CHAPITRE II Etats de l’art, choix du démonstrateur
II.3. La co-intégration MEMS in IC
II.3.1. Description des approches de co-intégration
Le terme de co-intégration regroupe toutes les réalisations faites par la mise en œuvre d’au
moins deux éléments distincts habituellement fabriqués séparément, par exemple, un capteur
de pression ou un micro miroir et son électronique.
Deux possibilités existent pour fabriquer ces différents éléments sur le même substrat : soit
une intégration verticale, l’électronique et la partie mécanique du MEMS sont fabriquées l’un
au-dessus de l’autre, soit une intégration horizontale, les structures sont l’une à côté de l’autre,
figure 4 à la page 26. Nous allons voir quelques exemples de fabrication de co-intégration
MEMS, en commençant par des intégrations verticales, puis les intégrations horizontales.
1. Intégration verticale
L’objectif d’une intégration verticale est de superposer le circuit avec le dispositif MEMS.
Cette approche permet de placer plus de fonctionnalité dans un volume réduit.
Un premier exemple concerne les applications où un élément de l’électronique est solidaire du
système mécanique. La figure 17 montre une vue MEB et une vue schématique du bras de
suspension d’un accéléromètre. La déflexion du bras génère une contrainte qui modifie les
caractéristiques électriques par une modulation de la bande interdite du semi-conducteur. Des
composants électroniques sont fabriqués sur le bras de suspension et permettent, avec leur
changement de caractéristiques électriques de détecter le mouvement de la masse,
[HARO-2000].
figure 17 : Exemple de transistors intégrés à un accéléromètre. [HARO-2000]
Un autre exemple concerne toutes les approches Above IC où la partie MEMS est fabriquée
sur les niveaux métalliques de la partie électronique. Il s’agit par exemple d’applications radio
fréquence mettant en œuvre des « switches »
21ou des « BAW »
22. Dans ce cas, le dispositif
est positionné sur ou dans les niveaux métalliques du CMOS. La figure 18 montre un
empilement d’un BAW au-dessus des niveaux métalliques. L’intérêt dans ce cas est
d’augmenter la densité des composants passifs présents dans un téléphone portable,
[KER-2005].
figure 18 : Exemple d’empilement above IC. [KER-2005]
2. Intégration horizontale
L’objectif d’une intégration horizontale est de fabriquer le circuit et le dispositif MEMS sur
un même substrat, l’un à côté de l’autre. Ici aussi, l’approche peut permettre de placer plus de
fonctionnalité dans un volume réduit. Nous nous intéressons aux procédés de fabrication de
co-intégration horizontale.
En 1998, Y. B. gianchandani et al. décrivent un procédé de fabrication pour une structure
mécanique en silicium poly-cristallin [GIA-1998]. La figure 19 décrit ce procédé de
fabrication utilisé par Y. B. gianchandani et al. [GIA 1998]. Il s’agit d’un procédé pré CMOS
avec un seul niveau métallique. La structure MEMS est faite avant le CMOS par les dépôts
des couches sacrificielles et structurelles dans une zone gravée. La structure MEMS est faite
sur une plaque protégée, de façon à ne pas détériorer les zones du CMOS. Cet exemple
Etats de l’art, choix du démonstrateur
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démontre la possibilité de fabriquer la structure avant l’électronique ainsi que la
gravure de l’oxyde de la structure MEMS sans graver l’oxyde du circuit.
Structuration du MEMS : Gravure KOH
Dépôts et structuration du MEMS et des couches sacrificielles
Formation du CMOS Connexion MEMS - CMOS Libération du MEMS
figure 19 : Procédé de fabrication, [GIA-1998].
T. D. Chen et al. donnent un autre exemple de procédé de fabrication permettant la fabrication
d’un composant mécanique avec un circuit intégré [CHE-2005]. Il s’agit d’une fabrication sur
un SOI épais de 10 µm. La figure 20 montre le principe de la fabrication. Il s’agit d’une
fabrication post CMOS. L’utilisation du SOI permet de réaliser une structure en silicium
mono-cristallin. Il permet aussi d’éviter les dépôts de l’exemple précédent. Le MEMS est
directement structuré dans la couche de silicium du SOI. Cet exemple correspond à
l’exemple le plus proche de notre situation. La différence se situe au niveau de
l’épaisseur du SOI de départ qui passe de 10 µm dans cet exemple à 160 nm dans notre
cas.
Départ à partir d’un substrat SOI.
Formation de la tranche d’isolation.
Fabrication du circuit.
Gravure de la structure MEMS et retrait de la couche sacrificielle.
figure 20 : Procédé post CMOS sur SOI épais [CHE-2005].
L’équipe de VTT en Finland, [KII-2003], aborde le problème de la co-intégration d’une autre
manière. Ils désirent, dans l’exemple traité, fabriquer un capteur de pression co-intégré avec
son électronique. Leur procédé de fabrication est basé sur la possibilité de libérer la structure
avant de commencer la fabrication du CMOS. Ce procédé est montré en figure 21.a. Le
procédé utilise un SOI avec un silicium superficiel de quelques microns d’épaisseur. Des
trous sont formés en fonction du design du capteur de pression et sont rebouchés avec un
silicium poreux, figure 21.b. La gravure du BOX
23est réalisée à travers cette couche de
silicium poreux, formant ainsi le capteur. Un dépôt permet de fermer hermétiquement la
cavité ainsi formée. Le circuit est fabriqué à côté de la structure MEMS et utilise la même
couche de silicium mono-cristalline. La partie CMOS reprend le contact avec le MEMS au
niveau des contacts électriques à travers le BOX et sur le silicium dans une zone non libérée.
Une tranchée d’isolation est faite entre le circuit et le MEMS au début du procédé CMOS,
figure 21.c.
figure 21 : Procédé de VTT pour fabriquer un capteur de pression co-intégré. [KII-2003]