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WO2020074837A1 - Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique comportant une structure tridimensionnelle suspendue - Google Patents

Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique comportant une structure tridimensionnelle suspendue Download PDF

Info

Publication number
WO2020074837A1
WO2020074837A1 PCT/FR2019/052415 FR2019052415W WO2020074837A1 WO 2020074837 A1 WO2020074837 A1 WO 2020074837A1 FR 2019052415 W FR2019052415 W FR 2019052415W WO 2020074837 A1 WO2020074837 A1 WO 2020074837A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductive
layer
pillar
thermal insulation
sacrificial layer
Prior art date
Application number
PCT/FR2019/052415
Other languages
English (en)
Inventor
Sébastien Becker
Jean-Jacques Yon
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives filed Critical Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Publication of WO2020074837A1 publication Critical patent/WO2020074837A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/023—Particular leg structure or construction or shape; Nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00087—Holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00555—Achieving a desired geometry, i.e. controlling etch rates, anisotropy or selectivity
    • B81C1/00626—Processes for achieving a desired geometry not provided for in groups B81C1/00563 - B81C1/00619
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/024—Special manufacturing steps or sacrificial layers or layer structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0207—Bolometers

Definitions

  • the field of the invention is that of electromagnetic radiation detection devices comprising at least one thermal detector with an absorbent membrane thermally isolated from the reading substrate.
  • the invention is particularly applicable to the field of infrared or terahertz imaging, thermography, or even gas detection.
  • An electromagnetic radiation detection device may include sensitive pixels each formed by a thermal detector comprising an absorbent membrane thermally isolated from the reading substrate.
  • the absorbent membrane comprises an absorber of the electromagnetic radiation to be detected associated with a thermometric transducer whose electrical property varies in intensity as a function of the heating of the transducer.
  • the absorbent membrane is thermally isolated from the substrate and the reading circuit, the latter being disposed in the substrate.
  • the absorbent membrane is generally suspended above the substrate by anchoring pillars, and is thermally insulated therefrom by thermal insulation arms.
  • anchoring pillars and thermal insulation arms also have an electrical function by ensuring the electrical connection of the absorbent membrane to the reading circuit.
  • thermal detectors in the form of a matrix of sensitive pixels arranged periodically with a pitch of the array (pixel pitch) of the order of ten microns or even less.
  • pixel pitch the pitch of the array
  • one approach consists in placing the absorbent membrane in a plane different from that of the thermal insulation arms.
  • Patent application WO2018 / 055276 thus describes an example of a detection device in which the thermal detector comprises a three-dimensional structure suspended above the reading substrate by the anchoring pillars.
  • This structure three-dimensional consists of a lower stage comprising the thermal insulation arms, which are suspended above the substrate by the anchoring pillars and connected to the reading circuit by the latter, and of an upper stage comprising the absorbent membrane detection, which is held above the thermal insulation arms by conductive pillars which bear on the thermal insulation arms.
  • the absorbent membrane comprises an absorber of the electromagnetic radiation of interest associated with a thermometric transducer, here an MOS transistor.
  • the absorbent membrane forms a quarter-wave interference cavity with a reflector which rests on the reading substrate.
  • Document US2002 / 0179837A1 describes another example of a detection device in which the thermal detector has a three-dimensional structure suspended above the reading substrate by the anchoring pillars.
  • the three-dimensional structure comprises a lower stage containing the thermal insulation arms, an intermediate stage containing the reflector, and an upper stage containing an absorbent membrane.
  • the upper floor is suspended above the lower floor by hollow conductive pillars.
  • the invention aims to remedy at least partially the drawbacks of the prior art, and more particularly to provide a device for detecting electromagnetic radiation which allows a reduction in the lateral dimensions of the sensitive pixel, while optimizing the performance of the thermal detector.
  • the object of the invention is a device for detecting electromagnetic radiation, comprising:
  • o at least one thermal detector comprising:
  • thermometric transducer an electromagnetic radiation absorbing membrane containing a thermometric transducer, extending planarly in a so-called upper stage of the three-dimensional structure, distinct and superimposed on the stage lower, suspended above the thermal insulation arms by conductive pillars which extend from the thermal insulation arms;
