FR3087262A1 - Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique comportant une structure tridimensionnelle suspendue - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique comportant un substrat et au moins un détecteur thermique (20), lequel comporte une structure tridimensionnelle (22) dans laquelle un réflecteur (40) s'étend de manière planaire dans un étage intermédiaire, distinct et situé entre un étage inférieur comportant les bras d'isolation thermique (30) et un étage supérieur comportant la membrane absorbante (60).
Description
DISPOSITIF DE DETECTION D’UN RAYONNEMENT
ELECTROMAGNETIQUE COMPORTANT UNE STRUCTURE
TRIDIMENSIONNELLE SUSPENDUE
DOMAINE TECHNIQUE [001] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique comportant au moins un détecteur thermique à membrane absorbante thermiquement isolée du substrat de lecture. L’invention s’applique notamment au domaine de l’imagerie infrarouge ou térahertz, de la thermographie, voire de la détection de gaz.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [002] Un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique peut comporter des pixels sensibles formés chacun d’un détecteur thermique comportant une membrane absorbante thermiquement isolée du substrat de lecture. La membrane absorbante comporte un absorbeur du rayonnement électromagnétique à détecter associé à un transducteur thermométrique dont une propriété électrique varie en intensité en fonction de réchauffement du transducteur.
[003] La température du transducteur thermométrique étant cependant grandement dépendante de son environnement, la membrane absorbante est isolée thermiquement du substrat et du circuit de lecture, celui-ci étant disposé dans le substrat. Ainsi, la membrane absorbante est généralement suspendue au-dessus du substrat par des piliers d’ancrage, et en est isolée thermiquement par des bras d’isolation thermique. Ces piliers d’ancrage et bras d’isolation thermique présentent également une fonction électrique en assurant la connexion électrique de la membrane absorbante au circuit de lecture.
[004] Cependant, il existe un besoin de pouvoir réaliser de tels détecteurs thermiques sous la forme d’une matrice de pixels sensibles agencés de manière périodique avec un pas du réseau (pas pixel) de l’ordre d’une dizaine de microns voire moins. Pour éviter la dégradation des performances de tels détecteurs thermiques, une approche consiste à disposer la membrane absorbante dans un plan différent de celui des bras d’isolation thermique.
[005] La demande de brevet W02018/055276 décrit ainsi un exemple d’un dispositif de détection dans lequel le détecteur thermique comporte une structure tridimensionnelle suspendue au-dessus du substrat de lecture par les piliers d’ancrage. Cette structure
DD18955 - ICG090273 tridimensionnelle est formée d’un étage inférieur comportant les bras d’isolation thermique, lesquels sont suspendus au-dessus du substrat par les piliers d’ancrage et connectés au circuit de lecture par ces derniers, et d’un étage supérieur comportant la membrane absorbante de détection, laquelle est maintenue au-dessus des bras d’isolation thermique par des piliers conducteurs qui prennent appui sur les bras d’isolation thermique. La membrane absorbante comporte un absorbeur du rayonnement électromagnétique d’intérêt associé à un transducteur thermométrique, ici un transistor MOS. La membrane absorbante forme une cavité interférentielle quart d’onde avec un réflecteur qui repose sur le substrat de lecture.
EXPOSÉ DE L’INVENTION [006] L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique qui autorise une réduction des dimensions latérales du pixel sensible, tout en optimisant les performances du détecteur thermique.
[007] Pour cela, l’objet de l’invention est un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, comportant :
o un substrat comportant un circuit de lecture ;
o au moins un détecteur thermique, comportant :
• une structure tridimensionnelle adaptée à détecter le rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat et électriquement connectée au circuit de lecture par au moins un pilier d’ancrage, comportant :
des bras d’isolation thermique s’étendant de manière planaire dans un étage dit inférieur de la structure tridimensionnelle, une membrane absorbante du rayonnement électromagnétique contenant un transducteur thermométrique, s’étendant de manière planaire dans un étage dit supérieur de la structure tridimensionnelle, distinct et superposé à l’étage inférieur, suspendue au-dessus des bras d’isolation thermique par des piliers conducteurs qui s’étendent à partir des bras d’isolation thermique ;
• un réflecteur du rayonnement électromagnétique, disposé entre le substrat et la membrane absorbante de manière à former une cavité interférentielle quart d’onde pour ledit rayonnement électromagnétique.
[008] Selon l’invention, le réflecteur s’étend de manière planaire dans un étage dit intermédiaire de la structure tridimensionnelle, distinct et situé entre les étages inférieur et supérieur.
DD18955 - ICG090273 [009] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif de détection sont les suivants.
[0010] Le pilier conducteur peut être un pilier creux comportant des parois latérales formées d’au moins une couche conductrice, les parois latérales délimitant un espace interne vide.
[0011] Le pilier conducteur peut comporter une ouverture supérieure débouchant sur l’espace interne, ladite ouverture supérieure étant traversante, c’est-à-dire qu’elle n’est pas obturée et qu’elle met en relation l’espace interne et l’environnement du pilier conducteur.
[0012] Le pilier conducteur peut comporter une ouverture supérieure débouchant sur l’espace interne et obturée par la membrane absorbante, et peut comporter une ouverture latérale traversante située au niveau des parois latérales.
[0013] Le réflecteur peut comporter au moins une ouverture traversante, au travers de laquelle s’étend le pilier conducteur.
[0014] Le dispositif de détection peut comporter une matrice de détecteurs thermiques, le réflecteur s’étendant de manière continue en regard de chacune des membranes absorbantes.
[0015] Le réflecteur peut être suspendu au-dessus des bras d’isolation thermique par au moins un plot de maintien qui prend appui sur un pilier d’ancrage.
[0016] L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes :
i) réalisation des bras d’isolation thermique, du réflecteur, puis de la membrane absorbante reposant sur au moins un pilier conducteur, au moyen de différentes couches sacrificielles déposées successivement sur le substrat ;
ii) suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à obtenir la suspension de la structure tridimensionnelle au-dessus du substrat.
[0017] Le pilier conducteur peut être un pilier creux comportant des parois latérales formées d’au moins une couche conductrice, les parois latérales délimitant un espace interne. L’étape i) peut alors comporter les sous-étapes suivantes :
- réalisation des bras d’isolation thermique sur une première couche sacrificielle ;
- réalisation du réflecteur sur une deuxième couche sacrificielle reposant sur la première couche sacrificielle ;
- dépôt d’au moins une troisième couche sacrificielle sur la deuxième couche sacrificielle, et réalisation d’un orifice vertical au travers d’au moins les deuxième et troisième couches sacrificielles de manière à déboucher sur un bras d’isolation thermique ;
DD18955 - ICG090273
- dépôt conforme d’une couche conductrice sur les flancs latéraux de l’orifice vertical de manière à former le pilier conducteur creux présentant une ouverture supérieure ;
- dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire de manière à recouvrir au moins la troisième couche sacrificielle et à remplir l’espace interne du pilier conducteur au travers de l’ouverture supérieure.
