b. Procédé post-CMOS sans couche additionnelle

Avec cette approche, les microstructures sont définies par les matériaux du procédé CMOS et sont libérées lorsque celui-ci est terminé, soit par micro-usinage en volume soit par micro-usinage en surface.

Micro-usinage en volume par la face arrière du substrat CMOS

Après le succès du capteur de pression fabriqué par micro-usinage du silicium et distribué par National Semiconductors en 1974, de nombreux efforts ont été réalisés pour intégrer circuit électronique et transducteurs en essayant d’utiliser les techniques de micro-usinage en volume du silicium. Ainsi en 1979, le premier capteur de pression intégré et à température compensée est fabriqué grâce à une technologie bipolaire [59,60]. Peu de temps après, le premier capteur de pression capacitif aussi intégré avec un circuit bipolaire est fabriqué [61]. Le premier capteur de pression piézorésistif en silicium intégré avec un circuit CMOS est développé par NEC au milieu des années 1980 [62]. Le capteur consiste en un fin diaphragme carré en silicium avec quatre piézorésistances placées sur les bords du diaphragme en configuration de pont de Wheatstone. Un substrat de type « p » et une couche épitaxiale de type « n » sont utilisés comme matériaux de départ pour le procédé CMOS à caisson « p ». Une étape d’implantation supplémentaire est ajoutée au procédé CMOS pour les piézorésistances. Lorsque ce procédé CMOS est terminé, le diaphragme est libéré par gravure anisotrope de la face arrière du substrat grâce à un mélange d’eau et d’hydrazine. La gravure est stoppée par arrêt électrochimique à la jonction « p-n » située entre le substrat « p » et la couche épitaxiale de type « n ». Le circuit électronique intégré avec le capteur permettait une polarisation stable du pont de Wheatstone, une compensation de température et l’amplification du signal.

Aujourd’hui, de nombreux capteurs de pression piézorésistifs intégrés avec le circuit CMOS sont commercialisés par plusieurs entreprises, comme Bosch, Freescale, Silicon Microstructures pour ne citer qu’eux. Bien que la structure de base du transducteur reste un diaphragme de silicium micro-usiné en volume avec des piézorésistances implantées, plus de composants électroniques ont pu être ajoutés dans ces microsystèmes plus modernes. C’est le cas par exemple de Freescale qui intègre le capteur de pression piézorésistif avec un DSP (« Digital Signal Processor ») et une mémoire non volatile pour la calibration du capteur [63]. Le procédé CMOS est légèrement modifié pour obtenir le profil de dopage optimal pour les piézorésistances et déposer le masque de gravure sur la face arrière du substrat afin de permettre la libération de la membrane grâce à une gravure humide [63].

Le micro-usinage en volume par la face arrière du substrat, utilisant la gravure anisotrope du silicium, est devenu un procédé post-CMOS standard pour la fabrication de MEMS, pouvant libérer ainsi non seulement des membranes mais aussi des microstructures suspendues en général (ponts, poutres,…). Parmi les travaux accomplis dans ce domaine, on peut citer ETH Zurich [64-70], l’université du Michigan [71] et l’institut Fraunhofer [72,73]. Ainsi des accéléromètres, des capteurs de flux, des capteurs ultrasonores de proximité, des convertisseurs thermiques, des capteurs infrarouges et des capteurs chimiques ont pu être réalisés en utilisant cette approche.

Généralement, l’hydroxyde de potassium (KOH) est la solution la plus employée pour graver le silicium à partir de la face arrière du substrat. Plusieurs méthodes permettent ensuite l’arrêt de la gravure afin de la contrôler. Parmi celles-ci, on retrouve l’arrêt électrochimique où les régions en silicium fortement dopé « p⁺⁺ » et les jonctions « p-n » servent de couches d’arrêt. Dans certains cas, c’est l’oxyde de champ qui est utilisé comme couche d’arrêt de la

