Brevet FR2966976A1 — publié le 20120504

NAGEUR MONOLITHIQUE MULTISPECTRAL VISIBLE ET INFRAROUGE Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des capteurs d'image, et plus précisément des imageurs multi spectraux visible et infrarouge, fonctionnant dans des conditions de nuit ou de faible niveau de lumière. État de la technique Un capteur d'image permet de produire un signal électronique correspondant point par point à une scène observée. La figure 1 illustre, de façon io schématique, en coupe, une structure simplifiée d'un capteur d'image à « pixels actifs » ou APS, en technologie CMOS de l'art antérieur (APS du terme usuel anglais « Active Pixel Sensor »). Chaque pixel comprend une partie optique 10 assemblée sur un substrat 11. Le substrat 11 comprend un circuit de lecture 12 et une photodiode 13 formée 15 dans une couche en silicium 14. Les circuits de lecture 12 sont reliés aux photodiodes 13 et entre eux à l'aide d'interconnexions 15 qui sont formées au-dessus de la couche 14 dans une couche d'un matériau électriquement isolant 16, comme la silice. La partie optique 10 comprend des microlentilles 17, qui focalisent le 20 rayonnement incident sur les photodiodes 13 respectives, et une matrice de filtres en résines colorées 18 en correspondance avec la matrice formée par les photodiodes 13. La matrice de filtres comprend des filtres 18-R, 18-V et 18-B correspondant respectivement aux couleurs élémentaires, rouge, vert, et bleu. Actuellement, les capteurs APS, même à bas coût, permettent d'obtenir une 25 image couleur de grande qualité. Cependant quelques imperfections subsistent encore. En effet, les résines colorées utilisées dans les capteurs APS ne sont pas denses. Par conséquent, une épaisseur assez importante, de l'ordre du micromètre est nécessaire pour un filtrage performant des couleurs élémentaires. 30 Or, la taille des pixels des capteurs d'image récents est aussi de l'ordre du micromètre. Cette dimension de pixel pose un problème lié à l'effet d'ombrage qui apparaît lorsque le rayonnement arrive à la surface du capteur avec un grand angle incident. Dans ces conditions, les photons traversent un filtre et finissent leur trajectoire dans la photodiode associée au filtre voisin. Le problème lié à l'épaisseur des résines colorées ralentit considérablement la miniaturisation des capteurs d'image. L'utilisation de résines colorées souffre aussi de son incapacité à filtrer l'infrarouge. De ce fait, il est nécessaire d'ajouter au-dessus de l'ensemble du capteur d'image un filtre supplémentaire pour éliminer la composante infrarouge du rayonnement. Les capteurs APS rencontrent un autre problème lié à une dégradation de la qualité d'image dans des conditions de nuit ou de faible niveau de lumière. Pour pallier ce problème le recours à la détection en proche infrarouge est fréquent. La réponse spectrale des photodiodes dépend principalement du choix du matériau semi-conducteur photosensible dans lequel elles sont formées. Les photons ne sont absorbés par le matériau semi-conducteur photosensible que si leur énergie est supérieure à la largeur de la bande interdite. Cette dernière correspond à l'énergie qu'un électron doit absorber, sous la forme d'un photon, afin qu'il puisse quitter la bande de valence vers la bande de conduction. L'électron devient ainsi mobile : c'est un électron photo-généré. Le matériau semi-conducteur le plus utilisé pour la réalisation des capteurs d'image est le silicium. Toutefois, pour la détection de longueurs d'onde au-delà du visible, l'utilisation d'une couche très épaisse de silicium est nécessaire. Le silicium reste néanmoins transparent pour des longueurs d'onde au-delà du micromètre, et ne peut être utilisé comme un matériau de détection des rayonnements infrarouges. Pour une détection au-delà d'un micromètre de longueur d'onde, on choisit des matériaux semi-conducteurs ayant une largeur de la bande interdite plus faible que celle du silicium, comme le germanium ou l'arséniure d'indium-gallium (InGaAs). Une couche de 