[0018] L’étape i) peut comporter les sous-étapes suivantes :
- suppression de la couche sacrificielle supplémentaire, hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure ;
- réalisation de la membrane absorbante de manière à laisser traversante l’ouverture supérieure ;
et l’étape ii) peut comporter la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture supérieure traversante. [0019] L’étape i) peut comporter les sous-étapes suivantes :
- réalisation d’un plot intermédiaire situé entre le réflecteur et la membrane absorbante, le plot intermédiaire formant un ergot en saillie dans l’orifice vertical, réalisé en un matériau sensible à un agent de gravure utilisé lors de l’étape ii) de suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à induire une rupture de continuité de la couche conductrice lors du dépôt conforme, formant ainsi une ouverture latérale traversante du pilier conducteur ;
- suppression de la couche sacrificielle supplémentaire, hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure ;
- réalisation de la membrane absorbante de manière à obturer l’ouverture supérieure ;
et l’étape ii) peut comporter la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture latérale traversante.
[0020] Les couches sacrificielles peuvent être réalisées en un matériau minéral, et être supprimées par une gravure chimique humide à l’acide fluorhydrique, le plot formant l’ergot étant réalisé en titane, en oxyde de tantale Ta2O5 ou en un nitrure de silicium.
[0021] La couche conductrice formant le pilier conducteur peut être réalisée en WSi, en TiN ou en TiW.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0022] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
DD18955 - ICG090273 la figure 1A et 1B sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe transversale et en vue de dessus, d’un dispositif de détection selon un premier mode de réalisation ;
les figures 2A à 2G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon un deuxième mode de réalisation ;
les figures 3A à 3G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon un troisième mode de réalisation.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0023] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, l’expression « comportant un » doit être comprise, sauf indication contraire, comme « comportant au moins un » et non pas comme « comportant un unique ».
[0024] L’invention porte sur un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, par exemple un rayonnement infrarouge ou térahertz. Le dispositif de détection peut ainsi être particulièrement adapté à détecter un rayonnement infrarouge de la gamme LWIR (Long Wavelength Infrared, en anglais) dont la longueur d’onde est comprise entre 8pm et 14pm environ. Il comporte une cavité interférentielle quart d’onde formée entre une membrane absorbante et un réflecteur, permettant ainsi de maximiser l’absorption du rayonnement infrarouge à détecter par la membrane absorbante.
[0025] Dans la suite de la description, le dispositif de détection comporte un ou plusieurs détecteurs thermiques contenant chacun un transducteur thermométrique, situé dans une membrane absorbante isolée thermiquement du substrat. Un transducteur thermométrique est un élément présentant une propriété électrique variant avec son échauffement, et peut être un matériau thermistance formé par exemple d’oxyde de vanadium ou de titane, ou de silicium amorphe, une capacité formée par un matériau pyroélectrique ou ferroélectrique, une diode (jonction pn ou pin), voire un transistor à effet de champ et à structure métal oxyde - semiconducteur (MOSFET).
DD18955 - ICG090273 [0026] Selon l’invention, chaque détecteur thermique comporte une structure tridimensionnelle, suspendue au-dessus du substrat, et comportant au moins trois étages fonctionnels distincts et superposés les uns aux autres, c’est-à-dire disposés en regard et parallèlement les uns des autres. La structure tridimensionnelle comporte ainsi un étage inférieur d’isolation thermique, un étage intermédiaire de réflexion optique, et un étage supérieur de détection du rayonnement électromagnétique.
[0027] Les figures 1A et 1B sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe transversale et en vue de dessus, d’un dispositif de détection i selon un premier mode de réalisation. La fig.iA est une vue selon le plan de coupe A-A illustré sur la fig.iB. Dans cet exemple, le transducteur thermométrique est un matériau thermistance, par exemple du silicium amorphe ou un oxyde de vanadium. Un seul détecteur thermique 20 est ici représenté, mais le dispositif de détection 1 comporte avantageusement une matrice de détecteurs thermiques 20 identiques (pixels sensibles).
[0028] On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal (Χ,Υ,Ζ), où le plan (X,Y) est sensiblement parallèle au plan principal du substrat de lecture 10 du dispositif de détection 1, et où l’axe Z est orienté suivant une direction sensiblement orthogonale au plan principal du substrat de lecture 10 et orientée vers la membrane absorbante 60. Dans la suite de la description, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne du substrat de lecture 10 suivant la direction +Z.
[0029] Le dispositif de détection 1 comporte un substrat fonctionnalisé, dit substrat de lecture 10, réalisé dans cet exemple à base de silicium, comportant un circuit de lecture 12 permettant la commande et la lecture des détecteurs thermiques 20.
[0030] Le circuit de lecture 12 se présente ici sous la forme d’un circuit intégré CMOS situé dans un substrat support 11. Il comporte des portions 14 de lignes conductrices, par exemple métalliques, séparées les unes des autres par un matériau diélectrique 13, par exemple un matériau minéral à base de silicium tel qu’un oxyde de silicium SiOx, un nitrure de silicium SiNx, ou leurs alliages. Il peut également comporter des éléments électroniques actifs (non représentés), par exemple des diodes, transistors, ou des éléments électroniques passifs, par exemple des condensateurs, résistances..., connectés par des interconnexions électriques au détecteur thermique 20 d’une part, et à un plot de connexion (non représenté) d’autre part, ce dernier étant destiné à connecter le dispositif de détection 1 à un dispositif électronique externe. A titre illustratif, les portions conductrices 14 et les vias conducteurs 15 peuvent être réalisés, par exemple, en cuivre, en aluminium ou en tungstène. Le cuivre ou le tungstène peut éventuellement être situé entre des sous-couches en nitrure de titane, de
DD18955 - ICG090273 tantale ou autre. Le substrat de lecture 10 présente ici une face supérieure toa formée notamment par une surface d’une couche isolante inter-métal 13 et une surface de portions conductrices 14 du dernier niveau d’interconnexion électrique.
[0031] La face supérieure 10a est avantageusement revêtue d’une couche de protection 16, notamment lorsque la structure tridimensionnelle 22 est réalisée via I’utilisation de couches sacrificielles minérales, lesquelles sont ensuite éliminées par attaque chimique en milieu acide HF (acide fluorhydrique). La couche de protection 16 présente alors une fonction d’arrêt de gravure, et est donc adaptée à assurer une protection du substrat support 11 et des couches diélectriques inter-métal 13 lorsqu’elles sont réalisées en un matériau minéral vis-à-vis de l’attaque chimique HF. Cette couche de protection 16 forme ainsi une couche hermétique et chimiquement inerte. Elle est électriquement isolante pour éviter tout courtcircuit entre les portions de ligne métallique. Elle peut ainsi être réalisée en alumine À12O3, voire en nitrure ou fluorure d’aluminium, voire en silicium amorphe intrinsèque. Elle peut présenter une épaisseur comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de nanomètres, par exemple comprise entre tonm et soonrn, de préférence comprise entre 2onm et toonm.
[0032] Le dispositif de détection 1 comporte au moins un détecteur thermique 20, et ici une matrice de détecteurs thermiques 20 identiques les uns aux autres. Les détecteurs thermiques 20 forment ainsi des pixels sensibles de la matrice, agencés périodiquement, et peuvent présenter une dimension latérale dans le plan XY (dite pas pixel), de l’ordre de quelques dizaines de microns, par exemple égale à topm environ voire moins.
[0033] Le détecteur thermique 20 comporte une structure tridimensionnelle 22 de détection du rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat de lecture 10 par des piliers d’ancrage 21 et connectée au circuit de lecture 12 par ces derniers.
