Brevet FR3014245A1 — publié le 20150605

Procédé de formation d'un dispositif intégré à illumination face arrière comprenant un filtre optique métallique, et dispositif correspondant Des modes de réalisation de l'invention concernent les dispositifs imageurs intégrés à illumination face arrière, et en particulier les dispositifs imageurs intégrés comprenant des filtres optiques métalliques destinés à filtrer, c'est-à-dire laisser passer, différents rayonnements lumineux dans une gamme de longueur d'onde désirée, en particulier dans le domaine visible, UV ou infrarouge. Les dispositifs imageurs illumination face arrière comprennent généralement un ensemble de pixels ayant chacun une zone photosensible semi-conductrice disposée dans un substrat supportant au dessus de sa face avant un réseau d'interconnexion (du type « BEOL : Back End Of Line » selon une expression anglo-saxonne bien connue de l'homme du métier) et des filtres optiques disposés en dessous de la face arrière du substrat en regard des zones photosensibles. Contrairement aux dispositifs à illumination face avant, la lumière ne traverse pas de région de type BEOL avant d'arriver dans les zones photosensibles. On obtient ainsi une plus grande quantité de lumière détectée par rapport aux dispositifs connus selon l'art antérieur à illumination face avant. Les filtres optiques destinés à ne laisser passer qu'une seule couleur comprennent généralement un filtre organique coloré par des pigments. Ces filtres laissent passer le rayonnement infrarouge, et il faut généralement leur adjoindre un filtre infrarouge supplémentaire pour des applications d'imagerie visible. Les filtres colorés par des pigments ont aussi pour inconvénient de ne pas être suffisamment robustes, et de ne pas pouvoir être utilisés pour les longueurs d'ondes de l'infrarouge. Par ailleurs, un imageur multicolore nécessitera un nombre d'étapes de photolithographie proportionnel au nombre de types de filtres colorés à réaliser. Ces filtres ont également pour inconvénient d'être dégradés lorsqu'ils sont exposés à des températures qui dépassent 200°C. D'autre part, les filtres interférentiels (dits multicouches) permettent également de réaliser des capteurs d'images, mais ne se limitent pas aux longueurs d'onde du visible et peuvent donc être utilisés pour des applications UV ou infrarouge. Leur structure multicouches les rend cependant chers et plus difficiles à intégrer du fait du nombre important d'étapes de dépôt nécessaires et de l'épaisseur totale de l'empilement, pouvant dépasser le micron et réduisant ainsi l'intérêt d'une structure à illumination par la face arrière. Il a donc été proposé des alternatives aux filtres colorés par des pigments et aux filtres interférentiels multicouches. On connaît de l'état de la technique antérieure des filtres optiques comprenant une ou plusieurs couches métalliques dans lesquelles des motifs sont formés ayant des dimensions de l'ordre de la dizaine ou de la centaine de nanomètres. Par filtre optique métallique, on entend un filtre métallique comprenant des motifs (trous ou plots) par exemple périodiques pour filtrer des longueurs d'ondes. Ces filtres sont communément appelés filtres plasmoniques. On pourra à cet effet se référer au document « Light in tiny holes » (C. Genet et T. W. Ebbesen, Nature 445, pages 39-46, 4 January 2007) qui décrit la transmission de lumière par des trous nanométriques. On pourra également se référer au document « Structural Colors: From Plasmonic to Carbon Nanostructures » (Ting Xu et al, Small Volume 7, Issue 22, pages 3128-3136, November 18, 2011) qui décrit des filtres comprenant des motifs métalliques nanométriques pour filtrer différentes couleurs, notamment avec des motifs périodiques. Les filtres décrits dans ces deux articles sont des filtres en tant que tels, qui une fois réalisés, sont fixés sur un support. Enfin, on pourra se référer au document US 2003/0103150 qui divulgue des filtres métalliques du type présenté ci-avant qui sont formés par les mêmes étapes de fabrication que les lignes des niveaux de métallisation des circuits intégrés qui comprennent ces filtres. Les filtres décrits dans ce document ont donc la même épaisseur que les niveaux de métallisation, et ils comprennent le même matériau métallique que les lignes des niveaux de métallisation. Les filtres métalliques obtenus dans ce dernier document peuvent ne pas être adaptés pour filtrer la lumière de manière