Brevet FR2666690A1 — publié le 19920313

DETECTEUR INFRAROUGE A SUBSTRAT AMINCI ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne les détecteurs infrarouge, notamment les détecteurs matriciels permettant de fournir une image d'un objet émettant un rayonnement thermique dans l'infrarouge. Pour réaliser de tels détecteurs infrarouge, on utilise notamment des matrices de diodes schottky au siliciure de platine déposé sur silicium. Ces diodes peuvent absorber les rayons infrarouge de longueur d'onde située dans la bande de 3 à 5 micromètres et fournir un signal électrique fonction de l'intensité du rayonnement reçu. Ces matrices ont l'intérêt de pouvoir être réalisées par des technologies similaires à celles des circuits intégrés silicium et par conséquent elles permettent une très haute résolution d'image avec une grande densité d'intégration. Mais le faible rendement quantique (nombre d'électrons engendrés par photon traversant la diode) de ces diodes est faible et nécessite des précautions de réalisation si on veut obtenir une sensibilité de détection suffisante. Les détecteurs matriciels peuvent être réalisés soit en technologie purement monolithique, dans laquelle on intègre sur un même substrat de silicium à la fois une matrice de diodes de détection et un multiplexeur permettant de transmettre les charges engendrées par l'illumination de chaque diode; la fabrication est alors particulièrement avantageuse pour des matrices à grand nombre de points d'image, mais la sensibilité est plus faible puisque la surface des pixels est limitée par la nécessité de réserver une place pour un élément du multiplexeur à chaque point d'image; soit en technologie hybride dans laquelle un premier substrat, portant une matrice de diodes, est collé sur un deuxième substrat portant un multiplexeur, chaque diode étant connectée directement à un élément de multiplexeur placé exactement en regard de la diode; le collage est difficile pour des matrices à grand nombre de points mais la sensibilité est meilleure puisque la surface utile de chaque diode de détection peut être plus grande. En principe le détecteur est illuminé par la face arrière du substrat, c'est-à-dire celle qui ne porte pas les diodes de détection. Dans le cas de la technologie hybride, la raison en est évidente :la face avant est masquée par le substrat portant le multiplexeur. Dans le cas de la technologie monolithique c'est parce que 11 indice de réfraction élevé du siliciure de platine (indice n voisin de 5 autour d'une longueur d'onde de 4 micromètres) rend peu souhaitable un éclairage direct sans adaptation d'indice; on perdrait 50% du rayonnement incident, par simple réflexion sur le siliciure de platine; en éclairant par la face arrière, on peut plus facilement introduire le rayonnement infrarouge sans pertes : d'une part le substrat de silicium a un indice d'environ 3, et d'autre part on peut recouvrir la face arrière d'une couche d'oxyde de silicium (indice 1, 5) pour faciliter encore l'introduction du rayonnement. Dans les matrices réalisées jusqu'à présent, on a remarqué que des images parasites se formaient parfois sur la matrice. Cela a été constaté en particulier lorsque l'image observée comporte des points fortement éclairés : Il apparaît alors des taches claires parasites autour de l'image du point fortement éclairé et à une certaine distance de celui-ci, à des endroits où l'image devrait normalement être sombre. Ces taches sont gênantes puisqu'elles font croire à la présence d'objets émettant fortement un rayonnement infrarouge à des endroits où il n'y a en fait pas de tels objets. On a pensé d'abord que ce phénomène était dû à des diffractions de rayonnement il ne faut pas oublier qu'on travaille à des longueurs d'onde qui sont de l'ordre de grandeur des dimensions des motifs intégrés dans la surface du substrat portant les diodes de détection. L'invention part de la remarque que ces images parasites seraient plutôt dues en fait à des réflexions parasites des rayonnements infrarouge. Selon l'invention, on propose un détecteur infrarouge dont les éléments photosensibles de détection sont intégrés dans un substrat semiconducteur dont la face arrière est très fortement amincie, jusqu a une épaisseur qui est au maximum de quelques dizaines de