[0034] Les piliers d’ancrage 21 sont des plots conducteurs réalisés en au moins un matériau électriquement conducteur, qui s’étendent suivant l’axe Z à partir du substrat de lecture 10 jusqu’à la structure tridimensionnelle 22. Ils sont au contact des portions 14 de lignes conductrices, et assurent ainsi la connexion électrique de la structure tridimensionnelle 22 au circuit de lecture 12. Les piliers d’ancrage 21 peuvent être réalisés, par exemple, en cuivre, en aluminium ou en tungstène, éventuellement encapsulé dans au moins une sous-couche de protection 16 en nitrure de titane, ou autre.
[0035] La structure tridimensionnelle 22 présente au moins trois différents étages fonctionnels distincts et superposés les uns aux autres. Les étages fonctionnels sont ainsi disposés dans des plans distincts et parallèles entre eux, et sont en regard les uns des autres.
DD18955 - ICG090273 [0036] Le premier étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage inférieur présentant notamment une fonction d’isolation thermique. Il comporte ainsi les bras d’isolation thermique 30, qui s’étendent de manière planaire dans un premier plan Pi parallèle au plan XY, à partir des piliers d’ancrage 21. Ils assurent l’isolation thermique de la membrane absorbante 60 vis-à-vis du substrat de lecture 10, la connexion électrique du matériau thermistance 64, et participent à maintenir la membrane absorbante 60 suspendue au-dessus du substrat de lecture 10. Les bras d’isolation thermique 30 comportent une couche conductrice 32 réalisée en un matériau électriquement conducteur, ici encapsulée entre deux couches diélectriques 31,33 participant à la rigidification des bras d’isolation thermique 30. A titre d’exemple, les bras d’isolation thermique 30 peuvent être formés d’une couche mince conductrice 32 de TiN encapsulée dans deux couches diélectriques 31,33 en silicium amorphe. Ils s’étendent longitudinalement de préférence en serpentin, de manière à maximiser leur longueur dans la surface du pixel sensible. Ils s’étendent ici longitudinalement entre une première extrémité 34 assemblée et connectée à un pilier d’ancrage 21 et une deuxième extrémité opposée 35 sur laquelle repose et est connecté un pilier conducteur 50 de maintien de la membrane absorbante 60.
[0037] Le deuxième étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage intermédiaire présentant une fonction de réflexion optique du rayonnement électromagnétique à détecter. Il comporte un réflecteur 40 adapté à réfléchir en direction de la membrane absorbante 60 une proportion du rayonnement électromagnétique à détecter n’ayant pas été absorbée par la membrane absorbante 60. Le réflecteur 40 est une couche d’un matériau réfléchissant, par exemple métallique, qui s’étend de manière planaire dans un deuxième plan P2 parallèle au plan XY et distinct du premier plan Pi, à partir d’un plot de maintien 41 qui repose sur un pilier d’ancrage 21. Le plot de maintien 41 s’étend ainsi suivant l’axe Z entre une extrémité supérieure du pilier d’ancrage 21 et le réflecteur 40. Aussi, le réflecteur 40 est disposé au-dessus et en regard des bras d’isolation thermique 30 suivant l’axe Z. Le plot de maintien 41 peut être réalisé de manière différente ou identique aux piliers d’ancrage 21. Il peut ainsi être réalisé à base de cuivre, aluminium ou tungstène, éventuellement encapsulé latéralement dans une sous-couche à base de nitrure de titane. Le réflecteur 40 peut également être réalisé à base de cuivre, aluminium ou tungstène. Les réflecteurs 40 des différents pixels sensibles peuvent être des couches métalliques distinctes les unes des autres, c’est-à-dire séparées les unes des autres dans le plan P2. En variante, ils peuvent être formés d’une même couche métallique qui s’étend continûment au niveau de chaque pixel sensible. En variante également, le plot de maintien 41 peut reposer sur et au contact du substrat de lecture, et non pas reposer sur un bras d’isolation thermique.
DD18955 - ICG090273 [0038] Le troisième étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage supérieur présentant une fonction de détection du rayonnement électromagnétique d’intérêt. Pour cela, il comporte la membrane absorbante 6o contenant un absorbeur du rayonnement électromagnétique à détecter associé au matériau thermistance. La membrane absorbante 6o s’étend de manière planaire dans un troisième plan P3 parallèle au plan XY et distinct des plans Pi et P2. Elle est maintenue suspendue au-dessus du réflecteur 40 par au moins un pilier conducteur 50 qui repose sur un bras d’isolation thermique 30. La membrane absorbante 60 est donc suspendue au-dessus du substrat de lecture 10 et est connectée au circuit de lecture 12, par l’action des piliers d’ancrage 21, des bras d’isolation thermique 30, et des piliers conducteurs 50. Elle est par ailleurs thermiquement isolée du substrat de lecture 10 par les bras d’isolation thermique 30.
[0039] La membrane absorbante 60 est ici classiquement formée d’un empilement d’une couche isolante inférieure 61 réalisée en un matériau diélectrique, de deux électrodes 62 électriquement isolées l’une de l’autre par un espacement latéral, d’une couche isolante intermédiaire 63 réalisée en un matériau diélectrique et recouvrant les électrodes 62 et l’espacement latéral, hormis en deux ouvertures débouchant sur les électrodes 62, d’un matériau thermistance 64, par exemple du silicium amorphe ou un oxyde de vanadium ou de titane. Le matériau thermistance 64 est au contact des deux électrodes 62 via les ouvertures. Une couche supérieure de protection 65 recouvre le matériau thermistance 64, notamment pour protéger le matériau thermistance lors de l’attaque chimique à l’acide fluorhydrique mise en œuvre ultérieurement. L’absorbeur est ici formé par les électrodes 62, lesquelles sont réalisées en au moins un matériau métallique, par exemple en nitrure de titane.
[0040] Le pilier conducteur 50 s’étend ainsi suivant l’axe Z entre la deuxième extrémité longitudinale 35 d’un bras d’isolation thermique 30 et la membrane absorbante 60. Le pilier conducteur 50 peut être réalisé de manière différente ou identique aux piliers d’ancrage 21 et au plot de maintien 41. Il comporte un matériau électriquement conducteur, par exemple du cuivre, aluminium ou tungstène, éventuellement encapsulé latéralement dans une souscouche à base de nitrure de titane. Le pilier conducteur 50 est au contact de la couche conductrice 32 du bras d’isolation thermique 30 au niveau d’une extrémité inférieure, et au contact d’une électrode de polarisation 62 au niveau d’une extrémité opposée supérieure. Il peut être réalisé d’un seul tenant avec une électrode de polarisation 62 ou être distinct et au contact de celle-ci. Il peut être un pilier plein, c’est-à-dire que l’espace interne délimité par sa périphérie, dans le plan XY, est rempli par au moins un matériau (conducteur ou non), ou être un pilier creux, c’est-à-dire que le matériau conducteur s’étend à sa périphérie de manière à former des parois latérales qui délimitent un espace interne non rempli par un matériau.
DD18955 - ICG090273 [0041] La membrane absorbante 6o est espacée verticalement et est disposée en regard du réflecteur 40 suivant l’axe Z, de sorte que l’absorbeur (électrodes 62) et le réflecteur 40 définissent ensemble une cavité optique interférentielle quart d’onde, permettant ainsi de maximiser l’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter par la membrane absorbante 60.