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gravure afin de libérer des microstructures constituées des couches diélectriques du procédé CMOS. Les procédés SOI offrent aussi la possibilité d’utiliser la couche d’oxyde enterrée comme couche d’arrêt permettant la libération de structures en silicium monocristallin. Un traitement avant le procédé CMOS (Pre-CMOS process) peut être aussi réalisé pour former une couche d’arrêt d’oxyde enterré, en implantant de l’oxygène et en recuisant à haute température [74]. Bien que les microstructures soient libérées après le procédé CMOS, les techniques de gravure par arrêt électrochimique (« Electrochemical etch-stop », ECE) nécessitent souvent des modifications du procédé CMOS avant ou pendant, notamment les couches d’arrêt « p⁺⁺ » requiert un traitement intra-CMOS afin d’obtenir des régions fortement dopées « p » dans le substrat de silicium [39,42]. La figure 2.33 montre, de façon générale, deux techniques différentes de micro-usinage en volume du silicium nécessitant une couche d’arrêt pour contrôler la gravure.

Figure 2.32. Micro-usinage en volume par la face arrière post-CMOS [1].

Le micro-usinage en volume appliqué à un procédé CMOS nécessite aussi la définition et le dépôt d’un masque de gravure sur la face arrière du substrat CMOS. Avant le dépôt de ce masque, il est impératif de corriger tous les défauts à la surface de la face arrière, engendrés par le procédé CMOS, pour éviter des problèmes de sous-gravure lors de la libération des microstructures. En général, le masque de gravure est constitué d’une couche de nitrure de silicium déposée par PECVD et défini grâce à un aligneur de masque double face, permettant ainsi de structurer le masque de la face arrière par rapport aux structures de la face avant du substrat CMOS. Ensuite, ce substrat CMOS est placé sur un porte substrat afin de protéger la face avant de la gravure humide. La nécessité de placer chaque wafer sur un porte substrat semble être lourde mais c’est la méthode la plus fiable pour protéger la face avant et les côtés du substrat. Toutefois, de nouvelles techniques de protection basées sur la dépôt d’une fine couche métallique [75] ou d’une couche de polymère [76] ont été étudiées.

Alternativement à la gravure humide, le micro-usinage en volume de la face arrière du substrat CMOS peut-être réalisé par gravure sèche grâce aux techniques de DRIE [123]. De cette façon, une gravure très verticale des parois latérales du silicium est obtenue, quelle que soit son orientation cristalline. On obtient ainsi des structures plus étroites qui ne peuvent être obtenues par la gravure du silicium (100) au KOH. Cependant les équipements utilisant les techniques DRIE restent couteux, de plus un seul wafer peut être usiné à la fois et les techniques ECE (gravure par arrêt électrochimique) ne peuvent être utilisées.

CHAPITRE 2 : De la microélectronique à la technologie CMOS-MEMS Page 54 Micro-usinage en volume par la face avant du substrat CMOS

La libération, post-procédé CMOS, de microstructures à partir de la face avant du substrat CMOS grâce à une gravure anisotrope du silicium a été réalisée pour la première fois par Baltes et ses collaborateurs [77,78]. L’éthylenediamine pyrocatechol (EDP) ou le tetramethylammonium hydroxide (TMAH) sont utilisés pour la gravure humide anisotrope du silicium. La gravure sèche isotrope grâce au difluorure de Xénon (XeFe2), par exemple, permet aussi de libérer des microstructures par la face avant du substrat CMOS [79]. Dans le cas de la gravure humide anisotrope du silicium, les couches diélectriques du procédé CMOS jouent le rôle de masque de gravure mais aussi forment les microstructures, ainsi, à titre d’exemple, des ponts, des poutres et des membranes constituées par ces couches diélectriques peuvent être réalisés [77,80]. Les couches métalliques et de polysilicium du procédé CMOS peuvent être combinées avec les microstructures diélectriques (Figure 2.33) pour fabriquer différents capteurs : capteur de flux [81], convertisseur électrothermique [82] et capteur infrarouge [83].

