FR2747841A1

FR2747841A1 - Procede de fabrication d'elements semi-conducteurs presentant des structures micromecaniques

Info

Publication number: FR2747841A1
Application number: FR9704891A
Authority: FR
Inventors: Franz Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1997-10-24
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: GB2312553A; GB2312553B; FR2747841B1; DE19616014A1; GB9708043D0; DE19616014B4

Abstract

Le procédé est caractérisé en ce que les structures micromécaniques (16) sont produites dans une tranche de silicium (14) qui leur est propre, et cette tranche de silicium (14) est mise de façon ajustée sur une tranche de silicium (12) présentant des circuits intégrés, en interposant un élément de liaison (20).

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments semi-

conducteurs présentant des structures micromé-

caniques. Etat de la technique Il est connu de mettre des structures micromécani- ques sur la surface d'éléments semi-conducteurs, par exemple des tranches de silicium présentant des circuits intégrés (IC). Ces structures micromécaniques peuvent être par exemple des éléments de détection librement mobiles, se présentant sous la forme de détecteurs capacitifs d'accélération, qui consistent en une masse sismique suspendue de façon élastique, et une structure de peigne servant à l'exploitation capacitive du dé- ploiement, dû à l'accélération, de la masse sismique. Les procédés traditionnels de la micromécaniques de

surface ont recours, pour réaliser de tels éléments de cons-

truction, à des couches sacrifiées intégrées dans la construc-

tion de la tranche de silicium et, par dessus, à des couches actives de silicium, par exemple en polysilicium sur des îlots de silice, de telle sorte qu'on doit procéder à une venue en prise massive durant les procédés de fabrication de circuits intégrés. Selon un autre procédé connu de fabrication, on réalise ces éléments de détection à l'aide de la technique LIGA dans des couches métalliques déposées galvaniquement. Dans le cas du procédé LIGA, on forme galvaniquement des structures élevées de résiste fabriquées par irradiation synchrotron, et

on obtient à partir de là d'abord une première matrice. On uti-

lise ensuite cette matrice pour étamper à haute pression des couches polymères mises sur des tranches de silicium, couches

3n qui prennent de cette façon une forme en négatif qui est en-

suite remplie galvaniquement. La forme polymère est ensuite dé-

truite, de telle sorte que l'élément de détection repose

librement. L'inconvénient dans ce cas est que l'on ne peut réa-

liser une irradiation synchrotron qu'avec de grands moyens, et

par conséquent un coût élevé, à l'aide d'installations de syn-

chrotrons qui ne sont pas courantes dans l'industrie pour une fabrication de composants semi-conducteurs. En outre on court

le risque de détruire la tranche de silicium, la forme de ma-

triçage ou les circuits électroniques intégrés dans la tranche de silicium, du fait des pressions élevées de matriçage pendant le matriçage des structures en négatif. De plus un ajustage exact lors du matriçage des éléments de détection, pose des problèmes pour les circuits contenus dans la tranche de sili- cium. Du fait de l'usure de la forme de matriçage, il est né- cessaire d'établir plusieurs répliques de cette forme avant que la fabrication proprement dite des éléments de détection ait lieu. Le déroulement du procédé complet ne pouvait pas encoreI( jusqu'ici être pratiquement mis en évidence. En tout cas, le matriçage sur une tranche de silicium pour circuits intégrés,

constitue une intervention dangereuse dans les procédés de fa- brication de circuits intégrés. On connaît par le document DE-44 18 163 Al un pro-

cédé dans lequel les structures micromécaniques sont structu-

rées après coup sur un élément semi-conducteur achevé en formant les structures ultérieures dans des couches rajoutées

et en les faisant croître ultérieurement de façon galvanique.

L'inconvénient dans ce cas est que, du fait de la formation

galvanique des structures micromécaniques, l'ensemble du compo-

sant semi-conducteur se compose de matériaux différents qui peuvent conduire à des défaillances dans les zones limites de l'application des composants semi-conducteurs du fait de leurs

comportements thermiques différents.

Avantages de l'invention

L'invention a pour but de remédier aux inconvé-

nients ci-dessus et concerne à cet effet un procédé de fabrica-

tion d'éléments semi-conducteurs présentant des structures

micromécaniques, caractérisé en ce que les structures micromé-

31) caniques (16) sont produites dans une tranche de silicium (14) qui leur est propre, et cette tranche de silicium (14) est mise de façon ajustée sur une tranche de silicium (12) présentant des circuits intégrés, en interposant un élément de liaison (20).

