Brevet FR2939564A1 — publié le 20100611

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur, notamment destiné à la détection avec résolution locale du rayonnement infrarouge IR ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel capteur. Etat de la technique Le document WO 2007/147663 Al décrit un tel capteur comportant un réseau de pixels de diodes. Chaque pixel de diode comporte une zone monocristalline sous une membrane en porte-à-faux. Une diode pn est réalisée comme zone sensible dans la zone monocristalline. Des lignes d'alimentation de la diode sont prévues dans la membrane ou en dessous de celle-ci pour les branchements communs des lignes et des colonnes de façon à permettre un adressage et une lecture simple des pixels de diodes du réseau. Le branchement de la zone à dopage p et de la zone à dopage n de chaque pixel de diode se fait par des lignes d'alimentation métallique. Ces lignes touchent tout d'abord des zones fortement dopées dans les zones monocristallines sous la membrane par lesquelles se branchent les zones à dopage p et à dopage n de charge diode. La fabrication nécessite plusieurs étapes de procédé. En particulier, on génère tout d'abord une structure de réseau et sous celle-ci, on rend poreuse une zone d'une couche épitaxiale servant de couche sacrificielle. Puis, dans une étape de trempe suivante, on développe une caverne dans la zone poreuse et on transfère la structure de réseau dans la couche monocristalline. Un tel réseau de diodes permet en lui-même une résolution élevée, par exemple une résolution locale élevée pour une caméra infrarouge IR. Mais la fabrication est très complexe en particulier la réalisation de la caverne et celle de la zone monocristalline sous la membrane. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne l'idée générale d'une structure de diodes dans un matériau semi-conducteur polycristallin, notamment en polysilicium. Cela permet de choisir la technique des couches minces se traduisant, selon l'invention, une réduction significative du coût et une fabrication plus rapide. 2 Le pixel de diode selon l'invention, est développé sur une structure de couches obtenue de préférence totalement ou dans une très large mesure en technique de procédé CMOS. Cela permet d'appliquer des techniques de procédé, connues, et qui sont notamment avantageuses. Selon un mode de réalisation préférentiel, on réalise la diode et ses lignes d'alimentation par un dopage différent de la même couche semi-conductrice polycristalline, les lignes d'alimentation sont constituées par des zones d'alimentation fortement dopées et la diode pn est obtenue par exemple par des zones de diode faiblement dopées ou aussi par une zone de diode faiblement dopée et une zone de diode fortement dopée. Le dopage différent peut se faire selon les techniques connues, comme par exemple l'implantation ionique et/ou la diffusion. Ainsi, les zones d'alimentation fortement dopées peuvent assurer non seulement le branchement électrique, mais également la suspension mécanique de la diode au-dessus de la cavité. Ces considérations reposent sur le fait que la matière semi-conductrice polycristalline a une conductivité thermique significativement plus mauvaise que par exemple le métal et permet par une suspension polycristalline, par exemple sous la forme de bras en spirale, d'assurer une bonne isolation thermique de la diode dans la direction latérale. Ainsi, grâce à la caverne en partie basse et la suspension dans la direction latérale, la diode est très largement isolée thermiquement vis-à-vis de la matière en vrac. Cela permet d'utiliser la couche polycristalline pour développer la zone de diodes servant d'éléments de capteurs ainsi que les lignes d'alimentation. Comme couche sacrificielle pour réaliser la caverne ou cavité sous la couche semi-conductrice polycristalline, on peut par exemple utiliser une couche d'isolation inférieure, notamment un oxyde de champ développé sur le substrat. Cela permet d'obtenir une structure très simple et compacte sur laquelle on développe tout d'abord un oxyde de champ, par un procédé thermique connu et sur cet oxyde de champ, on développe directement la couche semi-conductrice polycristalline, on effectue le dopage et on réalise la structure. Puis, on 3 grave la caverne par le dessus à l'aide d'orifices de gravure réalisés dans la couche sacrificielle. Selon l'invention, en principe il n'est pas nécessaire de développer une couche épitaxiale supplémentaire dans la couche sacrificielle, on peut utiliser directement l'oxyde de champ servant à l'isolation du substrat. Toutefois, en principe, il est finalement possible d'utiliser une couche épitaxiale supplémentaire comme couche