Domaine de l' invention

La présente invention concerne un microrésonateur . Exposé de l' art antérieur

La figure 1 est une vue en perspective d' un microréso- nateur connu . Ce microrésonateur est décrit dans le brevet WO- 02/17482 intitulé "Micromechanical resonator device and micro- mechanical device utilizing same" . Ce microrésonateur est formé au-dessus d ' un substrat 1. Il comprend un élément résonant 2 en forme de "champignon" constitué d ' une tête cylindrique posée sur un pied fixé sur le substrat . Deux plots métalliques 3 et 4 sont placés de chaque côté de l ' élément résonant 2. La paroi verticale de chacun des plots 3 et 4 située face à la paroi de la tête cylindrique est courbe et entoure la tête cylindrique . La distance entre l ' élément résonant 2 et les plots 3 et 4 est très faible, de l ' ordre de quelques dizaines de nanomètres à un micromètre .

Lorsque l ' on applique une tension alternative entre l ' élément résonant 2 et les plots 3 et 4 , l ' élément résonant 2 tend à se déformer en se dilatant ou en se rétractant . Lorsque l ' élément résonant 2 entre en résonance, l ' élément résonant se dilate et se rétracte à la fréquence de résonance . Les plots 3

et 4 et l ' élément résonant 2 sont alors équivalents à un conden ^¬ sateur dont la capacité varie à la fréquence de résonance .

Le microrésonateur décrit précédemment peut être utilisé de diverses manières . Un exemple d ' utilisation en filtre est décrit ci-après . Comme cela est représenté en figure 1, l ' élément résonant 2 est relié à une tension de polarisation Vpol par l ' intermédiaire d ' une bobine L et relié à un circuit de détection de résonance par l ' intermédiaire d ' un condensateur C . Le circuit de détection est représenté par une résistance de charge Rc placée entre le condensateur C et la masse . Les plots 3 et 4 reçoivent une tension d ' entrée ve . Lorsque la tension ve comprend une composante continue et une composante alternative variant à la fréquence de résonance, un courant is variant à la fréquence de résonance est fourni au circuit de détection . Lorsque la tension ve varie à une fréquence différente de la fréquence de résonance, la variation du courant is fourni au circuit de détection est sensiblement nulle .

Un procédé de fabrication du microrésonateur repré ^¬ senté en figure 1 est décrit dans le brevet susmentionné . Ce procédé est complexe et comprend un grand nombre d' étapes . Les quatre grandes phases de ce procédé sont les suivantes .

Dans une première phase, illustrée en figure 2A, on forme sur un substrat 10 une portion isolante trouée 11 constituée par exemple d' oxyde de silicium. Dans une deuxième phase, illustrée en figure 2B, on forme un élément 12 en silicium ayant une forme de champignon comprenant un pied placé dans le trou de la portion isolante 11 et une tête cylindrique posée sur la portion isolante 11.

Dans une troisième phase, illustrée en figure 2C, on forme une fine couche d ' oxyde de silicium 13 autour de l ' élément résonant 12 et sur les parties dégagées de la portion isolante 11. On forme ensuite, sur le substrat 10, des plots conducteurs 14 et 15 de chaque côté de l ' élément 12. Les plots conducteurs sont en contact avec la couche d' oxyde de silicium 13.

Dans une quatrième phase, illustrée en figure 2D, on élimine la couche d' oxyde de silicium 13 ainsi que la portion isolante 11. On obtient alors un résonateur tel qu ' illustré en figure 1. Outre sa complexité, le procédé précédemment décrit présente l ' inconvénient de former un élément résonant ayant une structure polycristalline . En effet, l ' élément résonant 12 est obtenu par dépôt de silicium sur une couche d' oxyde de silicium ce qui conduit à former du silicium polycristallin . La structure polycristalline de l ' élément résonant est un inconvénient car ceci est à l ' origine de faiblesses mécaniques . De plus, la fréquence de résonance d'un élément résonant en silicium polycristallin peut varier d' un élément résonant à un autre . Résumé de l' invention Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé simple de fabrication d' un microrésonateur .

Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure de microrésonateur dont l ' élément résonant présente une bonne tenue mécanique . Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel microrésonateur dont l ' élément résonant présente une fré ^¬ quence de résonance sensiblement constante d' un microrésonateur à un autre .

Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel microrésonateur dont les mouvements latéraux sont détectés avec précision.

Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un microrésonateur comprenant un élément résonant et au moins une électrode d' activation placée à proximité de l ' élément résonant, dans lequel l ' élément résonant est placé dans une ouverture d' une couche semiconductrice recouvrant un substrat, l ' électrode d' activation étant formée dans la couche semiconduc ^¬ trice et affleurant au niveau de l ' ouverture, caractérisé en ce que l ' élément résonant est en silicium monocristallin.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l ' élément résonant a une forme de champignon dont le pied est fixé sur le substrat .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le microrésonateur comprend en outre un transistor de détection vertical comprenant un empilement de trois zones semiconduc- trices dopées formées dans la couche semiconductrice et affleurant au niveau de l ' ouverture, les zones semiconductrices dopées inférieure et supérieure constituant des zones de source et de drain d ' un premier type de dopage, la zone semiconductrice intermédiaire constituant une zone de "substrat" d ' un second type de dopage, l ' élément résonant constituant la grille du transistor .

La présente invention prévoit aussi un procédé de formation d ' un microrésonateur comprenant les étapes consistant à former une portion sacrificielle au-dessus d ' un substrat ; former une première couche semiconductrice au-dessus de la structure précédemment obtenue ; former dans la couche semi ^¬ conductrice au moins une zone d' électrode placée contre ou au- dessus d' une partie périphérique de la portion sacrificielle ; former une ouverture dans la première couche semiconductrice au- dessus de la première portion sacrificielle, d' où il résulte que ladite au moins une zone d' électrode affleure au niveau de 1 ' ouverture ; former une couche sacrificielle recouvrant le fond, la paroi et les bords de l ' ouverture ; former un trou dans la couche sacrificielle au fond de l ' ouverture ; former une seconde couche semiconductrice sur la structure précédemment obtenue ; graver la seconde couche semiconductrice de façon à conserver une portion constituant un élément résonant placé dans l ' ouverture et s ' étendant légèrement sur les bords de l ' ouver ^¬ ture ; et éliminer la portion et la couche sacrificielles, et dans lequel la portion et la couche sacrificielles sont constituées d' un matériau tel que du silicium-germanium qui soit gravable sélectivement par rapport au substrat, à la première couche semiconductrice et à l ' élément résonant et qui soit tel

qu ' il permette de former une seconde couche semiconductrice monocristalline au moins dans ladite ouverture .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre après la formation de la portion sacrificielle en silicium-germanium, la formation d ' une portion isolante au-dessus de la portion sacrificielle, la portion isolante servant de couche d' arrêt lors de la formation de l ' ouverture par gravure de la première couche semiconductrice .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et seconde couches semiconductrices sont des couches de silicium obtenues par croissance épitaxiale, l ' élément résonant étant en silicium monocristallin .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche sacrificielle a une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé est destiné à former un microrésonateur comprenant un transistor vertical de détection, et comprend préalablement à la formation de l ' ouverture une étape consistant à effectuer trois implantations successives à partir d' un même masque de litho ^¬ graphie décalé afin de former trois zones dopées en escalier, la zone dopée inférieure étant placée contre ou au-dessus de la portion sacrificielle et la zone dopée supérieure étant placée en surface de la première couche semiconductrice, les zones dopées étant éventuellement partiellement gravées lors de la formation de l ' ouverture dans la première couche semiconduc ^¬ trice, d' où il résulte que les trois zones dopées affleurent au niveau de l ' ouverture .

