WO2022023664A1 - Micro-bolometre d'imagerie infrarouge et procedes de realisation associes - Google Patents

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WO2022023664A1
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dielectric layer
micro
absorber
electrode
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PCT/FR2021/051401
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Willy LUDURCZAK
Marc Guillaumont
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Lynred
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid
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    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices

Definitions

  • the present invention relates to the field of the detection of electromagnetic radiation and, more specifically, to the detection of infrared radiation.
  • the invention relates, on the one hand, to an infrared imaging micro-bolometer having improved performance and, on the other hand, to several associated production methods.
  • Such an uncooled detector generally combines: means for absorbing thermal radiation and for converting the latter into heat; - Means of thermal insulation of the detector, so as to allow it to heat up under the action of thermal radiation; thermometry means which, in the context of a micro-bolometric detector, implement a resistive element whose resistance varies with temperature; and means for reading the electrical signals supplied by the thermometry means.
  • Detectors intended for thermal or infrared imaging are conventionally made in the form of a matrix of elementary detectors, forming image points or pixels, in one or two dimensions. To ensure the thermal insulation of the detectors, they are suspended above a substrate via support arms.
  • the substrate usually comprises means for sequential addressing of the elementary detectors and means for electrical excitation and pre-processing of the electrical signals generated from these elementary detectors.
  • This substrate and the integrated means are commonly designated by the term “read circuit”.
  • this scene is captured through an adapted optic on the matrix of elementary detectors, and clocked electrical stimuli are applied via the reading circuit to each of the elementary detectors, or to each row of such detectors, in order to obtain an electric signal constituting the image of the temperature reached by each of said elementary detectors.
  • This signal is processed in a more or less elaborate way by the reading circuit, then possibly by an electronic device external to the case in order to generate the thermal image of the observed scene.
  • an elementary detector consists of a membrane held in fixed suspension above the substrate by anchoring nails.
  • the membrane incorporates a thermometric or heat-resistant material, which transduces infrared radiation, forming the thermometry means.
  • thermometric or thermo-resistive material The measurement of the electrical resistance of the thermometric or thermo-resistive material is carried out by the reading circuit.
  • the thermometric or heat-resistant material is electrically connected to the reading circuit through the anchoring studs and by electrodes extending into the support arms.
  • the electrodes also perform the function of absorber of infrared radiation by means of a material, for example metallic, extending under the thermometric or heat-resistant material and in the support arms.
  • the absorber or electrode material also has the function of absorbing the infrared flux in order to transmit it to the thermometric or heat-resistant material. The amount of infrared radiation absorbed is dependent on the surface of this absorber or electrode.
  • the absorber material or electrode covers a maximum surface in the footprint of the pixel. In practice, its surface is limited by that of the membrane.
  • Figures la to l illustrate a method of making a micro-bolometer 100 of the state of the art, as for example described in document EP 3 182 081.
  • a first step, illustrated in FIG. 1a, consists in depositing and structuring a sacrificial layer 12 and a support layer 13 on a substrate 11 integrating the read circuit.
  • the structuring of these two layers 12, 13 makes it possible to obtain openings in which anchor nails 14 can be formed.
  • the formation of the anchor nails 14 in the openings aims to obtain a conductive pad extending at least to the level of the upper end of the support layer 13.
  • the absorber or electrode 16 is then deposited on the support layer 13 and on the upper part of the anchoring nail 14.
  • the next step, illustrated in figure 1c, consists in structuring the absorber or electrode 16 to form the electrodes and the absorption portions of the micro-bolometer 100.
  • a thermometric or heat-resistant material 18 is then deposited on the support layer 13 and on the absorber or electrode 16. As illustrated in FIG. this thermometric or heat-resistant material 18 are etched up to the absorber or electrode 16 so that the thermometric or heat-resistant material 18 extends over the central part of the micro-bolometer 100 and ensures electrical contact between the different parts of the absorber or electrode 16.
  • a protective layer 19 is then deposited on the absorber or electrode 16 and on the thermometric or heat-resistant material 18.
  • the layers 13, 16 and 19 are then etched according to the desired pattern to form the diaphragm and diaphragm support arms.
  • step lf illustrates the removal of the sacrificial layer 12, thus releasing the membrane suspended on the anchor nails 14.
  • thermometric or heat-resistant material 18 made of vanadium oxide.
  • thermometric or heat-resistant material 18 made of vanadium oxide generates low-frequency noise on the current measured at the terminals of the micro-bolometer 100 when the substrate which receives the deposit of the thermometric or heat-resistant material 18 has breaks in flatness Rp.
  • thermometric or heat-resistant material 18 it is therefore desired to be able to deposit the thermometric or heat-resistant material 18 on a flat surface while ensuring electrical continuity with the absorber or electrode 16.
  • thermometric or heat-resistant material depositing the thermometric or heat-resistant material on the support layer and in forming the absorber or electrode above the thermometric or heat-resistant material.
  • the absorber or electrode must be structured on several levels of height to ensure electrical contact between anchor nails extending at the level of the support layer and the top of the thermometric or thermoresisting material. It follows that the agreement of the absorber or electrode with a reflector deposited on the substrate is necessarily less effective, since this agreement requires a fixed distance between these two elements.
  • the technical problem of the invention is therefore to obtain a micro-bolometer with an absorber or electrode and a thermometric or heat-resistant material deposited on flat surfaces while ensuring reliable electrical contact between G absorber or electrode and the thermometric or heat-resistant material .
  • thermometric or heat-resistant material directly in contact with the absorber or electrode material to obtain efficient thermal-electrical transduction.
  • the function of the thermometric or thermo-resistive material is to transform the temperature variations of the scene sensed by the absorber or electrode into variations of electrical resistance at the terminals of the electrodes formed by this same absorber or electrode.
  • thermometric or thermoresistive material with the absorber or electrode by means of conductive vias, it is possible to carry out thermal and electrical exchanges without degrading the performance of the microbolometer.
  • the invention proposes to respond to the technical problem by depositing a dielectric layer on an absorber or electrode and by producing conductive vias through this dielectric layer as far as the absorber or electrode so as to form a flat surface with contacts openings making it possible to deposit the thermometric or heat-resistant material without creating localized defects.
  • the dielectric layer is chosen in silicon with a much lower electrical conductivity than that of the absorber or electrode material. For example, a factor of at least 1000 can be considered between the electrical conductivity of the dielectric layer and the electrical conductivity of the absorber or electrode.
  • the dielectric layer may have an electrical conductivity greater than 1 Q.cm
  • the invention relates to an infrared imaging micro-bolometer integrating a membrane mounted in suspension above a substrate by means of support arms fixed on anchoring nails, said membrane including:
  • thermometric or thermoresistive material arranged on a flat surface formed at the level of the upper ends of said conductive vias.
  • the invention makes it possible to obtain a micro-bolometer with a thermometric or heat-resistant material and an absorber or electrode deposited on flat surfaces, while ensuring thermal and electrical continuity between the electrodes of the absorber material or electrode and the thermometric or heat-resistant material using conductive vias.
  • thermometric or heat-resistant material made of vanadium oxide, which retains a low low-frequency noise coefficient because the thermometric or heat-resistant material is deposited on a flat surface.
  • thermometric or heat-resistant material may consist of a semi-conductive metal oxide, such as vanadium oxide, titanium oxide or nickel oxide, associated or not with a stabilizing or metallic element such as as described in the documents FR3077878 and FR3077879.
  • a semi-conductive metal oxide such as vanadium oxide, titanium oxide or nickel oxide
  • a stabilizing or metallic element such as as described in the documents FR3077878 and FR3077879.
  • the deposition of the absorber or electrode on a flat surface makes it possible to match the distance of the absorber or electrode with a reflector deposited on the substrate so as to increase the quantity of infrared radiation detected.
  • the invention thus makes it possible to obtain a micro-bolometer with high performance, and for which the noise is globally limited on the current measured at the terminals of the micro-bolometer.
  • thermometric or heat-resistant material with the absorber or electrode by means of conductive vias
  • several distinct embodiments can be implemented, in particular to produce these conductive vias.
  • the conductive vias are produced by depositing a tungsten-based material in openings of the dielectric layer deposited on the absorber or electrode.
  • the method for producing an infrared imaging micro-bolometer comprises the following steps:
  • thermometric or heat-resistant material depositing a thermometric or heat-resistant material on the flat surface thus produced so that the thermometric or heat-resistant material is thermally and electrically connected to said absorber or electrode material via the conductive material deposited in the openings of said dielectric layer;
  • the deposition of the conductive material is carried out by conformal vapor phase deposition.
  • the conductive material can be deposited by chemical vapor deposition or CVD (according to the Anglo-Saxon acronym “Chemical Vapor Deposition”) or by physical vapor deposition PVD (according to the Anglo-Saxon acronym “Physical Vapor Deposition”).
  • a “compliant” deposit corresponds to a deposit in which the deposited material particles uniformly cover the surface of the support on which the deposit is made regardless of the vertical or horizontal orientation of this surface.
  • this conformal deposition of the conductive material makes it possible to effectively fill the openings of the dielectric layer and to obtain a satisfactory thermal and electrical continuity between the electrodes of the absorber material or electrode and the thermometric or thermo-resistive material.
  • said dielectric layer is structured by means of reactive ion etching with stopping on said absorber or electrode.
  • Reactive ion etching is better known by the acronym RIE for “Reactive-Ion Etching” in Anglo-Saxon literature.
  • This reactive ion etching can be implemented with a conductive barrier layer, such as the absorber or electrode.