sacrificielle. La suite du branchement des zones de lignes d'alimentation fortement dopées, peut se faire de manière connue, par exemple par des métallisations ou aussi par des zones semi-conductrices elles aussi fortement dopées. Sur la couche semi-conductrice polycristalline, on peut ainsi en complément, appliquer par exemple une couche supérieure d'isolation, des contacts métalliques et une couche supérieure de passivation. Selon la réalisation de la structure de couches, on pourra de façon connue, tout d'abord graver la caverne au-dessus de la couche semi-conductrice polycristalline et mettre en structure la couche semi-conductrice polycristalline avec des lignes d'alimentation par exemple sous la forme de bras en spirale, puis, on dégage dans la couche semi-conductrice polycristalline, simultanément les orifices de gravure à travers lesquels, on pourra graver ensuite la couche sacrificielle selon des conditions de procédé, appropriées et un faible gaz de gravure. Ainsi, la réalisation d'un capteur compact, économique, peut se faire avec un nombre d'étapes de procédé relativement réduit en particulier en technique de procédé CMOS. La réalisation du capteur peut se combiner à la réalisation d'autres circuits sur le même substrat, par exemple celle d'un circuit d'exploitation recevant les signaux du capteur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une section d'un premier mode de réalisation d'un élément de capteur microstructuré, 4 - la figure 2 est une section de l'élément de diode de la figure 1 avant l'opération de dégagement, - la figure 3 est une vue de dessus de l'élément de diode de la figure 1 correspondant à un mode de réalisation avec guidage de la ligne d'alimentation, - la figure 4 montre l'élément de diode de la figure 3 avec un branchement de lignes et de colonnes pour un montage en matrice, - la figure 5 montre un élément de diode correspondant à la figure 1, en section avec l'absorbeur supplémentaire, - la figure 6 montre une vue de dessus de l'élément de diode de la figure 5, - la figure 7 montre un dispositif de réseau de plusieurs éléments de diodes. Description de modes de réalisation de l'invention Un capteur 1 comporte un substrat 2 de préférence en silicium et une succession de couches, structurées sur le substrat 2. Cette structure de couches se compose de bas en haut tout d'abord d'une couche d'isolation 3, inférieure réalisée sur le substrat 2. La couche d'isolation inférieure 3 peut notamment être une couche d'oxyde, de préférence une couche d'oxyde de champ 3 réalisée par oxydation selon la technique du procédé CMOS. Cette couche peut par exemple servir également de couche d'oxydes de porte d'un composant MOSFET. Sur la couche d'oxyde de champ 3, on applique une couche semi-conductrice polycristalline 4, dopée, qui peut être notamment une couche de polysilicium 4 à dopage différent. Dans la couche d'oxyde de champ 3 et sous la couche de polysilicium 4, on a une caverne ou cavité 5. La couche de polysilicium 4 s'étend ainsi au moins en partie au-dessus de la caverne 5. Selon le mode de réalisation présenté dans la couche de polysilicium 4, on a quatre zones à dopage différent, adjacentes latéralement, à savoir une zone 4a à dopage p+, une zone 4b à dopage p, une zone 4c à dopage n et une zone 4d à dopage n+. Les deux zones extérieures fortement dopées, c'est-à-dire la zone 4a à dopage p+ et la zone 4d à dopage n+, servent de zones de ligne d'alimentation 4a, 4d pour les zones de diodes 4b et 4c. Leur réunion constitue une diode 6, la diode 6 peut être formée par des zones de diode 4b et 4c faiblement dopées ou aussi par une combinaison d'une zone de diode faiblement dopée et d'une zone de diode fortement dopée, c'est-à-dire une zone de diode 4b p° et une zone de diode 4c n+ ; on peut également avoir une zone de diode 4b p+ et 5 une zone de diode 4c no. Ainsi, la zone de lignes d'alimentation 4a à dopage p+ touche la zone de diode 4b à dopage p et la zone de ligne d'alimentation 4d à dopage n+, touche la zone de diode 4c à dopage n. la diode 6 formée à partir des zones de diode 4b et 4c se situe avantageusement complètement au-dessus de la caverne 5, les zones de ligne d'alimentation 4a, 4d fortement dopées servant de lignes d'alimentation s'étendent de l'extérieur jusqu'en partie au-dessus de la caverne 5. On réalise ainsi au-dessus de la caverne 5, une membrane 11 complètement sous la forme d'une couche de polysilicium 4. La vue de dessus de la figure 3 montre une réalisation avantageuse dans laquelle les zones de lignes d'alimentation 4a, 4d fortement dopées au-dessus de la caverne 5, réalisent des suspensions ou des ressorts de suspension 10a, 10b en forme de spirales portant mécaniquement