[0042] Ainsi, le dispositif de détection 1 comporte au moins un pixel sensible, et de préférence une matrice de pixels sensibles identiques, ayant chacun un détecteur thermique 20 contenant une structure tridimensionnelle 22 suspendue au-dessus du substrat de lecture 10 par les piliers d’ancrage 21. Cette structure tridimensionnelle 22 comporte ainsi au moins trois étages distincts : un étage inférieur dans lequel s’étendent les bras d’isolation thermique 30 ; un étage intermédiaire dans lequel s’étend le réflecteur 40, et un étage supérieur dans lequel s’étend la membrane absorbante 60 de détection.
[0043] Cet agencement vertical des différents étages fonctionnels d’isolation thermique, de réflexion optique, et d’absorption/détection du rayonnement électromagnétique d’intérêt permet à la fois de réaliser un pixel sensible de petites dimensions latérales dans le plan XY, par exemple de l’ordre d’une dizaine de microns voire moins, tout en optimisant les performances du détecteur thermique 20. En effet, il est alors possible d’améliorer l’isolation thermique de la membrane absorbante 60 (et donc d’augmenter la résistance thermique du détecteur thermique 20) en réalisant des bras d’isolation thermique 30 d’une longueur importante dans le plan Pi dans la mesure où il n’y a pas la contrainte de la présence de la membrane absorbante 60. De plus, le détecteur thermique 20 présente un facteur de remplissage FF important, ce paramètre FF (pour FUI Factor, en anglais) étant défini comme le rapport de la surface de la membrane absorbante 60 sur la surface totale du pixel sensible, dans un plan XY parallèle au plan du substrat. Le facteur de remplissage FF est particulièrement important dans la mesure où la membrane absorbante 60 n’est pas limitée en dimensions par la présence des bras d’isolation thermique 30 dans le plan P3. Aussi, le rendement optique du détecteur thermique 20, produit du paramètre FF par l’absorption ε du détecteur thermique 20 est préservée, l’absorption ε étant définie comme la proportion absorbée par unité de surface de l’énergie incidente du rayonnement électromagnétique à détecter.
[0044] De plus, le fait que les bras d’isolation thermique 30 soient situés dans l’étage inférieur et non pas dans l’étage intermédiaire, et donc soient situés en-dehors de la cavité interférentielle quart d’onde, permet de préserver les performances du détecteur thermique 20. En effet, la présence des bras d’isolation thermique 30 dans la cavité interférentielle quart d’onde peut conduire à une perturbation de la cavité interférentielle et en conséquence à une dégradation de l’absorption ε. L’absorbeur de la membrane absorbante
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6o est habituellement disposé à une distance du réflecteur telle que l’onde réfléchie génère une interférence constructive avec l’onde incidente au niveau de la membrane absorbante, c’est-à-dire à une distance sensiblement égale à Àc/4n du réflecteur 40, Àc étant une longueur d’onde centrale de la gamme spectrale du rayonnement électromagnétique à détecter (par exemple iopm pour la gamme LWIR), et n étant l’indice de réfraction du milieu situé dans la cavité interférentielle quart d’onde, habituellement le vide. Or, la présence des bras d’isolation thermique 30 au sein de la cavité interférentielle quart d’onde peut entraîner une diminution de l’absorption ε du détecteur thermique 20, du fait d’une modification du chemin optique permettant de générer l’interférence constructive au niveau de la membrane absorbante d’une part, et du fait d’une absorption non nulle du rayonnement électromagnétique par les bras d’isolation thermique 30 d’autre part. Il en ressort que ces inconvénients sont écartés dans le cadre de l’invention dans la mesure où les bras d’isolation thermique 30 sont disposés en dehors de la cavité interférentielle quart d’onde. Les performances du détecteur thermique 20 sont alors préservées.
[0045] Les figures 2A à 2G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection 1 selon un deuxième mode de réalisation. Le dispositif de détection 1 est ici similaire à celui illustré sur la fig.2A et s’en distingue essentiellement en ce que le pilier conducteur 50 de maintien de l’étage supérieur est un pilier creux. De plus, le réflecteur 40 est formé d’une couche plane réalisée en un matériau réfléchissant, laquelle repose sur une couche inférieure plane 42 réalisée d’un seul tenant et en un même matériau avec le plot de maintien 41.
[0046] Dans cet exemple, le détecteur thermique 20 est réalisé en utilisant des couches sacrificielles minérales destinées à être ultérieurement supprimées par gravure humide en milieu acide (HF vapeur).
[0047] En référence à la fig.2A, on réalise le substrat de lecture 10, formé d’un substrat support 11 contenant le circuit de lecture 12 adapté à commander et lire le détecteur thermique 20. Le circuit de lecture 12 comporte ainsi des portions conductrices 14 qui affleurent la face supérieure 10a du substrat de lecture 10, laquelle est sensiblement plane. Les portions conductrices 14 et les vias conducteurs 15 peuvent être réalisés en cuivre, en aluminium et/ou en tungstène, entre autres, par exemple au moyen d’un procédé damascène dans lequel on remplit des tranchées réalisées dans la couche isolante intermétal 13. L’affleurement des portions conductrices 14 au niveau de la face supérieure 10a peut être obtenu par une technique de planarisation mécano-chimique (CMP).
[0048] On peut ensuite déposer une couche de protection 16 de manière à recouvrir la couche isolante inter-métal 13. Cette couche d’arrêt de gravure est réalisée en un matériau
DD18955 - ICG090273 sensiblement inerte à l’agent de gravure utilisé ultérieurement pour supprimer les couches sacrificielles minérales, par exemple au milieu HF en phase vapeur. Elle permet ainsi d’éviter que les couches isolantes minérales sous-jacentes 13 ne soient gravées lors de cette étape de suppression des couches sacrificielles. Elle peut être formée en un oxyde ou nitrure d’aluminium, en trifluorure d’aluminium, ou en silicium amorphe intrinsèque (non intentionnellement dopé). Elle peut être déposée par exemple par PVD (pour Physical Vapor Deposition, en anglais) et peut présenter une épaisseur de l’ordre d’une dizaine de nanomètres à quelques centaines de nanomètres.
[0049] En référence à la fig.2B, on réalise les piliers d’ancrage 21 ainsi que l’étage inférieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire les bras d’isolation thermique 30. Pour cela, on dépose une première couche sacrificielle 71 sur le substrat de lecture 10, par exemple réalisée en un matériau minéral tel qu’un oxyde de silicium SiOx déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Ce matériau minéral est apte à être supprimé par gravure chimique humide, en particulier par attaque chimique en milieu acide, l’agent de gravure étant de préférence de l’acide fluorhydrique (HF) en phase vapeur. Cette couche sacrificielle minérale 71 est déposée de manière à s’étendre continûment sur sensiblement toute la surface du substrat de lecture 10 et recouvrir ainsi la couche d’arrêt de gravure 16. L’épaisseur de la couche sacrificielle 71 suivant l’axe Z permet de définir la distance séparant les bras d’isolation thermique 30 vis-à-vis du substrat de lecture 10. Elle peut être de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques microns.