0,5µm d'épaisseur d'InGaAs s'avère suffisante pour absorber 900/0 du flux à 0,9µm de longueur d'onde. Pour absorber le même flux et le convertir en courant électrique, il est nécessaire d'utiliser une couche de 100µm d'épaisseur de silicium. Une couche d'InGaAs peut détecter jusqu'à 1,6µm de longueur d'onde. Pour des capteurs d'imagerie infrarouge, des matériaux semi-conducteurs III-V sont généralement utilisés puisqu'ils ont des capacités de photodétection très intéressantes dans cette gamme de longueur d'onde. Ce type de capteurs comprend une partie en silicium ou en un matériau équivalent servant de base à la technologie CMOS, dans laquelle des circuits de lecture sont réalisés. Un exemple de capteur d'imagerie infrarouge est réalisé en découpant une matrice de photodiodes et de circuits de lecture et en les assemblant selon la technique de puce retournée (« flip chip »). Cependant ce genre de procédé n'est pas adapté à une intégration grande échelle. En effet, un soin particulier doit être apporté au procédé pour résoudre les problèmes d'alignement et les problèmes liés aux contraintes thermo-mécaniques. io Pour atténuer l'impact de ces problèmes, des procédés utilisant un assemblage, à l'aide d'un collage par adhésion moléculaire, peuvent être réalisés. Cet assemblage est décrit, par exemple, dans l'article intitulé « Waferscale 3D integration of InGaAs image sensors with readout circuits », par C. L. Chen et al.- IEEE International Conference on 3D System Integration, 2009, 15 p.1-4. Ce genre de procédé reste néanmoins complexe et souffre d'une diminution du rendement du capteur d'image infrarouge. Aucun matériau semi-conducteur usuel ne permet aujourd'hui de réaliser des photodiodes qui détectent efficacement, à la fois un rayonnement dans la bande du visible et un rayonnement infrarouge. Dans des applications où l'on 20 souhaite traiter à la fois le visible et l'infrarouge, on est contraint de réaliser des capteurs hybrides, comme cela est décrit, par exemple, dans le brevet US5808350. La détection en proche infrarouge, dans ce genre de capteurs, est assurée par une hétérojonction InGaAs/Si. Cette hétérojonction est formée par un collage moléculaire d'une couche d'InGaAs sur une face arrière d'un 25 substrat en silicium. Le substrat en silicium comporte également un détecteur visible et des circuits de lecture formés en face avant. La réalisation d'un tel capteur est complexe. En particulier, la formation d'une hétérojonction InGaAs/Si pour détecter le rayonnement proche infrarouge est difficile à maîtriser. 30 Objet de l'invention Dans certaines applications, on aurait besoin d'un capteur d'image hybride qui permette en outre d'obtenir une image couleur tout en étant facile à réaliser et compact. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un dispositif de détection de rayonnement comprenant une zone photosensible, des circuits de lecture, et des interconnexions en face avant d'un substrat en silicium ; une photodiode infrarouge en un matériau optimisé pour la détection infrarouge assemblée sur s la face avant du substrat en silicium en décalage par rapport à la zone photosensible, et reliée aux circuits de lecture par les interconnexions et un contact métallique débouchant sur la première face du substrat ; et une structure de filtrage de rayonnement infrarouge recouvrant la zone photosensible sans recouvrir la photodiode infrarouge. 10 On prévoit également un procédé comprenant les étapes suivantes : prévoir un substrat en silicium comprenant des zones photosensibles ; prévoir un empilement de couches de photodiode infrarouge à base d'un matériau optimisé pour la détection infrarouge ; assembler l'empilement de couches sur ledit substrat ; graver l'empilement de couches au-dessus des zones 15 photosensibles en laissant subsister un îlot de l'empilement, formant une photodiode infrarouge ; former une structure de filtre interférentiel de rayonnement infrarouge au-dessus des zones photosensibles et des photodiodes infrarouges ; retirer la structure de filtrage au-dessus des photodiodes infrarouges. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 25 - la figure 1 représente de manière schématique, en coupe, un capteur d'image APS selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente de manière schématique, en coupe, un mode de réalisation d'un détecteur de rayonnement selon l'invention ; - les figures 3 à 8 illustrent des étapes successives d'un procédé de 30 réalisation d'un détecteur de rayonnement selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Pour permettre à un même capteur de réaliser une image classique en couleur de grande qualité et une image avec une grande sensibilité en proche infrarouge, il est préférable d'utiliser les matériaux semi-conducteurs les plus adaptés aux différents spectres visés. Il est donc avantageux de tirer profit à la fois des capteurs d'image utilisant la technologie CMOS et des capteurs infrarouge à base d'un matériau semi-5 conducteur convenable, tout en évitant leurs inconvénients. Afin de réaliser une association d'un capteur d'image couleur classique et d'une photodiode infrarouge grande sensibilité, on envisage une intégration hybride, compatible avec la structure CMOS. La figure 2, illustre schématiquement un mode de réalisation d'un détecteur de 10 rayonnement qui tend à satisfaire ces contraintes. Il est basé sur un capteur classique du type de la figure 1. Ainsi, le dispositif comprend des éléments semblables à ceux illustrés à la figure 1, désignés par des mêmes références. On retrouve notamment une structure CMOS comprenant un substrat silicium 11 dans lequel sont formés des circuits de lecture 12, et des interconnexions 15 15. On retrouve également les pixels associés aux trois couleurs élémentaires, comprenant chacun une photodiode 13 réalisée dans le substrat 11. La partie optique comprenant les microlentilles et les filtres en résine 18 de la figure 1 est remplacée par une structure de filtres interférentiels 18', décrite plus en détail ultérieurement. 20 On entend par trois couleurs élémentaires, trois voies de décomposition spectrale nécessaires à la reproduction des couleurs. Pour chaque groupe de trois pixels couleur, la structure CMOS de la figure 2 comprend un quatrième pixel 19, incomplet dans la structure CMOS. Ce pixel est incomplet en ce que sa photodiode 13 est inopérante. Le pixel peut même 25 être dépourvu de cette photodiode 13. Ce pixel forme un pixel infrarouge avec les éléments décrits ci-après. Un îlot 21 est disposé sur la couche diélectrique d'interconnexion 16, localement au niveau du pixel infrarouge 19. Cet îlot, formant une photodiode infrarouge, est réalisé en utilisant un procédé mesa. Il s'agit ici d'une 30 photodiode PIN (du terme usuel anglais « Positive Intrinsic Negative diode ») qui comporte une couche d'un matériau semi-conducteur photosensible intrinsèque 22 adapté aux infrarouges, interposée entre une couche en matériau semi-conducteur 23 dopé p et une couche en matériau semi- conducteur 24 dopé n. La couche 24 est recouverte par une couche de métallisation 25 de prise de contact de cathode. La prise de contact d'anode est réalisée par une ligne métallique étroite 28 formée dans une couche 29 en matériau diélectrique transparent au rayonnement incident. La couche 29 est disposée au-dessus de la photodiode 21 et des filtres interférentiels 18'. Les matériaux semi-conducteurs des couches 23 et 24 peuvent êtres identiques ou de natures différentes. De préférence, les couches 23 et 24 sont en phosphure d'indium (InP). De préférence, le matériau photosensible 22 est un matériau semi-conducteur ayant une largeur de la bande interdite inférieure à 0,8 eV. Ici, le matériau 22 est en alliage d'arséniure de gallium et d'indium (InGaAs) déposé par épitaxie sur la couche en InP 23 dopé p. La couche 25 et la ligne 28 sont, par exemple, en Cu ou en Ti/Au. La ligne 28 peut également être remplacée par une couche métallique transparente telle que l'Oxyde d'Indium à l'Etain (ITO) ou l'oxyde de zinc (ZnO). Cette couche