Dans certains cas, les contacts en aluminium du procédé CMOS doivent être protégés pendant la phase de gravure. Cependant, certaines solutions de TMAH ou EDP possède un taux de gravure de l’aluminium relativement faible, permettant ainsi une libération des microstructures sans masque de gravure particulier. Un autre point important est que les solutions à base de KOH ne peuvent pas être utilisées pour une gravure du silicium par la face avant car leur taux de gravure envers le dioxyde de silicium est trop important.

Figure 2.33. Schéma d’un convertisseur électrothermique combinant différents matériaux du procédé CMOS : couches métallique, polysilicium et diélectriques [82].

Afin de permettre de l’électronique attachée aux microstructures, le micro-usinage en volume par la face avant a été combiné avec les techniques de gravure par arrêt électrochimique (ECE) utilisant les caissons « n » du procédé CMOS comme couche d’arrêt (Figure 2.34). Des convertisseurs thermiques [85] et des capteurs infrarouges [83,84] ont été fabriqués de cette façon.

Figure 2.34. Microstructure avant (a) et après (b) le micro-usinage en volume par la face avant combiné à une technique ECE [85].

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La gravure sèche est aussi utilisée dans le cadre d’un micro-usinage en volume de la face avant du substrat CMOS. Un premier exemple est montré dans [86,87] où un procédé CMOS à trois niveaux de métal est utilisé (Figure 2.35-a). La microstructure est ainsi constituée par les trois niveaux de métal pris en sandwich par les différentes couches d’oxyde du procédé CMOS (Figure 2.35-c). La couche métallique supérieure du procédé sert de masque de gravure pour définir la microstructure (des poutres). De cette façon, les dimensions minimales possibles, telles que le gap et la largeur des poutres, sont définies par la technologie CMOS utilisée, plus précisément par les règles de dessin (« design rules ») du procédé CMOS. Une première gravure sèche anisotrope par RIE, utilisant CHF3/O2 (trifluorométhane/dioxygène), permet de se débarrasser de l’oxyde, qui n’est pas protégé par le masque métallique, jusqu’au substrat de silicium (Figure 2.35-b). Puis une gravure plasma isotrope, utilisant SF6/O2 (héxafluorure de soufre/dioxygène), grave le silicium en profondeur et permet de libérer la structure (Figure 2.35-c). Des accéléromètres [88], des gyroscopes [89], des capteurs infrarouges [90] et des microphones MEMS [91,124] ont été fabriqués grâce à ce procédé CMOS-MEMS.

Figure 2.35. Schéma en coupe (adapté de [87]) du procédé utilisé dans [86]: a) puce après le procédé CMOS, b) gravure sèche anisotrope de l’oxyde, c) gravure sèche isotrope du

silicium pour libérer la structure.

Cependant, de telles structures multicouches, composées des couches métalliques prises en sandwich par les couches diélectriques du procédé CMOS, peuvent causer des contraintes et des gradients de contraintes, plus ou moins importants selon le procédé CMOS utilisé, entraînant ainsi la courbure de ces microstructures. Un nouveau procédé post-CMOS sans masque de gravure, basé sur le précédent et combinant DRIE et gravure anisotrope de la face arrière, a alors été mis au point afin de fabriquer des microstructures constituées de silicium monocristallin placé en dessous de la structure multicouche de base, permettant ainsi d’éviter la courbure des microstructures [92]. Ce procédé démarre avec une gravure profonde anisotrope du silicium par la face arrière du substrat CMOS (Figure 2.36-a). Puis, une gravure sèche anisotrope par la face avant permet de supprimer l’oxyde qui n’est pas protégé par le masque défini comme la couche supérieure métallique du procédé CMOS (Figure 2.36-b). Enfin, une gravure anisotrope du silicium, au lieu d’une gravure isotrope comme décrit dans procédé précédent, libère les microstructures constituées maintenant d’une épaisse couche de silicium et d’une couche de diélectrique entourant les couches métalliques du procédé CMOS (Figure 2.36-c). Une dernière étape optionnelle consiste à graver le silicium en dessous des petites structures pour assurer une isolation électrique de certaines surfaces de silicium

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(Figure 2.36-d). Des accéléromètres [92] et des gyroscopes [93] ont pu être fabriqués grâce à ce procédé CMOS-MEMS.

