Brevet FR2894073A1 — publié le 20070601

Filtre optique intégré dans ou sous les niveaux de métallisation d'une cellule photosensible et procédé de fabrication correspondant La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés, notamment ceux comprenant une cellule photosensible comprenant un filtre optique. De nombreux composants optiques intègrent des cellules photosensibles qui délivrent un signal électrique représentatif de l'intensité lumineuse reçue. De tels composants sont, par exemple, des détecteurs optiques formés d'une matrice de cellules photosensibles juxtaposées les unes à côté des autres, dont les faces d'entrée respectives sont situées dans un plan commun. Les cellules délivrent un signal qui permet, à partir de l'emplacement de la cellule au sein de la matrice, de reconstituer l'image détectée. Toutefois, le signal délivré n'étant représentatif que de l'intensité lumineuse reçue, la matrice ne permet pas d'effectuer une discrimination entre les différentes longueurs d'onde détectées. Pour pouvoir reconstituer les couleurs, une méthode possible est d'utiliser un damier de filtres positionné au-dessus des cellules photosensibles, chaque filtre étant associé à une cellule photosensible particulière. Le choix des filtres se fait de façon à pouvoir décomposer une lumière quelconque en un nombre réduit de longueurs d'onde. Cela peut être, par exemple, trois couleurs primaires comme le bleu, le vert et le rouge. Les filtres seront alors disposés de façon à ce que chaque filtre alterne avec les deux autres, permettant d'analyser une longueur d'onde quelconque à l'aide de trois cellules photosensibles adjacentes. Les filtres généralement utilisés sont des résines qui ne peuvent pas supporter des températures supérieures à 300 C. Comme la réalisation des niveaux de métallisation nécessite, entre autres, des recuits d'environ 400 C, les filtres sont réalisés après les niveaux de métallisation. Les filtres sont donc situés au-dessus de la partie d'interconnexion des cellules photosensibles, c'est-à-dire au-dessus des éléments permettant la connexion de l'élément sensible de la cellule au circuit de commande et au circuit de traitement de l'information. Actuellement, les connexions nécessitent quatre à sept niveaux de métallisation, ce qui créé un empilement pouvant atteindre 10 m de hauteur. Or la largeur des cellules photosensibles a diminué pour augmenter la résolution, jusqu'à atteindre 211m à ce jour. Cela conduit à des cellules photosensibles dont le facteur de forme (hauteur/largeur) devient bien supérieur à 1, d'où des difficultés de fabrication et des risques de défauts. Pour de telles cellules, le filtre situé sur le dessus de l'empilement est trop éloigné de l'élément sensible de la cellule, et un faisceau de lumière d'angle relativement faible, par exemple 15 , peut provoquer un recouvrement des couleurs, c'est-à-dire qu'un rayon traversant un filtre donné n'est pas détecté par la cellule associée au filtre mais par une cellule voisine. Pour palier à cet inconvénient, il a été proposé dans le document FR 2 829 876 de disposer un guide de lumière dans l'épaisseur de la partie d'interconnexion. Le guide de lumière est placé sous le filtre et collecte les rayons qui en sortent. Il les guide alors jusqu'à l'élément photosensible de la cellule associée. Néanmoins, le guide nécessite des étapes de fabrication supplémentaires d'où un coût élevé et il ne diminue pas le facteur de forme de la cellule. L'invention vise à remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus. La présente invention propose une cellule photosensible compacte, fiable, de fabrication à coût raisonnable, et présentant d'excellentes performances optiques. Un circuit intégré comprend au moins une cellule photosensible. La cellule comprend un élément photosensible, une face d'entrée associée audit élément photosensible, un filtre optique situé sur au moins un chemin optique menant à l'élément photosensible et une partie d'interconnexion située entre l'élément photosensible et la face d'entrée. Le filtre optique est disposé entre l'élément photosensible et la surface de la partie d'interconnexion la plus proche de la face d'entrée. En particulier, le filtre optique peut être disposé dans la partie d'interconnexion. On entend ici par face d'entrée associée à l'élément photosensible, l'extrémité de la cellule dont l'éclairement doit être mesuré par ledit élément photosensible. La cellule se situe ainsi entre le substrat constitué d'un matériau semi-conducteur contenant au moins en partie l'élément photosensible et la face d'entrée. Le filtre réalisé sous la surface de la partie d'interconnexion située du côté de la face d'entrée, est plus proche de