WO2023170353A1 - Micro-bolometre d'imagerie infrarouge - Google Patents

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WO2023170353A1
WO2023170353A1 PCT/FR2023/050243 FR2023050243W WO2023170353A1 WO 2023170353 A1 WO2023170353 A1 WO 2023170353A1 FR 2023050243 W FR2023050243 W FR 2023050243W WO 2023170353 A1 WO2023170353 A1 WO 2023170353A1
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WO
WIPO (PCT)
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support arms
layer
encapsulation layer
silicon
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050243
Other languages
English (en)
Inventor
Marc Guillaumont
Willy LUDURCZAK
Original Assignee
Lynred
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Publication date
Application filed by Lynred filed Critical Lynred
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01J5/10—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
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/023—Particular leg structure or construction or shape; Nanotubes

Definitions

  • the present invention relates to the field of detection of electromagnetic radiation and, more precisely, to the detection of infrared radiation.
  • an infrared imaging micro-bolometer having high sensitivity.
  • detectors traditionally use the variation of a physical quantity of a material or assembly of appropriate materials as a function of temperature, around 300K.
  • this physical quantity is the electrical resistivity, but other quantities can be used, such as the dielectric constant, polarization, thermal expansion, refractive index, etc.
  • Such an uncooled detector generally combines: means of absorbing thermal radiation and converting it into heat; thermal insulation means 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, use a resistive element whose resistance varies with the temperature; and means for reading the electrical signals provided by the thermometry means.
  • Detectors intended for thermal or infrared imaging are conventionally produced in the form of a matrix of elementary detectors, forming image points or pixels, in one or two dimensions. To guarantee the thermal insulation of the detectors, they are suspended above a substrate via support arms.
  • the substrate usually comprises means for sequentially addressing 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 referred to as “reading circuit”.
  • this scene is captured through optics adapted to the matrix of elementary detectors, and clocked electrical stimuli are applied via the reading circuit to each of the elementary detectors, or at each row of such detectors, in order to obtain an electrical signal constituting the image of the temperature reached by each of said elementary detectors.
  • This signal is processed in a more or less elaborate manner by the reading circuit, then possibly by an electronic device external to the housing 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 the support arms.
  • the membrane integrates a thermo-resistive material which transduces infrared radiation, forming the thermometry means.
  • thermo-resistive material The measurement of the electrical resistance of the thermo-resistive material is carried out by two electrodes, for example metallic, extending under the thermometric material and in the support arms.
  • the electrodes can also have the function of absorbing at least part of the infrared flux to transform it into heat and transmit it to the thermo-resistive material.
  • the quantity of infrared radiation absorbed depends on the surface area of this absorber.
  • Elementary detectors are conventionally formed on a silicon substrate which includes the reading circuit. Using metal or dielectric layer deposition processes, photolithographic processes and microelectronics etching processes, a sacrificial layer is produced on the substrate, then a membrane sensitive to infrared radiation is produced on this sacrificial layer while by structuring this membrane so as to ensure electrical continuity between it and the reading circuit.
  • the sacrificial layer is made of polyimide or silicon oxide because these materials can be etched using an isotropic process making it possible to remove said sacrificial layer under the membrane and leave this membrane in a suspended state. above the substrate.
  • This property is necessary for the operation of elementary detectors.
  • the etching processes conventionally implemented are plasma processes based on dioxygen or etching processes based on hydrofluoric acid, respectively dedicated to the removal of a sacrificial layer of polyimide or silicon oxide.
  • the membrane is made using at least one thermoresistive material generally obtained by a deposit formed of an alloy of silicon and germanium, or a deposit composed of vanadium oxide.
  • This layer can also include elements such as nitrogen, boron, carbon. ..
  • To structure the membrane other materials are necessary, and this membrane is therefore the result of a stack comprising the thermoresistive material, enhanced with one or more dielectric materials and electrodes produced by a metal deposition.
  • This stack is structured into several deposition, photolithographic, and etching sequences in order to produce the elementary detector, also called a micro-bolometer.
  • Figures 1a to 1 illustrate a process for producing a micro-bolometer 100 of the state of the art, such as for example described in document EP 3 182 081.
  • a first step, illustrated in Figure la, consists of depositing and structuring a sacrificial layer 12 and a support layer 13 on a substrate 11 integrating the reading 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 face of the support layer 13.
  • At least two electrodes 16 are then deposited and structured on the support layer 13 and on the upper part of the anchor nail 14.
  • the support layer 13 on which the electrodes 16 are deposited has a low electrical resistivity, it is necessary to distance the ends 37 of the electrodes 16 by a distance dl, in order to limit the leakage currents between said electrodes 16.
  • This distance dl can represent approximately 50% of the pixel pitch, that is to say 50% of the distance between anchor nails 14.
  • thermo-resistive material 18 is then deposited on the support layer 13 and on the electrodes 16 so as to ensure electrical continuity between said electrodes 16.
  • An engraving of this thermo-resistive material 18 makes it possible to delimit its location in the center of the microphone -bolometer 100, that is to say in the zone intended to form the membrane 20 thereof, as illustrated in Figure Id.
  • thermo-resistive material 18 is conventionally carried out by reactive ion etching, also called RIE etching for “Reactive-Ion Etching” in the Anglo-Saxon literature, by stopping the etching on the two electrodes 16.
  • This etching step constitutes a technical difficulty because the two electrodes 16 are often particularly thin, with a thickness typically less than 20 nanometers.
  • the RIE etching implemented to delimit the location of the thermoresistive material 18 risks, if it is not perfectly calibrated, damaging the electrodes 16 and reducing the performance of the micro-bolometer 100.
  • an upper encapsulation layer 190 is then deposited on the electrodes 16 and on the thermo-resistive material 18.
  • thermo-resistive material 18 made of vanadium oxide.
  • vanadium oxide is sensitive to hydrofluoric acid conventionally used during the step of removing a sacrificial layer 12 made of silicon dioxide.
  • thermo-resistive material 18 it is often necessary to protect the thermo-resistive material 18, at least so that the step of removing the sacrificial layer does not damage said material.
  • the upper encapsulation layer 190 is conventionally deposited to encapsulate the thermo-resistive material 18.
  • This upper encapsulation layer 190 also has the function of encapsulating the electrodes 16 in order to ensure the mechanical strength of the membrane 20 as a function of the desired application, that is to say as a function of the shock resistance. sought after by the micro-bolometer 100.
  • the electrodes 16 preferably perform the function of absorber of infrared radiation.
  • another absorber material can also be deposited on the upper encapsulation layer 190, above the membrane, as described for example in document EP 3 870 945.
  • the deposition of such an absorber material requires depositing the upper encapsulation layer 190 in two stages, before and after the deposition of said absorber material, in order to prevent the latter from being deposited directly on the thermometric material 18 and in order to to protect it from the etching of the sacrificial layer 12.
  • this upper encapsulation layer 190 After the complete deposition of this upper encapsulation layer 190, in one or two steps, the layers 13, 16 and 190 are then etched according to the desired pattern to form the support arms 21 of the membrane 20.
  • step If illustrates the removal of the sacrificial layer 12, thus releasing the membrane 20 suspended on the anchoring nails 14 via the support arms 21.
  • thermometric material 18 and the possible absorber material are protected from the etching of the sacrificial layer 12 by the support layer 13 and the upper encapsulation layer 190.