Figure 2.36. Schéma du procédé post-CMOS utilisé dans [92] : a) gravure profonde (DRIE) du silicium par la face arrière, b) gravure anisotrope de l’oxyde par la face avant, c) gravure

anisotrope du silicium, d) courte gravure (optionnelle) isotrope du silicium. Micro-usinage en surface du substrat CMOS

Aux techniques de micro-usinage en volume de la face arrière et avant, on peut ajouter le micro-usinage en surface du substrat CMOS afin de supprimer, de manière sélective, des fines couches du procédé CMOS permettant la libération des microstructures.

Un premier exemple est la gravure de l’aluminium sacrificiel (« SALE ») développée par l’ETH de Zurich [94]. Dans cette technique de micro-usinage en surface post-CMOS, la première couche métallique du procédé CMOS est sélectivement gravée pour libérer les microstructures constituées des couches diélectriques intermédiaires, de la couche métallique supérieure et de la couche de passivation (Figure 2.37). Pendant la gravure de l’aluminium, les contacts électriques doivent être protégés soit par une résine photorésistante soit par des bumps résistants à la gravure. Des capteurs de pression ont été fabriqués grâce à ce « procédé SALE » [95, 96] ou même plus récemment des capteurs ultrasonores [97,98] (Figure 2.38). Une solution contenant un mélange d'acide sulfurique (H2SO4) et de peroxyde d'hydrogène (H2O2) est utilisée pour graver les couches sacrificielles d'aluminium.

CHAPITRE 2 : De la microélectronique à la technologie CMOS-MEMS Page 57 Figure 2.37. Procédé « SALE » appliqué à un capteur de pression [96] : avant (a) et après (b) gravure de l’aluminium sacrificiel. (1) silicium, (2) SiO₂, (3) passivation, (4) bump en or,

(5) couche métallique (aluminium) sacrificielle, (6) accès pour la solution de gravure, (7) couche métallique (aluminium) structurelle.

Figure 2.38. Début du procédé post CMOS dans [97] : a) finition du procédé CMOS, b) Gravure des couches sacrificielles d'aluminium libérant les microstructures.

Une deuxième technique de micro-usinage en surface post-CMOS a permis de fabriquer des nano-poutres [99]. Dans cette approche, un masque de gravure en aluminium est défini par lithographie laser. Ce masque d’aluminium est ensuite utilisé pour transférer les structures des nano-poutres à la couche de polysilicium du procédé CMOS. Les nano-poutres en polysilicium sont enfin libérées en gravant l’oxyde de champ situé sous les nanostructures en utilisant une solution de gravure tamponnée (« Buffered oxide etch », BOE). Toutes ces étapes de fabrication sont réalisées à la fin du procédé CMOS. Pour cela, il a fallu supprimer la couche de passivation dans la zone des structures. Puis, une fine couche d’aluminium, qui sera le masque de gravure, est déposée sur l’oxyde séparant les deux couches de polysilicium.

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Plus récemment, Chi-Liang Dai propose un micro-usinage en surface post-CMOS qui consiste à graver le dioxyde de silicium entre les différentes couches métalliques du procédé CMOS [100] (Figure 2.39). En effet, une solution de gravure tamponnée permet d’éliminer les couches diélectriques afin de libérer les microstructures constituées des différentes couches métalliques en aluminium liées entre elles par des vias de connexion en tungstène. Le masque de gravure est défini par ces mêmes structures métalliques. L’ouverture de passivation dans les zones des structures permet à la solution de gravure d’accéder au SiO₂. Des commutateurs capacitifs RF [101,102], des résonateurs [103], des filtres électromécaniques [104] et des capacités variables électromécaniques [105] ont été fabriqués grâce à cette technique.

Figure 2.39. Procédé post-CMOS par micro-usinage en surface dans [100] : avant (a) et après gravure (b) des couches de dioxyde de silicium du procédé CMOS.