  • This technology makes it possible to obtain a precise structuring of the openings.
  • this RIE etching makes it possible to precisely adjust the shape and size of the openings as a function of the needs for thermal and electrical continuity between the electrodes of the absorber or electrode material and the thermometric or thermoresistive material.
  • the openings can have a width of less than 1 micrometer, typically less than 400 nanometers.
  • the "width" of the openings corresponds to the largest dimension of the cross section of said openings.
  • the width of the openings corresponds to the diameter thereof.
  • the openings have a square section and the width corresponds to the diagonal of this square.
  • thermometric or heat-resistant material By combining RIE etching and conformal deposition, conductive vias with a controlled shape and filling lead to the flat surface, intended to receive the deposition of the thermometric or heat-resistant material.
  • This flat surface is formed after removal of the conductive layer deposited outside the openings.
  • the removal of the conductive layer deposited outside the openings is carried out by mechanical-chemical polishing of said conductive material.
  • the flat surface can be formed by a stop layer, deposited on the dielectric layer, making it possible to stop the mechanical-chemical polishing of the conductive material.
  • said method also comprises the following steps: depositing a stop layer on the dielectric layer before it is structured; structuring said dielectric layer by means of a first reactive ion etching of said barrier layer and a second reactive ion etching of said dielectric layer; depositing the tungsten-based conductive material in said openings of said barrier layer; and removing said conductive material from said apertures by means of chemical-mechanical polishing of said conductive material at least up to the level of said barrier layer.
  • thermometric or heat-resistant material can then be retained to form the flat surface.
  • the mechanical-chemical polishing step of the conductive material is carried out up to the level of the stop layer
  • the deposition of said thermometric or heat-resistant material is carried out on said conductive material and on said layer of stop.
  • a stop layer that is very resistant to the mechanical-chemical polishing process, for example an oxide stop layer or silicon nitride.
  • the stop layer can be removed after the mechanical-chemical polishing step.
  • the method comprises a step of removing said stop layer; said thermometric or heat-resistant material is deposited on said conductive material and on said dielectric layer.
  • This embodiment makes it possible to limit the thickness between the absorber or electrode and the thermometric or heat-resistant layer to facilitate heat transfer. Indeed, although most of the heat transfer is carried out by the conductive vias, part of the heat transfer can also be carried out through the dielectric layer. The removal of the barrier layer makes it possible to improve this heat transfer through the dielectric layer.
  • the method of the invention preferably comprises a step of thinning said dielectric layer in an area intended to form the support arms of the micro-bolometer.
  • the method may include a step of depositing a thinning stop layer at the level of the support arms of the micro-bolometer, the thinning being carried out up to said thinning stop layer. The latter can be removed after said thinning step.
  • a protective layer can also be deposited on the dielectric layer and the thermometric or heat-resistant material so as to protect the thermometric or heat-resistant material during the step of removing the sacrificial layer.
  • the thinning can be carried out after the deposition of this protective layer so as to also obtain a partial removal of this protective layer in the zones intended to form the support arms of the micro-bolometer.
  • the method for producing an infrared imaging micro-bolometer comprises the following steps:
  • thermometric or heat-resistant material ⁇ deposition of a thermometric or heat-resistant material on the dielectric layer so that said thermometric or heat-resistant material is thermally and electrically connected to said absorber material or electrode via conductive vias formed in said dielectric layer;
  • the conductive vias are obtained by localized transformation of the dielectric layer by means of a silicidation process.
  • the dielectric layer is made on the basis of silicon and the metal siliciding material is capable of forming a stable crystalline phase, the metal being chosen for example from nickel or cobalt. Additionally, the metallic siliciding material can be combined with other compounds, such as platinum.
  • siliciding corresponds to an incorporation process making it possible to form a silicide and to form a low resistivity alloy consisting of metal and silicon.
  • a metallic material such as nickel
  • silicon it is thus possible to obtain a nickel silicide intermetallic.
  • the silicide obtained by incorporating a metallic material makes it possible to form conductive vias inside the dielectric layer, the latter being natively non-conductive or not very conductive.
  • the localized deposition of the metallic material—silicide precursor it is possible to use a photolithography step, a step of depositing the metallic silicidation material, followed by a step of removing resin. This process without engraving is called “lift off” in Anglo-Saxon literature.
  • this localized deposition method can lead to an imprecise localization of the metallic material.
  • a sacrificial layer can be used to delimit openings within which the metal siliciding material is deposited.
  • the step of localized deposition of the metallic siliciding material on the dielectric layer comprises the following sub-steps:
  • the step of localized deposition of the metallic siliciding material on the dielectric layer also comprises a sub-step of partial etching of said dielectric layer at the level of the openings before the step of depositing the metallic siliciding material.
  • the thermal annealing step of the metallic siliciding material can be carried out with a temperature between 350°C and 450°C for a minimum duration of 30s.
  • the conductive vias are obtained by local ion implantation in the dielectric layer.
  • the method for producing an infrared imaging micro-bolometer comprises the following steps:
  • thermometric or heat-resistant material ⁇ deposition of a thermometric or heat-resistant material on the dielectric layer so that said thermometric or heat-resistant material is thermally and electrically connected to said absorber material or electrode via conductive vias formed in said dielectric layer;
  • the conductive vias are obtained by localized transformation of the dielectric layer.
  • the transformation is achieved by means of ion implantation of a metallic element.
  • an ion implantation corresponds to a modification of the physical properties of a material by ion implantation.
  • ion implantation makes it possible to implant conductive ions inside the dielectric layer so as to form conductive vias inside the dielectric layer, which is natively non-conductive or poorly conductive. .
  • the method can also include a step of thermal annealing of the metallic element.
  • This thermal annealing can be used to homogenize the implantation profile of the ions inside the dielectric layer, in order to form metallic conduction paths or to obtain a specific crystalline phase of a stable intermetallic between silicon and the metal element.
  • the localized transformation of the dielectric layer produced according to the third embodiment makes it possible to guarantee a flat surface for depositing the thermometric or heat-resistant material without the formation of defects liable to generate low-frequency noise.
  • FIGS. 2a-2i illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a first embodiment of the invention
  • Figures 3a-3i illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a second embodiment of the invention
  • FIGS. 4a-4k illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 5a-51 illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a fourth embodiment of the invention
  • FIG. 6a-6i illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIGS. 7a-7i illustrate the steps for producing a micro-bolometer according to a sixth embodiment of the invention.
  • the production of a micro-bolometer 10a-10f comprises a first step consisting in depositing a sacrificial layer 12 on a substrate 11, the latter preferably integrating a read circuit .
  • Layers can also be deposited on the substrate before the deposition of this sacrificial layer 12, for example a reflector or a stop layer intended to protect the read circuit during the step of removing the sacrificial layer 12, for example a layer of silicon dioxide, polyimide or amorphous carbon.
  • a support layer 13 is deposited on this sacrificial layer 12, for example an inert layer vis-à-vis an etching based on hydrofluoric acid intended for the subsequent removal of the sacrificial layer 12 in silicon dioxide, that is to say a support layer 13 for example made of SiC, Al 2 O 3 , AIN, etc.
  • the nature of the support layer 13 and of any stop layer deposited on the substrate depends on the nature of the sacrificial layer 12 used.
  • the thickness of the support layer 13 depends on the desired properties.
  • support layer 13 may have a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • openings through support layer 13, sacrificial layer 12 and any deposited stop layer on the substrate 11.
  • These openings define the future locations of the anchoring nails 14 of the microbolometer 10a-10b.
  • these openings are cylindrical and have a diameter close to 500 nanometers.
  • a second step consists in forming the anchor nails 14 in the openings.
  • These anchoring nails 14 incorporate a conductive material, such as titanium nitride, copper or tungsten.
  • the top end of the anchor nails 14 may extend up to the level of the top end of the support layer 13. Alternatively, the top end of the nails anchor 14 can exceed the height of the support layer 13.
  • the absorber or electrode 16 is then deposited on the support layer 13 and on the upper end of the anchoring nails 14 so as to ensure electrical contact with these anchoring nails 14.
  • the absorber or electrode 16 can be made of titanium nitride with a thickness between 5 and 20 nanometers.
  • micro-bolometer 10a-10b As illustrated in FIGS. 2c-7c. There are two major forms of micro-bolometers: micro-bolometers suspended between two anchor nails 14 and micro-bolometers suspended between four anchor nails 14.
  • this dielectric layer 15 can be made for example of amorphous silicon with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • this dielectric layer 15 can be made of silicon nitride or of an alloy of silicon with germanium, boron, nitrogen or carbon.
  • the dielectric layer 15 is chosen from silicon with a much lower electrical conductivity than that of the absorber or electrode material 16. For example, a factor of at least 1000 can be considered between the electrical conductivity of the dielectric layer 15 and the electrical conductivity of the absorber or electrode 16. Thus, the dielectric layer may have an electrical conductivity greater than 1 ⁇ .cm
  • a barrier layer 30 is then deposited over the entire dielectric layer 15, as shown in Figure 2d.
  • This stop layer 30 can be made of silicon oxide or nitride with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • Openings 17 are then made through barrier layer 30 and through dielectric layer 15 to reach the electrodes formed in absorber or electrode 16. These openings 17 can be made by two successive etching steps, for example two RIE etchings making it possible to stop the etching on the absorber or electrode 16 without degrading it.
  • the width of the openings 17 is less than 1 micrometer, typically between 180 and 400 nanometers.
  • the openings 17 may have a square section, the side of which is less than 400 nanometers.