  • These layers 13 and 190 are therefore selected to resist the etching process implemented to obtain the removal of the sacrificial layer 12, for example etching based on dioxygen or based on hydrofluoric acid, while the thermometric material 18 and the possible absorber material can be selected respectively for their thermal-electrical transduction and infrared radiation capture performances.
  • the engraving also attacks the side walls of the support arms 21, so that the electrodes 16 and all the materials possibly integrated in the support arm 21, between layers 13 and 190, must also resist the etching of the sacrificial layer 12.
  • This constraint greatly limits the possibilities of forming the support arms 21 and, in certain cases, it is not possible to use the most efficient materials in terms of electrical resistivity, thermal resistance and/or mechanical resistance to form said support arms 21 due to this constraint of resistance to etching of the sacrificial layer 12, in particular when the latter is made of silicon oxide and the etching uses hydrofluoric acid.
  • the technical problem that the invention intends to solve consists of obtaining an infrared imaging microbolometer in which the materials integrated in the support arms are protected from the etching of the sacrificial layer based on hydrofluoric acid so as to be able to use materials with higher performance in terms of electrical resistivity, thermal resistance and/or mechanical resistance to form the support arms, thus improving the performance of the micro-bolometer.
  • the invention proposes to form the support arms with a lateral encapsulation layer of the support arms resistant to etching of the sacrificial layer, that is to say resistance to etching based of hydrofluoric acid, so as to protect the materials integrated into the support arms.
  • 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, the micro-bolometer comprising:
  • thermo-resistive material placed within the membrane in electrical contact with the electrodes
  • the micro-bolometer also comprises a lateral encapsulation layer of the support arms arranged in contact with the lateral edges of said support arms, said lateral encapsulation layer being resistant to etching based on hydrofluoric acid, so as to form, with the support layer and the upper encapsulation layer of the support arms, a hermetic encapsulation for etching based on hydrofluoric acid.
  • “hermetic encapsulation” indicates that the support arms are protected from etching based on hydrofluoric acid by means of the combination of the lateral encapsulation layer, the support layer and the upper encapsulation layer of the support arms.
  • the invention makes it possible to use high-performance materials in terms of electrical resistivity, thermal resistance and/or mechanical resistance inside the support arms.
  • the material constituting the electrodes can be sensitive to the removal of the sacrificial layer without risking being damaged by the step of removing said sacrificial layer.
  • these two resistive layers are continuous with each other between the ends of the electrodes present within the membrane so as to form an insulating barrier between said ends.
  • this embodiment makes it possible to obtain a large capture surface without using an absorber material deposited on the thermometric material.
  • the micro-bolometer also includes:
  • a “resistive” layer corresponds to a layer having an electrical resistivity at least 10,000 times greater than that of the thermo-resistive material.
  • the thermo-resistive material can be made of an amorphous alloy rich in silicon, vanadium oxide, titanium oxide or nickel oxide.
  • the thermo-resistive material can have an electrical resistivity of between 0.1 and 100 Ohm.cm.
  • the lower and upper resistive layers can have an electrical resistivity greater than 10 4 Ohm.cm.
  • the electrical resistivity of the resistive layers mainly aims to avoid leakage currents likely to occur between the ends of the electrodes extending within the membrane.
  • the electrical resistivity can be sought as a function of the desired proximity of implantation of the electrodes.
  • the lower and upper resistive layers can also be sized, in terms of thickness or constituent material, to meet the thermal resistance and mechanical resistance needs of the support arms.
  • the lower and upper resistive layers can be made of hafnium dioxide, silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, boron nitride, aluminum nitride, carbide of silicon, silicon carbonitride, silicon boride, silicon oxyboride, silicon boronitride, silicon borocarbon, or silicon oxycarbide.
  • the “height” of the microbolometer corresponds to the dimension perpendicular to the plane of the substrate on which the microbolometer is fixed.
  • the support layer forms a “lower” encapsulation layer of the membrane and the support arms; it corresponds to the layer closest to the substrate and it extends in a lower plane of the membrane and the support arms, parallel to the plane of the substrate.
  • the “upper” encapsulation layer corresponds to the encapsulation layer furthest from the substrate, and it extends in an upper plane of the membrane and the support arms, also parallel to the plane of the substrate. .
  • the invention may use several different top encapsulation layers: a top encapsulation layer for the membrane and a top encapsulation layer for the support arms.
  • the “lower” resistive layer corresponds to the layer placed in contact with the electrodes closest to the substrate
  • the “upper” resistive layer corresponds to the layer placed in contact with the electrodes furthest from the substrate.
  • the “lateral” encapsulation layer of the support arms corresponds to the thickness of material present on the lateral periphery of the support arms, between the support layer and the upper encapsulation layer of the support arms. The lateral encapsulation layer therefore extends in a plane perpendicular to the planes of the lower encapsulation layer and the upper encapsulation layer of the support arms.
  • the upper encapsulation layer of the support arms and the side encapsulation layer are of distinct natures or thicknesses.
  • the upper encapsulation layer of the support arms can be made of boron nitride, alumina, silicon carbide or aluminum nitride.
  • the lateral encapsulation layer can be made of an amorphous alloy rich in silicon or boron, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon carbide or boron carbide.
  • the side encapsulation layer may contain at least 25% silicon, potentially alloyed with nitrogen, boron, carbon or hydrogen.
  • the upper encapsulation layer of the support arms and the side encapsulation layer of the support arms are made of the same material, typically an amorphous alloy rich in silicon or boron, aluminum oxide, nitride d aluminum, silicon carbide or boron carbide.
  • Boron nitride, alumina, aluminum nitride, silicon carbide as well as an amorphous alloy rich in silicon have the property of resisting etching based on hydrofluoric acid (HF) conventionally used to remove a sacrificial layer made of silicon oxide (SiOx).
  • HF hydrofluoric acid
  • the lateral encapsulation layer of the support arms a dimension parallel to said plane of the substrate; this latter thickness is typically measured at the base of the lateral encapsulation layer.
  • the lateral encapsulation layer of the support arms may have a lug projecting relative to the upper encapsulation layer of the support arms by at least 10 nanometers. This characteristic shape can result from the production of the lateral encapsulation layer independently of the upper encapsulation layer of the support arms.
  • Figures 1 a- 1 f illustrate the stages of producing a state-of-the-art micro-bolometer
  • FIG. 2a is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2b is a partial enlargement of the schematic sectional view of Figure 2a;
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a second embodiment of the invention
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a third embodiment of the invention
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a fourth embodiment of the invention
  • Figure 6 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a fifth embodiment of the invention
  • Figure 7 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a sixth embodiment of the invention
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a micro-bolometer according to a seventh embodiment of the invention.
  • the invention aims at a micro-bolometer 10a comprising a membrane 20 mounted in suspension on a substrate 11.
  • the substrate 11 conventionally integrates a reading circuit, that is to say a set of components allowing in particular the polarization, addressing and measurement of the resistance of the membrane 20 of the micro-bolometer 10a. More precisely, the reading circuit measures the resistance of a thermo-resistive material 18 encapsulated in the membrane 20.
  • thermo-resistive material 18 is electrically connected to the reading circuit by electrodes 16 and anchoring nails 14.
  • the membrane 20 has the function of carrying out thermal/resistive transduction of infrared radiation.
  • this membrane 20 is mounted in suspension on the anchoring nails 14 via support arms 21.
  • the anchoring nails 14 extend perpendicular to to the substrate 11, and the support arms and the membrane 20 extend in a plane parallel to the plane of the substrate 11.