Le procédé selon l'invention présente ainsi l'avan-

tage que l'on peut créer d'une manière simple un composant se-

mi-conducteur compact avec des structures micromécaniques intégrées. Grâce au fait que les structures micromécaniques

sont produites dans une tranche de silicium qui leur est pro-

pre, et que cette tranche de silicium est mise de façon ajustée sur la tranche de silicium qui présente les circuits intégrés,

en interposant au moins un élément de liaison électrique et mé-

canique, il est possible, de façon avantageuse, sans intervenir

dans le procédé de fabrication des circuits intégrés, de pro-

duire l'autre tranche de silicium qui contient les structures

micromécaniques, et d'opérer un couplage électrique et un em-

boîtement des structures micromécaniques par la jonction des 1 Odeux tranches de silicium. Grâce à l'agencement des structures micromécaniques sur la tranche de silicium qui contient les circuits intégrés, il n'est pas nécessaire de disposer de da- vantage de place sur la tranche de silicium qui présente les circuits intégrés. Il est très avantageux d'avoir en même temps15 l'encapsulation hermétique des structures micromécaniques, car celles ci sont disposées pour être empaquetées de façon sûre à

l'abri des influences environnantes de toutes sortes.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'élément de liaison est posé sur la surface de la tranche de silicium traitée, terminée, - la tranche de silicium est pourvue d'une structure métallique (couche métallique) sur laquelle on met ensuite une couche de photorésiste, - on pratique dans la couche de photorésiste des ouvertures servant à produire des structures qui servent à la liaison ultérieure électrique et mécanique des tranches de silicium, - les ouvertures servant à produire des structures métalliques

sont remplies, la couche de photorésiste et la structure mé-

tallique sont enlevées, de telle sorte que ce sont uniquement 0 des zones métalliques, relativement élevées, qui forment la partie de liaison,

- les zones métalliques assurent une liaison électrique du cir-

cuit intégré de la tranche de silicium et des structures mi-

cromécaniques de la tranche de silicium,

- les zones métalliques entourent complètement les zones métal-

liques, à la manière d'un anneau, - les tranches de silicium sont jointes en mettant en contact des zones de contact de la tranche de silicium avec les zones métalliques,

- entre les zones de contact et les zones métalliques on éta-

blit une liaison intime, électriquement conductrice,

- dans la zone de contact, on produit un alliage entre les ma-

tériaux des zones de contact et les zones, en chauffant la tranche de silicium et en refroidissant en même temps la

tranche de silicium.

- des sections de la tranche de silicium, qui ne sont pas né-

cessaires au fonctionnement, sont de préférence enlevées aux

points destinés à la rupture, structurés auparavant.

Dessins L'invention sera décrite ci-après plus en détail à 1I partir d'un exemple de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels:

* les figures 1 à 3 montrent les différentes séquences du pro-

cédé de fabrication d'un composant semi-conducteur qui pré-

sente des structures micromécaniques.

( Description de l'exemple de réalisation

Sur la figure 1 on a représenté les pièces consti-

tutives principales d'un composant semi-conducteur 10 dans une vue en coupe schématique dans leur état de départ. Le composant semi-conducteur 10 consiste en une première tranche 12, par exemple en silicium, qui peut contenir des circuits intégrés que l'on n'a pas représentés ici plus en détail. On associe à la première tranche de silicium 12 une deuxième tranche 14 qui présente ici des structures micromécaniques désignées de façon

générale par la référence 16. Dans le cadre de la présente des-

3) cription, on ne s'intéressera pas plus en détail à la produc-

tion des structures micromécaniques 16. Comme structures

micromécaniques 16 on peut avoir par exemple des masses sismi-

ques suspendues de façon élastique, et des structures à peigne servant à l'entraînement des masses sismiques ou à la détection d'un déploiement des masses sismiques dû aux accélérations. La

seconde tranche 14 est par exemple également une tranche de si-

licium, qui possède une construction stratifiée convenant à la production des structures micromécaniques 16. Cette tranche de

silicium 14 peut par exemple être réalisée en un matériau iso-

lant au silicone, en polysilicium renforcé par épitaxie, sur un oxyde intermédiaire, avec un polissage superficiel réalisé après coup. La production des structures micromécaniques 16 est réalisée par exemple au moyen de séquences connues d'un procédé basé sur une combinaison de décapages par jet de plasma et de sous-décapages isotropes. Lors de la fabrication des structures micromécaniques 16, on associe à celles-ci des zones de contact 18 et 19 ayant une surface relativement grande, pour appliquer

ou prélever des signaux des structures micromécaniques 16.