l'élément photosensible de la cellule. Cela a pour but de limiter le recouvrement de couleurs car les rayons traversant le filtre atteignent l'élément photosensible plus rapidement et peuvent plus difficilement passer dans une cellule adjacente. En d'autres termes, le filtre occupe une plus grande proportion de l'angle solide de l'élément photosensible. On peut ainsi disposer le filtre dans la partie d'interconnexion. Par exemple, le filtre optique peut être disposé dans une couche diélectrique appartenant à la partie d'interconnexion ou bien encore dans un niveau de métallisation appartenant à la partie d'interconnexion. En particulier, le filtre optique peut être disposé dans le niveau de métallisation le plus éloigné ou le plus proche de l'élément photosensible. En plus du rapprochement du filtre de l'élément photosensible, on obtient également une diminution de la hauteur de l'empilement formé par la cellule photosensible et le filtre. Une partie du matériau diélectrique formant la partie d'interconnexion et qui est traversée par la lumière est remplacée par le filtre à épaisseur sensiblement constante de la partie d'interconnexion. Cela permet de limiter le recouvrement des couleurs grâce d'une part au rapprochement du filtre, et d'autre part par la diminution du rapport de forme de la cellule. Selon un autre mode de réalisation, le filtre optique est disposé au sein de la partie d'interconnexion de façon à chevaucher au moins en partie une piste de connexion située à un autre niveau de métallisation. En particulier, le mode de réalisation permet d'utiliser des niveaux de la partie d'interconnexion dépourvus localement de pistes métalliques, notamment lorsque les éléments voisins aux cellules photosensibles nécessitent plus de niveaux de métallisation que lesdites cellules photosensibles. Dans ce cas, la partie d'interconnexion située entre l'élément photosensible et la face d'entrée contient des niveaux inutilisés par la cellule mais qui augmentent le facteur de forme de celle-ci. On peut ainsi mettre à profit l'existence de ces niveaux. Selon un autre mode de réalisation, le filtre optique est disposé entre l'élément photosensible et la partie d'interconnexion. Avantageusement, le filtre optique comprend un verre d'oxyde métallique ou un sulfure de cérium. L'oxyde est choisi de manière à sélectionner la longueur d'onde voulue au niveau de la cellule, en particulier, comprend au moins un des oxydes choisi dans le groupe formé par l'oxyde de fer, de chrome, de cobalt, de cadmium et/ou de manganèse. Avantageusement, le verre d'oxyde métallique utilisé comme filtre possède une température de ramollissement supérieure à 350 C. Le filtre peut être positionné au sein de la partie de l'interconnexion et sa fabrication peut être intégrée dans le procédé en conservant les étapes de passivation ou les températures de recuit. Le filtre peut être positionné plus facilement au sein de la cellule photosensible et ne pas empêcher les étapes qui suivront son dépôt. L'invention se rapporte également aux matrices formées par une pluralité de cellules photosensibles telles que décrites précédemment. En particulier, les différents filtres associés aux différentes cellules pourront avantageusement être disposés à des niveaux différents de métallisation selon la longueur d'onde sélectionnée par le filtre ou bien l'emplacement de la cellule au sein de la matrice. La possibilité de disposer les filtres à des niveaux de métallisation différents permet une plus grande liberté dans la réalisation de la matrice. Un autre avantage est la possibilité de réduire la largeur du filtre lorsque la distance qui le sépare de l'élément photosensible est plus faible. En effet, il n'est pas nécessaire que la taille du filtre soit très supérieure à celle de l'élément photosensible si celui-ci est situé juste en-dessous du filtre. Pour obtenir la détection voulue, il convient de s'assurer que le plus possible de rayons traversant le filtre parviennent à l'élément photosensible et que le moins possible d'autres rayons ne parviennent à l'élément photosensible. Lorsque le filtre est situé au-dessus de la partie d'interconnexion, une façon de limiter le recouvrement de couleur est de réaliser un filtre le plus large possible, la largeur étant limitée par la taille de la cellule photosensible elle-même. Lorsque le filtre est rapproché de l'élément photosensible, la largeur du filtre peut être diminuée sans augmenter le recouvrement de couleur. En particulier, le chevauchement par le filtre d'une ou plusieurs pistes réalisées à des niveaux de métallisation différents est privilégié lorsque le filtre est situé du côté de la partie d'interconnexion proche de la face d'entrée. Lorsque