  • a conformal vapor phase deposition of a conductive material 20 is then carried out on the barrier layer 30 and in the openings 17 so as to fill these openings 17, for example a CVD deposition or PVD.
  • the conductive material 20 consists of tungsten or tungsten silicide and the thickness of this deposit is between 100 and 300 nanometers.
  • the thickness of the deposition of the conductive material 20 is preferably greater than half the width of the openings 17.
  • the filling of the openings 17 can also be obtained by depositing a thin layer of nitride of titanium, deposited by chemical vapor deposition, followed by CVD or PVD deposition of the conductive material 20.
  • a layer of titanium nitride with a thickness between 10 and 50 nanometers can be used to form the external walls of the vias drivers.
  • thermometric or heat-resistant material 21 When the openings 17 are completely filled with the conductive material 20, the latter is removed from the openings 17 to form a flat surface Sp intended for the deposition of a thermometric or heat-resistant material 21.
  • the removal of the conductive material 20 is carried out by mechanical-chemical polishing of the conductive material 20 up to the level of the upper end of the stop layer 30, as illustrated in Figure 2f.
  • the conductive material 20 thus forms conductive vias.
  • the flat surface Sp intended for depositing the thermometric or heat-resistant material 21 is then formed by the stop layer 30 and the upper end of the conductive vias.
  • the mechanical-chemical polishing of tungsten can be carried out by an aqueous solution composed of abrasive elements based on silica or alumina particles, an oxidizing element, such as hydrogen peroxide, and a catalyst such as than iron nitrate.
  • the mechanical-chemical polishing process it is possible to modify the mechanical-chemical polishing process to continue the etching of the conductive material 20 after having reached the upper end of the stop layer 30.
  • it is possible to implement said polishing mechanical-chemical so that the etching of said conductive material 20 at the level of the openings 17 stops substantially at the level of the upper end of the layer dielectric 15.
  • the barrier layer 30 can be removed to obtain a flat surface formed by the dielectric layer 15 and the upper end of the conductive vias.
  • FIGS. 3a to 3i it is possible to form the openings 17 directly in the dielectric layer 15 without using a barrier layer 30.
  • the conductive material 20 is directly deposited on the dielectric layer 15 and inside the openings 17, as shown in Figure 3e.
  • the removal of the conductive material 20 from the openings 17 so as to form a flat surface Sp can be achieved by means of an RIE etching of the conductive material 20 stopping on the dielectric layer 15, by means of chemical-mechanical polishing stopping on the dielectric layer 15, or by means of a combination of chemical-mechanical polishing stopping in the immediate vicinity of the dielectric layer 15 followed by RIE etching s stopping on the dielectric layer 15.
  • conductive vias 20 are thus obtained by deposition of a conductive material.
  • conductive vias 20 can be made by transforming a localized part of the dielectric layer 15.
  • siliciding of the dielectric layer 15 is obtained by incorporating a metal siliciding material 50 with a dielectric layer 15 made from silicon.
  • the dielectric layer 15 can be made of amorphous silicon and the metal siliciding material 50 can be made of nickel or cobalt and possibly added platinum, so as to form nickel silicide.
  • a sacrificial layer 51 can be deposited on the dielectric layer 15, and openings 52 can be structured in this sacrificial layer 51 until reaching the dielectric layer 15, such as shown in Figure 4d.
  • the sacrificial layer 51 can be made of silicon oxide or silicon nitride with a thickness of between 5 and 50 nanometers.
  • Apertures 52 can be patterned by photolithography and reactive ion etching.
  • the metal siliciding material 50 can then be deposited on the sacrificial layer 51 and in the openings 52.
  • the metal siliciding material 50 can be deposited with a thickness between 5 and 50 nanometers.
  • the incorporation of the metallic silicidation material 50 with the dielectric layer 15 can then be carried out by a diffusion step obtained by thermal annealing, with a temperature of between 100° C. and 200° C. for a duration of at least 30 seconds. As illustrated in FIG. 4f, this thermal annealing makes it possible to obtain a zone 55 of the dielectric layer 15 in which at least some of the atoms of the metal siliciding material 50 are present.
  • the sacrificial layer 51 can then be removed, as shown in Figure 4h.
  • an etching based on hydrofluoric acid can be implemented because this etching is very selective with respect to a dielectric layer made of amorphous silicon.
  • thermometric or heat-resistant material 21 can be deposited on a flat surface Sp.
  • the thermal annealing can nevertheless generate a partial extra thickness of the dielectric layer 15.
  • this partial etching is carried out after the formation of the openings 52 in the sacrificial layer 51, as illustrated in FIG. 5e.
  • This partial etching can have a depth of 1 to 5 nanometers.
  • the localized deposition of the metal siliciding material 50 can be obtained by a photolithography step, a step of depositing the metal siliciding material 50, followed by a resin removal step.
  • this localized deposit is illustrated in FIG. 6e.
  • a thermal annealing phase with a temperature comprised between 350°C and 450°C for a duration comprised between 30s and 1min can then be used to obtain the formation of the conductive vias 20, as illustrated in FIG. 6f.
  • the duration of the thermal annealing is at least greater than 30s.
  • the conductive vias 20 are thus obtained by silicidation of a localized part of the dielectric layer 15.
  • conductive vias 20 can be produced by ion implantation of a metallic element in a localized part of dielectric layer 15.
  • a masking layer 60 is used to delimit the part of the dielectric layer 15 intended to receive the ion implantation. Openings 61 are then made in this masking layer 60, as shown in Figure 7d.
  • an ion implantation is then carried out using ions from a metallic element so as to sufficiently degenerate the dielectric layer 15 at the level of the openings 61 so that it becomes locally conductive.
  • Ion implantation may include a step of thermal annealing of the metallic element.
  • the ion implantations can comprise a step of thermal annealing of the metallic element.
  • the metallic element can be made of nickel, titanium, manganese, cobalt or aluminum.
  • the dielectric layer 15 can be made of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride or a silicon alloy with germanium, boron, nitrogen or carbon.
  • the masking layer 60 can then be removed, using the usual wet or dry resin removal techniques, as illustrated in FIG. 7f.
  • thermometric or heat-resistant material 21 can therefore be deposited on this flat surface Sp.
  • the thermometric or heat-resistant material 21 consists of vanadium oxide deposited by ion beam with a thickness of between 10 and 200 nanometers, as illustrated in FIGS. 2g and 3g.
  • the ion beam deposition technique is also known by the acronym IBD for "Ion Beam Deposition", i.e. ion beam deposition, or IBS for "Ion Beam Sputtering", i.e. ion beam sputtering.
  • thermometric or thermoresistive material 21 may consist of any other transition metal oxide produced by physical vapor deposition or PVD (Physical Vapor Deposition) techniques, for example titanium or nickel oxide.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a protective layer 22 is preferentially deposited on the thermometric or heat-resistant material 21 and on the stop layer 30 to protect the thermometric or heat-resistant material 21 during the step of removing the sacrificial layer 12.
  • This protective layer 22 may consist of amorphous silicon having a thickness of between 3 and 30 nanometers.
  • the protective layer 22 can be etched in the areas intended to form the support arms.
  • the stop layer 30 and part of the dielectric layer 15 can also be etched in these areas to further limit the thickness of these support arms.
  • the reduction in thickness can also be obtained before the deposition of the thermometric or thermoresistive material21.
  • a thinning stop layer can be deposited between two layers forming the dielectric layer 15. After having deposited the stop layer 30 on this assembly comprising the two layers forming the electrical layer 15 and the stop layer thinning, the openings 17 can be formed through all these layers before making the conductive vias 20.
  • thermometric or heat-resistant material 21 it is possible to define the structure of the membrane and the support arms before the production of the conductive vias 20 and the deposition of the thermometric or heat-resistant material 21.
  • the invention makes it possible to obtain a micro-bolometer 10a-10f comprising a thermometric or heat-resistant material 21 thermally and electrically connected to the electrodes of the absorber or electrode 16 by conductive vias 20.
  • thermometric or thermoresistive material 21 being deposited on flat surfaces, it is possible to obtain a micro-bolometer 10a-10f with improved performance compared to the micro-bolometers of the state of the art.

Abstract

L'invention concerne un micro-bolomètre d'imagerie infrarouge (10a) intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d'un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d'ancrage (14), ladite membrane comprenant : - une couche de support (13) traversant l'extrémité supérieure des clous d'ancrage (14); - un absorbeur ou électrode (16) déposé sur la couche de support (13) et sur les clous d'ancrage (14) avec un motif formant au moins deux électrodes; - une couche diélectrique (15) déposée sur l'absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13); - au moins deux vias conducteurs (20) ménagés à travers la couche diélectrique (15) en contact avec lesdites au moins deux électrodes; et - un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs (20).

Description

MICRO-BOLOMETRE D’IMAGERIE INFRAROUGE ET PROCEDES DE REALISATION
ASSOCIES
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention a trait au domaine de la détection de rayonnements électromagnétiques et, plus précisément, à la détection de rayonnements infrarouges.
L’invention concerne, d’une part, un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge présentant des performances améliorées et, d’autre part, plusieurs procédés de réalisation associés.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine des détecteurs mis en œuvre pour l’imagerie infrarouge, il est connu d'utiliser des dispositifs agencés sous forme matricielle, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés "détecteurs quantiques" qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température. Ces détecteurs utilisent traditionnellement la variation d’une grandeur physique d’un matériau ou assemblage de matériaux approprié(s) en fonction de la température, au voisinage de 300K. Dans le cas particulier des détecteurs micro-bolométriques, les plus couramment utilisés, cette grandeur physique est la résistivité électrique, mais d’autres grandeurs peuvent être exploitées, telle la constante diélectrique, la polarisation, la dilatation thermique, l’indice de réfraction, etc.
