Brevet FR2765730A1 — publié le 19990108

COMPOSANT HYBRIDE SEMICONDUCTEUR Le domaine de l'invention est celui des composants semiconducteurs et notamment celui des détecteurs infrarouge. Actuellement, il existe des détecteurs infrarouge réalisés à partir de matériaux semiconducteurs optimisés pour la détection d'ondes électromagnétiques à une longueur d'onde donnée. Ainsi pour la gamme 3-5 um, le détecteur pourra être une jonction p/n InSb ou HgCdTe, des jonctions Schottky Si/PtSi Pour la gamme 8-12 pm, les détecteurs pourront être des jonctions p/n HgCdTe, des puits quantiques GaAs/AIGaAs. Néanmoins, ces matériaux ne conviennent pas pour réaliser aisément des circuits de lecture des charges photoélectriques détectées ou des circuits de traitement des signaux issus de cette lecture. Ces circuits doivent plutôt être réalisés à partir de silicium, dont la technologie est maintenant bien maitrisée et donc peu coûteuse. C'est pourquoi, on a essayé de développer des dispositifs mixtes siliciumlautre matériau semiconducteur. Une solution actuellement largement utilisée industriellement consiste à faire un montage hybride regroupant un composant intégré sur un substrat de silicium et un composant intégré sur un substrat en matériau différent (AsGa, InP, HgCdTe, PbTe). Dans le cas de détecteurs infrarouge, la technologie d'hybridation la plus utilisée consiste à prendre, comme substrat principal d'hybridation, un substrat silicium sur lequel sont intégrés des circuits de lecture et de traitement électronique, et à souder sur ce circuit intégré, face contre face, un circuit de détection, formé sur un substrat autre que du silicium et comportant les éléments photosensibles. La figure 1 représente un tel montage dans le cas classique d'une hybridation par billes d'indium. Un circuit de détection (substrat 10) comporte des plots de contact 12, reliés à des éléments photosensibles 14 ; le substrat de silicium 15 comporte des plots de contact 16 reliés à des entrées correspondantes des circuits de lecture formés sur ce substrat, les plots des deux composants intégrés sont disposés exactement en regard les uns des autres et sont soudés ensembles par l'intermédiaire de microbilles 18. L'hybridation des deux substrats se fait donc par une soudure de l'ensemble des plots de contact en vis-à-vis, cette soudure établissant à la fois la liaison mécanique des deux substrats et la liaison électrique point par point entre chacun des éléments photosensibles et leurs circuits de lecture respectifs. De manière générale, dans ce type de composant hybride, I'impédance de chaque élément actif doit être suffisamment grande pour que le courant photocréé puisse être détectable sur un circuit d'impédance compatible avec les technologies actuelles à base de silicium. Typiquement, I'impédance minimale par élément actif est de l'ordre de 10 k ohms. Audessous de cette valeur, les difficultés de mesure sont extrêmes. Si la surface d'un élément photodétecteur est S, la résistance dudit élément est pd1S avec p la résistivité du matériau, d l'épaisseur de la couche détectrice. Or, dans le cadre de l'imagerie infrarouge, si l'on envisage des matrices avec beaucoup d'éléments de petite taille, typiquement de surface S = 50 x 50 cime et en utilisant un matériau typique par exemple InSb dopé à 10 cm , de résistivité p égale à 7,810 3 Qcm, on obtient une résistance par élément actif de 0,03 Q, qui ne peut être lue par un circuit de lecture intégrable en micro-électronique silicium. Pour augmenter la résistance par élément photoconducteur, on peut utiliser une géométrie de type serpentin permettant d'augmenter la surface dudit élément photoconducteur. A titre indicatif, un serpentin de largeur W = 4 um composé de branches espacées de 1 um, avec 10 branches de serpentin, localisées sur un pixel de 50 x 50 pm2 conduit à une résistance de 10 n, ce qui devient compatible avec les circuits de lecture actuels, en silicium. Dans ce cas, les prises de contact d'un élément actif, se font toutes en face avant et le courant photocréé est parallèle à la surface et non plus perpendiculaire à la surface comme dans les composants semiconducteurs hybrides selon l'art connu. Pour rendre compatible la technologie d'hybridation avec une configuration d'élément actif de type serpentin , I'invention a pour objet un composant semiconducteur hybride, comportant une matrice de pixels photoconducteurs sur un substrat, hybridés à un circuit de lecture par l'intermédiaire de microbilles, caractérisé en ce que: - chaque pixel comporte une zone photoconductrice en forme de serpentin et deux contacts ohmiques, à chaque extrémité d'un même serpentin; - L'ensemble des pixels est recouvert d'une première couche diélectrique