[0050] On réalise ensuite des orifices verticaux destinés à la formation des piliers d’ancrage
21. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent la première couche sacrificielle minérale 71 et la couche de protection 16, pour déboucher sur les portions conductrices 14 du circuit de lecture 12. Les orifices verticaux peuvent présenter une section droite dans le plan (X,Y) de forme carrée, rectangulaire, ou circulaire, d’une surface sensiblement égale, par exemple, à 0,25pm2. On réalise ensuite les piliers d’ancrage 21 dans les orifices verticaux. Ils peuvent être réalisés par remplissage des orifices par un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs. A titre d’exemple, ils peuvent comporter chacun une couche de TiN déposée par PVD ou MOCVD (pour Metal Organic Chemical Vapor Deposition, en anglais) sur les flancs verticaux des orifices, et un cœur en cuivre ou en tungstène remplissant l’espace délimité transversalement par la couche de TiN. Une étape de CMP permet ensuite de supprimer les matériaux de remplissage en excès et de planariser la face supérieure formée par la couche sacrificielle 71 et les piliers d’ancrage 21.
[0051] On réalise ensuite les bras d’isolation thermique 30. Pour cela, on dépose ici une couche diélectrique inférieure 31 sur la couche sacrificielle minérale 71, puis une couche conductrice 32 et une couche diélectrique supérieure 33. Le contact électrique entre la
DD18955 - ICG090273 couche conductrice 32 et le pilier d’ancrage est obtenu au travers d’une ouverture pratiquée dans la couche diélectrique inférieure 31 et remplie par la couche conductrice 32. La couche conductrice 32 est en contact avec l’extrémité supérieure des piliers d’ancrage 21. Elle est réalisée en un matériau électriquement conducteur, par exemple du TiN d’une épaisseur de quelques de nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, par exemple lonm. Les couches diélectriques inférieure 31 et supérieure 33 peuvent être réalisées en silicium amorphe, carbure de silicium, alumine A12O3 ou nitrure d’aluminium, entre autres. Les couches diélectriques inférieure 31 et supérieure 33 peuvent présenter une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres, par exemple 2onm, et participent à assurer la rigidification des bras d’isolation thermique 30. Une structuration des couches diélectriques 31, 33 et de la couche conductrice 32 est ensuite effectuée par photolithographie et gravure localisée, de manière à définir la topologie des bras d’isolation thermique 30 dans le premier plan Pi. Ainsi, les bras d’isolation thermique 30 s’étendent longitudinalement, par exemple en serpentin, entre une première extrémité 34 de connexion électrique entre le pilier d’ancrage 21 et la couche conductrice 32, et une deuxième extrémité opposée 35 destinée à recevoir le pilier conducteur 50 de maintien de la membrane absorbante 60.
[0052] En référence à la fig.2C, on réalise ensuite l’étage intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22. Pour cela, on dépose une deuxième couche sacrificielle 72 minérale de manière à recouvrir la couche sacrificielle sous-jacente 71 et les bras d’isolation thermique 30. L’épaisseur de la couche sacrificielle 72 permet de définir la distance séparant les étages inférieur et intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire le réflecteur 40 vis-à-vis des bras d’isolation thermique 30. Elle peut être de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques microns, par exemple comprise entre soonm et 5pm, et de préférence comprise entre ipm et 2pm.
[0053] On réalise ensuite des orifices verticaux destinés à la formation des plots de maintien 41 du réflecteur 40. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent la deuxième couche sacrificielle minérale 72, pour déboucher sur les bras d’isolation thermique 30, de préférence sur la première extrémité 34 des bras d’isolation thermique 30 reposant sur les piliers d’ancrage 21, de sorte que les plots de maintien 41 soient de préférence situés en regard des piliers d’ancrage 21. Comme indiqué précédemment, en variante, les plots de maintien 41 peuvent reposer sur et au contact du substrat de lecture 10 et non pas des bras d’isolation thermique.
[0054] On dépose ensuite, dans cet exemple, une couche continue de maintien 42, de préférence réalisée en un matériau diélectrique tel que du silicium amorphe, de manière à remplir les orifices verticaux et à recouvrir la deuxième couche sacrificielle 72. La couche de maintien 42 est ensuite recouverte par une couche réflectrice 40, formant le réflecteur,
DD18955 - ICG090273 réalisée en un matériau réfléchissant au rayonnement électromagnétique d’intérêt, par exemple une couche métallique, par exemple réalisée en aluminium, cuivre, tungstène, ou autre. La couche de maintien 42 et le réflecteur 40 peuvent s’étendre de manière continue au niveau de tous les pixels sensibles, ou être distincts d’un pixel sensible à l’autre.
[0055] En référence à la fig.2D, on réalise le pilier conducteur 50 creux. On réalise au préalable, si nécessaire, une ouverture traversante 43 par gravure localisée de la couche réflectrice 40 et de la couche de maintien 42 à la perpendiculaire de la deuxième extrémité 35 du bras d’isolation thermique 30 destinée à recevoir le pilier conducteur 50.
[0056] On dépose ensuite une troisième couche sacrificielle 73 minérale de manière à recouvrir la couche réflectrice 40 sous-jacente. L’épaisseur de cette couche sacrificielle 73 permet de définir la distance séparant les niveaux intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire la membrane absorbante 60 vis-à-vis du réflecteur 40. Elle définit ainsi la taille de la cavité interférentielle quart d’onde du détecteur thermique 20. Elle peut être de l’ordre de 1,5pm à 2,5pm dans le cas de la détection d’un rayonnement LWIR.
[0057] On dépose ensuite à la surface de la troisième couche sacrificielle 73 une couche diélectrique 61, destinée à former la couche diélectrique inférieure de la membrane absorbante 60. La couche diélectrique inférieure 61 peut être réalisée en au moins un matériau diélectrique. A titre d’exemple, elle peut être formée par exemple d’une souscouche mince de protection vis-à-vis d’une gravure chimique effectuée ultérieurement, par exemple en silicium amorphe, en A12O3 ou en AIN d’une épaisseur comprise entre lonm et 50nm, revêtue d’une sous-couche de passivation, par exemple en SiN d’une épaisseur comprise entre lonm et 3Onm.
[0058] On dépose ensuite une couche conductrice 62 réalisée en un matériau électriquement conducteur, et ici avantageusement absorbant vis-à-vis du rayonnement électromagnétique à détecter. Cette couche conductrice 62 est destinée à former les électrodes de polarisation du matériau thermistance, qui assure également la fonction d’absorbeur. Elle est réalisée de préférence en Ti, TiN, TaN, WN, ou autre, et présente une épaisseur comprise entre 3nm et 20nm environ. Elle recouvre ici la couche diélectrique inférieure 61.
[0059] On réalise ensuite des orifices verticaux 51 destinés à la formation des piliers conducteurs 50. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent, de haut en bas, la couche conductrice 62, la couche diélectrique inférieure 61, les troisième et deuxième couches sacrificielles 73, 72, et la couche diélectrique supérieure 33 des bras d’isolation thermique 30, pour déboucher sur la couche conductrice 32 de ces derniers, ici au niveau de leurs deuxièmes extrémités 35. Les orifices verticaux 51 peuvent présenter une section
DD18955 - ICG090273 droite dans le plan (X,Y) de forme carrée, rectangulaire, ou circulaire, d’une surface sensiblement égale, par exemple, à 0,25pm2. Ils peuvent présenter une dimension dans le plan XY de l’ordre de 0,5pm environ, et une hauteur de l’ordre de 3pm environ, dans le cadre d’une détection de la gamme infrarouge LWIR.
