Brevet FR2989518A1 — publié le 20131018

B11647 - 11-GR3-0884FR01 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN CAPTEUR D'IMAGE À SURFACE COURBE Domaine de l'invention La présente invention concerne des capteurs d'image intégrés à surface courbe et, plus particulièrement, un procédé de fabrication de tels capteurs d'image. Exposé de l'art antérieur Un capteur d'image intégré comprend un grand nombre de cellules élémentaires ou pixels qui sont agencés en matrice en surface d'un substrat semiconducteur. La surface du capteur d'image est généralement plane. Pour focaliser l'image vers le capteur, un système optique est placé en regard du capteur d'image. La figure 1 illustre, de façon schématique, un capteur d'image plan et un système optique de focalisation permettant une acquisition d'une image de bonne qualité. En figure 1, on a représenté un capteur d'image 10 ainsi que le système optique 12 qui lui est associé. Comme on le voit dans cette figure, pour qu'une image placée à l'infini et légèrement inclinée par rapport à l'axe optique du système soit correctement détectée par le capteur d'image 10, le système optique 12 intègre un grand nombre de dispositifs optiques élémentaires 14. Dans l'exemple représenté, le système optique 12 comprend six dispositifs optiques élémentaires 14 (par B11647 - 11-GR3-0884FR01 2 exemple des lentilles), qui ne seront pas décrits ici plus en détail. Les dispositifs optiques élémentaires 14 permettent de focaliser l'ensemble des rayons lumineux incidents passant au travers d'un diaphragme 16 en direction du capteur d'image 10, mais également de corriger des aberrations géométriques et chromatiques, notamment des aberrations liées au fait que le capteur d'image 10 présente une surface plane. En effet, des images à l'infini, susceptibles d'être détectées par un capteur d'image, sont naturellement focalisées non pas dans un plan mais sur une surface courbe. Le système optique associé au capteur de la figure 1 est donc particulièrement complexe pour prendre en compte le fait que le capteur d'image est plan. Un besoin existe donc pour des capteurs d'image à surface courbe. La figure 2 illustre schématiquement l'optique associée à un capteur d'image dont la surface générale est courbe. En figure 2, un capteur d'image 20 de surface courbe régulière, dont le centre de courbure est situé côté éclairement du capteur, est illustré schématiquement. Un système optique 22 permet de focaliser l'ensemble des rayons lumineux incidents passant au travers d'un diaphragme 16 en direction du capteur d'image 20. Comme cela est illustré en figure 2, du fait de la courbure du capteur 20, le système optique 22 est moins complexe que le système optique 12 illustré en figure 1, et comprend seulement trois dispositifs optiques élémentaires 24. Pour obtenir un capteur d'image de surface courbe, il a été proposé de former des pixels de capteur d'image en surface d'une membrane fine puis de positionner la membrane fine sur un support de forme courbe. Pour améliorer la capacité de déformation de la membrane, une structuration de celle-ci peut être prévue, en fin de procédé, autour de blocs constitués d'un grand nombre de pixels. Cependant, des structurations de B11647 - 11-GR3-0884FR01 3 membrane réalisées par gravure en fin de procédé de fabrication présentent des interfaces de mauvaise qualité qui ne peuvent être restaurées, les procédés de restauration de parois étant réalisés à des températures élevées associées à des traitements de type implantation ionique et/ou oxydation des parois. Ceci implique que des pixels du capteur proches des régions gravées pendant la structuration peuvent être inutilisables. Un autre inconvénient des procédés connus est qu'ils prévoient une étape de report d'une membrane souple sur un support courbe de forme adaptée. Ceci implique un nombre d'étapes de fabrication importantes, et donc un coût de fabrication non négligeable. Ainsi, un besoin existe d'un procédé de fabrication d'un capteur d'image intégré dont la surface est courbe, 15 palliant tout ou partie des inconvénients des procédés connus. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'un capteur d'image courbe, ainsi que le capteur obtenu. 20 Plus particulièrement, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé assurant le fonctionnement de l'ensemble des pixels. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'image, 25 comprenant les étapes successives suivantes : former des colonnes en un matériau semiconducteur ; former un ou plusieurs pixels à une première extrémité de chacune des colonnes ; et déformer la structure de telle sorte que les deuxièmes extrémités de chacune des colonnes se rapprochent ou s'écartent 30 pour former une surface en forme de calotte polyédrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de formation des colonnes comprend une étape de définition, dans un substrat semiconducteur s'étendant sur un support semiconducteur avec interposition d'une couche isolante, 35 de tranchées traversantes délimitant les colonnes. B11647 - 11-GR3-0884FR01 4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de formation des colonnes comprend une étape de définition, dans un substrat semiconducteur massif, de tranchées délimitant les colonnes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les colonnes présentent des dimensions en surface du substrat inférieures à 10 pin. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre, après l'étape de formation des 10 tranchées, une étape de remplissage des tranchées d'un matériau isolant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre, avant l'étape d'application d'une contrainte, une étape d'élimination du matériau isolant. 15 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape d'élimination du matériau isolant est suivie d'une étape de remplissage des tranchées d'un matériau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre, après l'étape de formation des 20 colonnes, une étape de formation d'un empilement d'interconnexion du côté de la première extrémité des colonnes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre, après l'étape de formation d'un empilement d'interconnexion, une étape de report d'une poignée 25 puis d'élimination du support semiconducteur et de la couche isolante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de report d'une poignée sur l'empilement d'interconnexion est précédée d'une étape de formation, sur l'empi- 30 lement d'interconnexion, d'une couche d'un matériau susceptible de se déformer sans fracture. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de report d'une poignée sur l'empilement d'interconnexion est précédée d'une étape de gravure d'une cavité en 35 surface de la poignée, la cavité étant définie et positionnée de B11647 - 11-GR3-0884FR01 façon à coïncider, lors du report, avec l'ensemble de la surface définie par les colonnes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape de formation des colonnes est suivie d'une étape de 5 restauration des parois des colonnes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les colonnes sont formées par une gravure par plasma, par plasma pulsé, ou de type gravure ionique réactive. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un capteur d'image intégré comprenant des colonnes de matériau semiconducteur sur une première extrémité desquelles sont formés un ou plusieurs pixels, les deuxièmes extrémités de chacune des colonnes se rejoignant ou s'écartant pour former une surface en forme de calotte polyédrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les colonnes présentent des dimensions en surface du substrat inférieures à 10 pin. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 20 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1 et 2, précédemment décrites, illustrent des systèmes optiques associés à des capteurs d'image dont la 25 surface générale est, respectivement, plane et courbe ; les figures 3 à 11 illustrent des résultats d'étapes d'un procédé de fabrication d'un capteur d'image selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 12 et 13 illustrent des résultats d'étapes 30 d'une variante d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 14 illustre un résultat d'étape d'une variante d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de la présente invention. B11647 - 11-GR3-0884FR01 6 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des capteurs d'image intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée On prévoit ici un procédé de fabrication d'un capteur d'image courbe palliant tout ou partie des inconvénients des procédés connus. Les figures 3 à 11 illustrent des résultats d'étapes d'un tel procédé de fabrication. A une étape illustrée en figure 3, on part d'une structure comprenant un substrat de silicium supérieur 30 qui s'étend sur un support de silicium 34 avec interposition d'une couche isolante 32 (structure plus connue sous l'acronyme anglais SOI). A titre d'exemple, la couche isolante 32 peut être en oxyde de silicium ou encore être constituée d'un empilement de plusieurs matériaux isolants, par exemple un empilement oxyde-nitrure-oxyde de silicium (empilement ON0). Le substrat de silicium 30 a, typiquement, une épaisseur comprise entre 2 et 10 lm. A une étape ultérieure illustrée en figures 4A et 4B, on a réalisé un ensemble de tranchées 36 qui s'étendent, à partir de la surface du substrat de silicium 30, jusque dans la couche isolante 32. La figure 4A est une vue en coupe du dispositif obtenu et la figure 4B est une vue de dessus de celui-ci. Les tranchées 36 sont définies jusqu'à atteindre la couche de matériau isolant 32, ou à traverser complètement 30 celle-ci, de façon que seules des colonnes 38 du substrat de silicium 30 restent dans une région du substrat. La surface des colonnes 38 forme des zones actives du