comportant: * des via-trous métallisés, centrés sur les contacts ohmiques, * un réseau d'interconnexion pour connecter les contacts entre eux, * des électrodes reliées aux contacts, lesdites électrodes ayant des dimensions de l'ordre de grandeur des microbilles et étant connectées auxdites microbilles. Avantageusement, le composant semiconducteur selon l'invention peut comprendre une seconde couche diélectrique recouvrant les via-trous métallisés et ouverte au niveau des électrodes, de manière à augmenter la stabilité dudit composant. Dans le composant semiconducteur selon l'invention, le circuit de lecture peut avantageusement être en silicium, et les zones photoconductrices en forme de serpentin, réalisées à partir de matériaux III V, tels que GaAs, InP ou de matériaux Il-IV tels que PbTe ou bien encore de matériaux Il-VI tels que HgCdTe. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un composant semiconducteur hybride comportant une matrice de pixels photoconducteurs sur un substrat, hybridés à un circuit de lecture par l'intermédiaire de microbilles caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - la réalisation d'une couche de matériau photoconducteur sur un substrat; - la réalisation d'éléments en forme de serpentin dans la couche de matériau photoconducteur; - la réalisation de contacts ohmiques aux extrémités de chaque serpentin; - le dépôt d'une première couche diélectrique sur l'ensemble des éléments; - la réalisation de via-trous dans la première couche diélectrique, au niveau des contacts ohmiques; - la métallisation desdits via-trous - la réalisation d'électrodes de dimensions voisines de celles des microbilles sur la première couche de diélectrique centrée sur chaque pixel et connectées aux contacts par l'intermédiaire de via-trous métallisés. La réalisation d'éléments photoconducteurs en forme de serpentin peut être obtenue par gravure de la couche semiconductrice ou bien encore par une étape d'implantation ionique de ladite couche. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, données à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un composant semiconducteur hybridé, selon l'art connu; - la figure 2 illustre une vue de dessus d'un composant semiconducteur selon l'invention; - la figure 3 illustre une vue en coupe d'un composant semiconducteur selon l'invention; - les figures 4a à 4c illustrent les différentes étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'invention, - les figures Sa et 5b illustrent les différentes étapes d'un second exemple de procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'invention. Le composant semiconducteur selon l'invention comprend comme illustré en figure 2, un ensemble de pixels Pij sur un substrat S. Chaque pixel Pij comprend un élément photoconducteur Dij en forme de serpentin, dont les extrémités sont des contacts ohmiques C1 jj et C2ij. Une couche de diélectrique non représentée pour la compréhension du composant, recouvre l'ensemble des pixels, et est dégagée au niveau des contacts C1 jj et C2ij pour réaliser un niveau d'interface avec le circuit de lecture par l'intermédiaire de microbilles. A ce titre, la figure 3 met en évidence cette première couche de diélectrique Il déposée à la surface des pixels. La figure 3 illustre la vue en coupe selon l'axe AA', d'un unique pixel. Des viatrous sont réalisés au niveau des contacts Clii et C2ij, puis métallisés. II devient possible de connecter les contacts Cîij par un réseau d'interconnexion RI, de manière à pouvoir polariser l'ensemble des éléments photoconducteurs. Par ailleurs, des électrodes Eij centrées sur les pixels sont établies à la surface de la couche i et connectées aux contacts C2ij. Typiquement ces électrodes peuvent avoir un diamètre de l'ordre de 20 pm, adapté à celui des microbilles (In ou PbSn ou autre) qui assurent les liaisons électriques entre les pixels de détecteurs et le circuit de lecture en silicium. Une seconde couche diélectrique isolante 12 peut être déposée à la surface de l'ensemble puis ouverte pour dégager les électrodes Eij. Une telle couche permet d'assurer une meilleure stabilité et permet d'éviter tout contact électrique entre les contacts Clii et les contacts C2ij par l'intermédiaire des microbilles. Nous allons décrire, plus en détails, un premier exemple de procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'invention. L'ensemble des pixels est obtenu de manière collective. Les différentes étapes de réalisation d'un pixel sont illustrées en figure 4. A partir d'un substrat semiconducteur de type matériau Ill-V, Il-IV ou Il-VI, on réalise par épitaxie la croissance d'une couche active de matériau photoconducteur. Puis localement on procède au dépôt de métal, qui par recuit