  • micro-bolometers suspended between two anchoring nails 14 and micro-bolometers micro-bolometers suspended between four anchoring nails 14.
  • these anchoring nails 14 can be made of a metallic material, such as titanium nitride, copper, tungsten or aluminum. They can have a cylindrical cross section with a diameter close to 500 nanometers.
  • a support layer 13 forms the lower layer of the membrane 20 and the support arms 21.
  • This support layer 13 can, for example, be produced in one amorphous alloy rich in silicon, silicon carbide, alumina or aluminum nitride, and have a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • a lower resistive layer 34 is arranged between the support layer 13 and the electrodes 16.
  • This lower resistive layer 34 can be made of hafnium dioxide, of silicon nitride, of silicon oxide, of hafnium oxynitride silicon, boron nitride, aluminum nitride, silicon carbide, silicon carbonitride, silicon boride, silicon oxyboride, silicon boronitride, silicon borocarbon, or silicon oxycarbide.
  • the support layer 13 and the lower resistive layer 34 are crossed by the anchor nails 14.
  • the electrodes 16 are fixed on the lower resistive layer 34 and on the upper end of the anchor nails 14, so as to ensure electrical contact with these anchoring nails 14.
  • These electrodes 16 can be made of titanium nitride with a thickness between 5 and 20 nanometers.
  • these electrodes 16 are structured in the central part of the membrane 20 so that the measurement of the electrical resistance between two electrodes 16 makes it possible to measure the electrical resistance of the thermo-resistive material 18.
  • the ends 37 of the electrodes 16 can be very close to each other.
  • said ends 37 can be separated by a distance d2, less than 500 nanometers, typically between 200 nanometers and 1 micrometer. It should be noted that a variation in the topology of the layers deposited on the electrodes 16 may appear due to this distance d2, in a manner analogous to the variation in topology illustrated in Figure If. However, taking into account the small distance d2 compared to the distance dl in Figure If and the small thickness of the electrodes 16, this topology can be negligible so that this topology variation is not represented in Figures 2 to 8 .
  • the material constituting the electrodes 16 can be selected solely to meet the constraints of electrical resistivity, thermal conductivity or capture of infrared radiation, independent of the constraints of resistance to removal of the sacrificial layer.
  • the electrodes 16 in titanium in metallic form, or even in copper, chromium, cobalt or aluminum.
  • an upper resistive layer 35 is placed between the electrodes 16 and an upper encapsulation layer 15 of the support arms.
  • This upper resistive layer 35 is preferably made of the same material as the lower resistive layer 34, and it extends between the ends 37 of the electrodes 16 so as to form an insulating barrier 36 between the electrodes 16.
  • the upper resistive layer 35 preferably has a thickness e2 equivalent to the thickness e2 of the lower resistive layer 34.
  • the upper encapsulation layer 15 of the support arms can be made of an amorphous alloy rich in silicon, potentially alloyed with nitrogen, boron, carbon or hydrogen, with a thickness ei equal to the thickness of the support layer 13, these two layers forming the encapsulation layers of the support arms 21.
  • resistive layers 34-35 made of hafnium dioxide can be used because this material has a low thermal conductivity, of the order of 0.35 W/(mK) and a significant mechanical resistance, i.e. say a Young's modulus close to 150 GPa.
  • the effective thermal conductivity of the support arms 21 can typically be of the order of three times lower for a thickness e2 of 20 nanometers of each resistive layer 34-35, compared to a zero thickness e2.
  • the integration of the resistive layers 34-35 therefore makes it possible to significantly reduce the thermal conductivity of the support arms 21.
  • the resistive layers 34-35, the electrodes 16 and the upper encapsulation layer of the support arms 15, and the support arms 21 can also include a stopping layer 30 deposited on the layer d upper encapsulation 15 of the support arms.
  • This barrier layer 30 can, for example, be made of boron nitride or aluminum nitride, and have a thickness of between 5 and 100 nanometers.
  • this stopping layer 30 can be supplemented or replaced by a layer of alumina and/or a layer of silicon carbide with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • this stopping layer 30 is present on the upper encapsulation layer 15 of the support arms, limited to the level of the membrane 20.
  • the thermo-resistive material 18 is deposited on the stopping layer 30 and on the electrodes 16 passing through openings 17 provided through the upper resistive layer 35, the upper encapsulation layer 15 of the support arms and the stopping layer 30.
  • the thermo-resistive material 18 is made of vanadium oxide deposited with a thickness of between 10 and 200 nanometers.
  • the embodiment of Figure 5 illustrates a micro-bolometer lOd produced in a manner similar to that of Figure 2a but without the resistive layers 34 and 35.
  • the microbolometer 10g presents a thermo-resistive material 18 deposited on the electrodes 16 in a manner analogous to the state of the art.
  • the electrodes 16 of Figure 8 are also encapsulated between a support layer 13 and an upper encapsulation layer 15 of the support arms and the thermo-resistive material 18.
  • the micro-bolometer 10g also has a lateral encapsulation layer 33 of the support arms 21 arranged in contact with the lateral edges of said support arms 21.
  • This embodiment makes it possible to use any material for the electrode 16, in particular materials of very low thermal conductivity but not compatible with the release based on fluoridric acid. Depending on the gain on this parameter, as well as the respective volumes of the materials, the gain can be significant despite the addition of the lateral encapsulation 33.
  • the micro-bolometer 10b comprises a thermo-resistive material 18 deposited on the barrier layer 30 and on conductive vias 40 formed in the openings 17.
  • the conductive vias 40 are made of tungsten or tungsten silicide.
  • the thickness of the conductive vias 40 is between 100 and 300 nanometers.
  • the thickness of deposition of the conductive vias 40 is preferably greater than half the width of the openings 17.
  • the filling of the openings 17 can also be obtained by the deposition of a thin layer of nitride titanium, deposited by chemical vapor deposition, followed by CVD or PVD deposition of tungsten or tungsten silicide.
  • a layer of titanium nitride with a thickness of between 10 and 50 nanometers can be used to form the external walls of the conductive vias 40.
  • Figure 6 illustrates a micro-bolometer 10e produced in a manner similar to that of Figure 3 but without the resistive layers 34 and 35.
  • the micro-bolometer 10c comprises a thermo-resistive material 18 deposited on a stopping layer 30 etched in the center of the membrane 20 and limited only to the level of the lateral edges of the latter.
  • the thermo-resistive material 18 is deposited on the support layer 13 and on silicidation zones 41 formed in the upper encapsulation layer 15 of the support arms, when the latter incorporates silicon.
  • a metallic material 42 can be implanted locally in the upper resistive layer 35.
  • These silicidation zones 41 can be obtained by incorporating a metallic silicidation material into a dielectric layer or by localized implantation.
  • the upper encapsulation layer 15 of the support arms can be made of an amorphous alloy rich in silicon or boron, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon carbide or boron carbide.
  • the metallic silicide material can be made of nickel or cobalt and possibly added with platinum, so as to form nickel silicide.
  • a sacrificial layer can be deposited on the upper encapsulation layer 15 of the support arms, and openings can be structured in this sacrificial layer until reaching said layer of upper encapsulation 15 of the support arms.
  • the metallic silicidation material can then be deposited on the sacrificial layer and in the openings.
  • the metallic silicidation material can be deposited with a thickness between 5 and 50 nanometers.
  • the incorporation of the metallic silicidation material in the upper encapsulation layer 15 of the support arms and in the upper resistive layer 35 can then be carried out by a diffusion step obtained by thermal annealing, with a temperature between 100°C and 200°C for a period of at least 30 seconds.