satisfaisante. En effet, les lignes métalliques de niveaux de métallisation ont une hauteur donnée qui peut être de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres ou de l'ordre du micromètre, et la formation de motifs est limitée par les contraintes de photolithographie et de remplissage par du métal (notamment lors de procédés dits « Damascène »). Ainsi, la solution du document US 2003/0103150 ne permet pas de choisir précisément les dimensions des motifs qui formeront des filtres. Généralement, on forme les éléments métalliques de niveaux de métallisation entre des couches de nitrure de silicium (SIN) ou de carbure-nitrure de silicium (SICN). Ces couches de nitrure de silicium ou de carbure-nitrure de silicium se retrouvent donc, dans la solution exposée dans le document US 2003/0103150 de part et d'autre des filtres métalliques, ce qui nuit aux propriétés optiques des filtres métalliques. Enfin, les filtres décrits dans ce document US 2003/0103150 ne peuvent être implémentés qu'à l'intérieur de la partie d'interconnexion du BEOL et le procédé décrit dans ce document n'est pas adapté à la formation de tels filtres au sein d'un dispositif imageur à illumination face arrière. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé de former facilement des filtres optiques métalliques au sein de dispositifs imageurs à illumination face arrière et qui présentent de bonnes propriétés optiques. Selon un aspect, il est proposé un procédé de formation d'un dispositif imageur intégré à illumination face arrière comprenant au moins une première zone photosensible dans un substrat et une région diélectrique en dessous d'une face arrière du substrat et de la première zone photosensible. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le procédé comprend une formation d'un premier filtre optique métallique comprenant un motif métallique dans ladite région diélectrique en dessous de la première zone photosensible. Ainsi, le filtre métallique formé est situé dans une région diélectrique, qui ne comprend aucun niveau de métallisation, et il est possible de former le filtre sans mettre en oeuvre toutes les étapes relatives à la formation d'un niveau de métallisation. On peut ainsi former un filtre dont les paramètres sont plus facilement sélectionnés. En outre, on peut noter que le filtre obtenu est situé à l'intérieur d'une région diélectrique, et il est donc particulièrement proche du substrat comprenant la zone photosensible. Il est notamment plus proche du substrat qu'un filtre à pigment assemblé sur une face libre d'un support. Enfin, il convient de noter que parce que le filtre n'est pas formé en même temps que des niveaux de métallisation, il n'est pas encapsulé dans des couches barrière ou encore dans des couches de nitrure de silicium ou de carbure-nitrure de silicium. De ce fait, le filtre obtenu a de bonnes propriétés optiques. Le procédé peut comprendre en outre une formation d'un deuxième filtre optique métallique en dessous d'une deuxième zone photosensible du substrat distincte de la première zone photosensible. On peut former le premier filtre optique métallique avec un premier métal dans ou sur une région diélectrique initiale, on peut former une région diélectrique intercalaire en dessous de la région diélectrique initiale et du premier filtre optique métallique, et on peut former le deuxième filtre optique métallique avec un deuxième métal différent du premier métal dans ou sur la région diélectrique intercalaire. On peut ainsi choisir pour chaque filtre optique un métal adapté au filtrage d'une longueur d'onde, chaque filtre étant formé à un niveau ayant une hauteur distincte des plans à partir desquels on forme des niveaux de métallisation. Ces plans correspondant à la surface libre de la région diélectrique initiale après sa formation et à la surface libre de la région diélectrique intercalaire après sa formation. On peut noter qu'il est possible de former une région diélectrique supplémentaire. La région diélectrique comprend alors la région diélectrique initiale, la région diélectrique intercalaire, et la région diélectrique supplémentaire. On peut également noter que c'est parce qu'une région diélectrique intercalaire est formée, pour décaler verticalement les deux filtres, qu'il est possible d'utiliser des métaux différents pour ces deux filtres. Le premier métal peut être du cuivre et le deuxième métal peut être de l'aluminium. Alternativement, le premier métal