diffuse dans la couche de matériau photoconducteur, de manière à constituer les éléments métalliques Mlij et M2ij comme illustrées en figure 4a. Dans un second temps, on procède à la réalisation des serpentins. Cette réalisation peut être obtenue par gravure sèche ou humide de manière à définir les éléments Dij et les contacts ohmiques Clij et C2ij comme illustrés en figure 4b. On procède alors à la réalisation du niveau d'interface souhaité en: - déposant un isolant par exemple de polyimide sur l'ensemble de la matrice de serpentins; - ouvrant cet isolant localement au niveau des contacts ohmiques Clii et C2ij ; - réalisant des pistes électriques reliant les contacts de polarisation Clin; - réalisant les électrodes Eij par dépôt puis gravure de la couche métallique par un procédé lift-off classique de l'art connu pour obtenir le pixel illustré en figure 4c. Selon un second exemple de procédé de fabrication, le serpentin de matériau semiconducteur Dij peut être obtenu par implantation ionique comme illustré en figure 5a, L'étape de réalisation des contacts ohmiques Clij et C2ij étant obtenues à partir des métallisations diffusées Mlj et M2 (comme illustré en figure 4a). La réalisation du niveau d'interface recherché est analogue à celui évoqué ci-dessus et est illustré en figure 5b. II est à noter que les procédés de gravure, ou d'implantation ionique, permettent typiquement d'obtenir des branches de serpentins de quelques microns séparés également de quelques microns. REVENDICATIONS 1. Composant semiconducteur hybride, comportant une matrice de pixels photoconducteurs (Pij) sur un substrat, hybridés à un circuit de lecture par l'intermédiaire de microbilles, caractérisé en ce que: - chaque pixel comporte une zone photoconductrice (Dij) en forme de serpentin et deux contacts ohmiques (Clij) et (C2ij), à chaque extrémité d'un même serpentin; - L'ensemble des pixels est recouvert d'une première couche diélectrique comportant: * des via-trous métallisés, centrés sur les contacts ohmiques, * un réseau d'interconnexion pour connecter les contacts (Clij) entre eux, * des électrodes (Eij) reliées aux contacts (C2ij), lesdites électrodes ayant des dimensions de l'ordre de grandeur des microbilles et étant connectées auxdites microbilles. 2. Composant semiconducteur hybride, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une seconde couche diélectrique recouvrant les via-trous métallisés et ouverte au niveau des électrodes (Eij). 3. Composant semiconducteur hybride selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque serpentin (Dij) comprend une dizaine de branches de quelques microns de large, séparées d'environ 1 pm. 4. Composant semiconducteur hybride selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de lecture est en silicium et les zones photoconductrices (Dij) sont réalisés en matériau semiconducteur de type composé Ill-V (GaAs, InP), composé Il-IV (PbTe) composé Il-VI (tigCdTe). 5. Procédé de fabrication d'un composant semiconducteur hybride comportant une matrice de pixels photoconducteurs (Pij) sur un substrat, hybridés à un circuit de lecture par l'intermédiaire de microbilles caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - la réalisation d'une couche de matériau photoconducteur sur un substrat; - la réalisation d'éléments (do;) en forme de serpentin dans la couche de matériau photoconducteur; - la réalisation de contacts ohmiques (Clij) et (C2ij) aux extrémités de chaque serpentin (Dij); - le dépôt d'une première couche diélectrique sur l'ensemble des éléments (Dij); - la réalisation de via-trous dans la première couche diélectrique, au niveau des contacts ohmiques (Clii) et (C2ij) ; - la métallisation desdits via-trous; - la réalisation d'électrodes (Eij) sur la première couche de diélectrique centrée sur chaque pixel (Pij) et connectées aux contacts (C2ij) par l'intermédiaire de via-trous métallisés. 6. Procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, la réalisation d'un réseau d'interconnexion sur la première couche de diélectrique, de manière à connecter ensemble les contacts ohmiques (Clij) par l'intermédiaire de via-trous métallisés. 7. Procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, le dépôt d'une seconde couche diélectrique au-dessus des via-trous métallisés. 8. Procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend la gravure de la couche de matériau photoconducteur pour définir les éléments en forme de serpentin (Dij). 9. Procédé de fabrication d'un composant semiconducteur selon l'une des revendications 5 à7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'implantation ionique dans la couche de matériau photoconducteur, de manière à définir les éléments en forme de serpentin (Dij).