Brevet FR2938973A1 — publié le 20100528

CELLULES MATRICIELLES PHOTOSENSIBLES DANS L'INFRAROUGE A BASE D'ANTIMONIURE SUR SUBSTRAT OPTIQUEMENT TRANSPARENT ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE. La présente invention concerne des cellules matricielles photosensibles dans l'infrarouge à base d'antimoniure et du procédé de fabrication associé. Les matériaux semi-conducteurs III-V et en particulier l'antimoniure d'indium (InSb) ont des capacités de photo détection de la bande de longueur d'onde infrarouge de 3 à 5 }gym très intéressante pour le développement de capteurs d'imagerie infrarouge. Actuellement ces capteurs se composent d'une tranche (� wafer �) d'InSb sur laquelle ont été fabriquées les cellules matricielles photosensibles et d'une tranche de silicium (Si) ou de matériaux équivalents servant de base à la technologie CMOS sur laquelle sont fabriqués les circuits de lecture. Le procédé de fabrication comporte les étapes suivantes . - Création des pixels sous forme d'une matrice de photodiodes dans une tranche d'InSb d'épaisseur initiale d'environ 650pm et de diamètre d'environ 75 mm (3 pouces) ; - dépôt de billes d'indium pur de telle sorte que chaque photodiode soit connectée à une et une seule bille d'indium ; et, en parallèle - création du circuit de lecture sur une tranche de silicium, le circuit de lecture comportant des zones de contact selon une matrice en miroir de la matrice des photodiodes ; et - dépôt de billes d'indium pur ; puis les deux tranches ayant été traitées, elles sont découpées en matrices de photodiodes et de circuits de lecture respectivement qui sont assemblés selon la 2 technique dite de puce retournée (� flip chip �). La technique d'assemblage � flip-chip � est bien connue de l'homme du métier et ne sera pas donc décrite en détail ici. Pour assurer la rigidité et la solidité mécanique de l'ensemble, ainsi que sa protection chimique, de la colle est injectée entre la matrice de photodiodes et le circuit de lecture assemblés et espacés d'environ 10 pm. Puis l'épaisseur de la tranche d'InSb est amincie à environ 10pm par polissage mécanique ou/et chimique ou toute autre technique. Cette épaisseur permet une bonne pénétration des photons jusqu'au niveau des photodiodes sans perte par recombinaison tout en limitant les effets de diaphonie (� cross-talk �) par diffusion transversale des électrons/trous. Après cet amincissement, un antireflet est ajouté sur la couche d'InSb. Du fait de la petite largeur de bande interdite (� band gap �) de l'InSb, la génération thermique de porteurs électrons/trous empêche le capteur InSb d'assurer sa fonction de photo détection au-delà d'une certaine température de fonctionnement. Aussi le capteur doit être refroidi à une température cryogénique inférieure à 80K. La différence de coefficient de dilatation entre le silicium et l'antimoniure d'indium fait que, lors du passage de la température ambiante à une température cryogénique, des contraintes mécaniques s'exercent sur la matrice d'InSb et, comme celle-ci est très fine, des fractures cristallines apparaissent pouvant aller jusqu'à la casse de la matrice. Il a été constaté que si l'épaisseur de la 35 matrice InSb est maintenue à 650pm, celle-ci devient 3 suffisamment résistante pour que les contraintes mécaniques liées au refroidissement ne génèrent pas de rupture. Aussi, pour résoudre ce problème de fragilité, il a été proposé de modifier le dopage de la tranche d'InSb pour qu'elle soit transparente aux rayonnements infrarouges par effet MOSS-BURSTEIN. Cependant, cela nécessite alors de faire croitre une couche d'InSb par épitaxie, cette couche étant moins 10 dopée pour y fabriquer les photodiodes. Enfin, la couche d'InSb doit quand même être amincie dans une fourchette de 50 à 200 pm pour tenir compte des effets d'absorption par porteurs libres subsistants. À ces épaisseurs, des phénomènes de casse de 15 la couche InSb continuent d'apparaître, bien qu'avec une probabilité plus faible que pour les composants obtenus selon le procédé classique. Il serait donc particulièrement avantageux d'avoir un procédé de fabrication de capteurs d'image 20 infrarouge qui soit peu couteux et dont les composants obtenus aient une bonne résistance aux contraintes mécaniques générées par la mise à basse température. Aussi, un objet de l'invention est un procédé de fabrication de capteur de rayonnement infrarouge 25 comportant les étapes de : - collage d'une tranche à base d'antimoine sur une tranche de matériau cristallin optiquement transparent aux rayonnements infrarouges et ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la 30 tranche à base d'antimoine à plus ou moins 20% près ; - amincissement de l'épaisseur de la matrice à base d'antimoine de telle sorte que celle-ci soit inférieure à 25pm , - fabrication de photodiodes sensibles dans