le filtre se situe du côté de la partie d'interconnexion proche de l'élément photosensible, une largeur de filtre semblable à celle de l'élément photosensible peut être suffisante. Il devient alors plus aisé de disposer le filtre entre les différents éléments nécessaires au fonctionnement de la cellule, tels que les pistes de connexion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de plusieurs modes de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 8 illustrent de manière très schématique, différents modes de réalisation de cellules photosensibles, et les figures 9 à 14 illustrent les étapes d'un procédé de fabrication. Les figures 1 à 14 sont des vues en coupe partielles d'un circuit intégré. Sur la figure 1, une cellule photosensible 1 faisant partie d'une plaquette de circuit intégré en cours de formation, comprend dans sa partie supérieure une plaque transparente 2 formant la face d'entrée de la lumière. La plaque 2 peut être une lame de verre ou de matière plastique transparente. Dans une partie inférieure de la cellule 1, un support semi-conducteur 3, disposé sensiblement parallèlement à la face d'entrée, comprend un élément photosensible 4, par exemple une photodiode, réalisé au moins en partie dans le support. Le support 3 peut être par exemple un substrat de silicium. La cellule comprend également une partie d'interconnexion 5 située entre la face d'entrée 2 et le support semi-conducteur 3, et comprenant notamment plusieurs couches 102, 202, 302, 402 de métallisation. Dans l'exemple représenté, la partie d'interconnexion comprend trois niveaux de métallisation 102, 202, 302, deux couches de métallisation voisines étant séparées par une couche diélectrique 201, 301. La cellule 1 comprend également une couche diélectrique inférieure 101, située entre le support 3 et la partie d'interconnexion 5. Les niveaux de métallisation 102, 202, 302 comprennent des pistes métalliques 112, 212, 312. Les pistes métalliques 112, 212, 312 comprennent généralement du cuivre et sont entourés par des couches diélectriques 101, 201, 301comprenant de la silice. Afin d'éviter une diffusion du cuivre dans la silice, une couche non-représentée comprenant du nitrure de silicium peut être déposée entre la piste métallique et le matériau diélectrique. Selon différents modes de réalisation, le filtre 6 peut être placé à différents niveaux dans la cellule photosensible 1. Sur la figure 1, le filtre 6 est placé dans la première couche diélectrique 101, proche de l'élément photosensible 4. La proximité du filtre 6 et de l'élément photosensible 4 permet de limiter très fortement le recouvrement des couleurs. En effet, les rayons traversant la partie d'interconnexion 5 associée à la cellule 1 ont un angle d'incidence trop faible pour traverser le filtre 6 de la cellule 1 et parvenir à l'élément photosensible d'une cellule voisine. Sur la figure 2, les éléments semblables à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Le filtre 6 est placé au sein de la partie d'interconnexion 5. Le filtre 6 constitue une couche supplémentaire 203 de la partie d'interconnexion 5. La couche supplémentaire 203 peut être formée par le filtre 6 entouré latéralement par un matériau diélectrique. La couche 203 ainsi formée permet de réaliser des vias 211 au niveau du matériau diélectrique, à distance du filtre 6. Une autre possibilité est de réaliser le filtre 6 dans une couche de diélectrique 201 séparant deux niveaux de métallisation 102, 202 successifs. La hauteur de l'empilement est alors sensiblement conservée. Sur la figure 3, les éléments semblables à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Le filtre 6 est, dans cet exemple, intégré à la partie d'interconnexion 5. Le filtre 6 est placé dans un niveau de métallisation 202, sur une portion de matériau diélectrique. La portion de matériau diélectrique forme la partie du niveau de métallisation 202 par laquelle la lumière entrant dans la cellule 1 atteint l'élément photosensible 4. Le mode de réalisation permet également de réduire la hauteur de l'empilement et donc le facteur de forme. Une variante est représentée sur la figure 4. Le filtre 6 est disposé dans un niveau de métallisation 202 de la partie d'interconnexion 5 et présente une épaisseur sensiblement égale à celle du niveau de métallisation 202. Dans ce mode de réalisation, la hauteur de l'empilement est aussi réduite. Le niveau de métallisation peut également être le niveau 302 le plus proche de la face d'entrée 2 comme indiqué sur la figure 5, ou bien encore le niveau 102 le plus proche de l'élément photosensible 4 comme indiqué sur la figure 6. Selon le niveau de métallisation 102, 202, 302 dans lequel est réalisé le filtre 6, la largeur