Entre les tranches de silicium 12 et 14, c'est-à-

dire entre la partie électronique et la partie sensible du com-

posant semi-conducteur 10, on dispose au moins un élément de liaison électrique et mécanique 20 dont on décrira ci-après la

fabrication plus en détail.

La surface supérieure de la tranche de silicium 12

traitée et achevée, est pourvue d'une structure métallique 22.

Pour cela, on peut mettre par exemple superficiellement un re-

vêtement métallique d'un bout à l'autre sur la tranche de sili-

cium 12, par exemple un alliage chrome/cuivre pulvérisé. Sur la

structure métallique 22 on met une couche de photorésiste rela-

tivement épaisse 24, par exemple par projection. A l'intérieur de la couche de photorésiste 24 on met, au moyen d'un procédé connu de photolithographie, une première structure 26 et une

deuxième structure 28. Pour cela, on appose un masque, non re-

présenté, sur la couche de photorésiste 24, et l'on réalise un enlèvement par dissolution ou par décapage du résiste dans les

structures ultérieures 26 et 28.

Les structures 26 sont mises d'une manière telle 3 que celles-ci soient associées géométriquement d'une part aux tampons de contact prévus sur la tranche de silicium 12 pour la mise en contact électrique des structures micromécaniques 16,

et d'autre part aux zones de contact 18 des structures micromé-

caniques 16. La structure 28 produit un sillon qui, vu de des-

sus, entoure les structures 26, la géométrie de la surface entourée par la structure 28, correspondant à la grandeur des

structures micromécaniques 16.

Lors d'une séquence suivante du procédé, on remplit de façon métallique les structures 26 et 28 dans la couche de photorésiste, par exemple au moyen d'un procédé galvanique de dépôt. De cette façon, on obtient les zones métalliques 30 qui passent à travers la couche de photorésiste 24, dans les struc- tures 26, et une zone métallique 32, dans la structure 28, qui entoure en forme quasiment de cuvette les zones métalliques 30. Une fois le dépôt métallique effectué, on peut aplanir et lisser la surface 34 au moyen de procédés connus, (L par exemple au moyen d'un polissage mécanique. De cette façon, on obtient sur les côtés des zones métalliques 30 ou 32 qui sont tournés à l'opposé de la tranche de silicium 12, une sur- face complètement plane. La tranche de silicium qui présente les circuits intégrés 12 est protégée par la couche de photoré-15 siste 24 pendant ce processus de lissage, de telle sorte que l'on peut exclure des endommagements de la tranche de silicium 12. Lors d'une séquence suivante du procédé, on enlève alors la couche de photorésiste 24, par exemple en la réduisant 2) en cendres, d'une manière connue de façon générale dans un jet

de plasma d'oxygène. La structure métallique 22 est ensuite en-

levée de façon sélective sur la surface de la tranche de sili-

cium 12 et entre les zones métalliques élevées 30 et 32, par

exemple par décapage.

"25 Les surfaces de contact ultérieures entre les zones métalliques 30 et 32 de l'élément de liaison 20 ou les zones de contact 18 et 19 de la tranche de silicium 14 reçoivent, dans une séquence suivante, un traitement chimique approprié, par exemple une hydrophilisation. De cette façon, on obtient grâce 3) aux forces de Van der Waals un contact ferme entre les zones de

contact 18 et 19, réalisées en silicium, et les zones métalli-

ques 30 ou 32. Il est également possible d'utiliser un métal de brasage ou de déposer par galvanisation ou par pression, une

mince couche de brasure.

Ensuite on met de façon ajustée les tranche de si-

licium 12 et 14 en contact, c'est-à-dire que l'on dispose cel-

les-ci l'une sur l'autre d'une manière telle que les zones métalliques 30 viennent en contact avec les zones de contact

18. Pour que les zones de contact 18 soient mises sur une sur-

face relativement grande, la jonction appropriée des tranches

de silicium 12 et 14 peut avoir lieu avec une précision d'ajus-

tage suffisamment grande, sans qu'il soit nécessaire d'avoir un

ajustage de haute précision et par conséquent coûteux. Les zo-

nes métalliques 32 arrivent de cette façon en même temps en

contact avec les zones de contact 19.