l'infrarouge 4 sur la tranche à base d'antimoine ainsi amincie ; - dépôt de billes de contact au niveau des photodiodes infrarouges ; - montage d'un circuit de lecture sur la tranche à base d'antimoine par la technologie de puce retournée. Ce procédé permet avantageusement d'utiliser différents matériaux pour le matériau transparent comme pour la tranche à base d'antimoine ayant les caractéristiques requises, la sélection pouvant se faire selon d'autres critères tels que le coût, la facilité de mise en oeuvre, etc. Le collage peut être réalisé par adhésion moléculaire. Le matériau cristallin optiquement transparent 15 peut être de l'arséniure de gallium AsGa ou du germanium Ge. Les photodiodes infrarouges peuvent être formées dans de l'antimoniure d'indium ou dans une couche détectrice en super-réseaux d'antimoniure de gallium - 20 arséniure d'indium. Ce procédé peut aussi comporter une étape préalable de croissance épitaxiale d'une couche à base d'antimoine adaptée à la formation des photodiodes infrarouges, ladite croissance étant réalisée sur un 25 support épitaxial à base de InSb ou de GaSb, et l'épaisseur de la couche épitaxiale étant telle que l'étape d'amincissement d'épaisseur élimine la totalité du support épitaxial. Un autre objet de l'invention est le capteur 30 résultant du procédé ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux figures en annexe dans lesquelles : - les figures 1A à 1F sont des vues schématiques d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 2A et 2B sont des vues schématiques d'une 5 variante du procédé de la figure 1. Dans les figures et la description, une même référence est utilisée pour désigner un élément identique ou similaire. En référence à la figure 1A, une tranche d'antimoniure d'indium InSb 1 a sa surface supérieure 3 polie de façon à obtenir une surface parfaitement plane et non rugueuse et recouverte d'une fine couche d'oxyde de silicium 4. En parallèle, une tranche de germanium Ge 5 est 15 également polie pour que sa surface inférieure 7 soit parfaitement plane et non rugueuse. Les surfaces 3 et 7 sont alors mises en contact par l'intermédiaire des atomes d'oxyde de silicium, figure 1B. La qualité des surfaces est alors telle que le 20 contact s'établit à des distances inférieures à quelques nanomètres. Les forces attractives dites forces de Van der Waals entre les deux surfaces sont alors suffisamment élevées pour provoquer une adhérence moléculaire. Classiquement, un chauffage de l'ensemble est réalisé 25 alors pour créer des liaisons covalentes permettant de renforcer la solidité du collage entre les deux tranches. Suivant les matériaux utilisés, la température de chauffage est comprise entre 400 et 1000°C. Il est à noter que l'étape de chauffage peut être remplacée par 30 des conditions de collage particulières comme un collage sous vide, un traitement de surface préliminaire par plasma, etc. Les deux tranches étant collées ensemble, la tranche InSb 1 est amincie jusqu'à une épaisseur allant 35 de 5 à 25 }gym par polissage, figure 1C, la tranche de 6 germanium 5 servant de couche de support. Dans la couche amincie d'InSb, des photodiodes infrarouges 9 sont fabriquées, figure 1D, selon les procédés classiques de micro-électronique. Puis toujours selon les procédés habituels bien connus, des billes d'indium 11 sont déposées à la hauteur des photodiodes, figure 1E, et un circuit de lecture 13 en technologie silicium est soudée selon la technique de puce retournée, figure 1F. Ainsi, le capteur de rayonnement infrarouge comporte une pluralité de photodiodes infrarouges 9 implantées dans une couche active d'InSb 1. Sur une première face de cette couche active est collée, par collage moléculaire, une tranche de germanium 5 et sur la seconde face, les photodiodes sont en contact électrique avec le circuit de lecture 13 via les soudures d'indium 11. On constate que dans cette structure, la tranche collée par collage moléculaire à la couche d'InSb doit être transparente à l'infrarouge pour permettre au rayonnement infrarouge de parvenir jusqu'aux photodiodes. Or, le germanium à cette propriété et de plus, il possède un coefficient de dilatation thermique de 5,9 ppm/°C qui est voisin de celui de l'antimoniure d'indium qui est de 5,37 ppm/°C. Ainsi, lors de la descente en température à 77K du composant, le germanium ayant un coefficient de dilatation thermique voisin de celui d'InSb est capable de résister aux contraintes mécaniques apportées par le silicium du circuit de lecture tout en protégeant la couche d'InSb. On conçoit que tout matériau transparent au rayonnement infrarouge et ayant un coefficient de dilatation thermique voisin de celui de l'antimoniure d'indium est adapté pour servir de couche de support. Par 7 similaire, on entend un coefficient de dilatation égal à plus ou moins 20 % près à celui de l'InSb