micromètres. On pense en effet que le relief accidenté de la surface avant du substrat provoque des réflexions de rayonnement dans des directions non normales au plan du substrat, et que le rayonnement réfléchi plusieurs fois peut venir frapper des diodes éloignées de celles sur laquelle le rayonnement devrait produire une image. Et on pense selon l'invention que cet amincissement permet au moins de rapprocher les images parasites de l'image principale, de sorte qu'un point fortement lumineux produira peut être une tache lumineuse sur l'écran autour du point d'éclairement principal mais pas plusieurs tâches éloignées les unes des autres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un détecteur infrarouge matriciel éclairé par sa face arrière; - la figure 2 représente le détecteur modifié selon l'invention; - les figures 3 à 5 représentent différentes étapes de réalisation de l'invention pour un détecteur monolithique monté sur céramique. Sur la figure l, qui représente très schématiquement un détecteur infrarouge (soit monolithique soit hybride) classique, on a désigné par 10 un substrat de silicium, sur la face avant duquel sont intégrées des diodes de détection 12 en siliciure de platine. Le plus souvent une couche d'oxyde de silicium 14 recouvre la face arrière du substrat pour faciliter l'introduction sans réflexion du rayonnement infrarouge arrivant par la face arrière. Le plus souvent aussi, les diodes de siliciure de platine 12 sont elles-mêmes recouvertes par une sorte de cavité optique constituée par une couche d'oxyde de silicium 16 puis une couche d'aluminium 18 formant miroir pour renvoyer vers l'arrière le rayonnement lumineux après qu'il a traversé la diode; étant donné que l'absorption dans la diode n'est guère que de 0,5%, on a en effet intérêt à faire passer le rayonnement deux fois à travers la diode grâce à ce miroir. L'épaisseur de la couche 14 est de préférence choisie pour que le rayonnement lumineux réfléchi par le miroir soit approximativement en phase avec le rayonnement incident, aux environs du centre de la bande de longueurs d'onde à détecter. Là où le miroir est bien perpendiculaire au plan du substrat, le rayonnement est réfléchi perpendiculairement vers l'arrière et ressort du substrat. Mais là où des surfaces réfléchissantes obliques sont présentes, que ce soit des portions obliques du miroir ou d'autres surfaces inclinées ou toute autre cause de réflexion oblique, une fraction importante de rayonnement peut être réémise vers l'arrière avec une incidence telle qu'elle ne puisse pas ressortir du substrat; cette fraction est renvoyée à nouveau vers les diodes de siliciure de platine, mais loin de l'endroit d'incidence initiale. Il faut comprendre que ce phénomène est d'autant plus important que le rayonnement réfléchi est peu atténué puisque ltatténuation dans les diodes de siliciure de platine n'est guère que de 1% après passage dans les deux sens. Si le substrat a par exemple une épaisseur de 500 micromètres et si une fraction importante de rayonnement est réfléchie par exemple avec une incidence d'environ 300 par rapport à la normale, il se produira une image parasite à environ 500 micromètres de distance de l'image principale, c'est-à-dire à une vingtaine de pixels de distance pour des dimensions de pixels de l'ordre de 25 micromètres. Selon l'invention, on propose de réduire l'épaisseur du substrat jusqu a des dimensions de quelques dizaines de micromètres, et de préférence même jusqu a une dizaine de micromètres seulement, de sorte que les mêmes faisceaux réfléchis obliquement créeront une image parasite très près de l'image principale (c'est-à-dire qu'en fait elles atténueront légèrement le contraste sans créer vraiment d'image parasite). La figure 2 représente schématiquement l'invention. De même qu a la figure 1, les échelles de dimensions ne sont pas respectées pour que la structure générale reste intelligible. Le substrat de silicium 10 est très fortement aminci par l'arrière, au moins en regard des diodes de détection (c'est-à-dire pas forcément à la périphérie du substrat). L'épaisseur finale est inférieure à environ 50 micromètres; elle est en principe comprise entre environ 50 micromètres et environ 10 micromètres. L'amincissement est effectué après intégration