Brevet FR3011198A1 — publié le 20150403

Procédé de formation d'un empilement de matériaux différents, et dispositif comprenant l'empilement Des modes de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention concernent la formation d'empilements de matériaux différents, par exemple dans les circuits intégrés, en particulier pour la formation de filtres optiques 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 ou infrarouge, et qui sont utilisés dans des dispositifs imageurs. Les dispositifs imageurs comprennent généralement un ensemble de pixels ayant chacun une zone photosensible semiconductrice disposée sous un filtre optique intégré, par exemple un filtre coloré. On pourra notamment utiliser des groupes de pixels avec des filtres rouges, verts et bleus, de manière à former des motifs de Bayer bien connus de l'homme du métier. Les filtres optiques destinés à ne laisser passer qu'une seule couleur comprennent généralement un filtre organique coloré par des pigments. Ces filtres ont pour inconvénient de ne pas être suffisamment robustes, et de ne pas pouvoir être utilisés pour les longueurs d'ondes de l'infrarouge. Ces filtres ont également pour inconvénient d'être dégradés lorsqu'ils sont exposés à des températures qui dépassent 200°C. Il a donc été proposé des alternatives aux filtres colorés par des pigments. On connaît de l'état de la technique antérieure des filtres optiques comprenant des couches métalliques dans lesquelles sont formés des motifs ayant des dimensions de l'ordre du nanomètre. On pourra à cet effet se référer au document «Color filter based on a subwavelength patterned metal grating » (Hong-Sik Lee et al., Optics Express, Vol. 15, Issue 23, 2007) qui décrit de tels filtres optiques. On connaît également des filtres optiques résonants pour filtrer une longueur d'onde. Ces filtres optiques résonants comprennent une couche d'un matériau diélectrique généralement disposée entre deux électrodes pour former des filtres. Les caractéristiques des matériaux utilisés pour former les électrodes et la couche de matériau diélectrique déterminent la fréquence de résonnance du résonateur et donc également la longueur d'onde des photos qui peuvent traverser le filtre pour atteindre une zone photosensible disposée sous le filtre. L'effet résonant est notamment obtenu en fonction des variations d'épaisseurs et d'indice de réfraction entre les électrodes et la couche diélectrique. Ces résonateurs peuvent être des filtres destinés à laisser passer les couleurs visibles ou encore les rayonnements infrarouges et ultraviolets. Ils peuvent notamment être disposés au dessus de dispositifs imageurs ou de capteurs tels que des photodiodes avalanche (« Single Photon Avalanche Diode » en langue anglaise). On pourra se référer au document WO 2005/069376 qui décrit un dispositif imageur comprenant des filtres ayant des épaisseurs différentes pour filtrer différentes couleurs. Les filtres décrits dans ce document utilisent des matériaux qui ne sont pas généralement utilisés pour la fabrication des circuits intégrés. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un procédé de formation d'un empilement, et un dispositif comprenant un empilement, l'empilement étant plus robuste en terme notamment de résistance mécanique et de longévité par rapport aux filtres organiques colorés par des pigments, et formé avec des matériaux disponibles habituellement pour la fabrication des circuits intégrés. Les inventeurs ont observé qu'il était possible de former des empilements de couches de cuivre au dessus de couches de nitrure de silicium hydrogéné (Si'NyH), par exemple amorphe, en choisissant les valeurs de paramètres de formation de ces couches, alors que dans l'art antérieur, on ne peut pas former de tels empilements sans voir apparaître de délaminage entre les couches lors de traitements thermiques additionnels. Par ailleurs, l'utilisation de couches barrières comprenant du tantale et du nitrure de tantale et déposées préalablement aux couches de cuivre pour assurer leur adhérence n'est pas possible dans les empilements destinés à former des filtres optiques. Ces couches barrières peuvent en effet produire des interférences dans les filtres optiques multicouches (de type Fabry-Perrot). Selon un aspect, il est proposé un procédé de formation d'un empilement comportant au moins du cuivre au-dessus de nitrure de silicium hydrogéné, par exemple du nitrure de silicium hydrogéné amorphe, le procédé comprenant : - une formation d'une couche de nitrure de silicium hydrogéné ayant au voisinage de sa face supérieure, par exemple dans une épaisseur de l'ordre de 50 nanomètres, un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,8, ou de préférence inférieur à 0,6, - une formation d'une couche d'oxyde de silicium sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné, - une formation d'une couche de cuivre sur la couche d'oxyde de silicium. Lorsqu'une couche de cuivre est formée sur une couche de nitrure de silicium hydrogéné sans utiliser de couche comprenant du tantale ou