Brevet FR3100658A1 — publié le 20210312

Dispositif électronique et procédé de fabrication, dans lesquels un premier étage (3) comprend des composants optiques (7) sensibles à la lumière, un deuxième étage (10) comprend des composants électroniques (18) et une couche conductrice de l’électricité (15) s’étendant entre et à distance des composants optiques et des composants électroniques, des connexions électriques (22) destinées à relier les composants optiques et les composants électroniques sont aménagées dans des trous (23) qui traversent des couches diélectriques et la couche intermédiaire conductrice, et des anneaux d’isolation électrique (25) entre les connexions électriques (22) et la couche conductrice (15) sont aménagés autour des connexions électriques (22) et dans l’épaisseur de la couche conductrice (15). Figure pour l’abrégé : Fig 1 Dispositif électronique comprenant des composants optiques et électroniques intégrés et procédé de fabrication La présente invention concerne le domaine de la microélectronique et plus particulièrement le domaine des dispositifs électroniques ou puces électroniques qui comprennent des composants optiques intégrés sensibles à la lumière extérieure, formant des zones de pixels, et des composants électroniques intégrés tels que des transistors généralement situés au-dessous des composants optiques. Il existe une difficulté d’inclure et de faire coexister des connexions électriques, reliant les composants optiques et les composants électroniques, et une couche en une matière conductrice de l’électricité ou plan de masse, de sorte à empêcher, de façon efficace, un couplage capacitif entre les composants optiques et les composants électroniques. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif électronique qui comprend : un premier étage comprenant des composants optiques sensibles à la lumière, un deuxième étage comprenant des composants électroniques et une couche conductrice de l’électricité s’étendant entre et à distance des composants optiques et des composants électroniques, des connexions électriques destinées à relier les composants optiques et les composants électroniques et aménagées dans des trous qui traversent des couches diélectriques et la couche conductrice, et des anneaux d’isolation électrique entre la couche conductrice et les connexions électriques et aménagés autour des connexions électriques et dans l’épaisseur de la couche conductrice. Ainsi, la couche conductrice peut s’étendre jusqu’à proximité des connexions électriques et les anneaux d’isolation électrique peuvent être réduits, de sorte que tout couplage capacitif entre les composants optiques et les composants électroniques peut être évité. Les anneaux d’isolation électrique peuvent être constitués par des portions de la couche conductrice, rendues diélectriques. La couche conductrice peut être en polysilicium dopé et les anneaux d’isolation électrique peuvent être en polysilicium dopé oxydé. Le premier étage peut comprendre successivement, entre une face arrière extérieure et une face avant de montage, une couche de substrat pourvue du côté de la face de montage desdits composants optiques et une couche diélectrique. Le deuxième étage peut comprendre successivement, depuis une face de montage accolée à la face de montage du premier étage, une première couche diélectrique incluant ladite couche conductrice, une couche locale de substrat pourvue desdits composants électroniques et présentant des ouvertures traversantes et une deuxième couche diélectrique comprenant des parties remplissant ces ouvertures traversantes. Lesdites connexions électriques peuvent être aménagées dans des trous qui traversent les couches diélectriques du deuxième étage, en passant au travers des ouvertures de la couche de substrat de ce deuxième étage et à distance des bords de ces ouvertures, la couche conductrice et la couche diélectrique du premier étage, jusqu’à des contacts électriques des composants optiques du premier étage. Le dispositif électronique peut comprendre des connexions électriques aménagées dans des trous qui traversent la deuxième couche diélectrique du deuxième étage, jusqu’à des contacts électriques des composants électroniques du deuxième étage. Le dispositif électronique peut comprendre une couche diélectrique complémentaire incluant un réseau de connexions électriques reliant sélectivement lesdites connexions électriques et des contacts électriques extérieurs aménagés dans une face de la couche diélectrique complémentaire opposée à ladite seconde couche diélectrique. Le dispositif électronique peut comprendre un troisième étage accolé au deuxième étage et incluant des composants électroniques reliés audit réseau de connexions électriques. Il est également proposé un procédé de fabrication d’un dispositif électronique, qui comprend les étapes suivantes : fabriquer un premier étage comprenant successivement, entre une face extérieure et une face de montage, une couche de substrat pourvue du