capteur d'image dans lesquelles sont définies les structures élémentaires du capteur. En vue de dessus, les colonnes 38 B11647 - 11-GR3-0884FR01 7 forment des ilots au milieu des tranchées 36, par exemple régulièrement répartis en matrice. Les surfaces des colonnes 38 sont prévues, par la suite, pour recevoir un unique pixel ou un faible nombre de pixels du capteur. On prévoit ici un nombre maximal de pixels par zone active de l'ordre de 5x5. Ainsi, les colonnes 38 présentent des dimensions, en surface du substrat, inférieures à 10 pin . De préférence, les tranchées 36 présentent une largeur réduite, par exemple inférieure à 0,5 gm, par exemple de l'ordre de 0,2 gm. Les tranchées 36 peuvent être formées par une gravure sous plasma, sous plasma pulsé, ou encore une gravure ionique réactive (plus connue sous l'acronyme RIE). De telles gravures sont avantageusement compatibles avec la réalisation de tranchées à fort facteur de forme, c'est-à-dire présentant des largeurs faibles sur une profondeur importante. Une fois la gravure des tranchées 36 réalisée, on prévoit une étape de restauration des parois des colonnes 38. En effet, les techniques de gravure permettant de définir des tranchées à fort facteur de forme telles que les tranchées 36 ne permettent pas d'obtenir des parois parfaitement lisses et de bonne qualité. Ainsi, on prévoit une étape de restauration des parois des colonnes 38, consistant par exemple en une oxydation des parois puis en une gravure de l'oxyde formé sur celles-ci. On peut ensuite prévoir, pour réaliser une passivation électrique, de réaliser une implantation de dopants sur les parois des colonnes 38. Une activation de l'implantation est ensuite réalisée, consistant en un recuit de la structure à une température élevée, par exemple de l'ordre de 800°C. On notera que de telles étapes de restauration et d'activation ne pourraient être réalisées en fin de procédé de fabrication du capteur d'image, les températures mise en oeuvre lors de ces étapes provoquant des déformations et dégradations d'une structure finie. B11647 - 11-GR3-0884FR01 8 Pour finaliser la restauration des tranchées 36, un recuit sous hydrogène peut être enfin réalisé pour passiver et stabiliser les défauts résiduels à la surface des parois des colonnes 38. A l'étape illustrée en figure 5, on a rempli des tranchées 36 d'un matériau isolant 40, par exemple un oxyde tel que de l'oxyde de silicium. Le matériau 40 peut également être constitué d'une première couche fine d'un oxyde qui recouvre le contour des tranchées 36, le volume restant dans les tranchées 36 étant ensuite rempli d'un autre matériau, par exemple du silicium polycristallin. La figure 6 illustre, en vue en coupe, un agrandis- sement de la surface d'une colonne 38 et des régions en matériau isolant 40 qui l'entourent (région 42 en figure 5). A l'étape illustrée en figure 6, on forme, dans chacune des colonnes 38 définies dans le substrat 30, un ou plusieurs pixels du capteur d'image. Dans l'exemple de la figure 6, un seul pixel est schématiquement représenté dans la région supérieure d'une colonne 38. Dans cet exemple qui n'est en aucun cas limitatif, le pixel est constitué d'une zone de photo-détection et de collecte de charges 44, d'une grille isolée 46 formée en surface de la colonne 38 et d'une zone de lecture 48. D'autres éléments peuvent bien entendu être formés dans chacune des colonnes 38 en fonction du type de pixel que l'on considère. A l'étape illustrée en figure 7, on a formé, en surface du substrat 30, un ensemble de niveaux d'interconnexion comprenant des pistes et vias conducteurs 50 isolés par un matériau isolant 52. Les pistes et vias conducteurs 50 sont prévus pour connecter les différents éléments des pixels du capteur d'image entre eux et, par exemple, à un système d'exploitation de l'information photodétectée. A l'étape illustrée en figure 8, on a formé, en surface de l'empilement d'interconnexion 52, une couche 54 en un matériau susceptible de se déformer sans fracture. A titre 35 d'exemple, la couche 54 peut être un silicium polycristallin. B11647 - 11-GR3-0884FR01 9 D'autres matériaux seront proposés par la suite pour cette couche. Ensuite, on a reporté une poignée 56, par exemple en un matériau semiconducteur, sur la couche 54. La poignée 56 peut être une tranche de silicium massif, et permet de maintenir le dispositif tandis que des étapes de fabrication sont réalisées sur la face arrière du capteur d'image. A l'étape illustrée en figure 9, on a éliminé le support de silicium 34 ainsi que la couche isolante 32. Cette étape d'élimination étant relativement classique, elle ne sera pas décrite plus en détail ici. La face arrière du dispositif est ainsi située au niveau de la face inférieure du substrat de silicium 30, et les extrémités des colonnes 38 opposées aux zones actives sont accessibles. A l'étape illustrée en figure 10, on a éliminé, depuis la face arrière du