  • This thermal annealing makes it possible to obtain silicidation zones 41 in which at least part of the atoms of the metallic silicidation material are present.
  • Figure 7 illustrates an lOf micro-bolometer produced in a manner similar to that of Figure 4 but without the resistive layers 34 and 35.
  • thermo-resistive material 18 is deposited in electrical contact with the electrodes 16.
  • the upper face of the thermo-resistive material 18 is protected by an upper encapsulation layer 19 of the membrane, which may be different from the upper encapsulation layer 15 of the support arms.
  • This upper encapsulation layer 19 of the membrane can consist of a barrier layer, for example made of boron nitride or aluminum nitride with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • this upper encapsulation layer 19 of the membrane can consist of an amorphous alloy layer rich in silicon with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • thermo-resistive material 18 and the support arms 21 are also laterally protected by a lateral encapsulation layer 33.
  • This lateral encapsulation layer 33 may consist of an amorphous alloy layer rich in silicon with a thickness of between 5 and 50 nanometers.
  • the lateral encapsulation layer 33 can be very thin so as to ensure very good airtightness for etching based on hydrofluoric acid while guaranteeing the addition of a minimum of material so as not to degrade the thermal insulation of the material.
  • the upper encapsulation layer 15 of the support arms, the lateral encapsulation layer 33 and the upper encapsulation layer 19 of the membrane are produced by at least two distinct deposits, so that the thickness and/or or the nature of these layers differ between these layers.
  • the thickness ei of the upper encapsulation layer 15 of the support arms is different from the thickness es of the lateral encapsulation layer 33.
  • the lateral encapsulation layer 33 extending in a plane perpendicular to the planes of the support layer 13 and the upper encapsulation layer 15 of the support arms, the thickness is of said lateral encapsulation layer 33 corresponds to the thickness of material present around the support arms 21.
  • the method of producing this lateral encapsulation layer 33 can induce the formation of a lug 50 projecting relative to the layer upper encapsulation 15 of the support arms with a height h of at least 10 nanometers.
  • These micro-bolometers 10a-10g can be produced by methods using sacrificial layers, in particular the methods disclosed in documents FR 3 098 904 and WO 2018/122382.
  • the invention proposes to produce support arms 21 having a lateral encapsulation layer 33 making it possible to limit the constraints of selection of the materials integrated in the support arms 21. It is now possible to use materials more efficient in terms of electrical resistivity, thermal resistance and/or mechanical resistance to form the support arms.
  • the invention thus makes it possible to obtain a 10a-10g micro-bolometer with improved performance.

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Abstract

Ce micro-bolomètre d'imagerie infrarouge (10a) intégrant une membrane (20) montée en suspension au-dessus d'un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d'ancrage (14), comprend : • une couche de support (13) s'étendant au sein de la membrane (20) et des bras de soutien; • des électrodes (16) disposées sur la couche de support (13) et au contact avec les clous d'ancrage (14), chaque électrode (16) s'étendant au sein d'un bras de soutien; • un matériau thermo-résistif (18) disposé au sein la membrane (20) en contact électrique avec les électrodes (16); et • au moins une couche d'encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et du matériau thermo-résistif (18); • une couche d'encapsulation latérale (33) des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien, ladite couche d'encapsulation latérale (33) étant résistante à la gravure à base d'acide fluorhydrique.

Description

MICRO-BOLOMETRE D’IMAGERIE INFRAROUGE
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 un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge présentant une grande sensibilité.
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 ces détecteurs, 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 les bras de soutien. La membrane intègre un matériau thermo-résistif qui réalise une transduction des rayonnements infrarouges, formant les moyens de thermométrie.
La mesure de la résistance électrique du matériau thermo-résistif est réalisée par deux électrodes, par exemple métallique, s’étendant sous le matériau thermométrique et dans les bras de soutien.
Outre la lecture du signal aux bornes du matériau thermo-résistif, les électrodes peuvent également avoir pour fonction d’absorber au moins une partie du flux infrarouge pour le transformer en chaleur et le transmettre au matériau thermo-résistif.
Dans ce cas, la quantité de rayonnement infrarouge absorbée est dépendante de la surface de cet absorbeur. Pour optimiser l’absorption du rayonnement infrarouge, les électrodes couvrent un maximum de surface dans l’empreinte du pixel. En pratique, la surface des électrodes est limitée par celle de la membrane. L’épaisseur et la résistivité électrique des électrodes est ajustée de façon à ce que son impédance effective par carré soit adaptée à celle du vide : Zo = 377 ohm/carré.
Les détecteurs élémentaires sont classiquement formés sur un substrat de silicium qui inclut le circuit de lecture. A l’aide des procédés de dépôt de couches métalliques ou diélectriques, des procédés de photolithographic et des procédés de gravure de la microélectronique, une couche sacrificielle est réalisée sur le substrat, puis une membrane sensible au rayonnement infrarouge est réalisée sur cette couche sacrificielle tout en structurant cette membrane de manière à assurer une continuité électrique entre celle-ci et le circuit de lecture.
Selon différentes approches, la couche sacrificielle est réalisée en polyimide ou en oxyde de silicium car ces matériaux peuvent être gravés à l’aide d’un procédé isotrope permettant de retirer ladite couche sacrificielle sous la membrane et laisser cette membrane dans un état suspendu au-dessus du substrat. Cette propriété est nécessaire pour le fonctionnement des détecteurs élémentaires. Les procédés de gravure classiquement mis en œuvre sont les procédés plasma à base de dioxygène ou les procédés de gravure à base d’acide fluorhydrique, respectivement dédiés à la suppression d’une couche sacrificielle en polyimide ou en oxyde de silicium.
Il est particulièrement avantageux d’utiliser une couche sacrificielle en oxyde de silicium associée à une gravure à base d’acide fluorhydrique. En effet, cela permet de réutiliser les procédés les plus performants de la microélectronique. Ainsi, il est possible d’obtenir une meilleure finesse de gravure et, de ce fait, d’obtenir de plus petits pas pixels à la performance requise en comparaison avec l’utilisation d’une couche sacrificielle en polyimide associée à une gravure à base de dioxygène.
La membrane est réalisée à l’aide d’au moins un matériau thermorésistif généralement obtenu par un dépôt formé d’un alliage de silicium et de germanium, ou d’un dépôt composé d’oxyde de vanadium. Cette couche peut également inclure des éléments tels que l’azote, le bore, le carbone. .. Pour structurer la membrane, d’autres matériaux sont nécessaires, et cette membrane est donc le résultat d’un empilement comprenant le matériau thermorésistif, agrémenté d’un ou plusieurs matériaux diélectriques et des électrodes réalisées par un dépôt métallique. Cet empilement est structuré en plusieurs séquences de dépôt, photolithographic, et gravure de manière à réaliser le détecteur élémentaire, également appelé micro-bolomètre. Les figures la à Ifillustrent 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 1b, la formation des clous d’ancrage 14 dans les ouvertures vise à obtenir un plot conducteur s’étendant au moins jusqu’au niveau de la face supérieure de la couche de support 13.
Au moins deux électrodes 16 sont ensuite déposées et structurées sur la couche de support 13 et sur la partie supérieure du clou d’ancrage 14. Lorsque la couche de support 13 sur laquelle les électrodes 16 sont déposées présente une faible résistivité électrique, il est nécessaire d’éloigner d’une distance dl les extrémités 37 des électrodes 16, afin de limiter les courants de fuites entre lesdites électrodes 16. Cette distance dl peut représenter environ 50% du pas pixel, c’est-à-dire 50% de la distance entre les clous d’ancrage 14.