[0060] En référence à la fig.2E, on réalise les piliers conducteurs 50, destinés à maintenir suspendues les membranes absorbantes 60, tout en les connectant au circuit de lecture 12. Pour cela, on dépose une couche conductrice 52 de manière à recouvrir continûment les flancs de l’orifice vertical 51 et à venir au contact d’une part de la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, et d’autre part de la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation. La couche conductrice 52 peut être déposée par une technique de dépôt conforme, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition, en anglais), par dépôt de couche mince atomique (Atomic Layer Deposition, en anglais), voire par dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapor Deposition, en anglais), par exemple par pulvérisation cathodique (Sputtering, en anglais), ou autre.
[0061] Dans cet exemple, la couche conductrice 52 destinée à former les piliers conducteurs 50 est distincte de celle destinée à former les électrodes de polarisation 62, mais en variante, il pourrait s’agir d’une seule et même couche conductrice. La couche conductrice 52 présente ici une épaisseur inférieure à la dimension latérale de l’orifice vertical 51 dans le plan XY, de sorte que cet orifice vertical 51 n’est pas rempli entièrement par le matériau conducteur. A titre d’exemple, la couche conductrice 52 peut présenter une épaisseur sensiblement constante de quelques dizaines nanomètres à quelques centaines de nanomètres, par exemple I5onm environ dans un plan XY, et par exemple 50nm dans un plan sensiblement orthogonal au plan XY, alors que l’orifice vertical 51 peut présenter une dimension latérale égale, par exemple, à 0,5pm environ. La couche conductrice 52 est réalisée en au moins un matériau électriquement conducteur, par exemple à base de tungstène ou de titane, tel que le WSi, le TiN, le TiW, entre autres. Aussi, le pilier conducteur 50 est formé par une couche conductrice 52 s’étendant verticalement suivant l’axe Z et délimitant latéralement un espace interne creux non conducteur qui débouche sur une ouverture supérieure 53. Les piliers conducteurs 50 comportent donc des parois latérales 50a qui s’étendent sur les flancs latéraux de l’orifice vertical 51. Ils s’étendent donc de manière sensiblement orthogonale au plan XY du substrat de lecture 10. Les piliers conducteurs 50 sont en contact électrique avec le circuit de lecture 12 par l’intermédiaire des piliers d’ancrage 21 et des bras d’isolation thermique 30, et permettent de connecter les électrodes de polarisation 62 des membranes absorbantes 60.
[0062] Enfin, on dépose une quatrième couche sacrificielle minérale 74 de manière à recouvrir la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs 50 et à remplir l’espace
DD18955 - ICG090273 interne creux de ces derniers. La couche sacrificielle minérale 74 est réalisée de préférence en un matériau diélectrique identique à celui des couches sacrificielles sous-jacentes.
[0063] En référence à la fig.2F, on réalise l’étage supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire on termine la réalisation de la membrane absorbante 60. Pour cela, on supprime une partie de la quatrième couche sacrificielle 74 de manière à exposer la face supérieure de la couche conductrice 52. Une partie de la quatrième couche sacrificielle 74, située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50, est ainsi préservée. Elle affleure au niveau de la partie parallèle au plan XY de la couche conductrice formant les piliers conducteurs 50. On obtient ainsi une surface essentiellement plane qui facilite la suite des opérations technologiques (sans quoi, il faudrait supprimer les couches qui pourraient tomber dans l’espace interne vide des piliers de maintien) [0064] Ensuite, par photolithographie et gravure, on structure la couche conductrice 62 dans le plan XY de manière à définir les électrodes de polarisation. On grave également la partie parallèle au plan XY de la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs 50, de manière à n’en garder qu’une portion supérieure au contact des électrodes de polarisation 62. De préférence, le matériau des électrodes 62 est différent de celui de la couche conductrice 52, de manière à avoir une sélectivité de gravure entre ces deux matériaux. Ainsi, la couche conductrice est de préférence réalisée en WSi et les électrodes sont de préférence réalisées en TiN. Les électrodes de polarisation 62 sont sensiblement coplanaires et électriquement isolées l’une de l’autre. Elles sont réalisées de manière à présenter une résistance électrique de l’ordre de 377Ω/carré. Les électrodes 62 contactent chacune un pilier de maintien différent et sont séparées l’une de l’autre dans le plan XY d’une distance de préférence inférieure à Àc/5 environ voire inférieure à ipm de manière à ne pas perturber l’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter de longueur d’onde centrale Àc.
[0065] Enfin, par une série d’étapes de dépôt, photolithographie et gravure, on obtient la membrane absorbante 60 comportant une couche isolante intermédiaire 63 réalisée en un matériau diélectrique, par exemple en À12O3, ou AIN, et recouvrant les électrodes 62 et l’espacement latéral entre celles-ci, hormis au niveau d’ouvertures débouchant sur les électrodes 62. Une portion de matériau thermistance 64, par exemple en silicium amorphe ou en un oxyde de vanadium ou de titane, est déposée au contact électrique des électrodes 62 via les ouvertures. Elle peut présenter une épaisseur par exemple comprise entre 2onm et 200nm. Enfin, une couche supérieure de protection 65, par exemple en silicium amorphe, A12O3 ou AIN d’une épaisseur comprise entre tonm et 50nm, est déposée de manière à recouvrir le matériau thermistance 64.
DD18955 - ICG090273 [0066] Enfin, on réalise un orifice traversant débouchant sur l’ouverture supérieure 53 des piliers conducteurs 50, par gravure localisée des couches diélectriques intermédiaire 63 et supérieure 65, dans le but de permettre une suppression ultérieure de la partie de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50. L’orifice traversant présente des dimensions latérales inférieures à celles de l’ouverture supérieure 53, ceci pour préserver l’intégrité de la couche conductrice 52. La suppression ultérieure de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans le pilier conducteur 50 est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle permet de diminuer la masse calorifique des piliers conducteurs 50, et ainsi de réduire la constante de temps thermique du détecteur thermique 20.
[0067] En référence à la fig.2G, on supprime les différentes couches sacrificielles 71, 72, 73, 74, de manière à suspendre la structure tridimensionnelle 22, et donc ses différents étages, au-dessus du substrat de lecture 10. La suspension peut être effectuée après avoir réalisé l’encapsulation du détecteur thermique 20 dans un boîtier (non représenté) définissant une cavité sous vide destinée à être hermétique. La suspension peut être obtenue par gravure chimique des différentes couches sacrificielles minérales, ici par une gravure chimique humide par attaque à l’acide fluorhydrique en phase vapeur. La partie de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50 est évacuée dans le même temps au travers de l’ouverture supérieure 53 des piliers conducteurs 50.
[0068] On obtient ainsi un dispositif de détection 1 comportant ici une matrice de pixels sensibles pouvant présenter un pas pixel particulièrement petit, chaque pixel sensible ayant une constante de temps réduite. Comme détaillé précédemment, la cavité interférentielle quart d’onde n’est pas perturbée par la présence des bras d’isolation thermique 30, à la différence de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment. De plus, les piliers conducteurs 50 sont ici des piliers creux, dont l’espace interne n’est pas rempli par un matériau électriquement conducteur, ni par un matériau diélectrique d’une couche sacrificielle. L’absence de matériau de remplissage dans cet espace interne permet de réduire la capacité thermique associée au pilier conducteur 50, diminuant ainsi la constante de temps thermique du détecteur thermique 20.