dispositif, le matériau isolant 40 qui s'étend dans les tranchées 36. Une fois cette étape réalisée, on peut prévoir de réaliser une étape de découpe du dispositif pour former des capteurs d'image élémentaires qui seront utilisés ensuite individuellement. A l'étape illustrée schématiquement en figure 11, on a appliqué une contrainte sur l'ensemble du dispositif de façon à le courber, la face arrière de celui-ci ayant une forme courbe en creux. Du fait du dimensionnement proposé ci-dessus les faces arrière de chacune des colonnes 38 se rapprochent, jusqu'à se rejoindre si besoin, de façon à ce que la face arrière du dispositif, du fait de la déformation, présente une surface définissant une calotte polyédrique en creux. Avantageusement, la formation de la couche 54 permet d'éviter la formation de fractures dans le reste du dispositif. On notera que le procédé proposé ici est également compatible avec d'autres procédés permettant d'améliorer la déformation de l'empilement de niveaux d'interconnexion 52, ainsi que de la poignée 56. A titre de variante, l'étape de déformation du 35 dispositif pour le courber pourra être réalisée tandis que le B11647 - 11-GR3-0884FR01 10 matériau isolant 40 est toujours présent, si ce matériau est adapté à se déformer, par exemple si on prévoit de former dans les tranchées une fine couche de matériau isolant puis de remplir le reste des tranchées de silicium polycristallin. Les figures 12 et 13 illustrent une variante de réalisation du procédé décrit ci-dessus. La figure 12 illustre une étape réalisée après l'étape d'élimination du matériau isolant de la figure 10. Dans le cas de la figure 12, les ouvertures définies par gravure du matériau isolant 40 sont remplies d'un matériau 60 adapté à absorber une contrainte mécanique, par exemple du silicium polycristallin. D'autres exemples de matériaux 60 seront décrits ci-après. A l'étape illustrée en figure 13, on a courbé, de la même façon que dans l'étape de la figure 11, l'ensemble des 15 dispositifs. On obtient ainsi un dispositif présentant, en face arrière, une courbure similaire à la courbure du dispositif de la figure 11, les colonnes 38 étant séparées par le matériau 60. La figure 14 illustre un résultat d'une étape d'une autre variante du procédé de fabrication proposé ici, obtenu 20 après l'étape illustrée en figure 7. Dans le cas de la figure 14, on reporte une poignée 62 directement sur l'empilement d'interconnexion 52, et non pas par l'intermédiaire d'une couche 54. La poignée 62 est prévue de façon à avoir, sur sa face 25 reportée en surface de l'empilement d'interconnexion 52, une cavité profonde définie en regard au moins de l'ensemble des colonnes 38. A une étape ultérieure, l'ensemble des colonnes 38 ainsi que l'empilement d'interconnexion 52 se trouvent courbés 30 en direction de la cavité 64 définie dans la poignée 62. On obtient ainsi un dispositif dans lequel seule une portion de l'ensemble constitué du substrat de silicium 30 et de l'empilement d'interconnexion 52 est courbée, au niveau des pixels du capteur d'image, et en saillie dans la cavité 64. Les 35 faces arrière des colonnes 38 se rapprochent, voire se B11647 - 11-GR3-0884FR01 11 rejoignent, comme précédemment, de façon à former une surface définissant une calotte polyédrique en creux. On notera que la variante de réalisation de la figure 14 est également compatible avec l'étape de remplissage des 5 tranchées formées lors de l'élimination du matériau isolant 40 décrite en relation avec les figures 12 et 13. Avantageusement, les procédés proposés ici permettent d'obtenir des capteurs d'image dont le rayon de courbure est relativement faible, inférieur à 10 mm, voir inférieur à 5 mm, 10 sans provoquer de fractures dans le substrat de silicium 30. En outre, la définition des tranchées 36 autour de chaque pixel du capteur d'image ou d'un faible nombre de pixels du capteur d'image assure la formation d'un capteur complet présentant une courbure uniforme sur l'ensemble du capteur. 15 Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les matériaux proposés ici ne sont pas limitatifs, notamment en ce qui concerne les matériaux des régions 54 et 60. 20 En effet, bien que l'on ait décrit ici des tranchées 36 laissées vide ou remplies de silicium polycristallin (matériau 60), les tranchées 36 pourront également être remplies d'oxyde de silicium (SiO2), d'une association d'oxyde de silicium et de silicium polycristallin (l'oxyde étant déposé sur 25 les parois des tranchées, le silicium polycristallin remplissant l'espace restant dans les tranchées), d'une association d'un oxyde et de métal tel que du cuivre ou de l'aluminium. Les tranchées 36 pourront également être remplies d'un polymère, le dépôt de polymère étant réalisé avant l'étape de courbure du 30 dispositif. Les matériaux ci-dessus pourront également être utilisés pour former la couche 54 si désiré. On notera en outre que, bien que les tranchées 