conductrice transparente peut être localement retirée au-dessus du pixel infrarouge pour améliorer la transparence vers ce pixel infrarouge. Dans le pixel 19, l'une des interconnexions 15 (correspondant à celle qui sert dans chaque autre pixel à prendre le contact avec sa photodiode 13) est en contact avec la couche métallique 25 de la photodiode 21. Ce contact est réalisé par l'intermédiaire d'une métallisation de contact 15-IR à la surface du substrat 11. La photodiode infrarouge 21 est ainsi reliée à son circuit de lecture 12 en technologie CMOS. L'ensemble des photodides infrarouge 21 est également relié collectivement à la prise de contact d'anode au moyen de la ligne conductrice 28. Cette ligne conductrice est elle-même reliée à un potentiel positif qui polarise l'ensemble des photodiodes infra rouge. Afin de palier les problèmes liés aux filtres en résine, le dispositif détecteur de rayonnement selon l'invention comprend une structure de filtres interférentiels 18' adjacente à la photodiode infrarouge 21, c'est-à-dire recouvrant les photodiodes CMOS 13 de spectre visible. Les filtres interférentiels sont, par exemple, semblables à ceux décrits dans le brevet FR2904432. Ils sont formés par un empilement comprenant une alternance d'au moins deux couches métalliques 26 et d'au moins deux couches diélectriques 27. Les couches métalliques peuvent être en argent (Ag) et les couches diélectriques peuvent être en nitrure de silicium (Si3N4). En plus de filtrer la composante infrarouge du rayonnement incident, caractéristique souhaitée pour la détection dans le spectre visible, les filtres interférentiels 18' peuvent également décomposer un rayon lumineux en couleurs élémentaires. De ce fait, le dispositif représenté à la figure 2 peut comporter trois filtres interférentiels 18'-R, 18'-V et 18'-B correspondant à trois couleurs élémentaires. Les filtres 18' sont disposés, dans ce cas, au-dessus de trois photodiodes associées (13). L'épaisseur des filtres interférentiels infrarouge 18' est moins importante que celle des filtres en résine. De ce fait, les filtres interférentiels 18' contribuent avantageusement à la miniaturisation des capteurs d'image selon l'invention. Comme cela est visible à la figure 2, la photodiode infrarouge 21 et les filtres 18' ont une surface exposée au rayonnement incident dans un même plan. Cet agencement du filtre interférentiel et de la photodiode infrarouge facilite l'atténuation de l'effet d'ombrage provoqué par les angles d'incidence obliques du rayonnement loin du centre du capteur. En effet, la photodiode infrarouge 21 peut être repositionnée comme on repositionne classiquement les filtres par rapport aux photodiodes 13 pour compenser l'incidence oblique du rayonnement. Les figures 3 à 8 illustrent des étapes successives d'un procédé de réalisation 20 d'un détecteur de rayonnement selon l'invention. La figure 3 représente une structure de départ 30 entièrement réalisée en technologie CMOS, correspondant aux éléments réalisés dans les couches 14 et 16 de la figure 2. On distingue un circuit de lecture 12-1 associé à une photodiode de spectre visible 13, et un circuit de lecture 12-2 associé à la future 25 photodiode infrarouge. La structure CMOS 30 comporte également le contact métallique 15-IR disposé à la surface du substrat en silicium 11, servant à relier la future photodiode infrarouge à son circuit de lecture 12-2. À la figure 4, un empilement 40 de photodiode infrarouge est assemblé sur la 30 structure CMOS 30. Comme cela est représenté à la figure 2, cet empilement comprend de préférence une couche intrinsèque 22 d'InGaAs déposée par épitaxie sur un substrat en InP 23 de type p. 2966976 s Il est connu que les substrats en InP sont, d'un point de vue mécanique, fragiles. De ce fait, ils ne sont disponibles, en général, qu'en plaquettes de 2 ou 3 pouces. Ce sont des dimensions de plaquettes différentes de celles des plaquettes de silicium comprenant des capteurs d'image classiques. Dans ces 5 conditions, il est souhaitable de