Un matériau thermo-résistif 18 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur les électrodes 16 de sorte à assurer une continuité électrique entre lesdites électrodes 16. Une gravure de ce matériau thermo-résistif 18 permet de délimiter son emplacement au centre du micro-bolomètre 100, c’est-à-dire dans la zone destinée à former la membrane 20 de celui-ci, tel qu’illustré sur la figure Id.
La gravure du matériau thermo-résistif 18 est classiquement réalisée par gravure ionique réactive, également appelée gravure RIE pour « Reactive-Ion Etching » dans la littérature anglo-saxonne, en arrêtant la gravure sur les deux électrodes 16. Cette étape de gravure constitue une difficulté technique car les deux électrodes 16 sont souvent particulièrement fines, avec une épaisseur typiquement inférieure à 20 nanomètres. Or, la gravure RIE mise en œuvre pour délimiter l’emplacement du matériau thermorésistif 18 risque, si elle n’est pas parfaitement calibrée, de détériorer les électrodes 16 et de diminuer les performances du micro-bolomètre 100. Tel qu’illustré sur la figure le, une couche d’encapsulation supérieure 190 est ensuite déposée sur les électrodes 16 et sur le matériau thermo-résistif 18. Cette couche d’encapsulation supérieure 190 permet de former une protection supérieure et latérale au matériau thermo-résistif 18, ainsi qu’une protection supérieure aux électrodes 16. En effet, pour obtenir un faible coefficient de bruit basse fréquence, il est connu d’utiliser un matériau thermo-résistif 18 réalisé en oxyde de vanadium. Cependant, l’oxyde de vanadium est sensible à l’acide fluorhydrique classiquement utilisé lors de l’étape de retrait d’une couche sacrificielle 12 réalisée en dioxyde de silicium.
Ainsi, il est souvent nécessaire de protéger le matériau thermo-résistif 18, au moins pour que l’étape de retrait de la couche sacrificielle ne détériore pas ledit matériau. Pour ce faire, la couche d’encapsulation supérieure 190 est classiquement déposée pour encapsuler le matériau thermo-résistif 18.
Cette couche d’encapsulation supérieure 190 a également pour fonction d’encapsuler les électrodes 16 afin d’assurer la tenue mécanique de la membrane 20 en fonction de l’application recherchée, c’est-à-dire en fonction de la résistance aux chocs recherchée du micro-bolomètre 100.
Par ailleurs, il est recherché de limiter la conduction thermique des bras de soutien 21 pour isoler la membrane 20 de la température du substrat 11.
Ainsi, pour chaque micro-bolomètre 100, il existe une épaisseur idéale des bras de soutien 21 et de la couche d’encapsulation supérieure 190 pour laquelle les bras de soutien 21 présentent une épaisseur minimale et donc une conductance thermique minimale, tout en respectant les contraintes mécaniques recherchées.
Pour obtenir un micro-bolomètre 100 présentant une sensibilité élevée, il est recherché une conductance thermique faible des bras de soutien 21 et une surface importante de captation des rayonnements infrarouges. Pour ce faire, les électrodes 16 réalisent de préférence la fonction d’absorbeur des rayonnements infrarouges. Outre les électrodes 16, un autre matériau absorbeur peut également être déposé sur la couche d’encapsulation supérieure 190, au-dessus de la membrane, tel que décrit par exemple dans le document EP 3 870 945. Ainsi, l’association des électrodes 16 et du matériau absorbeur permet d’obtenir une surface importante de captation des rayonnements infrarouges. Cependant, le dépôt d’un tel matériau absorbeur nécessite de déposer la couche d’encapsulation supérieure 190 en deux étapes, avant et après le dépôt dudit matériau absorbeur, afin d’éviter que ce dernier soit déposé directement sur le matériau thermométrique 18 et afin de le protéger de la gravure de la couche sacrificielle 12.
Après le dépôt complet de cette couche d’encapsulation supérieure 190, en une ou deux étapes, les couches 13, 16 et 190 sont ensuite gravées selon le motif souhaité pour former les bras de soutien 21 de la membrane 20.
Enfin, l’étape If illustre le retrait de la couche sacrificielle 12, libérant ainsi la membrane 20 en suspension sur les clous d’ancrage 14 par l’intermédiaire des bras de soutien 21.
Lors de cette étape de libération, le matériau thermométrique 18 et l’éventuel matériau absorbeur sont protégés de la gravure de la couche sacrificielle 12 par la couche de support 13 et la couche d’encapsulation supérieure 190. Ces couches 13 et 190 sont donc sélectionnées pour résister au procédé de gravure mis en œuvre pour obtenir le retrait de la couche sacrificielle 12, par exemple la gravure à base de dioxygène ou à base d’acide fluorhydrique, alors que le matériau thermométrique 18 et l’éventuel matériau absorbeur peuvent être sélectionnés respectivement pour leurs performances de transduction thermique-électrique et de captation des rayonnements infrarouges.
De même, les motifs des bras de soutien 21 de la membrane 20 étant formés avant l’étape de libération, la gravure attaque également les parois latérales des bras de soutien 21, si bien que les électrodes 16 et tous les matériaux éventuellement intégrés dans les bras de soutien 21, entre les couches 13 et 190, doivent également résister à la gravure de la couche sacrificielle 12.
Cette contrainte limite grandement les possibilités de formation des bras de soutien 21 et, dans certains cas, il n’est pas possible d’utiliser les matériaux les plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former lesdits bras de soutien 21 en raison de cette contrainte de résistance à la gravure de la couche sacrificielle 12, notamment lorsque cette dernière est réalisée en oxyde de silicium et que la gravure met en œuvre de l’acide fluorhydrique. Le problème technique que l’invention entend résoudre consiste à obtenir un micro- bolomètre d’imagerie infrarouge dans lequel les matériaux intégrés dans les bras de soutien sont protégés de la gravure de la couche sacrificielle à base d’acide fluorhydrique de sorte à pouvoir utiliser des matériaux plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former les bras de soutien, améliorant ainsi les performances du micro-bolomètre.
EXPOSE DE L’INVENTION
Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose de former les bras de soutien avec une couche d’encapsulation latérale des bras de soutien résistante à la gravure de la couche sacrificielle, c’est-à-dire résistance à la gravure à base d’acide fluorhydrique, de sorte à protéger les matériaux intégrés dans les bras de soutien.
Ainsi, 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, le micro-bolomètre comprenant :
• une couche de support s’étendant au sein de la membrane et des bras de soutien ;
• des électrodes disposées sur la couche de support et au contact avec les clous d’ancrage, chaque électrode s’étendant au sein des bras de soutien ;
• un matériau thermo-résistif disposé au sein la membrane en contact électrique avec les électrodes ; et
• au moins une couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et du matériau thermo-résistif.
L’invention se caractérise en ce que le micro-bolomètre comprend également une couche d’encapsulation latérale des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien, ladite couche d’encapsulation latérale étant résistante à la gravure à base d’acide fluorhydrique, de sorte à former, avec la couche de support et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien, une encapsulation hermétique à la gravure à base d’acide fluorhydrique.