afin qu'il ne crée pas, de lui-même, des contraintes mécaniques sur la couche active d'InSb. Outre le germanium, l'arséniure de gallium GaAs, qui a un coefficient de dilatation thermique de 5,73 ppm/°C, est également un bon matériau de support. Dans une variante du procédé, fig. 2A, on fait croitre, dans une étape préliminaire, par épitaxie une couche d'InSb 20 sur la tranche d'InSb 1 servant alors de support épitaxial. Cette croissance épitaxiale est réalisée pour former une couche de 5 à 25 }gym d'InSb épitaxiée dans laquelle les photodiodes sont fabriquées, fig. 2B. L'avantage de la couche épitaxiée est d'être de très bonne qualité cristalline et avec un niveau de dopage intrinsèque parfaitement contrôlé permettant ainsi un très bon rendement de fabrication. Lors de l'étape d'amincissement d'épaisseur, il est alors possible d'éliminer totalement la tranche de support épitaxial en ne gardant que la couche épitaxiée. Cette étape préalable d'épitaxie a l'avantage de permettre également un élargissement des matériaux utilisés. Ainsi la tranche de support épitaxial étant totalement sacrifiée, elle peut être remplacée par d'autres matériaux permettant la croissance d'une couche active. Ainsi, celle-ci peut être à base d'antimoniure de gallium GaSb, par exemple. Il est également possible, pour éviter des dislocations de désaccord de paramètre de maille, de déposer sur le support épitaxial une couche tampon pour servir de support de croissance à la couche épitaxiée active. Celle-ci peut alors être composée d'InSb mais 5 8 aussi d'autres matériaux à base d'antimoine connus pour leur capacité à détecter plus de bandes infrarouges, par exemple, un super-réseau d'antimoniure de gallium/arséniure d'indium (GaSb/InAs)n. On a ainsi décrit un procédé de fabrication de capteurs infrarouges ainsi que le produit résultant de ce procédé permettant de répondre aux contraintes de fiabilité posées par l'utilisation à des températures cryogéniques. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de capteur de rayonnement infrarouge comportant les étapes de : - collage d'une tranche (1) à base d'antimoine sur une tranche (5) de matériau cristallin optiquement transparent aux rayonnements infrarouges et ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la tranche à base d'antimoine à plus ou moins 20% près ; - amincissement de l'épaisseur de la tranche à base d'antimoine de telle sorte que celle-ci soit inférieure à 25pm ; - fabrication de photodiodes sensibles dans l'infrarouge (9) sur la tranche à base d'antimoine ainsi amincie ; - dépôt de billes de contact (11) au niveau des photodiodes infrarouges ; - montage d'un circuit de lecture (13) sur la tranche à base d'antimoine par la technologie de puce retournée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collage est réalisé par adhésion 25 moléculaire. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau cristallin optiquement transparent est de l'arséniure de gallium AsGa ou du 30 germanium Ge. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les photodiodes infrarouges sont formées dans de l'antimoniure d'indium ou dans une couche 10 détectrice en superréseaux d'antimoniure de gallium - arséniure d'indium. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape préalable de croissance épitaxiale d'une couche à base d'antimoine adaptée à la formation des photodiodes infrarouges, ladite croissance étant réalisée sur un support épitaxial à base de d'antimoniure d'indium InSb ou d'antimoniure de gallium GaSb, et l'épaisseur de la couche épitaxiale étant telle que l'étape d'amincissement d'épaisseur élimine la totalité du support épitaxial. 6. Capteur de rayonnement infrarouge comportant une pluralité de photodiodes infrarouges (9) dans une couche active (1) comportant de l'antimoine, ladite couche active ayant une première face et une seconde face et chaque photodiode étant en contact sur la seconde face avec un circuit de lecture (13) via une connexion conductrice (11) et recevant le rayonnement infrarouge via la première face, caractérisé en ce qu'une tranche (5) de matériau optiquement transparent au rayonnement infrarouge est collé sur ladite première face, ledit matériau optiquement transparent ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la couche active à plus ou moins 20%. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé 30 en ce que le collage est réalisé par adhésion moléculaire. 8. Capteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la couche active est composée 35 d'antimoniure d'indium ou d'un super-réseau d'antimoniurede gallium-arséniure d'indium. 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche active est une couche créée par 5 croissance épitaxiale. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le matériau transparent est de l'arséniure de gallium ou du 10 germanium.