du filtre 6 pourra être plus ou moins importante. Sur la figure 7, les éléments semblables à ceux de la figure 1, portent les mêmes références. La cellule 1 comprend une partie d'interconnexion 5 dont un niveau de métallisation 302 est localement dépourvu de piste métallique. Le niveau inutilisé 302 étant celui le plus proche de la face d'entrée 2, la largeur du filtre 6 peut être égale à celle de la cellule 1. Cela permet de rapprocher le filtre 6 de l'élément photosensible 4 sans diminuer sa taille et donc d'améliorer le recouvrement des couleurs tout en diminuant la hauteur de la cellule 1. Sur la figure 8, les éléments semblables à ceux de la figure 1, portent les mêmes références. Deux cellules photosensibles adjacentes sont représentées. Les deux cellules sont préférentiellement sensibles à des longueurs d'onde différentes. Le filtre 6, 6a de chacune des cellules est disposé à des niveaux 302, 301 différents de la partie d'interconnexion 5. Un premier filtre 6 est disposé dans la couche de métallisation 302 la plus proche de la face d'entrée 2 tandis que le deuxième filtre 6a est disposé dans une couche diélectrique 301 séparant deux niveaux de métallisation 202, 302. Les figures 9 à 14 représentent les différentes étapes de fabrication d'un mode de réalisation. La figure 9 représente le substrat 3, par exemple en silicium, d'une portion de circuit intégré comportant un élément photosensible 4, par exemple une photodiode. Une couche diélectrique 101, comprenant par exemple de la silice, est déposée sur la portion de substrat 3. La couche 101 recouvre entièrement le substrat 3 ainsi que les différents composants électroniques non représentés réalisés à la surface du substrat 3. On procède alors à la réalisation de deux trous 121, 121a. Les trous 121, 121a sont réalisés par exemple à l'aide d'une résine préalablement insolée sous un masque. La gravure est réalisée et on obtient les trous 121, 121a. On peut alors déposer une couche comprenant par exemple du nitrure de tantale (TaN) puis du tantale (Ta) sur les parois des trous avant d'y déposer le matériau conducteur, en particulier lorsque le matériau conducteur comprend du cuivre. Le circuit intégré est alors poli par un procédé de polissage chimico- mécanique. On dépose alors une deuxième couche diélectrique 102. De manière analogue, la couche diélectrique 102 est gravée pour former les pistes métalliques 122, 122a du premier niveau de métallisation 102. On obtient ainsi le circuit intégré représenté sur la figure 10. Après dépôt d'une couche 103 comprenant du nitrure de silicium, on dépose à nouveau une couche diélectrique 201. Une résine 13 est déposée sur ladite couche diélectrique 201 puis est insolée à l'endroit 14 où doit être placé le filtre 6. La partie non-insolée de la résine 13 est retirée pour obtenir le circuit tel que représenté sur la figure 11. La couche diélectrique 201 est gravée jusqu'à la couche d'arrêt 103. On obtient alors une cavité 15 représentée sur la figure 12 et qui va permettre de loger le filtre 6. La résine 13 est alors enlevée et le filtre 6 est déposé sous forme de sol-gel, par centrifugation. Un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) du verre l'oxyde métallique est également possible. Une fois le sol-gel déposé dans la cavité 15, le circuit intégré est recuit à 400 C pour densifier le sol-gel. Le recuit permet d'évaporer le solvant organique du sol-gel et de garder le verre d'oxydes métalliques. Le verre d'oxyde métallique est choisi de manière à avoir des propriétés optiques (transmission, absorption) analogues avant et après un traitement thermique effectué à une température inférieure à 600-700 C. De cette façon, les propriétés optiques du filtre ne seront pas ou peu altérées par les traitements thermiques qui auront lieu après son dépôt au sein du circuit intégré, par exemple lors des étapes de réalisation des niveaux de métallisation 202, 302 situés au-dessus du filtre. Cela n'est en revanche pas le cas pour les filtres comprenant une résine car ils sont dégradés par les températures élevées utilisées durant la réalisation des niveaux de métallisation. La surface du circuit intégré subit un polissage mécano-chimique. On obtient le circuit représenté sur la figure 13. Il suffit alors de réaliser les vias puis réitérer les étapes précédentes de manière classique pour obtenir la partie d'interconnexion 5 en entier et finir la cellule photosensible 1. Celle-ci présentera alors, une fois terminée, une hauteur plus faible qu'une cellule avec un filtre déposé par-dessus, et aura un recouvrement de couleur diminué grâce à la présence du filtre dans une couche de la partie d'interconnexion proche de l'élément photosensible. La cellule