Au sens de l’invention, une « encapsulation hermétique » indique que les bras de soutien sont protégés de la gravure à base d’acide fluorhydrique au moyen de l’association de la couche d’encapsulation latérale, de la couche de support et de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien. En réalisant l’encapsulation des bras de soutien, l’invention permet d’utiliser des matériaux très performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique à l’intérieur des bras de soutien. Par exemple, le matériau constitutif des électrodes peut être sensible au retrait de la couche sacrificielle sans risquer d’être détérioré par l’étape de suppression de ladite couche sacrificielle. Par exemple, il est désormais possible d’utiliser le titane sous sa forme métallique pour former les électrodes bien que ce matériau ne soit pas compatible avec une gravure à base d’acide fluorhydrique.
De même, il est possible d’intégrer dans les bras de soutien, de part et d’autre des électrodes, deux couches de matériaux dont la résistivité électrique est suffisamment élevée pour permettre le rapprochement des électrodes au centre de la membrane en limitant les courants de fuites.
Pour ce faire, ces deux couches résistives sont en continuité l’une avec l’autre entre les extrémités des électrodes présentes au sein de la membrane de sorte à former une barrière isolante entre lesdites extrémités. Ainsi, ce mode de réalisation permet d’obtenir une surface de captation importante sans utiliser un matériau absorbeur déposé sur le matériau thermométrique.
Dans ce mode de réalisation, le micro-bolomètre comprend également :
• une couche résistive inférieure disposée entre la couche de support et les électrodes ; et
• une couche résistive supérieure disposée entre les électrodes et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien ; les couches résistives inférieure et supérieure étant en continuité l’une avec l’autre entre des extrémités des électrodes s’étendant au sein de la membrane, constituant ce faisant une barrière isolante entre les électrodes, permettant ainsi d’augmenter la surface des électrodes s’étendant au sein de la membrane.
Au sens de l’invention, une couche « résistive » correspond à une couche présentant une résistivité électrique au moins 10 000 fois supérieure à celle du matériau thermo-résistif. Par exemple, le matériau thermo-résistif peut être réalisé en un alliage amorphe riche en silicium, en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel. Ainsi, le matériau thermo-résistif peut présenter une résistivité électrique comprise entre 0,1 et 100 Ohm.cm. Au contraire, les couches résistives inférieure et supérieure peuvent présenter une résistivité électrique supérieure à 104 Ohm.cm. La résistivité électrique des couches résistives vise principalement à éviter les courants de fuites susceptibles de se produire entre les extrémités des électrodes s’étendant au sein de la membrane. Ainsi, la résistivité électrique peut être recherchée en fonction de la proximité souhaitée d’implantation des électrodes.
Outre les propriétés de résistivité électrique des couches résistives inférieure et supérieure, ces couches peuvent également être dimensionnées, en termes d’épaisseur ou de matériau constitutif, pour répondre aux besoins de résistance thermique et de résistance mécanique des bras de soutien. Pour répondre à ces différentes contraintes, les couches résistives inférieure et supérieure peuvent être réalisées en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium, ou en oxycarbure de silicium.
Au sens de l’invention, et dans la suite de la description, la « hauteur » du micro- bolomètre correspond à la dimension perpendiculaire au plan du substrat sur lequel est fixé le micro-bolomètre.
Ainsi, la couche de support forme une couche d’encapsulation « inférieure » de la membrane et des bras de soutien ; elle correspond à la couche la plus proche du substrat et elle s’étend dans un plan inférieur de la membrane et des bras de soutien, parallèle au plan du substrat.
La couche d’encapsulation « supérieure » correspond, quant à elle, à la couche d’encapsulation la plus éloignée du substrat, et elle s’étend dans un plan supérieur de la membrane et des bras de soutien, également parallèle au plan du substrat.
L’invention peut utiliser plusieurs couches d’encapsulation supérieures différentes : une couche d’encapsulation supérieure pour la membrane et une couche d’encapsulation supérieure pour les bras de soutien.
En outre, la couche résistive « inférieure » correspond à la couche placée au contact des électrodes la plus proche du substrat, et la couche résistive « supérieure » correspond à la couche placée au contact des électrodes la plus éloignée du substrat. La couche d’encapsulation « latérale » des bras de soutien correspond à l’épaisseur de matière présente sur le pourtour latéral des bras de soutien, entre la couche de support et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien. La couche d’encapsulation latérale s’étend donc dans un plan perpendiculaire aux plans de la couche d’encapsulation inférieure et de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien.
Préférentiellement, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale sont de natures ou d’épaisseurs distinctes. Par exemple, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien peut être réalisée en nitrure de bore, en alumine, en carbure de silicium ou en nitrure d’aluminium. La couche d’encapsulation latérale peut être réalisées en un alliage amorphe riche en silicium ou en bore, en oxyde d’aluminium, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium ou en carbure de bore. Par exemple, le couche d’encapsulation latérale peut comporter au moins 25% de silicium, potentiellement allié avec de l’azote, du bore, du carbone ou de l’hydrogène.
Alternativement, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien sont réalisées en un même matériau, typiquement un alliage amorphe riche en silicium ou en bore, en oxyde d’aluminium, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium ou en carbure de bore.
Le nitrure de bore, l’alumine, le nitrure d’aluminium, le carbure de silicium ainsi qu’un alliage amorphe riche en silicium présentent la propriété de résister à une gravure à base d’acide fluorhydrique (HF) classiquement utilisée pour retirer une couche sacrificielle réalisée en oxyde de silicium (SiOx).
Lorsque les différentes couches d’encapsulation sont réalisées dans le même matériau, il est possible de distinguer ces différentes couches par leur épaisseur respective.
Par épaisseur, on entend :
• s’agissant de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien , la dimension perpendiculaire au plan du substrat dans lequel s’inscrit le micro-bolomètre ; et
• s’agissant de la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien, une dimension parallèle audit plan du substrat ; cette dernière épaisseur est typiquement mesurée à la base de la couche d’encapsulation latérale. Par ailleurs, la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien peut présenter un ergot faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien d’au moins 10 nanomètres. Cette forme caractéristique peut résulter de la réalisation de la couche d’encapsulation latérale indépendamment de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien.
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 ;
■ la figure 2a est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
■ la figure 2b est un agrandissement partiel de la vue schématique en section de la figure 2a ;
■ la figure 3 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un second mode de réalisation de l’invention ; la figure 4 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; la figure 5 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ; la figure 6 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un cinquième mode de réalisation de l’invention ; la figure 7 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un sixième mode de réalisation de l’invention ; et la figure 8 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un septième mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Tel qu'illustré sur la figure 2a, l’invention vise un micro-bolomètre 10a comprenant une membrane 20 montée en suspension sur un substrat 11. Le substrat 11 intègre classiquement un circuit de lecture, c’est-à-dire un ensemble de composants permettant notamment la polarisation, l’adressage et la mesure de la résistance de la membrane 20 du micro-bolomètre 10a. Plus précisément, le circuit de lecture effectue la mesure de la résistance d’un matériau thermo-résistif 18 encapsulé dans la membrane 20.
Pour ce faire, le matériau thermo-résistif 18 est connecté électriquement au circuit de lecture par des électrodes 16 et des clous d’ancrage 14. La membrane 20 a pour fonction de réaliser une transduction thermique/résistive des rayonnements infrarouges.
Pour limiter l’influence de la température du substrat 11, cette membrane 20 est montée en suspension sur les clous d’ancrage 14 par l’intermédiaire de bras de soutien 21. Ainsi, les clous d’ancrage 14 s’étendent perpendiculairement par rapport au substrat 11, et les bras de soutien et la membrane 20 s’étendent dans un plan parallèle au plan du substrat 11. 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.