du nitrure de tantale, on obtient généralement un délaminage sous la contrainte des couches. Pour favoriser l'adhérence de la couche de cuivre, il est apparu qu'il est possible de former une couche d'oxyde de silicium avant de former la couche de cuivre pour favoriser l'adhérence du cuivre. Et il est apparu de manière surprenante qu'on obtenait une adhérence du cuivre sur une couche d'oxyde de silicium formée sur une couche de nitrure de silicium hydrogéné comprenant une quantité élevée d'azote. L'azote permet d'obtenir une couche d'oxyde de silicium par une oxydation atmosphérique, l'oxydation étant mise en oeuvre en attirant des molécules d'eau présentes dans l'atmosphère. L'oxyde de silicium ainsi formé est par exemple non stoechiométrique avec un nombre d'atomes d'oxygène par atome de silicium inférieur à 2. Avec un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube faible, c'est- à-dire inférieur à 0,8 ou de préférence inférieur à 0,6, on obtient une bonne couche d'oxyde de silicium qui permettra à la couche de cuivre d' adhérer. L'homme du métier saura choisir les paramètres de la formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné pour obtenir ces valeurs, par exemple en minimisant le rapport entre la quantité de silane (SiH4) et la quantité d'ammoniac (NH3) utilisés comme gaz précurseurs pour le dépôt. Lorsque l' on forme des couches de nitrure de silicium hydrogéné et par exemple amorphe, on utilise généralement un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. On utilise alors des mélanges de gaz pour former les couches de nitrure de silicium hydrogéné, et ces mélanges peuvent comprendre du silane (SiH4) et de l'ammoniac (NH3). Il est apparu de manière surprenante que la présence élevée d'hydrogène (due aux gaz précurseurs utilisés pour le dépôt) au sein de la couche de nitrure de silicium hydrogéné peut diminuer l'énergie d'adhérence entre la couche de nitrure de silicium hydrogéné et la couche de cuivre. En effet, l'hydrogène qui peut être présent sous la forme de liaisons silicium-hydrogène peut s'échapper sous forme de gaz lorsque l'on élève la température ultérieurement. En diminuant la quantité de liaisons silicium-hydrogène, on empêche donc le délaminage sous contrainte, par exemple lors d'étapes ultérieures de fabrication entraînant des élévations de température. Même s'il est préférable d'avoir un nombre de liaisons silicium-hydrogène nul, il est particulièrement difficile d'obtenir un nombre nul de liaisons à cause des gaz utilisés. Toutefois, on obtient un bon empilement avec un nombre de liaisons inférieur ou égal à 6.1021, voire inférieur ou égal à 0,5.1021 liaisons par centimètre cube. On peut donc former une couche de nitrure de silicium hydrogéné ayant au voisinage de sa face supérieure, par exemple dans une épaisseur de l'ordre de 50 nanomètres, un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur ou égal à 6.1021 liaisons par centimètre cube, ou de préférence inférieur ou égal à 0,5.1021 liaisons par centimètre cube. L'homme du métier saura choisir les paramètres de la formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné pour réduire le nombre de liaisons silicium-hydrogène, notamment les proportions des gaz utilisés, la pression dans la chambre de dépôt ainsi que la puissance utilisée pour ioniser les gaz précurseurs de dépôt. On peut former une couche de nitrure de silicium hydrogéné ayant au voisinage de sa face supérieure, par exemple dans une épaisseur de l'ordre du nanomètre, des contraintes mécaniques en compression ayant une intensité en valeur absolue supérieure ou égale à 1GPa. L'empilement obtenu est ainsi plus robuste, car il supporte des augmentations de contraintes induites par des élévations de température. En effet, le cuivre et le nitrure de silicium hydrogéné ont des coefficients de dilatation thermique différents. Lors d'une élévation de température, la couche de nitrure de silicium hydrogéné peut supporter les contraintes mécaniques liées à la dilatation du cuivre sans qu'un délaminage n'apparaisse. L'utilisation d'une couche de nitrure de silicium hydrogéné ayant des contraintes mécaniques en compression élevées est particulièrement avantageuse pour les empilements disposés dans des circuits intégrés pour lesquels des étapes de fabrication ultérieures peuvent être mises en oeuvre avec des élévations de température. Il convient également de noter que l'on utilise ici des matériaux utilisés classiquement dans les étapes de fabrication des circuits intégrés. La formation de l'empilement peut comprendre en outre une formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné au-dessus d'une couche inférieure de cuivre. L'homme du métier sait former une couche de nitrure de silicium hydrogéné sur du cuivre. En formant également une couche de cuivre au-dessus de la couche de nitrure de silicium hydrogéné, on peut obtenir deux électrodes de cuivre séparées par du nitrure de silicium hydrogéné pour former un filtre optique résonant. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif comprenant un empilement comportant : - une couche de nitrure de silicium hydrogéné ayant au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,8, ou de préférence inférieur à 0,6, - une couche d'oxyde de silicium sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné, - une couche de cuivre sur la couche d'oxyde de silicium. La couche de nitrure de silicium hydrogéné peut avoir au voisinage de sa face supérieure un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur ou égal à 6.1021 liaisons par centimètre cube, ou de préférence inférieur ou égal à 0,5.1021. La couche de nitrure de silicium hydrogéné peut avoir au voisinage de sa face supérieure des contraintes mécaniques en compression ayant une intensité en valeur absolue supérieure ou égale à 1GPa. L'empilement peut comprendre en outre une couche inférieure de cuivre située sous la couche de nitrure de silicium hydrogéné. L'empilement peut former un filtre optique résonnant. Selon un autre aspect, il est proposé un imageur comprenant le dispositif décrit ci-avant. On obtient ainsi un dispositif imageur formé simplement avec peu de matériaux différents et notamment pas de couches d'accroche comprenant du tantale ou du nitrure de tantale. 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'exemple non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 4 illustrent différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de formation d'un empilement, et un empilement selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un empilement initial EI de couches destiné à être complété avec au moins une couche de cuivre. A titre indicatif, cet empilement initial peut être situé dans un circuit intégré en cours de fabrication. L'empilement initial EI comprend, sur un support SUP, une couche inférieure de cuivre CUINF sur laquelle on a formé une couche de nitrure de silicium hydrogéné NI. Le support SUP peut être une plaque utilisée en microélectronique, ou encore une région au sein d'un circuit intégré comme une région d'interconnexion bien connue de l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon de « BEOL : Back End Of Line ». La couche inférieure de cuivre peut avoir une épaisseur par exemple comprise entre 5 et 50 nanomètres et la couche de nitrure de silicium hydrogéné peut avoir une épaisseur par exemple comprise entre 5 nanomètres et plusieurs centaines de nanomètres. La formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné peut être mise en oeuvre par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. On pourra notamment utiliser un mélange de silane et d'ammoniac pour former cette couche. Les paramètres de l'étape de formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné NI doivent être choisis de manière à obtenir une couche ayant, au voisinage de sa face supérieure (par exemple sur une épaisseur de 50 nanomètres), un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube au moins inférieur à 0,8, et de préférence un nombre de liaisons silicium-hydrogène au moins inférieur ou égal à 6.1021 liaisons par centimètre cube, et. Aussi, bien que cela ne soit pas obligatoire, il est préférable de former une couche de nitrure de silicium hydrogéné NI présentant au voisinage de sa surface (par exemple dans le dernier nanomètre) des contraintes mécaniques en compression ayant une intensité dont la valeur absolue est au moins supérieure à 1 GPa. On pourra vérifier ces paramètres par une mesure par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (pour des dépôts pleine plaque), ou par spectrométrie de masse à ionisation secondaire à temps de vol (« ToF SIMS ») ou encore par microscopie électronique associée à une analyse dispersive en énergie (« EDX ») localement. Avec un nombre élevé d'atomes d'azote, on peut former une couche d'oxyde de silicium par oxydation atmosphérique, comme illustré sur la figure 2 dans laquelle une couche d'oxyde de silicium OX a été formée directement sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné NI. La couche d'oxyde de silicium peut avoir une épaisseur faible, par exemple de l'ordre de 1 à 3 nanomètres. On pourra mesurer l'épaisseur de cette couche après sa formation par exemple en étudiant une coupe de l'empilement et en mettant en oeuvre un procédé de microscopie électronique en transmission. On peut ensuite former, par dépôt chimique en phase vapeur, une couche supérieure de cuivre CUSUP au-dessus de la couche d'oxyde de silicium (figure 3). Comme on peut le constater sur la figure 3, on obtient un empilement final EF dans lequel la couche de cuivre est déposée sans couche d'accroche, et directement sur une couche fine d'oxyde de silicium OX au-dessus d'une couche de nitrure de silicium hydrogéné NI. Cet empilement final EF incorporé au sein d'un dispositif, tel qu'un imageur, comporte : - une couche de nitrure de silicium hydrogéné NI ayant au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,8, - une couche d'oxyde de silicium OX sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné, - une couche de cuivre CUSUP sur la couche d'oxyde