découper les plaquettes comprenant l'empilement de la photodiode infrarouge avant l'étape d'assemblage. Les plaquettes sont découpées par puces correspondant aux dimensions des capteurs à réaliser. Ainsi, l'ensemble du capteur est, à la figure 4, recouvert par l'empilement 40. Par ailleurs, afin de simplifier la réalisation de l'empilement 40, 10 la métallisation 25, servant de contact de cathode aux futures photodiodes infrarouges, est déposée « pleine plaque » elle s'étend ainsi sur l'ensemble de la face inférieure de l'empilement 40, et ne définit pas encore des photodiodes infrarouges individualisées. L'assemblage de l'empilement 40 sur la structure CMOS 30 s'effectue de 15 manière que la couche de métallisation 25 soit en contact avec la face avant de la structure 30 et par la même occasion avec le contact métallique 15-IR. Cet assemblage est réalisé, de préférence, à l'aide d'un collage métal/métal classique. L'assemblage peut être réalisé par tout moyen permettant de rendre solidaire l'empilement de la photodiode infrarouge avec la structure 30 en assurant une connexion électrique entre le contact métallique 15-IR et la couche de métallisation 25. A la figure 5, une grande partie du substrat en InP est éliminée, par exemple par CMP (du terme usuel anglais « chemical-mechanical planarization »). Pour limiter l'épaisseur et les effets d'ombrage associés, uniquement une fine couche d'InP 23 dopé p subsiste au-dessus de la couche d'InGaAs 22. Comme illustré à la figure 6, un pixel visible 60 et un pixel infrarouge 19 sont formés à la surface du substrat de silicium. Les pixels 60 et 19 sont formés par gravure de l'empilement 40. La gravure permet de délimiter un îlot formant la photodiode infrarouge 21. L'empilement 40 est retiré au-dessus de la photodiode visible 13 par cette même gravure. Le pixel visible 60 peut alors être exposé à un rayonnement incident à la face avant du substrat de silicium. Le fait d'assembler l'empilement 40 avant la formation de la photodiode infrarouge 21 simplifie le procédé de réalisation. On s'affranchit également des problèmes d'alignement qui peuvent apparaître lors d'un assemblage d'une photodiode infrarouge finalisée au substrat de silicium. A la figure 7, on forme un filtre interférentiel infrarouge 18' au-dessus des pixels. Afin de faciliter le procédé de réalisation, le filtre interférentiel 18' est formé sur toute la face avant de la structure de la figure 6. En effet, il est plus facile d'effectuer une élimination sélective d'un matériau qu'un dépôt sélectif du même matériau. Ainsi, la photodiode infrarouge 21 est recouverte par le filtre 18' qui la rend inutilisable à ce stade. À la figure 8 on procède à une élimination sélective du filtre 18' au-dessus de la photodiode infrarouge 21. L'élimination du filtre 18' peut être réalisée par gravure ou toute autre technique connue. De préférence, l'élimination est effectuée par planarisation mécano-chimique (CMP). Pour réaliser la prise de contact métallique d'anode 28, on dépose une couche de diélectrique 29. A l'aide d'une étape de photolithographie suivie d'une gravure de la couche 29, on définit l'emplacement de la ligne 28 et d'un espace permettant un accès à la photodiode infrarouge 21. Ensuite, une étape de remplissage par un métal est effectuée afin de former la ligne métallique 28. La ligne 28 peut être réalisée par le procédé « damascène » ou tout autre moyen connu. Un contact métallique supérieur, non représenté à la figure 8, est relié à la ligne 28. Il est ensuite ramené en bord du pixel infrarouge pour être relié à un des plots d'interconnexion 15. Après un polissage mécano-chmique (CMP) de la couche 29 et le dépôt d'un matériau de planarisation transparent au rayonnement incident, on pourra, le cas échéant, former des microlentilles au-dessus des pixels 19 et 60. Le dispositif de détection de rayonnement réalisé permet avantageusement de tirer profit, en temps réel, de l'apport d'une détection infrarouge grande sensibilité dans la réalisation d'une image. Le procédé