Quel que soit le micro-bolomètre utilisé, ces clous d’ancrage 14 peuvent être réalisés en un matériau métallique, tel que du nitrure de titane, du cuivre, du tungstène ou de l’aluminium. Ils peuvent être de section transversale cylindrique avec un diamètre voisin de 500 nanomètres.
Pour garantir la structure mécanique de la membrane 20 et des bras de soutien 21, une couche de support 13 forme la couche inférieure de la membrane 20 et des bras de soutien 21. Cette couche de support 13 peut, par exemple, être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium, en carbure de silicium, en alumine ou en nitrure d’aluminium, et présenter une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Selon l’invention, une couche résistive inférieure 34 est disposée entre la couche de support 13 et les électrodes 16. Cette couche résistive inférieure 34 peut être réalisée en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium, ou en oxycarbure de silicium.
La couche de support 13 et la couche résistive inférieure 34 sont traversées par les clous d’ancrage 14. Ainsi, les électrodes 16 sont fixées sur la couche résistive inférieure 34 et sur l’extrémité supérieure des clous d’ancrage 14, de sorte à assurer un contact électrique avec ces clous d’ancrage 14. Ces électrodes 16 peuvent être réalisées en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. En outre, ces électrodes 16 sont structurées dans la partie centrale de la membrane 20 de sorte que la mesure de la résistance électrique entre deux électrodes 16 permette de mesurer la résistance électrique du matériau thermo-résistif 18. Contrairement à l’état de la technique, les extrémités 37 des électrodes 16 peuvent être très proches l’une de l’autre.
Par exemple, lesdites extrémités 37 peuvent être distantes d’une distance d2, inférieure à 500 nanomètres, typiquement entre 200 nanomètres et 1 micromètre. Il est à noter qu’une variation de topologie des couches déposées sur les électrodes 16 peut apparaitre en raison de cette distance d2, de manière analogue à la variation de topologie illustrée sur la figure If. Cependant, compte tenu de la faible distance d2 comparativement à la distance dl de la figure If et de la faible épaisseur des électrodes 16, cette topologie peut être négligeable si bien que cette variation de topologie n’est pas représentée sur les figures 2 à 8.
En outre, le matériau constitutif des électrodes 16 peut être sélectionné uniquement pour répondre aux contraintes de résistivité électrique, de conductivité thermique ou de captation des rayonnements infrarouges, indépendant des contraintes de résistance au retrait de la couche sacrificielle. Par exemple, il est désormais possible de former les électrodes 16 en titane sous forme métallique, voire en cuivre, chrome, cobalt ou aluminium.
Pour augmenter la surface des électrodes 16, une couche résistive supérieure 35 est disposée entre les électrodes 16 et une couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien. Cette couche résistive supérieure 35 est préférentiellement réalisée avec le même matériau que la couche résistive inférieure 34, et elle s’étend entre les extrémités 37 des électrodes 16 de sorte à former une barrière isolante 36 entre les électrodes 16.
Tel qu’illustré sur la figure 2b, la couche résistive supérieure 35 présente préférentiellement une épaisseur e2 équivalente à l’épaisseur e2 de la couche résistive inférieure 34.
La couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien peut être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium, potentiellement allié avec de l’azote, du bore, du carbone ou de l’hydrogène, avec une épaisseur ei égale à l’épaisseur de la couche de support 13, ces deux couches formant les couches d’encapsulation des bras de soutien 21. Pour un exemple chiffré, avec des couches d’encapsulation 13, 15 des bras de soutien 21 réalisées en un alliage amorphe riche en silicium ou en bore, en oxyde d’aluminium, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium ou en carbure de bore, des couches résistives 34-35 réalisées en dioxyde d'hafnium peuvent être utilisées car ce matériau présente une conductivité thermique faible, de l’ordre de 0.35 W/(m.K) et une résistance mécanique importante, c’est-à-dire un module d’Young proche de 150 GPa.
Par exemple, en considérant des bras de soutien 21 d’une épaisseur fixe de 108 nanomètres, avec des électrodes 16 présentant une épaisseur de 8 nanomètres et des couches d’encapsulation 13, 15 présentant une épaisseur totale de 100 nanomètres, il est possible d’estimer l’apport de l’intégration des couches résistives 34-35 à la place d’une partie du volume des couches d’encapsulation 13, 15.
Typiquement, avec la même épaisseur totale de 100 nanomètres des couches d’encapsulation 13, 15, la conductivité thermique effective des bras de soutien 21 peut être typiquement de l’ordre de trois fois inférieure pour une épaisseur e2 de 20 nanomètres de chaque couche résistive 34-35, comparativement à une épaisseur e2 nulle. L’intégration des couches résistives 34-35 permet donc de diminuer sensiblement la conductivité thermique des bras de soutien 21.
Outre la couche de support 13, les couches résistives 34-35, les électrodes 16 et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien 15, et les bras de soutien 21 peuvent également comprendre une couche d’arrêt 30 déposée sur la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien. Cette couche d’arrêt 30 peut, par exemple, être réalisée en nitrure de bore ou en nitrure d’aluminium, et présenter une épaisseur comprise entre 5 et 100 nanomètres. En outre, cette couche d’arrêt 30 peut être complétée ou remplacée par une couche d’alumine et/ou une couche de carbure de silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Dans l’exemple de la figure 2a, cette couche d’arrêt 30 est présente sur la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, limitativement au niveau de la membrane 20. Dans ce mode de réalisation, le matériau thermo-résistif 18 est déposé sur la couche d’arrêt 30 et sur les électrodes 16 en passant par des ouvertures 17 ménagées à travers la couche résistive supérieure 35, la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien et la couche d’arrêt 30. Préférentiellement, le matériau thermo-résistif 18 est réalisé en oxyde de vanadium déposé avec une épaisseur comprise entre 10 et 200 nanomètres. Le mode de réalisation de la figure 5 illustre un micro-bolomètre lOd réalisé de manière analogue à celui de la figure 2a mais sans les couches résistives 34 et 35.
L’exemple du mode de réalisation de la figure 8 est plus simple. En effet, le micro- bolomètre 10g présente un matériau thermo-résistif 18 déposé sur les électrodes 16 de manière analogue à l’état de la technique. De plus, les électrodes 16 de la figure 8 sont également encapsulées entre une couche de support 13 et une couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien et du matériau thermo-résistif 18. Outre ces éléments visibles sur la figure If de l’état de la technique, le micro-bolomètre 10g présente également une couche d’encapsulation latérale 33 des bras de soutien 21 disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien 21.
Ce mode de réalisation permet d'utiliser n'importe quel matériau pour l'électrode 16, en particulier des matériaux de très faible conductivité thermique mais non compatibles avec la libération à base d’acide fluoridrique. Suivant le gain sur ce paramètre, ainsi que les volumes respectifs des matériaux, le gain peut être sensible malgré le rajout de l'encapsulation latérale 33.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le micro-bolomètre 10b comporte un matériau thermo-résistif 18 déposé sur la couche d’arrêt 30 et sur des vias conducteurs 40 formés dans les ouvertures 17. De préférence, les vias conducteurs 40 sont constitués de tungstène ou de siliciure de tungstène. L’épaisseur des vias conducteurs 40 est comprise entre 100 et 300 nanomètres. Pour garantir le remplissage des ouvertures 17, l’épaisseur de dépôt des vias conducteurs 40 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 dépôt chimique en phase vapeur, suivi par le dépôt CVD ou PVD du tungstène ou du siliciure de tungstène. Ainsi, une couche de nitrure de titane d’épaisseur comprise entre 10 et 50 nanomètres peut être utilisée pour former les parois externes des vias conducteurs 40.