peut être de l'aluminium et le deuxième métal du cuivre. Les inventeurs ont observé que pour le filtrage de certaines couleurs, on obtient une meilleure transmission de la longueur d'onde à laisser passer, et une meilleur rejection des autres longueurs d'onde, avec un métal bien choisi. En particulier, le cuivre est bien adapté pour laisser passer la couleur rouge ou proche infrarouge, et l'aluminium pour la couleur verte et la couleur bleue. Comme indiqué ci-avant, c'est parce que les filtres sont disposés à des niveaux distincts qu'il est possible d'utiliser des métaux différents. On peut former au moins quatre filtres optiques métalliques pour former un motif de Bayer, les filtres optiques métalliques des pixels verts et du pixel bleu comprenant de l'aluminium, et le filtre optique rouge comprenant du cuivre. D'autres types de matrice peuvent être aisément réalisés suivant ce même procédé en intégrant par exemple des pixels infrarouge ou UV. On obtient ainsi un meilleur dispositif imageur avec notamment une meilleure restitution des couleurs en utilisant un motif de Bayer. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif imageur intégré à illumination face arrière comprenant au moins une première zone photosensible dans un substrat et une région diélectrique en dessous d'une face arrière du substrat et de la première zone photosensible. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le dispositif comprend un premier filtre optique métallique comportant un motif métallique dans ladite région diélectrique en dessous de la première zone photosensible. Le dispositif peut comprendre en outre un deuxième filtre optique métallique en dessous d'une deuxième zone photosensible du substrat distincte de la première zone photosensible. Le premier filtre optique métallique peut comprendre un premier métal et être situé dans ou sur une région diélectrique initiale, le dispositif pouvant comprendre en outre une région diélectrique intercalaire en dessous de la région diélectrique initiale et du premier filtre optique métallique, le deuxième filtre optique métallique pouvant comprendre un deuxième métal différent du premier métal et être situé dans ou sur la région diélectrique intercalaire. Le premier métal peut être du cuivre et le deuxième métal peut être de l'aluminium. Le dispositif peut comprendre au moins quatre filtres optiques métalliques pour former un motif de Bayer, les filtres optiques métalliques des pixels verts et du pixel bleu comprenant de l'aluminium, et le filtre optique rouge comprenant du cuivre. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 6 illustrent de manière schématique différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif imageur selon l' invention. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif imageur à illumination face arrière IMG comportant un substrat SUB ayant une face avant FF et une face arrière BF. Le substrat SUB comporte une région semi-conductrice en silicium RSC au sein de laquelle on a formé des zones photosensibles ZP1 et ZP2. Les zones photosensibles ZP1 et ZP2 peuvent être des photodiodes et le dispositif imageur IMG est alors un dispositif du type CMOS à illumination face arrière. Pour séparer les zones photosensibles ZP1 et ZP2, on a formé des tranchées d'isolation profondes TIP du type « DTI : Deep Trench Insulation », selon une expression anglo-saxonne bien connue de l'homme du métier. Le dispositif IMG comprend en outre un transistor TR de type MOS formé sur la face avant FF du substrat SUB. Au dessus de la face avant FF du substrat SUB, on a formé une région d'interconnexion ITC de type BEOL. Le substrat SUB comporte par ailleurs sous la région semiconductrice RSC une couche d'oxyde OX, par exemple en dioxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium NS qui forment une région antireflet, et la face arrière du substrat BF est obtenue sous cette couche de nitrure de silicium NS. Sous le substrat SUB, à partir de sa face arrière BF, on a formé une région diélectrique initiale RDI, par exemple en dioxyde de silicium. On peut noter qu'une région diélectrique initiale RDI fine permet de rapprocher les filtres qui seront formées dans ou sur cette région diélectrique initiale des zones photosensibles, ce qui permet de limiter le phénomène bien connu de l'homme du métier sous l'expression anglo-saxonne « cross-talk », notamment dans le cas des résines organiques. Les filtres métalliques étant directement