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la portion isolante ne recouvre pas toute la portion sacrifi ^¬ cielle, les trois zones dopées étant formées au-dessus d' une zone découverte de la portion sacrificielle . Brève description des dessins

Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d' autres de la présente invention seront exposés en détail dans

la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective d'un microrésona- teur connu ; les figures 2A à 2D sont des vues en coupe, précédemment décrites, de structures obtenues à l ' issue d'étapes successives d'un procédé de formation du microrésonateur de la figure 1 ; les figures 3A à 3H sont des vues en coupe de structures obtenues à l ' issue d' étapes successives d'un procédé de fabrication d'un microrésonateur selon la présente invention ; les figures 4A et 4B sont des exemples de vues de dessus d'une section de la structure obtenue à l' issue de la dernière étape illustrée en figure 3H ; les figures 5A à 5C sont des vues en coupe de structures obtenues à l ' issue d' étapes successives d'un procédé de fabrication d'un microrésonateur selon une variante du procédé de la présente invention.

Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à 1 ' échelle . Le procédé de la présente invention est décrit ci- après en relation avec les figures 3A à 3H.

Dans une étape initiale, illustrée en figure 3A, on forme dans la surface d'un substrat 100, une zone isolante 101 entourant une portion supérieure 102 du substrat 100. Le substrat 100 est par exemple en silicium monocristallin et la zone isolante 101 une tranchée remplie d' oxyde de silicium.

On fait croître ensuite, par épitaxie sélective, une portion de silicium-germanium 103 au-dessus de la portion de substrat 102. Cette croissance épitaxiale est classiquement réalisée selon un procédé de dépôt en phase gazeuse effectué à

partir d ' un mélange de dichlorosilane et de germane . Le procédé de dépôt est sélectif de façon à ne pas faire croître de silicium-germanium au-dessus de la zone isolante 101.

On forme ensuite une portion de couche isolante 104 sur la portion de silicium-germanium 103. La portion isolante 104 est plus restreinte que la portion de silicium-germanium 103 de façon à découvrir une ou plusieurs zones périphériques de la portion de silicium-germanium 103. Dans cet exemple, deux zones découvertes Zl et Z2 sont situées respectivement sur la gauche et la droite de la portion de silicium-germanium 103. La portion isolante 104 peut être obtenue de diverses manières . On pourra effectuer un dépôt d' une couche isolante sur la structure précédemment obtenue, puis graver cette couche isolante en conservant une portion au-dessus d' une partie de la portion de silicium-germanium 103. On pourra aussi effectuer une oxydation thermique de la portion de silicium-germanium 103 puis graver la couche d' oxyde de silicium ainsi formée afin de découvrir certaines zones de la portion de silicium-germanium 103.

A l ' étape suivante, illustrée en figure 3B, on fait croître par épitaxie non sélective une couche de silicium 110 , ou éventuellement d' un autre matériau semiconducteur, au-dessus de la structure précédemment obtenue . On notera que les portions de silicium placées au-dessus de la zone isolante 101 et de la portion isolante 104 sont polycristallines alors que les portions de silicium placées au-dessus des zones découvertes Zl et Z2 sont monocristallines . De plus, on pourra doper légèrement la couche de silicium 110 lors de sa croissance épitaxiale . Dans la suite de la description, on considérera que la couche de silicium 110 contient des éléments dopants de type P . A l ' étape suivante, illustrée en figure 3C, on effectue une implantation ionique de façon à former au moins une zone d ' électrode dans la couche de silicium 110 au-dessus d' une portion périphérique de la portion de silicium-germanium 103 ou éventuellement contre la portion de silicium-germanium 103. Dans cet exemple, on forme deux zones d ' électrodes 120 et 121

fortement dopées de type N au-dessus des zones découvertes Zl et Z2 de la portion de silicium-germanium 103.

A l ' étape suivante, illustrée en figure 3D, on forme, par gravure, une ouverture 130 dans la couche de silicium 110 au-dessus de la portion isolante 104.