Le mode de réalisation de la figure 6 illustre un micro-bolomètre 10e réalisé de manière analogue à celui de la figure 3 mais sans les couches résistives 34 et 35.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, le micro-bolomètre 10c comporte un matériau thermo-résistif 18 déposé sur une couche d’arrêt 30 gravée au centre de la membrane 20 et limitée uniquement au niveau des bords latéraux de cette dernière. Au centre de la membrane, le matériau thermo-résistif 18 est déposé sur la couche de support 13 et sur des zones de siliciuration 41 formées dans la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, lorsque cette dernière intègre du silicium. Pour réaliser le contact électrique entre les électrodes 16 et les zones de siliciuration 41, un matériau métallique 42 peut être implanté localement dans la couche résistive supérieure 35.
Ces zones de siliciuration 41 peuvent être obtenues par incorporation d’un matériau métallique de siliciuration dans une couche diélectrique ou par implantation localisée. Par exemple, la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien peut être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium ou en bore, en oxyde d’aluminium, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium ou en carbure de bore. Le matériau métallique de siliciuration peut être réalisé en nickel ou en 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, une couche sacrificielle peut être déposée sur la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, et des ouvertures peuvent être structurées dans cette couche sacrificielle jusqu’à atteindre ladite couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien. Le matériau métallique de siliciuration peut ensuite être déposé sur la couche sacrificielle et dans les ouvertures.
Par exemple, le matériau métallique de siliciuration peut être déposé avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres.
L’incorporation du matériau métallique de siliciuration dans la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien et dans la couche résistive supérieure 35 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. Ce recuit thermique permet d’obtenir des zones de siliciuration 41 dans lesquelles au moins une partie des atomes du matériau métallique de siliciuration sont présents.
Le mode de réalisation de la figure 7 illustre un micro-bolomètre lOf réalisé de manière analogue à celui de la figure 4 mais sans les couches résistives 34 et 35.
Quel que soit le mode de réalisation, le matériau thermo-résistif 18 est déposé en contact électrique avec les électrodes 16. La face supérieure du matériau thermo-résistif 18 est protégée par une couche d’encapsulation supérieure 19 de la membrane, qui peut être différente de la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien. Cette couche d’encapsulation supérieure 19 de la membrane peut être constituée d’une couche d’arrêt, par exemple réalisée en nitrure de bore ou en nitrure d’aluminium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres. En variante, tel qu’illustré sur les figures 3 à 5, cette couche d’encapsulation supérieure 19 de la membrane peut être constituée d’une couche d’alliage amorphe riche en silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Le matériau thermo-résistif 18 et les bras de soutien 21 sont également protégés latéralement par une couche d’encapsulation latérale 33.
Cette couche d’encapsulation latérale 33 peut être constituée d’une couche d’alliage amorphe riche en silicium avec une épaisseur es comprise entre 5 et 50 nanomètres. La couche d’encapsulation latérale 33 peut être très fine de sorte à assurer une très bonne herméticité à la gravure à base d’acide fluorhydrique tout en garantissant l’ajout d’un minimum de matière pour ne pas dégrader l’isolation thermique du matériau thermorésistif 18.
De préférence, la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, la couche d’encapsulation latérale 33 et la couche d’encapsulation supérieure 19 de la membrane sont réalisées par au moins deux dépôts distincts, de sorte que l’épaisseur et/ou la nature de ces couches diffèrent entre ces couches.
Plus particulièrement, tel qu’illustré sur la figure 2b, l’épaisseur ei de la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien est différente de l’épaisseur es de la couche d’encapsulation latérale 33.
Tel qu’illustré sur la figure 2b, la couche d’encapsulation latérale 33 s’étendant dans un plan perpendiculaire aux plans de la couche de support 13 et de la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, l’épaisseur es de ladite couche d’encapsulation latérale 33 correspond à l’épaisseur de matière présente autour des bras de soutien 21. Le procédé de réalisation de cette couche d’encapsulation latérale 33 peut induire la formation d’un ergot 50 faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien d’une hauteur h d’au moins 10 nanomètres. Ces micro-bolomètres 10a- 10g peuvent être réalisés par les méthodes utilisant des couches sacrificielles, notamment les méthodes divulguées dans les documents FR 3 098 904 et WO 2018/122382. De manière générale, l’invention propose de réaliser des bras de soutien 21 présentant une couche d’encapsulation latérale 33 permettant de limiter les contraintes de sélection des matériaux intégrés dans les bras de soutien 21. Il est désormais possible d’utiliser des matériaux plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former les bras de soutien.
L’invention permet ainsi d’obtenir un micro-bolomètre 10a-10g présentant des performances améliorées.

Claims

REVENDICATIONS Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10g) intégrant une membrane (20) montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien (21) fixés sur des clous d’ancrage (14), le micro-bolomètre (10a- 10g) comprenant :
• une couche de support (13) s’étendant au sein de la membrane (20) et des bras de soutien (21) ;
• des électrodes (16) disposées sur la couche de support (13) et au contact avec les clous d’ancrage (14), chaque électrode (16) s’étendant au sein d’un bras de soutien (21) ;
• un matériau thermo-résistif (18) disposé au sein la membrane (20) en contact électrique avec les électrodes (16) ; et
• au moins une couche d’encapsulation supérieure (15, 19) des bras de soutien (21) et du matériau thermo-résistif (18) ; caractérisé en ce que le micro-bolomètre (10a- 10g) comprend également une couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien (21), ladite couche d’encapsulation latérale (33) étant résistante à la gravure à base d’acide fluorhydrique de sorte à former, avec la couche de support (13) et la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien (21), une encapsulation hermétique à la gravure à base d’acide fluorhydrique. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien sont de natures distinctes. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien sont d’épaisseurs distinctes. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien présente un ergot (50) faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien d’au moins 10 nanomètres. 5. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien et la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien sont réalisées en un alliage amorphe riche en silicium ou en bore, en oxyde d’aluminium, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium ou en carbure de bore.
6. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le micro-bolomètre (10a- 10g) comprend également :
• une couche résistive inférieure (34) disposée entre la couche de support (13) et les électrodes (16) ; et
• une couche résistive supérieure (35) disposée entre les électrodes (16) et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien (15) ; les couches résistives inférieure et supérieure étant en continuité l’une avec l’autre entre des extrémités (37) des électrodes (16) s’étendant au sein de la membrane (20), constituant ce faisant une barrière isolante (36) entre les électrodes, permettant ainsi d’augmenter la surface des électrodes (16) s’étendant au sein de la membrane (20).
7. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 6, dans lequel les couches résistives inférieure et supérieure présentent une résistivité électrique supérieure à 104 Ohm.cm.
8. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 6 et 7, dans lequel les couches résistives inférieure et supérieure sont réalisées en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium ou en oxycarbure de silicium.
9. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau thermo-résistif (18) est réalisé en un alliage amorphe riche en silicium, en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel.
10. Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les électrodes (16) sont réalisées en métal, choisi dans le groupe comprenant le titane, le cuivre, le chrome, le cobalt et l’aluminium.
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