des éléments photosensibles (diodes au siliciure de platine notamment) dans un substrat semiconducteurs dont ltépaisseur est au départ par exemple de 250 à 500 micromètres. L'intégration des éléments photosensibles peut être effectuée comme dans la technique antérieure (techniques d'intégration monolithique sur silicium). L'amincissement peut être uniquement mécanique, par rodage. Dans ce cas, la totalité de la face arrière est évidemment amincie. On peut atteindre ainsi une épaisseur qui est par exemple d'environ 50 micromètres. Cet amincissement mécanique peut être complété par une attaque chimique dans un bain de gravure attaquant le silicium, à condition bien entendu de protéger la face avant du substrat. On peut alors amincir le substrat jusqu a atteindre une épaisseur d'une dizaine de micromètres. L'amélioration de la résolution est alors encore meilleure mais bien sûr la fabrication implique une étape de plus, cette étape étant assez délicate. L'amincissement chimique est fait principalement en regard des diodes et de préférence pas à la périphérie du substrat. Etant donné que le substrat portant les diodes est en général destiné à être monté sur un autre substrat, on fera le montage sur l'autre substrat avant de procéder à l'amincissement, afin qu'il n'y ait pas de problème de tenue mécanique du substrat aminci. Dans le cas d'un détecteur infrarouge hybride, la technologie est en général la suivante : le substrat portant les diodes de détection est soudé sur un substrat portant le multiplexeur, par l'intermédiaire de billes d'indium qui font correspondre à chaque diode un élément du multiplexeur placé en vis-à-vis de cette diode. On procède donc à l'amincissement du substrat après assemblage des deux substrats; s'il y a attaque chimique, il faut protéger notamment les connexions par billes d'indium et le deuxième substrat. Dans le cas d'un détecteur infrarouge monolithique, on prévoit en général (pour des raisons de refroidissement et de tenue à l'environnement) que les détecteurs sont montés sur un substrat de céramique et connectés électriquement à des plages conductrices de ce substrat. Le substrat est alors collé par sa face avant (portant les diodes de détection) sur la céramique puisque la face arrière doit rester libre pour une illumination par l'arrière. Dans ce cas encore, on procède à l'amincissement, aussi bien mécanique que chimique, après le montage du détecteur sur cette céramique. Dans les deux cas, il est souhaitable de déposer une couche d'adaptation antireflet 14 sur la face arrière amincie, pour faciliter la pénétration du rayonnement infrarouge sous incidence normale. Pour une longueur d'onde d'environ 4 micromètres, on prendra de préférence une couche d'oxyde de silicium d'épaisseur 700 nanomètres environ; l'oxyde de silicium est choisi pour la raison qu'il a un indice intermédiaire entre celui de l'air et celui du silicium. Les figures 3 à 5 représentent à titre d'exemple les étapes de réalisation dans le cas d'un détecteur matriciel monolithique (ctest-à-dire portant non seulement les éléments photosensibles mais aussi une circuiterie de multiplexage pour recueillir et traiter les charges électriques engendrées dans chaque élément photosensible). Le substrat de silicium 10 portant les diodes et le reste de la circuiterie est soudé face contre face contre un substrat céramique (montage "flip chip"), des plots de connexion 20 sur la face avant du substrat 10 étant collés par une colle conductrice sur des plages conductrices 22 (sérigraphiées ou photogravées) d'un substrat de céramique 30. Ce substrat est destiné principalement au refroidissement du détecteur mais il servira aussi à assurer la rigidité du détecteur après amincissement. Figure 3. Le collage de la puce avec retournement peut aussi être effectué par une technique d'hybridation dans laquelle des microbilles (d'indium) formées sur le substrat de silicium sont soudées sur des plages métalliques formées sur le substrat de céramique. C'est d'aiReurs cette dernière technique que l'on utilisera si le deuxième substrat n'est pas un substrat de céramique et est plutôt un substrat de silicium portant la circuiterie de multiplexage associée au détecteur. Un rodage mécanique de la face arrière du substrat de siliicum 10 est alors