intégrés au-dessus de la couche antireflet, ou même pouvant servir eux-mêmes d'antireflet, le phénomène de cross-talk est réduit quelle que soit l'épaisseur des filtres. L'épaisseur de la région diélectrique initiale RDI n'est pas contrainte comme tel est le cas dans le cas des résines pigmentées. L'épaisseur de cette région peut alors être comprise entre 20nm et 500nm sans conséquences optique ou électrique sur le dispositif. Alternativement, il est possible de former une région diélectrique initiale RDI comprenant de l'oxynitrure de silicium (SixOyNz). On pourra choisir la stoechiométrie de l'oxynitrure de silicium pour que son indice de réfraction soit proche de celui du dioxyde de silicium. L'utilisation d'une couche d'oxynitrure de silicium peut permettre d'utiliser cette couche en tant que couche d'arrêt de gravure lors de la formation ultérieure d'autres filtres, et ainsi d'obtenir un bon contrôle de l'épaisseur de ces autres filtres. Comme illustré sur la figure 2, des cavités CV peuvent être formées dans la région diélectrique initiale RDI, depuis sa face libre, sous le substrat et sous la zone photosensible ZP1. La formation des cavités CV peut comprendre une étape de photolithographie et une étape de gravure. Les cavités CV délimitent le motif métallique formé ultérieurement pour obtenir un filtre optique métallique. On peut noter que les dimensions des cavités CV sont choisies en fonction de l'application, et que ce choix est plus facile que pour les filtres optiques métalliques formés dans une région d'interconnexion, par exemple les filtres décrits dans le document US 2003/0103150. En effet, les filtres de ce document US 2003/0103150 ont la même épaisseur que les niveaux de métallisation (typiquement de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres, ce qui est épais) ce qui limite les choix possibles de dimensions latérales pour les filtres obtenus. Les cavités CV de la figure 2 sont ensuite remplies par un matériau métallique, par exemple du cuivre, pou obtenir un premier filtre optique métallique FIL1 (figure 3) situé dans la région diélectrique initiale RDI, sous le substrat SUB et sous la zone photosensible ZP1. On peut noter que par le vocable « dans », on entend ici que le premier filtre optique métallique FIL1 s'étend dans la région diélectrique initiale depuis sa face libre. La formation du filtre FIL1 peut comprendre un dépôt de cuivre par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (« PVD : Physical Vapor Deposition ») et un retrait, par exemple par polissage mécano-chimique, du cuivre résiduel à l'extérieur des cavités CV décrites en se référant à la figure 2. Pour former un deuxième filtre optique métallique avec un métal différent du cuivre, on forme une région diélectrique intercalaire RDE en dessous de la région diélectrique initiale RDI, comme illustré sur la figure 4. La région diélectrique intercalaire RDE peut comprendre du dioxyde de silicium. On peut ensuite former un deuxième filtre optique métallique FIL2 sur cette région diélectrique intercalaire RDE, c'est-à-dire sur la face libre de cette région donc en dessous de cette région (figure 5). Le deuxième filtre optique métallique FIL2 est formé en regard de la zone photosensible ZP2, et comprend de l'aluminium. Alternativement, on peut former un filtre qui s'étend dans la couche intercalaire. A titre d'exemple, si la région diélectrique initiale comporte de l'oxynitrure de silicium, les filtres peuvent s'étendre jusqu'à cette couche qui sert de couche d'arrêt de gravure. Enfin, comme illustré sur la figure 6, on peut former une région diélectrique supplémentaire RDS sous la région diélectrique intercalaire pour encapsuler le deuxième filtre optique métallique FIL2. Une lentille LEN est ensuite formée sous la région diélectrique supplémentaire RDS. On obtient ainsi un dispositif imageur intégré à illumination face arrière IMG comprenant une première zone photosensible ZP1 dans un substrat SUB et une région diélectrique RD (qui comprend la région diélectrique initiale RDI, la région diélectrique intercalaire RDE et la région diélectrique RDS) en dessous d'une face arrière BF du substrat et de la première zone photosensible, qui comprend un premier filtre optique métallique FIL1 comprenant un motif métallique dans ladite région diélectrique RD en dessous de la première zone photosensible ZP1. Le dispositif imageur IMG comprend en outre un deuxième filtre optique métallique