Un tel détecteur non refroidi associe généralement : des moyens d'absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ; - des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ; des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur micro-bolométrique, mettent en œuvre un élément résistif dont la résistance varie avec la température ; et des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie. Les détecteurs destinés à l'imagerie thermique, ou infrarouge, sont classiquement réalisés sous la forme d'une matrice de détecteurs élémentaires, formant des points d’image ou pixels, selon une ou deux dimensions. Pour garantir l’isolation thermique des détecteurs, ces derniers sont suspendus au-dessus d’un substrat via des bras de soutien.
Le substrat comporte usuellement des moyens d'adressage séquentiel des détecteurs élémentaires et des moyens d’excitation électrique et de pré-traitement des signaux électriques générés à partir de ces détecteurs élémentaires. Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par le terme « circuit de lecture ».
Pour obtenir une scène par l'intermédiaire de ce détecteur, cette scène est captée à travers une optique adaptée sur la matrice de détecteurs élémentaires, et des stimuli électriques cadencés sont appliqués par l'intermédiaire du circuit de lecture à chacun des détecteurs élémentaires, ou à chaque rangée de tels détecteurs, afin d'obtenir un signal électrique constituant l’image de la température atteinte par chacun desdits détecteurs élémentaires. Ce signal est traité de manière plus ou moins élaborée par le circuit de lecture, puis éventuellement par un dispositif électronique extérieur au boîtier afin de générer l’image thermique de la scène observée.
Plus précisément, un détecteur élémentaire est constitué d’une membrane maintenue en suspension fixe au-dessus du substrat par des clous d’ancrage. La membrane intègre un matériau thermométrique ou thermorésistif, qui réalise une transduction des rayonnements infrarouges, formant les moyens de thermométrie.
La mesure de la résistance électrique du matériau thermométrique ou thermorésistif est réalisée par le circuit de lecture. Pour ce faire, le matériau thermométrique ou thermorésistif est connecté électriquement au circuit de lecture à travers les clous d’ancrage et par des électrodes s’étendant dans les bras de soutien. Dans certains cas, les électrodes réalisent également une fonction d’absorbeur des rayonnements infrarouges au moyen d’un matériau, par exemple métallique, s’étendant sous le matériau thermométrique ou thermorésistif et dans les bras de soutien. Outre la lecture du signal aux bornes du matériau thermomètre, le matériau absorbeur ou électrode a également pour fonction d’absorber le flux infrarouge pour le transmettre au matériau thermométrique ou thermorésistif. La quantité de rayonnement infrarouge absorbée est dépendante de la surface de cet absorbeur ou électrode. Pour optimiser l’absorption du rayonnement infrarouge, le matériau absorbeur ou électrode couvre un maximum de surface dans l’empreinte du pixel. En pratique, sa surface est limitée par celle de la membrane. L’épaisseur du matériau absorbeur ou électrode est ajustée de façon à ce que son impédance effective par carré soit adaptée à celle du vide : Zo = 377 ohm/carré.
Les figures la à lfillustrent un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre 100 de l’état de la technique, tel que par exemple décrit dans le document EP 3 182 081.
Une première étape, illustrée sur la figure la, consiste à déposer et à structurer une couche sacrificielle 12 et une couche de support 13 sur un substrat 11 intégrant le circuit de lecture. La structuration de ces deux couches 12, 13 permet d’obtenir des ouvertures dans lesquelles des clous d’ancrage 14 peuvent être formés. Tel qu’illustré sur la figure lb, la formation des clous d’ancrage 14 dans les ouvertures vise à obtenir un plot conducteur s’étendant au moins jusqu’au niveau de l’extrémité supérieure de la couche de support 13.
L’absorbeur ou électrode 16 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur la partie supérieure du clou d’ancrage 14. L’étape suivante, illustrée sur la figure le, consiste à structurer l’absorbeur ou électrode 16 pour former les électrodes et les portions d’absorption du micro-bolomètre 100. Un matériau thermométrique ou thermorésistif 18 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur l’absorbeur ou électrode 16. Tel qu’illustré sur la figure ld, les parties latérales de ce matériau thermométrique ou thermorésistif 18 sont gravées jusqu’à l’absorbeur ou électrode 16 de sorte que le matériau thermométrique ou thermorésistif 18 s’étende sur la partie centrale du micro- bolomètre 100 et assure un contact électrique entre les différentes parties de l’absorbeur ou électrode 16.
Tel qu’illustré sur la figure le, une couche de protection 19 est ensuite déposée sur l’absorbeur ou électrode 16 et sur le matériau thermométrique ou thermorésistif 18. Les couches 13, 16 et 19 sont ensuite gravées selon le motif souhaité pour former la membrane et les bras de soutien de la membrane. Enfin, l’étape lf illustre le retrait de la couche sacrificielle 12, libérant ainsi la membrane en suspension sur les clous d’ancrage 14.
Les performances du micro-bolomètre 100 ainsi obtenu dépendent de plusieurs facteurs et, notamment, de la nature du matériau thermométrique ou thermorésistif 18. Pour obtenir un faible coefficient de bruit basse fréquence, il est connu d’utiliser un matériau thermométrique ou thermorésistif 18 en oxyde de vanadium.
Cependant, un tel matériau thermométrique ou thermorésistif 18 en oxyde de vanadium génère du bruit basse-fréquence sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre 100 lorsque le substrat qui reçoit le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif 18 présente des ruptures de planéité Rp.
Dans l’état de la technique décrit en référence aux figures la à lf, ces ruptures de planéité Rp apparaissent nécessairement sur le substrat qui accueille le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif 18 et sur l’absorbeur ou électrode 16, ce dépôt permettant d’assurer le contact électrique entre ces deux éléments.
Il est donc recherché de pouvoir déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif 18 sur une surface plane tout en assurant la continuité électrique avec l’absorbeur ou électrode 16.
Pour ce faire, une solution décrite dans le document CN 108298495 consiste à déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche de support et à former l’absorbeur ou électrode au-dessus du matériau thermométrique ou thermorésistif.
Cependant, l’absorbeur ou électrode doit être structuré sur plusieurs niveaux de hauteur pour assurer un contact électrique entre des clous d’ancrage s’étendant au niveau de la couche de support et le dessus du matériau thermométrique ou thermorésistif. Il s’ensuit que l’accord de l’absorbeur ou électrode avec un réflecteur déposé sur le substrat est nécessairement moins efficace, puisque cet accord nécessite une distance fixe entre ces deux éléments.
Le problème technique de l’invention est donc d’obtenir un micro-bolomètre avec un absorbeur ou électrode et un matériau thermométrique ou thermorésistif déposés sur des surfaces planes tout en assurant un contact électrique fiable entre G absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif. EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention est issue d’une observation selon laquelle il n’est pas nécessaire de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif directement au contact du matériau absorbeur ou électrode pour obtenir une transduction thermique-électrique efficace. En effet, le matériau thermométrique ou thermorésistif a pour fonction de transformer les variations de température de la scène captées par l’absorbeur ou électrode en variations de résistance électrique aux bornes des électrodes formées par ce même absorbeur ou électrode.
L’invention a montré qu’en connectant le matériau thermométrique ou thermorésistif avec l’absorbeur ou électrode au moyen de vias conducteurs, il est possible de réaliser les échanges thermiques et électriques sans dégrader les performances du micro- bolomètre.
Ainsi, l’invention propose de répondre au problème technique en déposant une couche diélectrique sur un absorbeur ou électrode et en réalisant des vias conducteurs à travers cette couche diélectrique jusqu’à l’absorbeur ou électrode de sorte à former une surface plane avec des contacts débouchants permettant de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sans création de défauts localisés. Typiquement, la couche diélectrique est choisie en silicium avec une conductivité électrique bien moins élevée que celle du matériau absorbeur ou électrode. Par exemple, il peut être considéré un facteur d’au moins 1000 entre la conductivité électrique de la couche diélectrique et la conductivité électrique de l’absorbeur ou électrode. Ainsi, la couche diélectrique peut présenter une conductivité électrique supérieure à 1 Q.cm
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage, ladite membrane comprenant :
• une couche de support traversée par les clous d’ancrage ;
• un absorbeur ou une électrode, déposé sur ladite couche de support et sur les clous d’ancrage avec un motif formant au moins deux électrodes ;
• une couche diélectrique déposée sur ledit absorbeur ou électrode et sur ladite couche de support ;
• au moins deux vias conducteurs ménagés à travers la couche diélectrique en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et • un matériau thermométrique ou thermorésistif disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs.
L’invention permet d’obtenir un micro-bolomètre avec un matériau thermométrique ou thermorésistif et un absorbeur ou électrode déposés sur des surfaces planes, tout en assurant une continuité thermique et électrique entre les électrodes du matériau absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif au moyen de vias conducteurs.
Le micro-bolomètre ainsi obtenu peut donc intégrer un matériau thermométrique ou thermorésistif en oxyde de vanadium, qui conserve un faible coefficient de bruit basse fréquence car le matériau thermométrique ou thermorésistif est déposé sur une surface plane.
En variante, le matériau thermométrique ou thermorésistif peut être constitué d’un oxyde métallique semi-conducteur, tel que l’oxyde de vanadium, l’oxyde de titane ou l’oxyde de nickel, associé ou non à un élément stabilisateur ou métallique tel que décrit dans les documents FR3077878 et FR3077879. En outre, le dépôt de l’absorbeur ou électrode sur une surface plane permet d’accorder la distance de l’absorbeur ou électrode avec un réflecteur déposé sur le substrat de sorte à augmenter la quantité de rayonnements infrarouges détectés.