[0069] Les figures 3A à 3G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection 1 selon un troisième mode de réalisation. Le dispositif de détection 1 est similaire à celui illustré sur la fig.2G et s’en distingue essentiellement en ce que les piliers conducteurs 50 de maintien du niveau supérieur sont des piliers creux obturés en leurs ouvertures supérieures 53 par la membrane absorbante 60, et comportant chacun une ouverture latérale 54 traversante (i.e. non obturée) permettant l’évacuation par le côté de la
DD18955 - ICG090273 couche sacrificielle située dans l’espace interne du pilier conducteur 50. Cette variante du procédé de fabrication est avantageuse, en particulier lorsque le dimensionnement de la membrane absorbante 60 ne permet pas de libérer l’ouverture supérieure 53 du pilier conducteur 50, comme décrit précédemment en référence aux fig.2A à 2G.
[0070] En référence à la fig-3A, on réalise les étages inférieur et intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22. La structure obtenue est alors identique ou similaire à celle décrite en référence à la fig.2C. Les étapes permettant d’obtenir cette structure ne sont pas détaillées à nouveau.
[0071] En référence à la fig.3B, on réalise des plots intermédiaires 2 destinés à former des ergots 2a venant en saillie au sein de chaque orifice vertical 51 des piliers conducteurs 50. Chaque ergot 2a est ici défini comme étant une portion du plot 2 en saillie dans l’orifice vertical 51 du pilier conducteur 50, c’est-à-dire en saillie vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51.
[0072] Au préalable, on réalise si nécessaire une ouverture 43 par gravure localisée de la couche réflectrice 40 et de la couche de maintien 42 à la perpendiculaire de la partie des bras d’isolation thermique 30 destinée à recevoir le pilier conducteur 50, ici en regard de la deuxième extrémité 35 d’un bras d’isolation thermique 30.
[0073] On dépose ensuite une troisième couche sacrificielle 73.1 minérale de manière à recouvrir la couche réflectrice 40 et la couche sacrificielle 72 sous-jacentes. L’épaisseur de cette couche sacrificielle 73.1 participe à définir la distance séparant les étages intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire la membrane absorbante 60 vis-à-vis du réflecteur 40. Elle participe ainsi à définir la taille de la cavité interférentielle quart d’onde du détecteur thermique 20.
[0074] On réalise ensuite, par dépôt, photolithographie et gravure, un plot 2 réalisé en un matériau sensible (c’est-à-dire apte à être gravé) à l’agent de gravure utilisé ultérieurement pour supprimer les couches sacrificielles minérales. Ce matériau peut être choisi parmi le titane, l’oxyde de tantale Ta2O5, ou un nitrure de silicium déposé de préférence par PECVD à basse température, par exemple à 3OO°C, entre autres. Il présente une épaisseur qui dépend de la nature et de l’épaisseur des autres couches à graver, et peut être de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de nanomètres, par exemple comprise entre loonm et 300nm environ. Il est positionné dans le plan XY de sorte qu’une partie du plot 2 soit en saillie dans l’orifice vertical 51 destiné à réaliser le pilier conducteur
50.
[0075] En référence aux fig.3C et 3D, on réalise ensuite les orifices verticaux 51 destinés à former les piliers conducteurs 50 creux. Pour cela, on dépose tout d’abord une quatrième
DD18955 - ICG090273 couche sacrificielle 73.2 minérale de manière à recouvrir la couche sacrificielle sous-jacente
73.1 ainsi que le plot 2 destiné à former l’ergot. L’épaisseur des troisième et quatrième couches sacrificielles 73.1, 73.2 permet de définir la taille de la cavité interférentielle quart d’onde suivant l’axe Z entre les étages intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22.
[0076] On dépose ensuite à la surface de la couche sacrificielle 73.2 la couche diélectrique inférieure 61 de la membrane absorbante 60, ainsi que la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation, puis on réalise les orifices verticaux 51 destinés à la formation des piliers conducteurs 50 creux. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent, de haut en bas, la couche conductrice 62, la couche diélectrique inférieure 61, les quatrième, troisième et deuxième couches sacrificielles 73.2, 73.1, 72, et la couche diélectrique supérieure 33, pour déboucher sur la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, ici au niveau de la deuxième extrémité 35 des bras d’isolation thermique 30. Pour obtenir la saillie de l’ergot 2a vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51, et plus précisément la saillie de l’ergot 2a vis-à-vis de la troisième couche sacrificielle 73.1 (i.e. sous l’ergot suivant l’axe Z), la gravure des couches sacrificielles, et en particulier de la troisième couche sacrificielle 73.1, comporte une légère isotropie.
[0077] Du fait du positionnement préalable du plot 2, une portion 2a du plot 2 est alors en saillie vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51. Cette portion forme donc un ergot 2a. De préférence, il est en saillie vis-à-vis des flancs latéraux sur une distance dans le plan XY au moins supérieure à l’épaisseur que la couche conductrice 52 est destinée à avoir au niveau des flancs latéraux. Ainsi, si les parois verticales du pilier conducteur 50 sont destinées à présenter une épaisseur de 50nm environ, l’ergot 2a est alors en saillie sur une distance avantageusement au moins égale à 50nm. De préférence, pour préserver la tenue mécanique du pilier conducteur 50, l’ergot 2a peut s’étendre sur au plus la moitié de la circonférence locale de l’orifice vertical 51.
[0078] En référence à la fig-3E, on réalise les piliers conducteurs 50 destinés à maintenir suspendues les membranes absorbantes, et à les connecter au circuit de lecture 12. Pour cela, on dépose une couche conductrice 52 de manière à recouvrir les flancs de l’orifice vertical 51 et à venir au contact d’une part de la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, et d’autre part de la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation. La couche conductrice 52 est déposée par une technique de dépôt conforme, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition, en anglais), ou par dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapor Déposition, en anglais), par exemple par pulvérisation cathodique (Sputtering, en anglais), ou autre. La couche
DD18955 - ICG090273 conductrice 52 est réalisée parmi un matériau d’intérêt choisi parmi un siliciure de tungstène WSi, le TiN ou le TiW, entre autres.
[0079] Les inventeurs ont ainsi constaté que lorsqu’une couche conductrice 52 d’un tel matériau d’intérêt (WSi, TiN...) est déposée de manière conforme, de préférence par CVD, dans l’orifice vertical 51 dans lequel est en saillie l’ergot 2a, il y a rupture de la continuité de la couche conductrice 52, notamment sous l’ergot 2a. Il se forme donc une ouverture latérale 54 qui sera mise à profit ultérieurement pour supprimer la couche sacrificielle 74 qui sera présente dans l’espace interne du pilier conducteur 50.
[0080] Enfin, on dépose une cinquième couche sacrificielle minérale 74 de manière à recouvrir la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs et à remplir l’espace interne creux de ces derniers. La couche sacrificielle minérale 74 est réalisée de préférence en un matériau diélectrique identique à celui des couches sacrificielles sous-jacentes.
[0081] En référence à la fig.3F, on finalise la réalisation de la membrane absorbante 60. Les étapes sont similaires ou identiques à celles décrites précédemment, et s’en distinguent essentiellement en ce que la membrane absorbante 60, ici la couche diélectrique intermédiaire 63, recouvre l’ouverture supérieure du pilier conducteur 50. Comme précédemment, une cinquième couche sacrificielle minérale 74 est alors située dans l’espace interne du pilier conducteur 50 pour obtenir une surface essentiellement plane qui facilite la suite des opérations technologiques. Les étapes de réalisation de la membrane absorbante 60 ne sont pas détaillées à nouveau.