côté de la face de montage de composants optiques sensibles à la lumière et une couche diélectrique, fabriquer, séparément du premier étage, une partie d’un deuxième étage comprenant successivement, entre une face de montage, une première couche diélectrique incluant une couche intermédiaire conductrice de l’électricité, et une couche locale de substrat, assembler le premier étage et ladite partie du deuxième étage en accolant la face de montage du premier étage et la face de montage du deuxième étage, réaliser des composants électroniques sur la couche de substrat du deuxième étage et des ouvertures traversantes au travers de cette couche de substrat, réaliser une deuxième couche diélectrique au-dessus de la couche de substrat du deuxième étage, cette deuxième couche remplissant lesdites ouvertures jusqu’à la première couche diélectrique, réaliser des trous au travers des couches diélectriques du deuxième étage, en passant au travers des ouvertures de la couche de substrat de ce deuxième étage et à distance des bords de ces ouvertures, de la couche conductrice et de la couche diélectrique du premier étage, jusqu’à des contacts électriques des composants optiques du premier étage, réaliser des anneaux d’isolation électrique par une transformation de portions de la couche conductrice, adjacentes aux trous, via lesdits trous, remplir lesdits trous d’une matière conductrice de l’électricité de sorte à former des connexions électriques reliées aux contacts électriques des composants optiques du premier étage. Le procédé peut comprendre : réaliser des trous au travers de la seconde couche diélectrique du deuxième étage jusqu’à des contacts électriques des composants électroniques, remplir ces trous d’une matière conductrice de l’électricité de sorte à former des connexions électriques reliées aux contacts électriques des composants électroniques du deuxième étage. Le procédé peut comprendre : réaliser, au-dessus de la deuxième couche diélectrique du deuxième étage, une couche diélectrique complémentaire incluant des réseaux de connexions électriques reliant sélectivement lesdites connexions électriques et des contacts électriques extérieurs d’une face extérieure de la couche diélectrique complémentaire. Le procédé peut comprendre : monter un troisième étage au-dessus de la couche diélectrique complémentaire du deuxième étage, ce troisième étage, en reliant des composants électroniques de ce troisième étage auxdits réseaux de connexions électriques par l’intermédiaire desdits contacts électriques extérieurs. La couche conductrice peut être en polysilicium dopé et les anneaux d’isolation électrique peuvent être obtenus par oxydation des portions de cette couche, adjacentes auxdits trous. L’oxydation peut être obtenue par oxydation thermique ou plasma. Un dispositif électronique incluant des composants optiques et des composants électroniques va maintenant être décrit à titre d’exemple de réalisation non limitatif, illustré par le dessin dans lequel : représente une coupe d’un dispositif électronique ; et représentent des étapes de fabrication du dispositif électronique de la figure 1. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, un dispositif électronique 1, ou puce électronique, comprend une pluralité de zones adjacentes de pixels 2. Le dispositif électronique 1 comprend un premier étage 3 qui comprend une couche de substrat 4, en silicium, qui présente une face arrière extérieure 5 et une face avant 6 opposée à cette face arrière 5. La face avant 6 de la couche de substrat 4 est pourvue, dans les zones de pixels 2, de composants optiques intégrés 7 qui sont sensibles à la lumière traversant la face arrière 4 de sorte à délivrer des signaux électriques en fonction de la lumière. Le premier étage 3 comprend, au-dessus de la face avant 6, une couche diélectrique d’encapsulation 8, par exemple en oxyde de silicium, qui présente une face avant de montage 9. Le dispositif électronique 1 comprend un deuxième étage 10 qui comprend une couche locale de substrat 11, par exemple en silicium, qui présente une face avant 12 et une face arrière 13 du côté du premier étage 3. Entre la face arrière 13 de la couche de substrat 11 et la face de montage 9 du premier étage 3, le deuxième étage 10 comprend une couche diélectrique 14 au-dessus de la face arrière 13 de la couche de substrat 11, puis une couche intermédiaire conductrice de l’électricité 15, ou plan de masse au-dessus de la couche diélectrique 14, puis une couche diélectrique 16 au-dessus de la couche conductrice 14, cette couche diélectrique 16 présentant une face arrière de montage 17 accolée à la face avant de montage 9 du premier étage 3. Les couches diélectriques 14 et 16 sont par exemple en oxyde de silicium et la couche conductrice 15, ou plan de masse est par exemple en polysilicium dopé. La face avant 12 de la couche de substrat 11 est pourvue, dans les zones de pixels 2, de composants électroniques intégrés 18, incluant des transistors, aménagés sur