de réalisation du dispositif selon l'invention est simple et compatible avec la technologie CMOS. De ce fait, le détecteur de rayonnement selon l'invention bénéficie des avantages de la technologie CMOS pour réaliser une image classique couleur et pour multiplexer le courant d'électrons photo-générés par la photodiode infrarouge et les circuits de détection. L'utilisation des filtres interférentiels permet à la fois, de décomposer la composante visible du rayonnement incident en couleurs élémentaires et de filtrer la composante infrarouge. Ce genre de s filtre participe avantageusement à simplifier la réalisation du détecteur de rayonnement. Bien que l'on ait décrit la réalisation de quelques pixels incluant un pixel infrarouge, les techniques décrites ici s'appliquent à la réalisation d'un capteur matriciel comprenant des millions de pixels infrarouges et visibles (couleur ou io noir et blanc). REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de rayonnement comprenant une zone photosensible (13), des circuits de lecture (12-1), et des interconnexions (15, 15-IR) en face avant d'un substrat en silicium (11), caractérisé en ce qu'il comprend : - une photodiode infrarouge (21) en un matériau optimisé pour la détection infrarouge (22) assemblée sur la face avant du substrat en silicium (11), en décalage par rapport à la zone photosensible (13), et reliée aux circuits de lecture (12-2) par les interconnexions (15) et un contact métallique (15-IR) débouchant sur la face avant du substrat (11) ; et - une structure de filtrage de rayonnement infrarouge (18') recouvrant la zone photosensible (13) sans recouvrir la photodiode infrarouge (21). 2. Dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel la structure de filtrage de rayonnement infrarouge (18') a une caractéristique spectrale de transmission correspondant à une des trois voies de décomposition nécessaires à la reproduction des couleurs. 3. Dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 2, dans lequel trois structures de filtrage de rayonnement infrarouge (18'-R, 18'-V, 18'-B) correspondant aux trois voies de décomposition nécessaires à la reproduction des couleurs recouvrent chacune une zone photosensible (13) associée comprise dans le substrat en silicium (11). 4. Dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel le matériau optimisé pour la détection infrarouge (22) est un matériau ayant une largeur de la bande interdite inférieure à 0,8 eV. 5. Dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel la photodiode infrarouge (21) et la structure de filtrage de rayonnement infrarouge (18') sont dans un même plan. 6. Dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel la structure de filtrage de rayonnement infrarouge (18') est formée à partir d'un empilement comprenant une alternance de couches métalliques (26) et de couches diélectriques (27). 11 7. Procédé de réalisation d'un dispositif de détection de rayonnement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - prévoir un substrat en silicium (11) comprenant des zones photosensibles (13) ; ^ prévoir un empilement de couches (40) de photodiode infrarouge, à base d'un matériau optimisé pour la détection infrarouge (22) ; - assembler l'empilement de couches (40) sur ledit substrat (11) ; - graver l'empilement de couches (40) au-dessus des zones photosensibles (13) en laissant subsister un îlot de l'empilement, formant une photodiode infrarouge (21) ; - former une structure de filtre interférentiel de rayonnement infrarouge (18') au-dessus des zones photosensibles (13) et des photodiodes infrarouges (21) ; et - retirer la structure de filtrage (18') au-dessus des photodiodes infrarouges (21). 8. Procédé de réalisation d'un dispositif de détection de rayonnement selon la revendication 7 dans lequel un contact métallique (15-IR) est formé à la surface du substrat (11) de manière que, lors de l'étape d'assemblage, le contact métallique relie la photodiode infrarouge (21) à un circuit de lecture (12-2) réalisé dans ledit substrat.