Dans cet exemple, l ' ouverture 130 est formée entre les zones d' électrodes 120 et 121 de façon qu ' elles affleurent au niveau de l ' ouverture 130. Le procédé de gravure utilisé est de préférence anisotrope de façon que la paroi de l ' ouverture soit verticale . On élimine ensuite la portion isolante 104 qui n ' apparaît donc pas en figure 3D .

On notera que dans le procédé précédemment décrit, la portion isolante 104 sert de couche d' arrêt lors de la gravure de la couche de silicium 110. L ' étape de formation d' une portion isolante sur la portion de silicium-germanium 103 préalablement à la formation de la couche de silicium 110 pourrait être évitée dans la mesure où il existe des procédés de gravure permettant de graver le silicium sélectivement par rapport au silicium- germanium. Dans ce cas, c ' est la portion de silicium-germanium 103 qui servirait de couche d' arrêt lors de la gravure de la couche de silicium 110 pour former l ' ouverture 130. Cependant, l ' utilisation d ' une portion isolante comme couche d' arrêt permet de mieux contrôler la profondeur de l ' ouverture 130 , ce qui per ^¬ met de définir avec plus de précision l ' épaisseur de l ' élément résonant du microrésonateur, comme cela apparaîtra ci-après .

A l ' étape suivante, illustrée en figure 3E, on fait croître par épitaxie non sélective une fine couche de silicium- germanium 140 afin de recouvrir les parois et le fond de l ' ouverture 130 ainsi que la couche de silicium 110. On notera que la couche de silicium-germanium 140 est monocristalline dans et sur les bords de l ' ouverture 130.

A l ' étape suivante, illustrée en figure 3F, on forme un trou traversant la portion 103 et la couche 140 de silicium- germanium, sensiblement au milieu de l ' ouverture 130. On fait croître ensuite par épitaxie non sélective une couche de

silicium 150 au-dessus de la couche de silicium-germanium 140. Cette couche de silicium sera monocristalline au moins au-dessus des emplacements où la couche sous-jacente de silicium-germanium est monocristalline . A l ' étape suivante, illustrée en figure 3G, on grave la couche de silicium 150 de façon à conserver du silicium dans l ' ouverture 130. En pratique, on conservera une petite portion de silicium sur les bords de l ' ouverture 130 pour éviter de graver le silicium placé contre les parois de l ' ouverture 130. La portion de silicium restante constitue un élément résonant 160.

A l ' étape suivante, illustrée en figure 3H, on élimine la couche de silicium-germanium 140 ainsi que la portion de silicium-germanium 103 initialement déposée sur le substrat 100. Le procédé de gravure utilisé doit être sélectif de façon que l ' élément résonant 160, les parties restantes de la couche de silicium 110 et le substrat 100 ne soient pas gravés . On obtient ainsi un élément résonant 160 posé sur le substrat 100 par un pied 161. Les figures 4A et 4B sont des vues en coupe

"horizontales" effectuées selon un plan parallèle à la surface du substrat 100 placé à l ' intérieur de l ' ouverture 130.

Dans l ' exemple illustré en figure 4A, l ' ouverture 130 a une forme sensiblement rectangulaire ainsi que l ' élément réso- nant 160 placé à l ' intérieur de cette ouverture . Les zones d' électrode 120 et 121 ont une forme sensiblement rectangulaire et sont accolées contre deux parois opposées de l ' ouverture 130. Dans l ' exemple représenté en figure 4B, l ' ouverture 130 a une forme sensiblement circulaire ainsi que l ' élément résonant 160. Les zones d' électrode 120 et 121 sont courbes et sont placées l 'une en face de l ' autre contre la paroi de 1 ' ouverture 130.

Dans le procédé précédemment décrit, la portion 103 et la couche 140 de silicium-germanium sont des couches sacrifi- cielles . Un matériau autre que le silicium-germanium pourrait

être utilisé . Le matériau choisi doit être gravable sélective ^¬ ment par rapport au substrat 100 , à la couche de silicium 110 et à l ' élément résonant 160 , et doit permettre de déposer, ou de faire croître par épitaxie, une couche semiconductrice présentant une structure monocristalline .