des portions locales de la couche de substrat 11, cette couche de substrat 11 présentant des ouvertures 19. Il résulte de ce qui précède que la couche conductrice 15 s’étend entre et à distance des composants optiques 7 et des composants électroniques 18. Le deuxième étage 10 comprend, au-dessus de la face avant 12 de la couche de substrat 11, une couche diélectrique d’encapsulation 20, par exemple en oxyde de silicium, cette couche diélectrique 20 remplissant les ouvertures 19 jusqu’à la couche diélectrique 14 et présentant une face avant 21. Le dispositif électronique 1 comprend, dans les zones de pixels 2, une pluralité de connexions électriques 22 qui sont aménagées dans des trous 23 qui s’étendent entre la face avant 21 de la couche diélectrique 20 et des contacts électriques avant 24 des composants électroniques 7 du premier étage 3 et qui traversent la couche diélectrique 20, au travers et à distance des flancs des ouvertures 19 de la couche de substrat 11, la couche diélectrique 16, la couche conductrice 15 et la couche diélectrique 8. Les connexions électriques 22 sont isolées électriquement de la couche conductrice 15 grâce à des anneaux d’isolation électrique 25 qui entourent les connexions électriques 22 et qui sont distincts des couches diélectriques 14 et 16. Les anneaux d’isolation électrique 25 sont aménagés dans l’épaisseur de la couche conductrice 15. En particulier, les anneaux d’isolation électrique 25 sont constitués par des portions locales annulaires réduites de la couche conductrice 15 entourant les connexions électriques 22, ces portions locales étant rendues diélectriques. Par exemple, la couche conductrice 15 étant en polysilicium dopé, les anneaux d’isolation électrique 25 sont en polysilicium dopé oxydé. Le dispositif électronique 1 comprend, dans les zones de pixels 2, une pluralité de connexions électriques 26 qui sont aménagées dans des trous 27 qui s’étendent entre la face avant 21 de la couche diélectrique 20 et des contacts électriques avant 28 des composants électroniques 18 du deuxième étage 3 et qui traversent la couche diélectrique 20. Le deuxième étage 10 du dispositif électronique 1 comprend une couche diélectrique avant 29 au-dessus de la face avant 21 de la couche diélectrique 20. La couche diélectrique avant 29 inclut, dans les zones de pixels 2, des réseaux de connexions électriques 30 configurés de sorte à relier sélectivement les connexions électriques 22 et 25 et des contacts avant extérieurs 31 aménagés dans une face avant 32 de la couche diélectrique avant 29. Plus particulièrement, les réseaux de connexions électriques 30 sont configurés de sorte à assurer, dans les zones de pixels 2, des liaisons électriques entre les composants optiques 7 et les composants électroniques 18, qui convertissent les signaux électriques issus des composants optiques 7, et des liaisons électriques entre les composants électroniques 18 et les contacts électriques avant 31 pour délivrer les signaux électriques convertis. Par ailleurs, la couche conductrice 15 peut être reliée à la masse par des connexions électriques, non représentées, aménagées dans des trous traversant les couches diélectriques 11, 14 et 20 et reliées aux réseaux de connexions électriques 30. Le dispositif électronique comprend en outre un troisième étage 33 non détaillé sur la figure, qui est accolé à la face avant 33 de la couche 29 du second étage 10. Ce troisième étage 33 comprend des composants électroniques, notamment des transistors, qui sont reliés aux contacts électriques 31 et qui sont aptes à traiter les signaux électriques issus de composants électroniques 18 du deuxième étage 10 via les réseaux de connexions électriques 30. Le dispositif électronique 1 peut être fabriqué selon les étapes suivantes. Comme illustré sur la figure 2, on dispose d’une part du premier étage 3 réalisé, la couche diélectrique 8 étant intégrale. Avantageusement, la couche de substrat 4 est épaisse. On dispose d’autre part d’une partie réalisée 10A du deuxième étage 10, cette partie réalisée 10A comprenant la couche de substrat 20 intégrale, non pourvue des ouvertures 19 et non pourvue des composants électroniques 18, la couche diélectrique 14 intégrale, la couche conductrice 15 intégrale et la couche diélectrique 16 intégrale. L’adjectif « intégral » signifie que les couches mentionnées ci-dessus ne sont pourvues d’aucun trou. On assemble le premier étage 3 en accolant la face de montage 9 de la couche diélectrique 8 et la face de montage 17 de la couche diélectrique 16. Après quoi, comme illustré sur la figure 3, on réalise les composants électroniques 18 sur la face avant 12 de la couche de substrat 11 et les ouvertures 19 au travers de la couche de substrat 11, dans cet ordre ou dans l’autre. Après quoi, comme illustré sur la figure 4, on réalise la couche diélectrique 20 au-dessus de la couche de substrat 11, cette couche 20 remplissant les ouvertures 19 de la couche de substrat 11 jusqu’à la couche diélectrique 14. Après