est représentée sur la figure 14. Ainsi, le filtre 6 est réalisé dans la partie d'interconnexion 5 ou entre l'élément photosensible 4 et la partie d'interconnexion 5. On réduit alors le risque de recouvrement des couleurs grâce à un rapprochement du filtre 6 et de l'élément photosensible 4 et grâce à une réduction de la hauteur de la cellule 1. Le filtre 6 réalisé dans un verre permet de garder les propriétés optiques souhaitées malgré l'utilisation de températures élevées. Cela facilite l'intégration de l'étape de formation du filtre dans le procédé de réalisation de la partie d'interconnexion 5 de la cellule. Avantageusement, le filtre 6 est placé dans la première couche diélectrique 201 disposée sur l'élément photosensible 4. De cette façon, les rayons détectés par l'élément photosensible 4 ont une plus grande probabilité d'avoir traversé le filtre 6 avant d'atteindre l'élément photosensible 4. De plus, la largeur du filtre peut être choisie plus petite, diminuant ainsi l'encombrement du filtre 6 au sein de la cellule 1. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré comprenant au moins une cellule photosensible (1) comprenant : - un élément photosensible (4), - une face d'entrée (2) associée à l'élément photosensible (4), - un filtre optique (6) situé sur au moins un chemin optique menant à l'élément photosensible (4) et - une partie d'interconnexion (5) située entre l'élément photosensible (4) et la face d'entrée (2), caractérisé en ce que ledit filtre optique (6) est disposé entre l'élément photosensible (4) et la surface de la partie d'interconnexion (5) la plus proche de la face d'entrée (2). 2. Circuit intégré selon la revendication 1 dans lequel le filtre optique (6) est disposé dans la partie d'interconnexion (5). 3. Circuit intégré selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le filtre optique (6) est disposé dans une couche diélectrique appartenant à la partie d'interconnexion (5). 4. Circuit intégré selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le filtre optique (6) est disposé dans un niveau de métallisation appartenant à la partie d'interconnexion (5). 5. Circuit intégré selon la revendication 4 dans lequel le filtre optique (6) est disposé dans le niveau de métallisation (302) le plus éloigné de l'élément photosensible (4). 30 6. Circuit intégré selon la revendication 4 dans lequel le filtre optique (6) est disposé dans le niveau de métallisation (102) le plus proche de l'élément photosensible (4).25 7. Circuit intégré selon l'une quelconques des revendications précédentes dans lequel le filtre optique (6) chevauche au moins en partie une piste conductrice située à un autre niveau de métallisation. 8. Circuit intégré selon la revendication 1 dans lequel le filtre optique (6) est disposé entre l'élément photosensible (4) et la partie d'interconnexion (5). 9. Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le filtre optique (6) comprend du verre à base d'oxyde métallique ou du sulfure de cérium. 10. Circuit intégré selon la revendication 9 dans lequel l'oxyde métallique comprend au moins un oxyde de fer, de chrome, de cobalt, de cadmium et/ou de manganèse. 11. Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de cellules photosensibles disposées en matrice. 12. Circuit intégré selon la revendication 11 dans lequel le filtre optique (6) des différentes cellules photosensibles se trouvent à au moins deux niveaux de métallisation distincts. 25 13. Procédé de fabrication d'un circuit intégré comprenant un élément photosensible (4), une première couche diélectrique (101) disposée sur l'élément photosensible, un premier niveau de métallisation (102) disposé sur la première couche diélectrique et une seconde couche diélectrique (201) disposée sur le premier niveau de 30 métallisation, comprenant les étapes de : - formation d'un trou (15) à partir d'une portion de la surface de la deuxième couche diélectrique (202) opposée à l'élément photosensible, en direction de l'élément photosensible, - remplissage du trou par un matériau formant un filtre (6).20 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel le filtre optique (6) est déposé dans le trou par centrifugation d'un sol-gel comprenant un verre d'oxyde métallique. 15. Procédé selon la revendication 13 dans lequel le filtre optique (6) est déposé dans le trou par dépôt chimique en phase vapeur du verre d'oxyde métallique. 10 16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15 dans lequel le filtre optique (6) déposé dans le trou est ensuite recuit à une température supérieure à 350 C. 17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16 dans lequel 15 on forme des pistes de métallisation dans la seconde couche diélectrique. 5