Un avantage du procédé de la présente invention est qu ' il permet de former un élément résonant semiconducteur présentant une structure monocristalline .

De plus, pour former la portion et la couche sacrifi- cielles, on utilisera de préférence un matériau permettant d ' obtenir une couche très fine afin d' avoir au final un faible écartement entre l ' élément résonant 160 et les zones d' électrode

120 et 121. Il est possible d ' obtenir un écartement de quelques dizaines de nanomètres avec une couche de silicium-germanium. Cette caractéristique est importante dans la mesure où les mouvements de ce type d' élément résonant sont de quelques angstrδms . La détection de si petits déplacements nécessite d ' avoir une très faible distance entre l ' élément résonant et les zones d' électrode afin d ' induire une variation capacitive significative .

La fréquence de résonance d' un tel microrésonateur peut atteindre quelques GHz, la fréquence dépendant des conditions de polarisation de l ' élément résonant .

Un microrésonateur selon la présente invention comprend un élément résonant placé dans une ouverture d' une couche semiconductrice recouvrant un substrat . Dans le cas où la couche semiconductrice et le substrat "support" sont constitués d ' un même matériau, on pourra considérer que la couche et le substrat constituent un unique substrat, l ' élément résonant étant alors placé dans une cavité de ce substrat . De plus, l ' élément résonant est fixé au substrat par un ou plusieurs "pieds" . Le microrésonateur comprend en outre une ou plusieurs zones d' électrodes placées contre les parois de l ' ouverture dans laquelle est placé l ' élément résonant . La partie de l ' élément résonant placée dans l ' ouverture a une forme sensiblement iden-

tique à celle-ci de façon que la distance entre l ' élément résonant et la paroi de l ' ouverture soit relativement faible en face des zones d' électrode .

Selon un aspect de la présente invention, l ' élément résonant est constitué d ' un matériau semiconducteur présentant une structure monocristalline .

Dans le cas où le microrésonateur décrit précédemment est un élément d' un circuit intégré, des composants de type transistor peuvent être formés en surface de la couche de silicium 110. Une "bulle" peut être placée au-dessus du micro ^¬ résonateur, puis un ou plusieurs niveaux de connexions métal ^¬ liques peuvent être formés au-dessus de la couche semiconduc- trice 110 et de la bulle . Un contact métallique peut être placé au-dessus de chacune des zones d ' électrode 120 et 121 afin de les relier à d' autres composants du circuit par l ' intermédiaire d ' une ligne métallique . De plus, afin d' accéder à l ' élément résonant 160 , on peut former une zone dopée enterrée dans le substrat 100. Cette zone dopée enterrée, par exemple de type N si le substrat est de type P, relie alors le pied de l ' élément résonant à une zone de la couche de silicium 110 en passant sous la zone isolante 101. Cette zone dopée enterrée peut être reliée à une ligne de connexion métallique par l ' intermédiaire d' une zone dopée formée dans la couche de silicium 110.

Un microrésonateur selon la présente invention peut être utilisé dans divers circuits par exemple comme filtre . Il peut être utilisé de façon similaire à ce qui a été décrit pour le microrésonateur illustré en figure 1.

Selon une variante de réalisation d' un microrésonateur selon la présente invention, la détection des mouvements de l ' élément résonant est effectuée au moyen d ' un transistor verti ^¬ cal ayant pour grille l ' élément résonant . Les zones de source, de drain et de canal de ce transistor sont placées dans le substrat contre la paroi de l ' ouverture dans laquelle est placé l ' élément résonant . La réalisation d ' un tel microrésonateur

consiste à ajouter au procédé précédemment décrit une étape de formation d'un transistor vertical .

Comme cela est illustré en figure 5A, après la forma ^¬ tion de la couche de silicium 110 (voir figure 3B) , on effectue trois implantations ioniques successives à partir d'un même masque de photolithographie M comme cela est décrit ci-après .