quoi, comme illustré sur la figure 5, on réalise les trous 23 et 27, par gravure. Puis, comme illustré sur la figure 6 , on transforme en une matière diélectrique les portions de la couche conductrice 15 adjacentes aux trous 23, via les trous 23. Par exemple, la couche conductrice 15 étant en polysilicium dopé, un gaz d’oxydation est introduit dans les trous 23 de sorte que, par oxydation thermique ou plasma, les portions annulaires entourant les trous 23 de la couche d’oxydation 15 se transforment en polysilicium dopé oxydé diélectrique et forment les anneaux d’isolation électrique 25. Après quoi, comme illustré sur la figure 7, on procède au remplissage des trous 23 et 27 par une matière conductrice de l’électricité de sorte à réaliser les connexions électriques 22 et 26, cette matière étant par exemple du tungstène . Selon une variante de réalisation, d’une part les trous 23 et les connexions électriques 22 les remplissant et d’autre part les trous 27 et les connexions électriques 26 les remplissant peuvent être réalisés selon des étapes distinctes. Après quoi, on réalise la couche diélectrique 29 pourvue des réseaux de connexions électrique 30. On obtient alors le dispositif électronique 1 illustré sur la figure 1, sans le troisième étage 33. Après quoi, on assemble le troisième étage 33 sur la face 32 du deuxième étage 10. Après quoi, on procède à un amincissement arrière de la couche de substrat 4 du premier étage 3, de sorte que la lumière atteigne convenablement les composants optiques 7. Le dispositif électronique 1 peut être fabriqué en mettant en œuvre les moyens et les modes opératoires utilisés couramment dans le domaine de la microélectronique. A titre indicatif, les épaisseurs des différentes couches peuvent être les suivantes. L’épaisseur de la couche de substrat 4 peut être d’environ quatre micromètres. L’épaisseur de la couche diélectrique 8 peut être d’environ deux cent nanomètres. L’épaisseur de la couche de substrat 11 peut être d’environ vingt-cinq nanomètres. L’épaisseur de la couche diélectrique 14 peut être d’environ vingt-cinq nanomètres. L’épaisseur de la couche conductrice 15 peut être d’environ trente nanomètres. L’épaisseur de la couche diélectrique 16 peut être d’environ vingt nanomètres. L’épaisseur de la couche diélectrique 20 peut être d’environ trois cents nanomètres. L’épaisseur de la couche diélectrique 29 incluant les réseaux de connexions électriques 30 peut être d’environ trois micromètres. Il résulte de ce qui précède que le dispositif électronique 1 procure les avantages suivants. La couche conductrice 15 formant un plan de masse, du fait de sa grande surface allant jusqu’à de faibles distances des connexions électriques 22, empêche, de façon efficace, tout couplage capacitif entre les composants optiques 7 et les composants électroniques 18. Les connexions électriques 22 reliant les composants optiques 7 et les composants électroniques 18 sont réalisées au travers uniquement des couches diélectriques 8, 14 et 20 et de la couche conductrice 15. L’isolation électrique entre la couche conductrice 15 et les connexions électriques 22, par l’intermédiaire des anneaux d’isolation électrique 25 résultant d’une transformation locale de la couche conductrice 15 en portions réduites diélectriques, est réalisée simplement via les trous 23, avant le remplissage de ces trous 13 pour l’obtention des connexions électriques 22. Dispositif électronique comprenant un premier étage (3) comprenant des composants optiques (7) sensibles à la lumière, un deuxième étage (10) comprenant des composants électroniques (18) et une couche conductrice de l’électricité (15) s’étendant entre et à distance des composants optiques et des composants électroniques, des connexions électriques (22) destinées à relier les composants optiques et les composants électroniques et aménagées dans des trous (23) qui traversent des couches diélectriques et la couche conductrice, et des anneaux d’isolation électrique (25) entre la couche conductrice (15) et les connexions électriques (22) et aménagés autour des connexions électriques (22) et dans l’épaisseur de la couche conductrice (15). Dispositif électronique selon la revendication 1, dans lequel les anneaux d’isolation électrique (25) sont constitués par des portions de la couche conductrice (15), rendues diélectriques. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la couche conductrice (15) est en polysilicium dopé et les anneaux d’isolation électrique (25) sont en polysilicium dopé oxydé. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : le premier étage (3) comprend successivement, entre une face arrière extérieure (5) et une face avant de montage (9), une couche de substrat (4) pourvue du côté de la face de montage desdits composants optiques (7) et une couche diélectrique (8), le deuxième étage (10) comprend successivement, depuis une face de montage (17) accolée à la face de montage (9) du premier étage (3), une première couche diélectrique (14, 16) incluant ladite couche conductrice (15), une couche locale de substrat (11) pourvue desdits composants électroniques (18) et présentant des ouvertures traversantes (19) et une deuxième couche diélectrique (20) comprenant des parties remplissant ces ouvertures traversantes (19), et lesdites connexions électriques (22) sont aménagées dans des trous (23) qui traversent les couches diélectriques (14, 16, 20) du deuxième étage (10), en passant au travers des ouvertures (19) de la couche de substrat de ce deuxième étage et à distance des bords de ces ouvertures, la couche conductrice (15) et la couche diélectrique (9) du premier étage, jusqu’à des contacts électriques (24) des composants optiques (7) du premier étage (3). Dispositif selon la revendication 4, comprenant des connexions électriques (26) aménagées dans des trous (27) qui traversent la deuxième couche diélectrique (20) du deuxième étage (10), jusqu’à des contacts électriques (24) des composants électroniques (28) du deuxième étage (10). Dispositif selon la revendication 5, comprenant une couche diélectrique complémentaire (29) incluant un réseau de connexions électriques (30) reliant sélectivement lesdites connexions électriques (22, 26) et des contacts électriques extérieurs (31) aménagés dans une face (32) de la couche diélectrique complémentaire (29) opposée à ladite seconde couche diélectrique (20). Dispositif selon la revendication 6, comprenant un troisième étage (33) accolé au deuxième étage et incluant des composants électroniques reliés audit réseau de connexions électriques (30). Procédé de fabrication d’un dispositif électronique comprenant les étapes suivantes : fabriquer un premier étage (3) comprenant successivement, entre une face extérieure et une face de montage, une couche de substrat (4) pourvue du côté de la face de montage de composants optiques (7) sensibles à la lumière et une couche diélectrique (9), fabriquer, séparément du premier étage, une partie (10A) d’un deuxième étage (10) comprenant successivement, entre une face de montage (17), une première couche diélectrique (14, 16) incluant une couche intermédiaire conductrice de l’électricité (15), et une couche locale de substrat (11), assembler le premier étage et ladite partie du deuxième étage en accolant la face de montage (9) du premier étage et la face de montage (17) du deuxième étage, réaliser des composants électroniques (18) sur la couche de substrat (11) du deuxième étage et des ouvertures traversantes au travers de cette couche de substrat, réaliser une deuxième couche diélectrique (20) au-dessus de la couche de substrat du deuxième étage, cette deuxième couche remplissant lesdites ouvertures jusqu’à la première couche diélectrique, réaliser des trous (23) au travers des couches diélectriques (14, 16, 20) du deuxième étage (10), en passant au travers des ouvertures (19) de la couche de substrat de ce deuxième étage et à distance des bords de ces ouvertures, de la couche conductrice (15) et de la couche diélectrique (9) du premier étage, jusqu’à des contacts électriques (24) des composants optiques (7) du premier étage (3), réaliser des anneaux d’isolation électrique (25) par une transformation de portions de la couche conductrice (15), adjacentes aux trous, via lesdits trous, remplir lesdits trous d’une matière conductrice de l’électricité de sorte à former des connexions électriques (22) reliées aux contacts électriques (24) des composants optiques du premier étage. Procédé selon la revendication 8, comprenant : réaliser des trous (27) au travers de la seconde couche diélectrique (20) du deuxième étage jusqu’à des contacts électriques (28) des composants électroniques (18), remplir ces trous d’une matière conductrice de l’électricité de sorte à former des connexions électriques (26) reliées aux contacts électriques (28) des composants électroniques (18) du deuxième étage. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, comprenant : réaliser, au-dessus de la deuxième couche diélectrique (20) du deuxième étage, une couche diélectrique complémentaire (29) incluant des réseaux de connexions électriques (30) reliant sélectivement lesdites connexions électriques et des contacts électriques extérieurs (31) d’une face extérieure (32) de la couche diélectrique complémentaire (29). Procédé selon la revendication 10, comprenant : monter un troisième étage (33) au-dessus de la couche diélectrique complémentaire (29) du deuxième étage, ce troisième étage (33), en reliant des composants électroniques de ce troisième étage auxdits réseaux de connexions électriques (30) par l’intermédiaire desdits contacts électriques extérieurs (31). Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la couche conductrice (15) est en polysilicium dopé et les anneaux d’isolation électrique sont obtenus par oxydation des portions de cette couche, adjacentes auxdits trous (23). Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’oxydation est obtenue par oxydation thermique ou plasma.