Ensuite a lieu la fabrication d'une liaison soli-

daire entre les zones métalliques 30 et 32 ou les zones de con-

tact 18 et 19. Pour cela on peut chauffer brièvement par exemple la tranche de silicium 14, tandis que l'on refroidit la

tranche de silicium 12. On peut réaliser cette séquence du pro-

cédé au moyen d'un dispositif approprié qui présente par exem-

ple un système de refroidissement venant en contact avec la tranche de silicium 12 et un système de chauffage venant en

contact avec la tranche de silicium 14. De cette façon on ar-

rive à pouvoir chauffer les points de contact entre les zones métalliques 30 et 32 ou les zones de contact 18 et 19, à des températures supérieures à 450 C, tandis qu'en même temps la

tranche de silicium 12, et les circuits intégrés qui sont dis-

posés dedans, sont protégés contre un chauffage excessif. Grâce

au chauffage des zones de contact, on arrive à réaliser la for-

mation d'un alliage entre le silicium des zones de contact 18 et 19, et le métal des zones métalliques 30 et 32, de telle

sorte que l'on ait une liaison solidaire mécanique et électri-

quement conductrice entre les tranche de silicium 12 et 14 au

moyen de l'élément de liaison 20. Ceci peut être renforcé en-

core davantage par une couche de brasure mise auparavant.

Selon d'autres exemples de réalisation on peut ob-

tenir, à la place de la production d'un alliage, une liaison entre les zones de contact 18 et 19 ou les zones métalliques 30 et 32 qui soit effectuée par d'autres techniques, par exemple

en utilisant des colles conductrices ou une brasure.

Une fois réalisée la liaison des tranches de sili-

cium 12 et 14, on est assuré d'avoir, sur les zones métalliques

, une liaison électrique entre les circuits intégrés se trou-

vant dans la tranche de silicium 12 et les structures micromé-

caniques 16 formées dans la tranche de silicium 14 pour guider S

les signaux. Les zones métalliques 32 qui entourent à la ma-

nière d'une paroi les structures micromécaniques 16, ont pour rôle d'une part d'accroître la stabilité de la liaison mécani- que entre les tranches de silicium 12 et 14, et d'autre part d'assurer une encapsulation hermétique des structures micromé- caniques 16. Les structures micromécaniques 16 sont dans ce cas complètement encapsulées par la tranche de silicium 14 ou la tranche de silicium 12 et la zone métallique 32, de telle sorte que des influences de l'environnement sur l'aptitude à fonc-(1 tionner des structures micromécaniques 16 sensibles, ne peuvent s'exercer. En outre on évite de façon sûre, grâce à cette en-

capsulation complète, un endommagement des structures micromé- caniques au cours des séquences suivantes du procédé, telles que par exemple l'individualisation des composants 10 et un15 montage ultérieur dans un boîtier, par exemple par enrobage par

injection de matière plastique.

Au cours d'une séquence suivante du procédé, repré-

sentée à la figure 3, on libère à nouveau la surface supérieure

de la tranche de silicium 12, en enlevant les sections super-

flues 36 de la tranche de silicium 14, c'est-à-dire les sec-

tions qui entourent la structure micromécanique 16 et qui ne

sont pas nécessaires pour la suite du fonctionnement du compo-

sant semi-conducteur 10. L'enlèvement des sections 36 peut

avoir lieu d'une manière simple au moyen d'une section de dé-

coupage 38, indiquée ici. Cette section de découpage peut par exemple être réalisée mécaniquement ou au moyen de techniques laser appropriées, etc. Pour avoir l'assurance que, lors de ce

découpage des sections 36, il ne se produise pas d'endommage-

ment de la tranche de silicium 12, on peut déjà prévoir, lors

de la fabrication de la tranche de silicium 14, des renfonce- ments en forme de sillons 40 qui définissent les points du dé-

coupage à opérer. Selon une variante, il est également possible d'in-

dividualiser auparavant, avant la liaison de la tranche de si-

licium 14 avec la tranche de silicium 12, les structures

micromécaniques 16 à partir d'une tranche de silicium compo-

site, de telle sorte que l'on puisse se passer de la séquence

du procédé représentée à la figure 3 sur un composant semi-

conducteur 10 déjà joint et achevé En variante, il est également possible, avant la

liaison de la tranche de silicium 14 et de la tranche de sili-

cium 12 d'individualiser les puces de circuits intégrés de la tranche de silicium 12 et de faire un collage contre les puces

de détection de la tranche de silicium 14 encore complète.