[0082] En référence à la fig-3G, on supprime les couches sacrificielles 71, 72, 73.1, 73.2, 74, de manière à suspendre la structure tridimensionnelle 22, et donc ses différents étages, audessus du substrat de lecture 10. La suspension est ici obtenue par gravure chimique des différentes couches sacrificielles minérales, ici par une gravure chimique humide par attaque à l’acide fluorhydrique en phase vapeur. La partie de la cinquième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50 est évacuée dans le même temps, au travers de l’ouverture latérale 54 des piliers conducteurs 50, et les plots 2 formant les ergots 2a sont supprimés dans la mesure où ils sont réalisés en un matériau sensible à l’agent de gravure utilisé, ce qui permet d’éviter qu’ils ne dégradent les performances du dispositif de détection 1 en tombant sur les réflecteurs 40 ou en restant fixés aux piliers conducteurs (et donc en perturbant le rayonnement électromagnétique dans la cavité optique).
[0083] On obtient ainsi un dispositif de détection 1 comportant ici une matrice de pixels sensibles pouvant présenter un pas pixel particulièrement réduit, chaque pixel sensible ayant une constante de temps réduite. Comme détaillé précédemment, la cavité interférentielle quart d’onde n’est pas perturbée par la présence des bras d’isolation
DD18955 - ICG090273 thermique 30, à la différence de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment. De plus, les piliers conducteurs 50 sont ici des piliers creux dont l’ouverture supérieure est obturée par la membrane absorbante 60. La couche sacrificielle présente dans l’espace interne est alors efficacement évacuée lors de la suppression des différentes couches 5 sacrificielles, de sorte que la capacité thermique associée aux piliers conducteurs 50 est diminuée, optimisant ainsi la constante de temps thermique du détecteur thermique 20.
[0084] Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de détection (1) d’un rayonnement électromagnétique, comportant : o un substrat (10) comportant un circuit de lecture (12) ;o au moins un détecteur thermique (20), comportant :• une structure tridimensionnelle (22) adaptée à détecter le rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat (10) et électriquement connectée au circuit de lecture (12) par au moins un pilier d’ancrage (21), comportant :des bras d’isolation thermique (30) s’étendant de manière planaire dans un étage dit inférieur de la structure tridimensionnelle (22), une membrane absorbante (60) du rayonnement électromagnétique contenant un transducteur thermométrique, s’étendant de manière planaire dans un étage dit supérieur de la structure tridimensionnelle (22), distinct et superposé à l’étage inférieur, • suspendue au-dessus des bras d’isolation thermique (30) par des piliers conducteurs (50) qui s’étendent à partir des bras d’isolation thermique (30) ;• un réflecteur (40) du rayonnement électromagnétique, disposé entre le substrat et la membrane absorbante (60) de manière à former une cavité interférentielle quart d’onde pour ledit rayonnement électromagnétique ;caractérisé en ce que :le réflecteur (40) s’étend de manière planaire dans un étage dit intermédiaire de la structure tridimensionnelle (22), distinct et situé entre les étages inférieur et supérieur.
- 2. Dispositif de détection (1) selon la revendication 1, dans lequel le pilier conducteur (50) est un pilier creux comportant des parois latérales (50a) formées d’au moins une couche conductrice (52), les parois latérales (50a) délimitant un espace interne vide.
- 3. Dispositif de détection (1) selon la revendication 2, dans lequel le pilier conducteur (50) comporte une ouverture supérieure (53) débouchant sur l’espace interne, ladite ouverture supérieure (53) étant traversante.
- 4. Dispositif de détection (1) selon la revendication 2, dans lequel le pilier conducteur (50) comporte une ouverture supérieure (53) débouchant sur l’espace interne et obturée parDD18955 - ICG090273 la membrane absorbante (6o), et comporte une ouverture latérale (54) traversante située au niveau des parois latérales (50a).
- 5. Dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le réflecteur (40) comporte au moins une ouverture traversante (43), au travers de laquelle s’étend le pilier conducteur (50).
- 6. Dispositif de détection (1) selon la revendication 5, comportant une matrice de détecteurs thermiques, dans lequel le réflecteur (40) s’étend de manière continue en regard de chacune des membranes absorbantes (60).
- 7. Dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le réflecteur (40) est suspendu au-dessus des bras d’isolation thermique (30) par au moins un plot de maintien (41) qui prend appui sur un pilier d’ancrage (21).
- 8. Procédé de fabrication d’un dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :i) réalisation des bras d’isolation thermique (30), du réflecteur (40), puis de la membrane absorbante (60) reposant sur au moins un pilier conducteur (50), au moyen de différentes couches sacrificielles déposées successivement sur le substrat (10) ;ii) suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à obtenir la suspension de la structure tridimensionnelle (22) au-dessus du substrat (10).
- 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel le pilier conducteur (50) est un pilier creux comportant des parois latérales (50a) formées d’au moins une couche conductrice (52), les parois latérales (50a) délimitant un espace interne, l’étape i) comportant les sous-étapes suivantes :réalisation des bras d’isolation thermique (30) sur une première couche sacrificielle (71) ;réalisation du réflecteur (40) sur une deuxième couche sacrificielle (72) reposant sur la première couche sacrificielle (71) ;dépôt d’au moins une troisième couche sacrificielle (73) sur la deuxième couche sacrificielle (72), et réalisation d’un orifice vertical (51) au travers d’au moins les deuxième et troisième couches sacrificielles (72, 73) de manière à déboucher sur un bras d’isolation thermique (30) ;dépôt conforme d’une couche conductrice (52) sur les flancs latéraux de l’orifice vertical (51) de manière à former le pilier conducteur (50) creux présentant une ouverture supérieure (53) ;DD18955 - ICG090273 dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire (74) de manière à recouvrir au moins la troisième couche sacrificielle (73) et à remplir l’espace interne du pilier conducteur (50) au travers de l’ouverture supérieure (53).
- 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’étape i) comporte les sous-étapes suivantes :suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74), hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur (50) et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure (53) ;réalisation de la membrane absorbante (60) de manière à laisser traversante l’ouverture supérieure (53) ;et dans lequel l’étape ii) comporte la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74) située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture supérieure traversante (53).
- 11. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’étape i) comporte les sous-étapes suivantes :réalisation d’un plot intermédiaire (2) situé entre le réflecteur (40) et la membrane absorbante (60), le plot intermédiaire (2) formant un ergot (2a) en saillie dans l’orifice vertical (51), réalisé en un matériau sensible à un agent de gravure utilisé lors de l’étape ii) de suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à induire une rupture de continuité de la couche conductrice (52) lors du dépôt conforme, formant ainsi une ouverture latérale (54) traversante du pilier conducteur (50) ;suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74), hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur (50) et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure (53) ;réalisation de la membrane absorbante (60) de manière à obturer l’ouverture supérieure (53) ;et dans lequel l’étape ii) comporte la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74) située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture latérale (54) traversante.
- 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel les couches sacrificielles sont réalisées en un matériau minéral, et sont supprimées par une gravure chimique humide à l’acide fluorhydrique, le plot formant l’ergot étant réalisé en titane, en oxyde de tantale Ta2O5 ou en un nitrure de silicium.DD18955 - ICG090273
- 13- Procédé de fabrication selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la couche conductrice (52) formant le pilier conducteur (50) est réalisée en WSi, en TiN ou en TiW.
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