F’invention permet ainsi d’obtenir un micro-bolomètre présentant de hautes performances, et pour lequel le bruit est globalement limité sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre.
Avec l’observation selon laquelle il est possible de réaliser les échanges thermiques et électriques d’un micro-bolomètre sans dégrader ses performances en connectant le matériau thermométrique ou thermorésistif avec l’absorbeur ou électrode au moyen de vias conducteurs, plusieurs modes de réalisation distincts peuvent être mis en œuvre, notamment pour réaliser ces vias conducteurs.
Selon un premier mode de réalisation, les vias conducteurs sont réalisés par dépôt d’un matériau à base de tungstène dans des ouvertures de la couche diélectrique déposée sur l’absorbeur ou électrode. Selon ce premier mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
■ dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
■ formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ;
■ dépôt et structuration d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage ;
■ dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
■ structuration de la couche diélectrique pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à G absorbeur ou électrode ;
■ dépôt d’un matériau conducteur à base de tungstène pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique et pour assurer un contact électrique entre le matériau conducteur et G absorbeur ou électrode ;
■ retrait du matériau conducteur hors desdites ouvertures de sorte à former une surface plane ;
■ dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la surface plane ainsi réalisée de sorte que le matériau thermométrique ou thermorésistif est connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire du matériau conducteur déposé dans les ouvertures de ladite couche diélectrique ;
■ structuration des bras de soutien ; et
■ suppression de la couche sacrificielle.
De préférence, le dépôt du matériau conducteur est réalisé par un dépôt conforme en phase vapeur. Par exemple, le matériau conducteur peut être déposé par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD (selon l’acronyme anglo-saxon « Chemical Vapor Déposition ») ou par dépôt physique en phase vapeur PVD (selon l’acronyme anglo- saxon « Physical Vapor Déposition »).
Au sens de l’invention, un dépôt « conforme » correspond à un dépôt dans lequel les particules de matières déposées recouvrent uniformément la surface du support sur lequel le dépôt est réalisé quelle que soit l’orientation verticale ou horizontale de cette surface. Ainsi, ce dépôt conforme du matériau conducteur permet de remplir efficacement les ouvertures de la couche diélectrique et d’obtenir une continuité thermique et électrique satisfaisante entre les électrodes du matériau absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif.
De préférence, ladite couche diélectrique est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur ledit absorbeur ou électrode. La gravure ionique réactive est plus connue sous l’acronyme RIE pour « Reactive-Ion Etching » dans la littérature anglo- saxonne. Cette gravure ionique réactive peut être mise en œuvre avec une couche d’arrêt conductrice, telle que l’absorbeur ou électrode. Cette technologie permet d’obtenir une structuration précise des ouvertures. Ainsi, cette gravure RIE permet de régler précisément la forme et la taille des ouvertures en fonction des besoins de continuité thermique et électrique entre les électrodes du matériau absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif. Par exemple, les ouvertures peuvent présenter une largeur inférieure à 1 micromètre, typiquement inférieure à 400 nanomètres.
Au sens de l’invention, la « largeur » des ouvertures correspond à la plus grande dimension de la section transversale desdites ouvertures. Ainsi, si les ouvertures sont cylindriques, la largeur des ouvertures correspond au diamètre de celles-ci. De préférence, les ouvertures présentent une section carrée et la largeur correspond à la diagonale de ce carré.
En associant la gravure RIE et le dépôt conforme, des via conducteurs avec une forme et un remplissage maîtrisés débouchent sur la surface plane, destinée à recevoir le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif.
Cette surface plane est formée après le retrait de la couche conductrice déposée hors des ouvertures.
Pour ce faire, il est possible d’utiliser une gravure ionique réactive avec arrêt sur ladite couche diélectrique. En variante, le retrait de la couche conductrice déposée hors des ouvertures est réalisé par polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur. Dans ce mode de réalisation, la surface plane peut être formée par une couche d’arrêt, déposée sur la couche diélectrique, permettant de stopper le polissage mécano -chimique du matériau conducteur. Dans cette variante, ledit procédé comporte également les étapes suivantes : dépôt d’une couche d’arrêt sur la couche diélectrique avant qu’elle ne soit structurée ; structuration de ladite couche diélectrique au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique ; dépôt du matériau conducteur à base de tungstène dans lesdites ouvertures de ladite couche d’arrêt ; et retrait dudit matériau conducteur hors desdites ouvertures au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur au moins jusqu’au niveau de ladite couche d’arrêt.
Cette couche d’arrêt peut ensuite être conservée pour former la surface plane. Dans ce mode de réalisation, lorsque l’étape de polissage mécano -chimique du matériau conducteur est réalisée jusqu’au niveau de la couche d’arrêt, le dépôt dudit matériau thermométrique ou thermorésistif est réalisée sur ledit matériau conducteur et sur ladite couche d’arrêt. Ce mode de réalisation permet de garantir la planéité de la surface de dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif en utilisant une couche d’arrêt très résistante vis-à-vis du procédé de polissage mécano-chimique, par exemple un couche d’arrêt en oxyde ou nitrure de silicium.
En variante, la couche d’arrêt peut être supprimée après l’étape de polissage mécano- chimique.
Dans ce mode de réalisation, lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur est réalisé jusqu’au niveau de la couche diélectrique, le procédé comporte une étape de retrait de ladite couche d’arrêt ; le dépôt dudit matériau thermométrique ou thermorésistif est réalisé sur ledit matériau conducteur et sur ladite couche diélectrique.
Ce mode de réalisation permet de limiter l’épaisseur entre l’absorbeur ou électrode et la couche thermométrique ou thermorésistif pour faciliter le transfert thermique. En effet, bien que la plus grande partie du transfert thermique soit réalisée par les vias conducteurs, une partie du transfert thermique peut également être réalisée à travers la couche diélectrique. La suppression de la couche d’arrêt permet d’améliorer ce transfert thermique à travers la couche diélectrique.
Par ailleurs, il est possible de réduire l’épaisseur des zones destinées à former les bras de soutien du micro-bolomètre pour limiter les échanges thermiques entre le substrat et le matériau thermométrique ou thermorésistif. Pour ce faire, le procédé de l’invention comporte préférentiellement une étape d’amincissement de ladite couche diélectrique dans une zone destinée à former les bras de soutien du micro-bolomètre.
Pour maîtriser avec précision l’épaisseur gravée lors de l’étape d’amincissement de la couche diélectrique, le procédé peut comporter une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre, l’amincissement étant réalisé jusqu’à ladite couche d’arrêt d’amincissement. Cette dernière peut être retirée après ladite étape d’amincissement.
En outre, une couche de protection peut également être déposée sur la couche diélectrique et le matériau thermométrique ou thermorésistif de sorte à protéger le matériau thermométrique ou thermorésistif lors de l’étape de suppression de la couche sacrificielle.
L’amincissement peut être réalisé après le dépôt de cette couche de protection de sorte à obtenir également un retrait partiel de cette couche de protection dans les zones destinées à former les bras de soutien du micro-bolomètre.
Selon un second mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
■ dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
■ formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et la couche de support ;
■ dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de l’ absorbeur ou électrode;
■ dépôt d’une couche diélectrique à base de silicium ;
■ dépôt localisé d’un matériau métallique de siliciuration sur ladite couche diélectrique ; ■ traitement thermique du matériau métallique de siliciuration de sorte à former un intermétallique entre le matériau métallique et la couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ; cette étape de recuit permet de former une phase cristalline spécifique dans le but de baisser la résistivité électrique du via ;
■ dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
■ structuration des bras de soutien ; et
■ suppression de la couche sacrificielle.
Contrairement au premier mode de réalisation, dans ce deuxième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par transformation localisée de la couche diélectrique au moyen d’un processus de siliciuration.
Pour ce faire, la couche diélectrique est réalisée à base de silicium et le matériau métallique de siliciuration est susceptible de former une phase cristalline stable, le métal étant choisi par exemple en nickel ou en cobalt. En outre, le matériau métallique de siliciuration peut être associé à d’autres composés, tels que le platine.
Au sens de l’invention, la siliciuration correspond à un procédé d’incorporation permettant de former un siliciure et de former un alliage à faible résistivité constitué de métal et de silicium. En incorporant un matériau métallique, tel que le nickel, avec le silicium, il est ainsi possible d’obtenir un intermétallique en siliciure de nickel.
Le siliciure obtenu par incorporation d’un matériau métallique permet de former des vias conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique, cette dernière étant nativement non ou peu conductrice.
Pour obtenir le dépôt localisé du matériau métallique - précurseur de la siliciuration, il est possible d’utiliser une étape de photolithographie, une étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration, suivie d’une étape d’élimination de résine. Ce procédé sans gravure est appelé « lift off » dans la littérature anglo-saxonne. Cependant, ce procédé de dépôt localisé peut aboutir à une localisation peu précise du matériau métallique. Afin de remédier à cette difficulté, une couche sacrificielle peut être utilisée pour délimiter des ouvertures au sein desquelles le matériau métallique de siliciuration est déposé.
Selon cette variante, l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration sur la couche diélectrique comprend les sous-étapes suivantes :
■ dépôt d’une couche sacrificielle sur la couche diélectrique ;
■ structuration de la couche sacrificielle pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
■ dépôt du matériau métallique de siliciuration pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique ; et
■ retrait de la couche sacrificielle.