effectué (figure 4); l'épaisseur initiale el est par exemple de 250 ou 500 micromètres; l'épaisseur finale e2 est de quelques dizaines de micromètres, de préférence environ 50 micromètres. Un amincissement chimique peut alors complèter le rodage pour descendre à une épaisseur e3 de l'ordre de la dizaine de micromètres (figure 5). Pour cela on commence par protéger les bords du substrat par une couche de résine 26 résistant aux agents d'attaque chimique du silicium, de manière que les connexions entre la puce 10 et le substrat de céramique ne soient pas endommagées. La solution d'attaque est composée d'acide acétique, acide fluorhydrique et acide nitrique. L'acide nitrique oxyde le silicium, l'acide flourhydrique dissous l'oxyde, et la concentration en acide acétique permet de choisir la vitesse d'attaque. Si la solution est plus riche en acide fluorhydrique, l'attaque sera d'autant plus rapide que le dopage du substrat sera plus élevé. Si la solution est plus riche en acide nitrique ltétat de surface après attaque est plus homogène. On a donc avantage à procéder en plusieurs étapes, avec d'abord une solution riche en acide fluorydrique puis une solution riche en acide nitrique. Si le détecteur est réalisé sur un substrat épitaxié P/P+, c' est-à-dire un substrat principalement de type P+ portant une couche épitaxiée peu dopée de type P d'une dizaine de micromètres d'épaisseur par exemple, il sera facile d'éliminer toute la région P+ et de ne garder que la partie épitaxiée, en profitant de la sélectivité de gravure de l'acide fluorhydrique en fonction du dopage. La couche antireflet 14 peut être déposée ensuite. L'invention a été décrite en détail à propos de détecteurs infrarouges dont les éléments photosensibles sont des diodes schottky au siliciure de platine sur silicium. On comprendra cependant qu'elle serait transposable à des détecteurs infrarouges dont les éléments photosensibles sont différents, étant donné que le problème ne vient pas spécialement du fait de ces diodes mais bien plutôt de réflexions parasites sous incidence non normale. REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge comportant un ensemble d'éléments photosensibles en infrarouge (12) intégrés sur la face avant d'un substrat semiconducteur (10), caractérisé en ce que le substrat semiconducteur a une épaisseur inférieure à environ 50 micromètres, au moins en regard d'une région comprenant les éléments photosensibles. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est aminci sur toute sa face arrière. 3. Détecteur selon la revendication l, caractérisé en ce que le substrat est plus mince au centre qu a sa périphérie. 4. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments photosensibles sont des diodes schottky au siliciure de platine sur silicium. 5. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que substrat semiconducteur est recouvert sur sa face arrière d'une couche d'adaptation antireflet (14). 6. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments photosensibles (12) sont recouverts d'une couche formant miroir (18) permettant à un rayonnement issu de la face arrière de passer deux fois dans les éléments photosensibles. 7. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat (10) est fixé par sa face avant sur un autre substrat (30). 8. Procédé de réalisation d'un détecteur infrarouge, caractérisé en ce qu'on réalise selon une technique d'intégration monolithique un ensemble d'éléments photosensibles (12) sur la face avant d'un substrat semiconducteur (l0) et en ce qu'on amincit ensuite le substrat par sa face arrière jusqu a une épaisseur inférieure à environ 50 micromètres. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'amincissement est effectué par rodage mécanique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'amincissement est complété, après rodage mécanique, par une attaque chimique, jusqu a une épaisseur de substrat comprise entre 50 et 10 micromètres environ. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'attaque chimique est effectuée au centre mais pas à la périphérie du substrat. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à ll, caractérisé en ce que l'amincissement du substrat est effectué après montage du substrat par sa face avant sur un autre substrat (30).