de silicium. Selon un aspect, l'invention trouve application dans les imageurs comprenant des filtres résonnants métalliques. Sur la figure 4, on a représenté de manière schématique un imageur intégré comprenant une pluralité de zones photosensibles PS, par exemple des jonctions de photodiodes à avalanche. Les zones photosensibles PS peuvent être formées dans un substrat SUB en silicium. Au-dessus du substrat SUB, on a formé une partie d'interconnexion ITC de type « BEOL ». Dans cette partie d'interconnexion ITC, on a formé, au-dessus de chaque zone photosensible PS, un filtre optique résonant FIL. Chaque filtre FIL peut comprendre un empilement similaire à l'empilement EF décrit en se référant à la figure 3. On obtient donc un filtre optique formé uniquement avec des matériaux facilement utilisables pour la fabrication des circuits intégrés. On peut noter que la couche d'oxyde de silicium formée au dessus du nitrure de silicium hydrogéné est suffisamment peu épaisse (entre 1 et 5 nanomètres par oxydation atmosphérique) pour qu'elle ne produise pas d'interférences optiques dans le filtre formé, contrairement aux couches de tantale ou nitrure de tantale qui diminuent la transmission des photons. Il convient de noter qu'il n'est pas nécessaire de disposer de couches formant des barrières autour des couches de cuivre pour empêcher la diffusion des atomes de cuivre. Selon un aspect, on obtient un procédé permettant de former une couche de cuivre adhérente au-dessus d'une couche de nitrure de silicium hydrogéné, par exemple amorphe, en utilisant peu de matériaux différents. On obtient également la possibilité de former des filtres optiques simplement avec des matériaux usuels utilisables pour la fabrication des circuits intégrés. REVENDICATIONS1. Procédé de formation d'un empilement (EF) comportant au moins du cuivre au-dessus de nitrure de silicium hydrogéné, le procédé comprenant : - une formation au dessus d'un support, d'une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) ayant au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,8, - une formation d'une couche d'oxyde de silicium (OX) sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné, - une formation d'une couche de cuivre (CUSUP) sur la couche d'oxyde de silicium. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on forme une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) ayant au voisinage de sa face supérieure un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur ou égal à 6.1021 liaisons par centimètre cube. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on forme une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) ayant au voisinage de sa face supérieure des contraintes mécaniques en compression ayant une intensité en valeur absolue supérieure ou égale à 1GPa. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on forme une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) ayant au voisinage de sa face supérieure un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur à 0,5.1021 liaisons par centimètre cube. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on forme une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) ayant au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la formation de l'empilement comprend en outre une formation de la couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) au-dessus d'une couche inférieure de cuivre (CUINF) supportée par ledit support. 7. Dispositif comprenant un empilement (EF) comportant : - un support, - une couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) au dessus du support, ayant au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,8, - une couche d'oxyde de silicium (OX) sur la couche de nitrure de silicium hydrogéné, - une couche de cuivre (CUSUP) sur la couche d'oxyde de silicium. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) a au voisinage de sa face supérieure un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur ou égal à 6.1021 liaisons par centimètre cube. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) a au voisinage de sa face supérieure des contraintes mécaniques en compression ayant une intensité en valeur absolue supérieure ou égale à 1GPa. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) a au voisinage de sa face supérieure un nombre de liaisons silicium-hydrogène inférieur ou égal à 0, 5.1021 liaisons par centimètre cube. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel la couche de nitrure de silicium hydrogéné (NI) a au voisinage de sa face supérieure un rapport du nombre d'atomes de silicium par centimètre cube sur le nombre d'atomes d'azote par centimètre cube inférieur à 0,6. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel l'empilement (EF) comprend en outre une coucheinférieure de cuivre (CUINF), sur le support, située sous la couche de nitrure de silicium hydrogéné. 13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel l'empilement forme un filtre optique résonnant (FIL). 14. Imageur comprenant le dispositif selon la revendication 13.