En outre, lors du recuit thermique mis en œuvre pour obtenir l’incorporation du matériau métallique de siliciuration dans la couche diélectrique, une augmentation du volume de cette dernière peut survenir. Pour remédier à cette difficulté, il est possible de graver partiellement cette couche diélectrique avant l’incorporation.
Selon cette variante, l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration sur la couche diélectrique comprend également une sous-étape de gravure partielle de ladite couche diélectrique au niveau des ouvertures avant l’étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration.
S’agissant du recuit thermique mis en œuvre pour obtenir l’incorporation, une seule étape de recuit thermique peut être envisagée. Par exemple, l’étape de recuit thermique du matériau métallique de siliciuration peut être réalisée avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée minimum de 30s.
Selon un troisième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par implantation ionique locale dans la couche diélectrique.
Selon ce mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
■ dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
■ formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ; ■ dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de G absorbeur ou électrode;
■ dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
■ dépôt d’une couche de masquage sur ladite couche diélectrique ;
■ structuration de ladite couche de masquage pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
■ implantation ionique d’un élément métallique à travers les ouvertures ainsi réalisées de sorte à incorporer l’élément métallique dans ladite couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ;
■ retrait de la couche de masquage ;
■ dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
■ structuration des bras de soutien ; et
■ suppression de la couche sacrificielle.
Comme pour le second mode de réalisation, dans le troisième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par transformation localisée de la couche diélectrique. Cependant, dans le troisième mode de réalisation, la transformation est réalisée au moyen d’une implantation ionique d’un élément métallique.
Au sens de l’invention, une implantation ionique correspond à une modification des propriétés physiques d’un matériau par implantation d’ions. En utilisant les ions d’un élément métallique, l’implantation ionique permet d’implanter des ions conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique de sorte à former des vias conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique, nativement non ou peu conductrice.
En outre, le procédé peut également comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique. Ce recuit thermique peut être utilisé pour homogénéiser le profil d’implantation des ions à l’intérieur de la couche diélectrique, afin de former des chemins de conduction métalliques ou pour obtenir une phase cristalline spécifique d’un intermétallique stable entre le silicium et l’élément métallique. Alternativement, il est également possible de procéder à plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions. De préférence, ces implantations successives sont réalisées avec un courant de faisceau d’ions fixe ou très légèrement variable. La variation des tensions d’accélération des ions peut être obtenue, par exemple, par variation d’une tension de polarisation. Ces implantations successives permettent de s’affranchir de l’étape de recuit thermique et d’obtenir une homogénéisation de la concentration en élément métallique.
Comme pour le second mode de réalisation, la transformation localisée de la couche diélectrique réalisée selon le troisième mode de réalisation permet de garantir une surface plane pour déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sans formation de défauts susceptibles de générer du bruit basse fréquence.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques :
■ les figures 1 a- 1 f illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre de l’état de la technique ;
■ les figures 2a-2i illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
■ les figures 3a-3i illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
■ les figures 4a-4k illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
■ les figures 5a-51 illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
■ les figures 6a-6i illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un cinquième mode de réalisation de l’invention ; et
■ les figures 7a-7i illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre selon un sixième mode de réalisation de l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Tel qu'illustré sur les figures 2 à 7, la réalisation d'un micro-bolomètre 10a-10f selon l’invention comporte une première étape consistant à déposer une couche sacrificielle 12 sur un substrat 11, ce dernier intégrant préférentiellement un circuit de lecture. Des couches peuvent également être déposées sur le substrat avant le dépôt de cette couche sacrificielle 12, par exemple un réflecteur ou une couche d'arrêt destinée à protéger le circuit de lecture lors de l'étape de retrait de la couche sacrificielle 12, par exemple une couche en dioxyde de silicium, en polyimide ou en carbone amorphe.
Après dépôt de la couche sacrificielle 12, une couche de support 13 est déposée sur cette couche sacrificielle 12, par exemple une couche inerte vis-à-vis d’une gravure à base d’acide fluorhydrique destinée au retrait ultérieur de la couche sacrificielle 12 en dioxyde de silicium, c’est-à-dire une couche de support 13 par exemple réalisée en SiC, AI2O3, AIN...
La nature de la couche de support 13 et de l’éventuelle couche d’arrêt déposée sur le substrat dépend de la nature de la couche sacrificielle 12 utilisée.
De même l’épaisseur de la couche de support 13 dépend des propriétés recherchées. Par exemple la couche de support 13 peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Tel qu’illustré sur les figures 2a-7a, après avoir déposé la couche de support 13, une gravure RIE est réalisée pour former des ouvertures à travers la couche de support 13, la couche sacrificielle 12 et l’éventuelle couche d’arrêt déposée sur le substrat 11. Ces ouvertures définissent les futurs emplacements des clous d'ancrage 14 du micro- bolomètre 10a- 10b. Par exemple, ces ouvertures sont cylindriques et présentent un diamètre voisin de 500 nanomètres.
Une seconde étape consiste à former les clous d’ancrage 14 dans les ouvertures. Ces clous d’ancrage 14 intègrent un matériau conducteur, tel que du nitrure de titane, du cuivre ou du tungstène. Tel qu'illustré sur les figures 2b-7b, l’extrémité supérieure des clous d’ancrage 14 peut s'étendre jusqu'au niveau de l’extrémité supérieure de la couche de support 13. En variante, l’extrémité supérieure des clous d’ancrage 14 peut dépasser en hauteur la couche de support 13. L'absorbeur ou électrode 16 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur l'extrémité supérieure des clous d’ancrage 14 de sorte à assurer un contact électrique avec ces clous d’ancrage 14. Par exemple, l'absorbeur ou électrode 16 peut être réalisé en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. Pour former les électrodes à partir de cet absorbeur ou électrode 16, il est nécessaire de structurer ce dernier en fonction de la forme attendue du micro-bolomètre 10a-10b, tel qu’illustré sur les figures 2c-7c. Il existe deux formes majeures de micro-bolomètres : les micro- bolomètres suspendus entre deux clous d’ancrage 14 et les micro-bolomètres suspendus entre quatre clous d’ancrage 14.
Quelle que soit la structuration réalisée de l'absorbeur ou électrode 16, l'invention propose de déposer une couche diélectrique 15 sur l'absorbeur ou électrode 16 et sur la couche de support 13, tel qu’illustré sur les figures 2d-7d. Cette couche diélectrique 15 peut être réalisée par exemple en silicium amorphe avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres. En variante, cette couche diélectrique 15 peut être réalisée en nitrure de silicium ou en alliage de silicium avec du germanium, du bore, de l’azote ou du carbone.
De préférence, la couche diélectrique 15 est choisie en silicium avec une conductivité électrique bien moins élevée que celle du matériau absorbeur ou électrode 16. Par exemple, il peut être considéré un facteur d’au moins 1000 entre la conductivité électrique de la couche diélectrique 15 et la conductivité électrique de l’absorbeur ou électrode 16. Ainsi, la couche diélectrique peut présenter une conductivité électrique supérieure à 1 Q.cm
Dans le premier mode de réalisation des figures 2a à 2i, une couche d'arrêt 30 est ensuite déposée sur toute la couche diélectrique 15, tel qu’illustré sur la figure 2d. Cette couche d'arrêt 30 peut être réalisée en oxyde ou en nitrure de silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Des ouvertures 17 sont ensuite réalisées à travers la couche d'arrêt 30 et à travers la couche diélectrique 15 pour atteindre les électrodes formées dans l'absorbeur ou électrode 16. Ces ouvertures 17 peuvent être réalisées par deux étapes de gravure successives, par exemple deux gravures RIE permettant d'arrêter la gravure sur l'absorbeur ou électrode 16 sans le dégrader. De préférence, la largeur des ouvertures 17 est inférieure à 1 micromètre, typiquement comprise entre 180 et 400 nanomètres. Par exemple, les ouvertures 17 peuvent présenter une section carrée, dont le côté est inférieur à 400 nanomètres.
Tel qu’illustré sur la figure 2e, un dépôt conforme en phase vapeur d’un matériau conducteur 20 est ensuite réalisé sur la couche d'arrêt 30 et dans les ouvertures 17 de sorte à remplir ces ouvertures 17, par exemple un dépôt CVD ou PVD. De préférence, le matériau conducteur 20 est constitué de tungstène ou de siliciure de tungstène et l'épaisseur de ce dépôt est comprise entre 100 et 300 nanomètres. Pour garantir le remplissage des ouvertures 17, l'épaisseur de dépôt du matériau conducteur 20 est préférentiellement supérieure à la moitié de la largeur des ouvertures 17. Le remplissage des ouvertures 17 peut également être obtenu par le dépôt d’une fine couche en nitrure de titane, déposée par un dépôt chimique en phase vapeur, suivi par le dépôt CVD ou PVD du matériau conducteur 20. Ainsi, une couche de nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 10 et 50 nanomètres peut être utilisée pour former les parois externes des vias conducteurs.
Lorsque les ouvertures 17 sont complètement remplies par le matériau conducteur 20, ce dernier est retiré hors des ouvertures 17 pour former une surface plane Sp destinée au dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif 21.