L'individualisation des détecteurs a lieu ensuite; ceci est

alors avantageux quand la tranche de silicium à circuits inté-

grés présente déjà une topographie difficile c'est-à-dire une

topographie manquant fortement de planéité du fait des nombreu-

ses séquences du procédé de fabrication du semi-conducteur, et

quand il est difficile de faire un collage complètement plat.

Au total, il est possible de fabriquer des compo-

sants semi-conducteurs 10 avec des structures micromécaniques intégrées 16, dans lesquels, pour produire l'élément de liaison

assumant le couplage électrique et mécanique, il est unique-

ment nécessaire d'avoir un plan de masque supplémentaire. Ce plan de masque supplémentaire peut être mis en place après la 2 fin de toutes les séquences du procédé de fabrication de la

tranche de silicium 12, de telle sorte qu'il soit exclu d'in-

tervenir dans le processus de fabrication des circuits inté-

grés. Dans le cas du composant semi-conducteur 10 achevé,

on obtient en outre l'avantage qu'aussi bien la tranche de si-

licium 12 que la tranche de silicium 14 sont réalisées dans le même matériau de silicium, et qu'en charge permanente ou en cas de changements de la charge, on obtient un même comportement

thermique, de telle sorte qu'on peut réduire au minimum l'in-

fluence de la chaleur sur la durée de vie du composant semi-

conducteur 10.

R E V E ND I C A T IONS

1 ) Procédé de fabrication d'éléments semi-conducteurs présen-

tant des structures micromécaniques, caractérisé en ce que les structures micromécaniques (16) sont produites dans une tranche de silicium (14) qui leur est propre, et cette tranche de silicium (14) est mise de façon ajustée sur une tranche de silicium (12) présentant des circuits intégrés, en interposant

un élément de liaison (20).

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de liaison (20) est posé sur la surface de la tranche

de silicium (12) traitée, terminée.

3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que

la tranche de silicium (12) est pourvue d'une structure métal-

lique (couche métallique) (22) sur laquelle on met ensuite une

0 couche de photorésiste (24).

4 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que

l'on pratique dans la couche de photorésiste (24) des ouvertu-

res destinées à produire des structures (26, 28) qui servent à la liaison ultérieure électrique et mécanique des tranches de

silicium (12, 14).

) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que

les ouvertures (26, 28) servant à produire des structures mé-

talliques (30, 32) sont remplies, la couche de photorésiste (24) et la structure métallique (22) sont enlevées, de telle

sorte que ce sont uniquement des zones métalliques, relative-

ment élevées, (30, 32), qui forment la partie de liaison (20).

6 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que les zones métalliques (30) assurent une liaison électrique du

circuit intégré de la tranche de silicium (12) et des structu-

res micromécaniques (16) de la tranche de silicium (14)

7 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que

les zones métalliques (32) entourent complètement les zones mé-

talliques (30), à la manière d'un anneau.

1l 8 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que les tranches de silicium (12, 14) sont jointes en mettant en contact des zones de contact (18, 19) de la tranche de silicium

(14) avec les zones métalliques (30, 32).

9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' entre les zones de contact (18, 19) et les zones métalliques

(30, 32) on établit une liaison intime, électriquement conduc-

trice.

) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que

dans la zone de contact, on produit un alliage entre les maté-

riaux des zones de contact (18, 19) et les zones (30, 32), en chauffant la tranche de silicium (14) et en refroidissant en

même temps la tranche de silicium (12).

11 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,

310 caractérisé en ce que des sections (36) de la tranche de silicium (14), qui ne sont pas nécessaires au fonctionnement, sont de préférence enlevées

aux points destinés à la rupture (40), structurés auparavant.

1' 12 ) Elément semi-conducteur comprenant des structures micromé-

caniques disposées sur la surface d'une tranche de silicium, qui présente des circuits intégrés, caractérisé en ce que l'élément semi- conducteur (10) est fabriqué selon l'une au

moins des revendications 1 à 11.