la diode 6 et réalisant en même temps le branchement électrique. Comme le polysilicium des zones de ligne d'alimentation 4a, 4d est mieux isolé thermiquement que par exemple les lignes d'alimentation mécaniques, et du fait de la grande longueur de chemins formés par la réalisation en spirale, on aura une bonne isolation thermique de la diode 6 en porte-à-faux. Une couche d'isolation supérieure 7 est appliquée sur la couche de polysilicium 4, structurée, cette couche d'isolation est par exemple en un verre tel que du bore-phosphore-silicate (BPSG) ou d'un autre matériau isolant. Le branchement (mise en contact) se fait par l'intermédiaire d'une couche métallique 8 appliquée sur la couche supérieure d'isolation 7 et mise en contact par des cavités correspondantes réalisées dans la couche d'isolation supérieure 7, vers le bas pour les zones de ligne d'alimentation 4a, 4d fortement dopées. En complément, on applique une couche de passivation 9 par exemple en oxyde de silicium telle qu'une couche en TEOS (couche fabriquée avec du tétraéhtyl-orthosilicate). 6 Le capteur 1 peut être réalisé totalement en technique CMOS. Pour sa réalisation, on applique la succession des couches de la figure 2, la couche d'oxyde de champ 3 est réalisée comme couche sacrificielle sur le substrat 2 en procédant par oxydation ; la couche de polysilicium 4 est ensuite appliquée, mise en structure et dopée, par exemple par diffusion ou implantation ionique ; les couches 7, 8, 9 sont appliquées et mises en structure. Ensuite, on ouvre la caverne 5 tout d'abord au-dessus de la couche de polysilicium 4, c'est-à-dire dans les couches 7 et 9 en procédant par gravure. La couche de polysilicium 4 est structurée de manière appropriée de façon que selon la vue de dessus de la figure 3, la structure de bras en spirale comprenant des ressorts de suspension 10a, 10b soit dégagée dans les zones de lignes d'alimentation 4a, 4d et entre ces ressorts, on réalise des ouvertures sous la forme d'accès de gravure 10c. A travers ces ouvertures, on introduit ensuite un gaz de gravure approprié pour assurer la gravure sélective du matériau à base d'oxyde de la couche inférieure d'isolation 3. On utilise par exemple de la vapeur d'acide fluoridrique (vapeur HF). En variante de la réalisation présentée, on applique sur la couche inférieure d'isolation 3, une couche sacrificielle supplémentaire, par exemple en silicium-germanium que l'on peut graver avec CIF3, car le silicium-germanium se grave plus rapidement que le silicium de la couche de polysilicium 4, a un réglage approprié de la pression, on peut ainsi avoir la gravure par en dessous, souhaitée. Le capteur 1 des figures 1, 3 comporte ainsi un unique pixel de diode 20. Le capteur 1 selon l'invention comporte toutefois selon la figure 4, plusieurs pixels de diode 20 répartis selon une disposition en réseau ou en matrice avec des branchements de colonnes 12 et des branchements de lignes 14, communs. On réalise un capteur ayant une résolution locale élevée. La figure 7 montre schématiquement un réseau de pixels de diode 21 composé de plusieurs pixels de diode 20 de la figure 6. De façon correspondante, on peut réaliser un nombre élevé de pixels pour une résolution locale correspondante. Comme selon l'invention, il est possible de fabriquer en appliquant un procédé CMOS pur, on pourra sur le même substrat 2 et en complément, prévoir également un circuit d'exploitation 22 recevant les signaux de capteur 7 tels que les étapes de procédé pour réaliser le réseau de pixels de diode 21 et le circuit d'exploitation 22 en commun. La diode 6 des zones 4b, 4c peut absorber directement le rayonnement infrarouge IR incident. Selon les figures 5, 6, en complément, on peut appliquer un matériau absorbant sur la couche de polysilicium 4, dégagée. Cela peut se faire notamment après dégagement de la caverne 5 au-dessus de la couche de polysilicium 4 ; on applique par exemple une couche d'oxyde 16 sur la couche de polysilicium 4 et ensuite, une couche de polyabsorbeur 18 avec une structure appropriée pour développer des orifices de perforation 19 permettant ensuite la gravure de la couche inférieure d'isolation 3 servant de couche sacrificielle. Le rayonnement infrarouge IR, incident, chauffe ainsi la couche d'absorbeur 18, ou directement la diode pn 6 de chaque pixel de diode 20 dont la résistance électrique varie en fonction de sa température et ainsi de l'intensité du rayonnement infrarouge IR, incident. La fixation des ressorts de suspension 10a, 10b à la matière en vrac, peut se faire par exemple par des structures LOCOS.20 REVENDICATIONS1 °) Capteur comprenant : - au moins un pixel de diode (20) microstructuré, avec une diode (6) réalisée sur ou sous une membrane (11), réalisée au-dessus d'une caverne (5), - la diode (6) étant branchée par des lignes d'alimentation (4a, 4d) réalisées au moins en partie dans, sur ou sous la membrane (11), caractérisé en ce que la diode (6) est réalisée dans une couche semi-conductrice polycristalline (4). 