Dans le mode de réalisation des figures 2a à 2i, le retrait du matériau conducteur 20 est réalisé par polissage mécano-chimique du matériau conducteur 20 jusqu’au niveau de l’extrémité supérieure de la couche d'arrêt 30, tel qu’illustré sur la figure 2f. Le matériau conducteur 20 forme ainsi des vias conducteurs. La surface plane Sp destinée au dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif 21 est alors formée par la couche d’arrêt 30 et l’extrémité supérieure des vias conducteurs. Le polissage mécano-chimique de tungstène peut être réalisé par une solution aqueuse composée d’éléments abrasifs à base de particules de silice ou d’alumine, d’un élément oxydant, tel que le peroxyde d’hydrogène, et d’un catalyseur tel que le nitrate de fer.
En variante, il est possible de modifier le procédé de polissage mécano-chimique pour continuer la gravure du matériau conducteur 20 après avoir atteint l’extrémité supérieure de la couche d'arrêt 30. Par exemple, il est possible de mettre en œuvre ledit polissage mécano-chimique de telle sorte que la gravure dudit matériau conducteur 20 au niveau des ouvertures 17 s'arrête sensiblement au niveau de l'extrémité supérieure de la couche diélectrique 15. Ainsi, la couche d'arrêt 30 peut être retirée pour obtenir une surface plane formée par la couche diélectrique 15 et l’extrémité supérieure des vias conducteurs.
Selon une variante de ce mode de réalisation, illustrée sur les figures 3a à 3i, il est possible de former les ouvertures 17 directement dans la couche diélectrique 15 sans utiliser de couche d'arrêt 30. Ainsi, le matériau conducteur 20 est directement déposé sur la couche diélectrique 15 et à l’intérieur des ouvertures 17, tel qu’illustré sur la figure 3e.
Tel qu’illustré sur la figure 3f, le retrait du matériau conducteur 20 hors des ouvertures 17 de sorte à former une surface plane Sp peut être réalisé au moyen d’une gravure RIE du matériau conducteur 20 s’arrêtant sur la couche diélectrique 15, au moyen d’un polissage mécano-chimique s’arrêtant sur la couche diélectrique 15, ou au moyen d’une association d’un polissage mécano-chimique s’arrêtant à proximité immédiate de la couche diélectrique 15 suivi d’une gravure RIE s’arrêtant sur la couche diélectrique 15.
Dans les deux modes de réalisation des figures 2a-2i et 3a-3i, des vias conducteurs 20 sont ainsi obtenus par dépôt d’un matériau conducteur. En variante, tel que décrit sur les modes de réalisation des figures 4 à 7, des vias conducteurs 20 peuvent être réalisés en transformant une partie localisée de la couche diélectrique 15.
Ainsi, dans un troisième mode de réalisation illustré sur les figures 4a-4k, une siliciuration de la couche diélectrique 15 est obtenue par incorporation d’un matériau métallique de siliciuration 50 avec une couche diélectrique 15 réalisée à base de silicium. Par exemple, la couche diélectrique 15 peut être réalisée en silicium amorphe et le matériau métallique de siliciuration 50 peut être réalisé en nickel ou cobalt et possiblement additionné de platine, de sorte à former du siliciure de nickel.
Afin d’obtenir un dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration 50, une couche sacrificielle 51 peut être déposée sur la couche diélectrique 15, et des ouvertures 52 peuvent être structurées dans cette couche sacrificielle 51 jusqu’à atteindre la couche diélectrique 15, tel qu’illustré sur la figure 4d. La couche sacrificielle 51 peut être réalisée en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres. Les ouvertures 52 peuvent être structurées par photo lithographie et gravure ionique réactive. Tel qu’illustré sur la figure 4e, le matériau métallique de siliciuration 50 peut ensuite être déposé sur la couche sacrificielle 51 et dans les ouvertures 52. Par exemple, le matériau métallique de siliciuration 50 peut être déposé avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres.
L’incorporation du matériau métallique de siliciuration 50 avec la couche diélectrique 15 peut alors être réalisée par une étape de diffusion obtenue par recuit thermique, avec une température comprise entre 100°C et 200°C pendant une durée d’au moins 30 secondes. Tel qu’illustré sur la figure 4f, ce recuit thermique permet d’obtenir une zone 55 de la couche diélectrique 15 dans laquelle au moins une partie des atomes du matériau métallique de siliciuration 50 sont présents.
Tel qu’illustré sur la figure 4g, lorsque la diffusion du matériau métallique de siliciuration 50 est réalisée, il est possible de retirer le matériau métallique de siliciuration 50 non diffusé dans la couche diélectrique 15, c’est-à-dire en dehors des zones utiles de siliciuration. Pour ce faire, une gravure humide à base d’acide chlorhydrique, de peroxyde d'hydrogène, d'acide fluorhydrique, d’acide bromhydrique, d’acide sulfurique ou d’acide phosphorique peut être mise en œuvre.
La couche sacrificielle 51 peut ensuite être retirée, tel qu’illustré sur la figure 4h. Pour ce faire, une gravure à base d'acide fluorhydrique peut être mise en œuvre car cette gravure est très sélective par rapport à une couche diélectrique réalisée en silicium amorphe. En variante, il est possible de retirer directement le matériau métallique de siliciuration 50 non diffusé en même temps que la couche sacrificielle 51.
Les vias conducteurs 20 étant formés à l’intérieur de la couche diélectrique 15, laplanéité de cette couche diélectrique 15 est conservée et le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 peut être déposé sur une surface plane Sp. Ainsi, les étapes consécutives du procédé de réalisation de ce troisième mode de réalisation sont analogues à celles décrites précédemment en relation avec les premier et second modes de réalisation.
Le recuit thermique peut néanmoins engendrer une surépaisseur partielle de la couche diélectrique 15. Pour anticiper cette surépaisseur, il est possible de graver localement la couche diélectrique 15 avant de déposer le matériau métallique de siliciuration 50. Ainsi, dans un quatrième mode de réalisation, illustré sur les figures 5a à 5j, cette gravure partielle est réalisée après la formation des ouvertures 52 dans la couche sacrificielle 51, tel qu’illustré sur la figure 5e. Cette gravure partielle peut présenter une profondeur de 1 à 5 nanomètres. Les étapes suivantes, illustrées sur les figures 5f à 51, correspondent ensuite aux étapes illustrées sur les figures 4e à 4k. Cette profondeur de gravure est contrôlée par le temps de gravure, connaissant la vitesse de gravure du procédé utilisé.
En variante, le dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration 50 peut être obtenu par une étape de photolithographie, une étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration 50, suivie d’une étape d’élimination de résine. Ainsi, dans le cinquième mode de réalisation illustré sur les figures 6a à 6i, ce dépôt localisé est illustré sur la figure 6e. Une phase de recuit thermique avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée comprise entre 30s et 1min peut être ensuite utilisée pour obtenir la formation des vias conducteurs 20, tel qu’illustré sur la figure 6f. De préférence, la durée du recuit thermique est au moins supérieure à 30s.
Dans les modes de réalisation des figures 4 à 6, les vias conducteurs 20 sont ainsi obtenus par siliciuration d’une partie localisée de la couche diélectrique 15.
Selon un sixième mode de réalisation des figures 7a à 7i, des vias conducteurs 20 peuvent être réalisés par implantation ionique d’un élément métallique dans une partie localisée de la couche diélectrique 15.
Pour ce faire, une couche de masquage 60 est utilisée pour délimiter la partie de la couche diélectrique 15 destinée à recevoir l’implantation ionique. Des ouvertures 61 sont ensuite réalisées dans cette couche de masquage 60, tel qu’illustré sur la figure 7d.
Tel qu’illustré sur la figure 7e, une implantation ionique est alors réalisée en utilisant des ions d’un élément métallique de sorte à dégénérer suffisamment la couche diélectrique 15 au niveau des ouvertures 61 pour qu’elle devienne localement conductrice. L’implantation ionique peut comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique.
Alternativement, il est également possible de procéder à plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions. De préférence, ces implantations successives sont réalisées avec un courant de faisceau d’ions fixe ou très légèrement variable. La variation des tensions d’accélération des ions peut être obtenue, par exemple, par variation d’une tension de polarisation. Là encore, les implantations ioniques peuvent comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique.
Cette implantation ionique peut être réalisée par une technique de dopage classiquement utilisée pour la réalisation de semi-conducteurs. Par exemple, l’élément métallique peut être constitué de nickel, de titane, de manganèse, de cobalt ou d’aluminium.
En outre, cette implantation ionique permet d’utiliser une grande variété de couches diélectriques 15 possibles. Par exemple, la couche diélectrique 15 peut être réalisée en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium ou en alliage de silicium avec du germanium, du bore, de l’azote ou du carbone.
Suite à cette implantation ionique, la couche de masquage 60 peut ensuite être retirée, via des techniques usuelles de retrait de résine par voie humide ou sèche, tel qu’illustré sur la figure 7f.
Quel que soit le mode de réalisation utilisé pour former la surface plane Sp, l’invention permet d'obtenir une surface plane Sp sur laquelle débouchent les vias conducteurs 20. Le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 peut donc être déposé sur cette surface plane Sp. Préférentiellement, le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 est constitué d’oxyde de vanadium déposé par faisceau ionique avec une épaisseur comprise entre 10 et 200 nanomètres, tel qu’illustré sur les figures 2g et 3g.
La technique de dépôt par faisceau ionique est également connue sur l’acronyme IBD pour « Ion Beam Déposition », c’est-à-dire dépôt par faisceau ionique, ou IBS pour « Ion Beam Sputtering », c’est-à-dire pulvérisation par faisceau ionique.