FIL2 en dessous d'une deuxième zone photosensible ZP2 du substrat distincte de la première zone photosensible ZP1. Le premier filtre optique métallique FIL comprend un premier métal, du cuivre, et est situé dans une région diélectrique initiale RDI, le dispositif comprenant en outre une région diélectrique intercalaire RDE en dessous de la région diélectrique initiale RDI et du premier filtre optique métallique FIL1, le deuxième filtre optique métallique FIL2 comprenant un deuxième métal, de l'aluminium, et est situé sur la région diélectrique intercalaire RDE. Selon un aspect, l'invention n'est pas limitée aux dispositifs imageurs comprenant deux types de filtres. Il est possible de former un nombre plus grand de filtres différents au sein d'un même dispositif imageur intégré à illumination face arrière, par exemple pour former des motifs de Bayer. Selon un autre aspect, on obtient plus facilement des filtres optiques métalliques, ou filtres plasmoniques, comprenant des motifs métalliques aux dimensions les mieux adaptées pour les longueurs d'onde à filtrer. Enfin, selon encore un autre aspect, on obtient de meilleures propriétés optiques, parce que les filtres métalliques peuvent être formés directement dans des régions diélectriques sans couches supplémentaires. REVENDICATIONS1. Procédé de formation d'un dispositif imageur intégré à illumination face arrière comprenant au moins une première zone photosensible (ZP1) dans un substrat (SUB) et une région diélectrique (RD) en dessous d'une face arrière (BF) du substrat et de la première zone photosensible, caractérisé en ce que le procédé comprend une formation d'un premier filtre optique métallique (FIL1) comprenant un motif métallique dans ladite région diélectrique en dessous de la première zone photosensible. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une formation d'un deuxième filtre optique métallique (FIL2) en dessous d'une deuxième zone photosensible (ZP2) du substrat distincte de la première zone photosensible. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on forme le premier filtre optique métallique (FIL1) avec un premier métal dans ou sur une région diélectrique initiale (RDI), on forme une région diélectrique intercalaire (RDE) en dessous de la région diélectrique initiale et du premier filtre optique métallique, et on forme le deuxième filtre optique métallique (FIL2) avec un deuxième métal différent du premier métal dans ou sur la région diélectrique intercalaire. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le premier métal est du cuivre et le deuxième métal est de l'aluminium. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on forme au moins quatre filtres optiques métalliques pour former un motif de Bayer, les filtres optiques métalliques des pixels verts et du pixel bleu comprenant de l'aluminium, et le filtre optique rouge comprenant du cuivre. 6. Dispositif imageur intégré à illumination face arrière comprenant au moins une première zone photosensible (ZP1) dans un substrat (SUB) et une région diélectrique (RD) en dessous d'une face arrière (BF) du substrat et de la première zone photosensible,caractérisé en ce qu'il comprend un premier filtre optique métallique (FIL1) comportant un motif métallique dans ladite région diélectrique en dessous de la première zone photosensible. 7. Dispositif selon la revendication 6, comprenant en outre un deuxième filtre optique métallique (FIL2) en dessous d'une deuxième zone photosensible (ZP2) du substrat distincte de la première zone photosensible. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le premier filtre optique métallique (FIL1) comprend un premier métal et est situé dans ou sur une région diélectrique initiale (RDI), le dispositif comprenant en outre une région diélectrique intercalaire (RDE) en dessous de la région diélectrique initiale et du premier filtre optique métallique, le deuxième filtre optique métallique (FIL2) comprenant un deuxième métal différent du premier métal et étant situé dans ou sur la région diélectrique intercalaire. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le premier métal est du cuivre et le deuxième métal est de l'aluminium. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant au moins quatre filtres optiques métalliques pour former un motif de Bayer, les filtres optiques métalliques des pixels verts et du pixel bleu comprenant de l'aluminium, et le filtre optique rouge comprenant du cuivre.