Chapitre 2 : Chapitre 2 : Conception et réalisation technologique des capteurs

Chapitre 2 : Conception et réalisation technologique des capteurs

chimiques ChemFETs

Introduction

Le développement industriel des capteurs chimiques nécessite une utilisation facile mais aussi et surtout un procédé de fabrication fiable, peu complexe et utilisant une technologie standard. L’évolution technologique des ISFETs ne s’est pas seulement faite par l’intermédiaire de la diversification des couches sensibles. La structure même du transistor à effet de champ a été optimisée afin de répondre aux exigences de la détection d’espèces en solution. Les capteurs chimiques de type ChemFET actuellement disponibles sur le marché offrent de sérieux désavantages, notamment au niveau de l’encombrement, de la complexité du procédé technologique et de la sélectivité. En effet, l’utilisation d’une électrode de référence ne permet pas l’intégration complète du principe de détection. Le procédé d’isolation par du nitrure est particulièrement délicat à réaliser et les valeurs mesurées sont perturbées par le milieu extérieur ainsi que par les éléments interférents de la solution aqueuse. L’objectif de ce projet est donc dans un premier temps de réaliser une nouvelle génération de capteurs chimiques en développant une nouvelle structure basée sur le principe du ChemFET-ReFET avec une électrode intégrée et un caisson d’isolation implanté.

La première partie des travaux de recherche, présentés dans ce chapitre, a consisté à élaborer un procédé de fabrication technologique générique et adaptable à tout type de capteurs chimiques de type ISFET. Les paramètres technologiques et le procédé de fabrication ont été validés à l’aide du logiciel de simulation technologique ATHENA™ et du logiciel de simulation électrique ATLAS™. Des composants de type ChemFET-ReFET en prenant en compte l’intégration sur le composant d’une électrode titane-or ont ensuite été réalisés dans la centrale technologique du LAAS-CNRS. La technologie retenue pour la fabrication des capteurs chimiques est une technologie de type planar. Elle utilise toutes les étapes de la fabrication de la technologie MOS (Metal Oxide Semiconductor). Chaque composant est ensuite reporté sur un circuit imprimé ; les connexions sont réalisées par des soudures en fil d’or (« wedge bonding ») et une encapsulation de type enrobage « glob-top » assure l’étanchéité du système.

En parallèle, une étude a été menée afin de développer un procédé de dépôt de la couche enzymatique entièrement compatible avec les techniques habituellement utilisées en salle blanche telles que le dépôt à la tournette ou encore les techniques de photolithographie. Pour cela nous avons choisi d’utiliser comme polymère un alcool polyvinylique standard (PVA) [1]. Ce développement a également suscité une étude puisque cette étape joue un rôle important dans la résolution des motifs obtenus.

I. Principe de l’ISFET-REFET

Le transistor ISFET planar a été la première structure étudiée par analogie avec le transistor à effet de champ MOSFET [2-4]. Dans cette technologie, le drain, la source et la grille qui représentent la région sensible sont placés sur la même face de la puce. Malgré la simplicité de cette structure, l’ISFET planar présente quelques limitations. La dérive des paramètres électriques et la difficulté de l’encapsulation sont les inconvénients majeurs de cette structure à cause du contact inhérent de la grille avec le liquide. Pour résoudre ce problème, diverses solutions ont été proposées et notamment des structures ISFETs où les contacts sont réalisés en face arrière. Plusieurs structures ont été proposées [5-9], toutefois la réalisation technologique est trop complexe pour être utilisée dans le cadre de transistors à faible coût de production. Nous avons donc choisi de conserver la technologie planar en y amenant quelques améliorations.

De plus, en vue de miniaturiser l’ISFET, il était nécessaire de réduire la taille de l’électrode de référence. Nous avons donc choisi d’intégrer une électrode en or sur la puce. Plusieurs travaux ont été réalisés dans ce domaine [10-12]. Cette électrode n’étant pas idéale, une structure de référence (REFET) pourra être associée à l’ISFET. Nous avons donc dirigé nos recherches vers la conception d’une structure ISFET-REFET avec électrode intégrée.

Le principe de cette méthode, consiste à utiliser deux transistors à effet de champ identiques et une électrode métallique standard insérés sur une même puce. La membrane de l’ISFET, est sensible à l’élément à détecter, alors que la membrane du REFET est insensible à cet élément.

Si U(pX) mesure le potentiel des espèces chimiques présentes dans la solution et U(pXo) mesure le potentiel de ces mêmes espèces excepté l’espèce à détecter, alors la différence de ces deux mesures nous donne la valeur du potentiel de l’espèce à détecter.

U

= U(pX) + U

+ U

U

= U(pX0) + U

+ U

U

- U

= U(pX) - U(pX0)

Une mesure différentielle, permet ainsi de s’affranchir de toutes les influences parasites telles que : les problèmes d’électrode de grille non idéale, les problèmes de dérives inhérents aux transistors ainsi que des problèmes de sélectivité.

C’est sur ce principe que seront réalisés nos capteurs chimiques de type : ISFET- REFET. Les figures II.1 et II.2 représentent le schéma de principe de la structure ISFET- REFET, selon une vue en coupe et une vue en trois dimensions (pour une meilleure lisibilité ces figures ont été reportées en couleur dans l’annexe III).

Figure II.1 : Vue en coupe d’une structure ISFET-REFET. Cette structure est composée d’une électrode intégrée et de deux transistors à effet de champs appairés

réalisés sur des caissons d’isolation de type P.

Figure II.2 : Schéma d’une vue en trois dimensions de la structure ISFET-REFET avec électrode intégrée et caissons d’isolation implantés.

Electrode Ti/Au