36 ont été décrites comme définissant des colonnes 38 de section carrée et verticales, on pourra prévoir des formes différentes des 35 tranchées 36 de façon que les sections des colonnes 38 soient de B11647 - 11-GR3-0884FR01 12 forme polygonale, adaptée à la formation d'un polyèdre lors de la courbure du dispositif en fin de procédé. On pourra également prévoir des colonnes de section rectangulaire, en fonction de la courbure souhaitée en fin de procédé. Les colonnes pourront également présenter d'autres formes, par exemple coniques ou bombées, selon le mode de gravure utilisé pour les définir. En outre, bien que le substrat 30 et le support 34 aient été décrits ici comme étant en silicium, on pourra également prévoir un substrat 30 et un support 34 en un autre matériau que le silicium. On pourra également remplacer le substrat de type SOI proposé ici par un substrat massif : dans ce cas, les tranchées 36 sont définies en surface d'un substrat massif à l'étape de la figure 4A, et l'amincissement réalisé à l'étape de la figure 9 est prévu pour découvrir le fond des tranchées 36. En outre, si désiré, la contrainte appliquée aux étapes des figures 11 ou 13 pourra être telle que le dispositif se courbe à l'inverse de ce qui a été représenté, c'est-à-dire de façon que les colonnes 38 s'écartent pour présenter une forme générale en polyèdre bombé. Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un capteur d'image, comprenant les étapes successives suivantes : former des colonnes (38) en un matériau semiconducteur ; former un ou plusieurs pixels à une première extrémité de chacune desdites colonnes (38) ; et déformer la structure de telle sorte que les deuxièmes extrémités de chacune desdites colonnes se rapprochent ou s'écartent pour former une surface en forme de calotte 10 polyédrique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de formation des colonnes (38) comprend une étape de définition, dans un substrat semiconducteur (30) s'étendant sur un support semiconducteur (34) avec interposition d'une couche 15 isolante (32), de tranchées traversantes (36) délimitant lesdites colonnes. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de formation des colonnes (38) comprend une étape de définition, dans un substrat semiconducteur massif, de tranchées 20 délimitant lesdites colonnes (38). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les colonnes (38) présentent des dimensions en surface du substrat (30) inférieures à 10 pin. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 25 à 4, comprenant en outre, après l'étape de formation des tranchées, une étape de remplissage des tranchées d'un matériau isolant (40). 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre, avant l'étape d'application d'une contrainte, une étape 30 d'élimination du matériau isolant (40). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape d'élimination du matériau isolant (40) est suivie d'une étape de remplissage des tranchées (36) d'un matériau (60).B11647 - 11-GR3-0884FR01 14 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre, après l'étape de formation des colonnes (38), une étape de formation d'un empilement d'interconnexion (50, 52) du côté de la première extrémité des colonnes (38). 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre, après l'étape de formation d'un empilement d'interconnexion (50, 52), une étape de report d'une poignée (56, 62) puis d'élimination du support semiconducteur (32) et de la couche isolante (34). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape de report d'une poignée (56) sur l'empilement d'interconnexion (50, 52) est précédée d'une étape de formation, sur l'empilement d'interconnexion, d'une couche d'un matériau susceptible de se déformer sans fracture (54). 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape de report d'une poignée (62) sur l'empilement d'interconnexion (50, 52) est précédée d'une étape de gravure d'une cavité (64) en surface de la poignée (62), ladite cavité étant définie et positionnée de façon à coïncider, lors du report, avec l'ensemble de la surface définie par les colonnes (38). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'étape de formation des colonnes (38) est suivie d'une étape de restauration des parois des colonnes. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les colonnes (38) sont formées par une gravure par plasma, par plasma pulsé, ou de type gravure ionique réactive. 14. Capteur d'image intégré comprenant des colonnes de matériau semiconducteur (38) sur une première extrémité desquelles sont formés un ou plusieurs pixels, les deuxièmes extrémités de chacune desdites colonnes (38) se rejoignant ou s'écartant pour former une surface en forme de calotte polyédrique.B11647 - 11-GR3-0884FR01 15 15. Capteur d'image selon la revendication 14, dans lequel les colonnes (38) présentent des dimensions en surface du substrat (30) inférieures à 10 pin.