On dépose une couche de résine au-dessus de la couche de silicium 110 et on insole cette résine de façon à conserver, après développement, de la résine sur l ' ensemble de la surface de la couche de silicium excepté en une zone située au-dessus de la zone découverte Z2. Dans le cas ou la résine utilisée est une résine positive, le masque de lithographie M utilisé pour insoler la résine est représenté en position "a" au-dessus de la structure représentée en figure 5A. On effectue ensuite une implantation d' éléments dopants d'un premier type, par exemple de type P, pour former une zone dopée 122 au-dessus de la zone découverte Z2. Dans cet exemple, l ' épaisseur de la zone dopée

122 est sensiblement identique à celle de la portion isolante 104. On procède ensuite à une deuxième implantation . Pour ce faire, on décale le masque M de lithographie, vers la gauche dans cet exemple, de façon que l ' ouverture du masque M soit décalée vers la portion isolante 104, le masque étant en position "b" . On dépose alors une nouvelle couche de résine que l ' on insole selon le masque M puis que l ' on développe . On procède alors à une implantation d' éléments dopants d' un second type, par exemple de type N, de façon à former une zone dopée

123 sensiblement au-dessus de la zone dopée 122 mais décalée vers la gauche au-dessus de la partie droite de la portion isolante 104. La couche de résine est ensuite éliminée .

Puis on procède à une troisième implantation en déposant une nouvelle couche de résine . On décale le masque de lithographie M de nouveau vers la gauche dans la position "c" puis on insole et développe la résine . On effectue alors une implantation d' éléments dopants du premier type, de type P dans

cet exemple, de façon à obtenir une zone dopée 124 placée sensi ^¬ blement au-dessus de la zone dopée 123 dans la partie supérieure de la couche de silicium 110. On obtient ainsi trois zones dopées 122, 123 et 124 placées en escalier entre la couche de silicium-germanium 103 et la surface de la couche de silicium 110.

A titre indicatif, les zones dopées 122 et 124 ont une épaisseur de 40 nanomètres, et la zone dopée 123 une épaisseur de 300 nanomètres . La somme des épaisseurs des zones 122, 123 et 124, soit 380 nanomètres est égale à l ' épaisseur de la couche de silicium 110. Le décalage du masque entre chacune des implanta ^¬ tions est d ' environ 200 à 250 nanomètres .

On forme ensuite une ou plusieurs zones d ' électrodes . Dans cet exemple, une seule électrode 120 est formée au-dessus de la zone découverte Zl . L ' électrode 121 a été remplacée par les zones dopées 122, 123 et 124.

Comme cela est illustré en figure 5B, à l ' issue de l ' étape de formation de l ' ouverture 130, les zones 123 et 124 ont été partiellement gravées de façon que les trois zones dopées 122, 123, 124 affleurent au niveau de l ' ouverture .

Comme cela est illustré en figure 5C, le microrésona ^¬ teur finalement obtenu comprend un transistor MOS vertical placé en face de l ' élément résonant 160. Les zones dopées 122 et 124 constituent des zones de source/drain . La zone dopée 123 consti- tue une zone de "substrat" . L ' élément résonant 160 constitue la grille du transistor .

Lorsque l ' élément résonant 160 se rapproche ou s ' éloi ^¬ gne de la zone 123 de substrat, la capacité de grille du tran ^¬ sistor varie . Quand la grille et les zones des source/drain du transistor sont polarisées de façon à rendre conducteur le tran ^¬ sistor, une variation de la capacité de grille se traduit par une variation du courant traversant le transistor . Le transistor permet ainsi de détecter les mouvements de l ' élément résonant, notamment quand celui-ci entre en résonance .

Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l' homme de l' art . En particulier, on pourra prévoir de former plusieurs zones d ' électrodes autour de l ' élément résonant . Toutes les zo ^¬ nes d' électrode peuvent être utilisées pour activer l ' élément résonant, cependant on pourra prévoir d' utiliser certaines de ces zones pour détecter les mouvements de l ' élément résonant .