une couche d’oxyde sacrificiel puis une couche de polysilicium qui formera l’électrode sensible du capteur de pression. Après la gravure de l’oxyde sacrificiel par de l’acide fluorhydrique libérant la membrane de polysilicium, la cavité est scellée en déposant une couche d’oxyde par LPCVD. Ce capteur de pression est constitué d’une matrice de membranes connectées en parallèle ainsi différentes gammes de pression sont couvertes par les différents diamètres des membranes fabriquées par ce procédé [28]. Ce procédé a été combiné avec la technologie CMOS sur substrat SIMOX ("Separation by IMplantation OXygen") pour des capteurs de pression destinés à des applications hautes températures [29]. Ce procédé a également été employé pour la fabrication de capteurs de flux [30], de capteurs de pression pour des implants intraoculaires [31] et de capteurs tactiles [32].

Figure 2.21. Vue en coupe du capteur de pression fabriqué grâce au procédé développé dans [27]. Image issue de [28].

Une autre approche afin d’intégrer des microstructures en polysilicium épais (10 µm) avec une technologie BiCMOS a été proposée par Bosch et l’institut Fraunhofer en vue de fabriquer un accéléromètre [33]. Une double couche sacrificielle, constituée d’oxyde et de polysilicium, est déposée, sur une couche enterrée dans le substrat, et modelée afin de définir la zone MEMS (Figure 2.22-a). Par la suite, le procédé BiCMOS continue avec le dépôt d’une couche de silicium par épitaxie dans la zone du circuit (Figure 2.22-b). Simultanément une couche épaisse de silicium polycristallin (épi-poly) croît dans la zone MEMS, la couche de polysilicium déposée précédemment par LPCVD sert de couche de nucléation (Figure 2.22-b). Du fait que cette couche d’épi-poly croît à haute température, elle possède des propriétés mécaniques favorables : faibles contraintes et gradient de contraintes négligeable [33]. Ensuite, le polysilicium de la grille des transistors est déposé puis enlevé d’une partie de la zone MEMS (Figure 2.22-c) et est ensuite dopé, les dopants se diffusent alors dans la couche d’épi-poly. Après le dopage de l’épi-poly, le procédé BiCMOS continue avec les étapes de métallisation (interconnexions) et de passivation du circuit électronique.

CHAPITRE 2 : De la microélectronique à la technologie CMOS-MEMS Page 44 Figure 2.22. Procédé développé pour la fabrication d’accéléromètre [33].

Une gravure sèche anisotrope de la couche d’épi-poly crée des parois latérales et verticales définissant ainsi la structure de l’accéléromètre, qui sera ensuite libérée grâce à une gravure de l’oxyde sacrificiel par de l’acide fluorhydrique en phase vapeur (Figure 2.22-d et 2.22-e). La structure de l’accéléromètre est électriquement contactée à l’interface électronique grâce à la couche enterrée.

Tous les procédés intra-CMOS décrits jusqu’à maintenant utilisaient du polysilicium pour les microstructures et de l’oxyde en tant que couche sacrificielle. Mais les laboratoires Toyota ont proposé un autre procédé pour fabriquer un capteur de pression où le polysilicium est la couche sacrificielle [34, 35]. La fabrication des microstructures commence, après la création des sources et des drains des transistors, par le dépôt d’une couche de nitrure de silicium afin de protéger le substrat. Ensuite, une couche de polysilicium sacrificiel est déposée. Puis, une double couche de nitrure de silicium constitue la membrane, entre ces deux couches se trouvent du polysilicium utilisé en tant que piézorésistances. La couche de polysilicium sacrificiel est ensuite gravée avec de l’hydroxyde de potassium (KOH) grâce à des trous placés sur les côtés de la membrane. Le procédé CMOS est alors terminé (métallisation) et les cavités libérées précédemment sont scellées par le dépôt (PECVD) d’un film de nitrure de silicium (Figure 2.23). Une matrice de membranes est ainsi fabriquée constituant un capteur de pression destiné à de l’imagerie tactile haute résolution. D’autres procédés intra-CMOS ont été mis au point utilisant une couche de polysilicium sacrificiel notamment NEC qui a développé des détecteurs matriciels infrarouges à plan focal [36] basés sur une structure de bolomètre en titane.

CHAPITRE 2 : De la microélectronique à la technologie CMOS-MEMS Page 45 Figure 2.23. Vue en coupe du capteur de pression des laboratoires Toyota [34]. Les membranes sont en nitrure de silicium et libérées par la gravure d’une couche de polysilicium

sacrificiel.

Quant aux chercheurs d’IBM, ils ont incorporé des switchs RF et des résonateurs dans une technologie CMOS utilisant du cuivre comme métal d’interconnexion [37,38]. Ainsi, les microstructures sont réalisées avec le cuivre du procédé CMOS. Cependant, quelques modifications du procédé doivent être faites : encapsuler le cuivre pour éviter son oxydation, introduire des matériaux pour les contacts des switch et prévoir une couche sacrificielle en vue de libérer les microstructures en cuivre par une gravure plasma à base d’oxygène. Les couches diélectriques sont déposées par PECVD à des températures inférieures ou égales à 400°C tandis que les couches métalliques sont déposées par pulvérisation ou une combinaison de pulvérisation et d’électrodéposition [37].

Wise et ses collègues de l’université du Michigan ont aussi développé un procédé à base CMOS pour la fabrication de capteurs de débit massique [39], de capteurs de pression [39,40], de convertisseurs thermiques [41], de matrices de microélectrodes d’enregistrement [42-44] et de capteurs infrarouges [45]. Les microsystèmes sont fabriqués grâce à un micro-usinage en volume par arrêt électrochimique en utilisant un procédé CMOS à caisson « p » modifié. En effet, La concentration des dopants « p » a été modifiée par rapport à celle du procédé CMOS traditionnel. Ainsi, les régions « p⁺⁺ » obtenues définissent alors les dimensions latérales des membranes ainsi que l’épaisseur des microstructures en silicium grâce à la profondeur de diffusion. Selon le microsystème souhaité, des étapes sont incorporées au procédé CMOS de base, telles que le dépôt de couches de diélectriques [39] ou encore la métallisation [42]. A la fin du procédé CMOS, les microstructures sont libérées par une gravure humide anisotrope du silicium où les régions dopées « p⁺⁺ » servent de couche d’arrêt. Ce procédé a beaucoup été utilisé au début des années 1990 pour la fabrication de microsystèmes intégrés avec leurs interfaces électroniques.

CHAPITRE 2 : De la microélectronique à la technologie CMOS-MEMS Page 46 Figure 2.24. Vue en coupe : a) Sonde à aiguille, adapté de [42] et b) capteur de débit

massique, adapté de [39].