2°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes d'alimentation (4a, 4d) ou des parties des lignes d'alimentation sont réalisées dans la couche semi-conductrice polycristalline (4), la diode (6) est réalisée par des zones de diode dopées (4b, 4c) de la couche semi-conductrice polycristalline (4), commune, parmi lesquelles au moins une zone de diode (4b, 4c) est dopée faiblement et les lignes d'alimentation (4a, 4d) ou des parties des lignes d'alimentation sont réalisées par des zones de ligne d'alimentation (4a, 4d) fortement dopées dans la couche semi-conductrice polycristalline commune (4). 3°) Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones de diode (4b, 4c) de la diode (6), dopées et les zones de ligne d'alimentation (4a, 4d) fortement dopées, sont réalisées comme des zones latérales adjacentes de la couche semi-conductrice polycristalline (4) commune. 4°) Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les zones de ligne d'alimentation (4a, 4d) fortement dopées constituent la suspension mécanique de la diode (6).35 9 5°) Capteur selon la revendication 4, caractérisé par des suspensions (10a, 10b) en forme de spirales dans les zones de ligne d'alimentation (4a, 4d) fortement dopées, ces suspensions passant au-dessus de la caverne (5) et assurant le contact de la diode (6) en portant celle-ci. 6°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un réseau de diodes (21) formé de plusieurs pixels de diode (20) réalisé sur un substrat commun (2), ayant une couche semi-conductrice polycristalline (4), dopée, structurée et commune. 7°) Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réseau de diode (21) comporte des branchements de colonnes (12) et des branchements de lignes (14), communs pour les lignes d'alimentation (4a, 4d) des pixels de diode (20). 8°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une couche d'absorption (18) est appliquée sur la diode (6) pour absorber le rayonnement infrarouge IR, incident. 9°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (11) est réalisée exclusivement sous la forme d'une couche polycristalline (4), structurée, le cas échéant avec un absorbeur (18) supplémentaire et une couche intermédiaire (16) prévue entre l'absorbeur et la diode (6). 10°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur un substrat commun (2), il comporte au moins une couche d'isolation inférieure (3) par exemple une couche d'oxydes de champ et 10 sur celle-ci la couche semi-conductrice polycristalline (4), au-dessus de la couche semi-conductrice polycristalline (4), au moins une couche supérieure d'isolation (7), au-dessus de celle-ci une couche d'alimentation (8), conductrice, mise en structure, branchée sur des zones de ligne d'alimentation (4a, 4d) fortement dopées de la couche semi-conductrice polycristalline (4). 11 °) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pixels de diode (20) et de préférence l'ensemble du capteur (1) sont réalisés en technique CMOS. 12°) Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que sur le substrat commun (2), on a réalisé un circuit d'exploitation (22), le capteur (1) et le circuit d'exploitation étant fabriqués au cours des mêmes étapes de procédé CMOS. 13°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est prévu pour une détection à résolution locale du rayonnement IR. 14°) Procédé de fabrication d'un capteur (1), notamment d'un capteur selon les revendications 1 à 13, comprenant les étapes suivantes : - réalisation d'une couche d'isolation inférieure (3) sur un substrat (2), - développement, dopage et mis en structure d'une couche semi- conductrice polycristalline (4) avec au moins une diode (6), - application d'au moins une couche d'isolation supérieure (7), et le cas échéant à côté de la couche semi-conductrice polycristalline (4), - réalisation d'une couche de contact conductrice (8) et mise en contact avec la couche semi-conductrice polycristalline (4), - dégagement ou dégagement partiel de la couche semi-conductrice polycristalline (4), et des ouvertures de gravure (11c) dans la couche semi-conductrice polycristalline (4), et 11 - gravure d'une caverne (5) sous la couche semi-conductrice polycristalline (4) de façon à former une membrane (11) comportant au moins la diode (6). 15°) Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le capteur est réalisé selon des étapes de procédé en technique CMOS. lo 15