En variante, le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 peut être constitué de tout autre oxyde de métaux de transition réalisés par des techniques de dépôt physique en phase vapeur ou PVD pour « Physical Vapor Déposition », par exemple de l’oxyde de titane ou de nickel. Tel qu’illustré sur les figures 2h, 3h, 4j, 5k, 6h et 7h, une couche de protection 22 est préférentiellement déposée sur le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 et sur la couche d’arrêt 30 pour protéger le matériau thermométrique ou thermorésistif 21 lors de l'étape de suppression de la couche sacrificielle 12. Cette couche de protection 22 peut être constituée de silicium amorphe présentant une épaisseur comprise entre 3 et 30 nanomètres. Avant de retirer la couche sacrificielle 12, il est possible de limiter l'épaisseur des zones destinées à former les bras de soutien de la membrane du microbolomètre 10a-lOf afin de limiter la conduction thermique entre le substrat 11 et le matériau thermométrique ou thermorésistif 21.
Pour ce faire, la couche de protection 22 peut être gravée dans les zones destinées à former les bras de soutien. De plus, la couche d'arrêt 30 et une partie de la couche diélectrique 15 peuvent également être gravées dans ces zones pour limiter encore l'épaisseur de ces bras de soutien.
La réduction de l'épaisseur peut également être obtenue avant le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif21. Par exemple, une couche d’arrêt d’amincissement peut être déposée entre deux couches formant la couche diélectrique 15. Après avoir déposé la couche d'arrêt 30 sur cet ensemble comportant les deux couches formant la couche électrique 15 et la couche d'arrêt d'amincissement, les ouvertures 17 peuvent être formées à travers toutes ces couches avant de réaliser les vias conducteurs 20.
Alternativement, il est possible de définir la structure de la membrane et des bras de soutien avant la réalisation des vias conducteurs 20 et le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif 21.
À l'issue de cette étape de formation des vias conducteurs 20 et avant de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif 21, il est alors possible de procéder à l'amincissement des bras de soutien jusqu'à la couche d'arrêt d'amincissement en supprimant la couche d’arrêt 30 et la couche supérieure formant la couche diélectrique 15. La couche d’arrêt d’amincissement peut ensuite être retirée de sorte à obtenir des bras de soutien présentant uniquement la partie inférieure de la couche diélectrique 15.
Quelle que soit la méthode de structuration des bras de soutien ou même des clous d’ancrage 14, l’invention permet d’obtenir un micro-bolomètre 10a-10f comportant un matériau thermométrique ou thermorésistif 21 relié thermiquement et électriquement aux électrodes de l'absorbeur ou électrode 16 par des vias conducteurs 20.
L’absorbeur ou électrode 16 et le matériau thermométrique ou thermorésistif21 étant déposés sur des surfaces planes, il est possible d’obtenir un micro-bolomètre 10a-10f avec des performances améliorées par rapport aux micro-bolomètres de l’état de la technique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage (14), ladite membrane comportant :
• une couche de support (13) traversée par les clous d’ancrage (14) ;
• un absorbeur ou une électrode (16) déposé sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) avec un motif formant au moins deux électrodes ;
• une couche diélectrique (15) déposée sur ledit absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13) ;
• au moins deux vias conducteurs (20) ménagés à travers la couche diélectrique (15) en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
• un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) disposé sur une surface plane (Sp) formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs (20).
2. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon la revendication 1, dans lequel le matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est réalisé en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel.
3. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est recouvert d’une couche de protection (22).
4. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant les étapes suivantes : dépôt d’une couche sacrificielle (12) et d’une couche de support (13) sur un substrat (11) ; formation de clous d’ancrage (14) à travers la couche sacrificielle (12) et la couche de support (13) ; dépôt d’un absorbeur ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16); dépôt d’une couche diélectrique (15) sur l’absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13) ; structuration de la couche diélectrique (15) pour former des ouvertures (17) s’étendant jusqu’audit absorbeur ou électrode (16) ; dépôt d’un matériau conducteur (20) à base de tungstène pour remplir les ouvertures (17) ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique (15) et assurer un contact électrique entre ledit matériau conducteur (20) et ledit absorbeur ou électrode (16) ; retrait du matériau conducteur (20) hors des ouvertures (17) de sorte à former une surface plane (Sp) ; dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur la surface plane (Sp) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement au matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire du matériau conducteur (20) déposé dans les ouvertures (17) de la couche diélectrique (15) ; structuration des bras de soutien ; et suppression de la couche sacrificielle (12). 5. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 4, dans lequel l’étape de retrait du matériau conducteur (20) est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique.
Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 4, dans lequel l’étape de retrait du matériau conducteur (20) est réalisée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur la couche diélectrique (15).
7. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel le dépôt du matériau conducteur (20) est réalisé par un dépôt conforme en phase vapeur.
8. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 7, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur l’absorbeur ou électrode (16).
9. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 8, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée de sorte à obtenir des ouvertures (17) dont la largeur est inférieure à 1 micromètre.
10. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 9, comprenant également les étapes suivantes : dépôt d’une couche d’arrêt (30) sur la couche diélectrique (15) avant que cette dernière ne soit structurée de sorte que les ouvertures (17) s’étendent à travers ladite couche diélectrique (15) et ladite couche d’arrêt (30) ; structuration de la couche diélectrique (15) au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt (30) et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique (15) ; dépôt du matériau conducteur (20) à base de tungstène réalisé dans les ouvertures (17) de ladite couche d’arrêt (30) et de ladite couche diélectrique (15) ; et retrait dudit matériau conducteur (20) hors des ouvertures (17) au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur (20) au moins jusqu’au niveau de la couche d’arrêt (30).
11. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 10, dans lequel, lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisé jusqu’au niveau de la couche d’arrêt (30), le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est réalisé sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche d’arrêt (30).
12. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 10, dans lequel, lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisé jusqu’au niveau de la couche diélectrique (15), il est procédé au retrait de la couche d’arrêt (30), le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif (21) étant alors réalisé sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche diélectrique (15).
13. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 12, comprenant une étape d’amincissement de la couche diélectrique (15) dans une zone destinée à former les bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10f).
14. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 13, comprenant une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10f), ladite étape d’amincissement étant réalisée jusqu’à ladite couche d’arrêt d’amincissement.
15. Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10c-10e) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant les étapes suivantes : dépôt d’une couche sacrificielle (12) et d’une couche de support (13) sur un substrat (11) ; formation de clous d’ancrage (14) à travers la couche sacrificielle (12) et la couche de support (13) ; dépôt d’un absorbeur ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16); dépôt d’une couche diélectrique (15) à base de silicium sur ledit absorbeur ou électrode (16) et sur ladite couche de support (13) ; dépôt localisé d’un matériau métallique de siliciuration (50) sur ladite couche diélectrique (15) ; traitement thermique du matériau métallique de siliciuration (50) de sorte à former un intermétallique entre le matériau métallique de siliciuration (50) et ladite couche diélectrique (15) et former des vias conducteurs (20) dans ladite couche diélectrique (15) ; dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur ladite couche diélectrique (15) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement au matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire des vias conducteurs (20) formés au sein de ladite couche diélectrique (15) ; structuration des bras de soutien ; et suppression de la couche sacrificielle (12).
16. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 15, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) comprend les sous-étapes suivantes : dépôt d’une couche sacrificielle (51) sur ladite couche diélectrique (15) ; structuration de ladite couche sacrificielle (51) pour former des ouvertures (52) s’étendant jusqu’à ladite couche diélectrique (15) ; dépôt du matériau métallique de siliciuration (50), en nickel ou cobalt et possiblement additionné de platine, pour remplir les ouvertures (52) ainsi réalisées au sein de ladite couche diélectrique (15) ; retrait du matériau métallique (50) en dehors des zones utiles de siliciuration, notamment par gravure humide ; et retrait de la couche sacrificielle (51).
17. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 16, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) comprend également une sous-étape de gravure partielle de ladite couche diélectrique (15) au niveau des ouvertures (52) préalable à l’étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration (50).
18. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel l’étape de traitement thermique du matériau métallique de siliciuration (50) est réalisée avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée d’au moins 30 secondes.
19. Procédé de réalisation d’unmicro-bolomètre selon la revendication 15, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) est réalisée par photo lithographie, puis dépôt du matériau métallique de siliciuration (50), et enfin, élimination de résine.
20. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (lOf) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant les étapes suivantes : dépôt d’une couche sacrificielle (12) et d’une couche de support (13) sur un substrat (11) ; formation de clous d’ancrage (14) à travers la couche sacrificielle (12) et la couche de support (13) ; dépôt d’un absorbeur ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16); dépôt d’une couche diélectrique (15) sur l’absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13) ; dépôt d’une couche de masquage (60) sur ladite couche diélectrique (15) ; structuration de la couche de masquage (60) pour former des ouvertures (61) s’étendant jusqu’à ladite couche diélectrique (15) ; implantation ionique d’un élément métallique à travers lesdites ouvertures (61) de sorte à incorporer l’élément métallique dans la couche diélectrique (15) et à former des vias conducteurs (20) dans ladite couche diélectrique (15) ; retrait de la couche de masquage (60) ; dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur la couche diélectrique (15) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire des vias conducteurs (20) formés dans ladite couche diélectrique (15) ; structuration des bras de soutien ; et suppression de la couche sacrificielle (12).
21. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 20, dans lequel l’élément métallique est constitué de nickel, de titane, de manganèse, de cobalt ou d’aluminium.
22. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 20 ou 21 , dans lequel l’étape d’implantation ionique est réalisée par plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions.
23. Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 20 à 22, dans lequel ledit procédé comprend en outre un traitement thermique de l’élément métallique.
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