  • a reflector of electromagnetic radiation arranged between the substrate and the absorbent membrane so as to form a quarter-wave interference cavity for said electromagnetic radiation.
  • the reflector extends planarly in a so-called intermediate stage of the three-dimensional structure, distinct and located between the lower and upper stages.
  • the conductive pillar is a hollow pillar having side walls formed of at least one conductive layer, the side walls defining an empty internal space.
  • the side walls of each conductive pillar are entirely formed, according to their thickness in a plane parallel to the substrate, by said conductive layer.
  • the side walls are therefore entirely made of at least one electrically conductive material.
  • the conductive layer defines the opposite faces of the side walls. Consequently, the side walls do not have an additional layer made of an insulating material, attached to the conductive layer, which makes it possible to reduce the thermal mass of the thermal detector, and improves the performance of the detection device.
  • the manufacturing process for obtaining this detection device is simplified, since it is not necessary to make an opening in the additional insulating layer in order to then be able to contact a conductive layer of the thermal insulation arms. .
  • thermometric transducer rests on and in contact with bias electrodes, which are in electrical contact with the conductive layer.
  • thermometric transducer is here made of a material different from that of the conductive layer. This structural configuration makes it possible to prevent the side walls from comprising an insulating layer, this insulating layer then being present between the thermometric transducer and the conductive layer.
  • the conductive pillar may include an upper opening leading to the internal space, said upper opening being through, that is to say that it is not closed and that it connects the internal space and the environment of the conductive pillar.
  • the conductive pillar may have an upper opening leading to the internal space and closed by the absorbent membrane, and may include a through lateral opening located at the side walls.
  • the reflector may include at least one through opening, through which the conductive pillar extends.
  • the detection device may include a matrix of thermal detectors, the reflector extending continuously opposite each of the absorbent membranes.
  • the reflector can be suspended above the thermal insulation arms by at least one retaining stud which bears on an anchoring pillar.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a detection device according to any one of the preceding characteristics, comprising the following steps:
  • the conductive pillar can be a hollow pillar having side walls formed entirely, according to their thickness in a plane parallel to the substrate, by said conductive layer, the side walls delimiting an internal space.
  • Step i) can then include the following sub-steps:
  • thermometric transducer on and in contact with polarization electrodes, which are in electrical contact with the conductive layer.
  • Step i) may include the following sub-steps:
  • step ii) may include the removal of the additional sacrificial layer located in the internal space, this being evacuated through the upper through opening.
  • Step i) may include the following sub-steps:
  • the intermediate pad located between the reflector and the absorbent membrane, the intermediate pad forming a lug projecting into the vertical orifice, made of a material sensitive to an etchant used during step ii) of removal different sacrificial layers, so as to induce a break in the continuity of the conductive layer during conformal deposition, thus forming a lateral opening through the conductive pillar;
  • step ii) may include the removal of the additional sacrificial layer located in the internal space, this being evacuated through the through lateral opening.
  • the sacrificial layers can be made of an inorganic material, and can be removed by wet chemical etching with hydrofluoric acid, the stud forming the lug being made of titanium, tantalum oxide Ta 2 0 5 or a silicon nitride.
  • the conductive layer forming the conductive pillar can be made of WSi, TiN or TiW.
  • Figure ÎA and ÎB are schematic and partial views, respectively in cross section and in top view, of a detection device according to a first embodiment
  • FIGS. 2A to 2G illustrate different stages of a method of manufacturing a detection device according to a second embodiment
  • FIGS. 3A to 3G illustrate different steps of a method of manufacturing a detection device according to a third embodiment.
  • the invention relates to a device for detecting electromagnetic radiation, for example infrared or terahertz radiation.
  • the detection device can thus be particularly suitable for detecting infrared radiation from the LWIR (Long Wavelength Infrared) range, the wavelength of which is between approximately 8 pm and 14 pm. It has a quarter-wave interference cavity formed between an absorbent membrane and a reflector, thereby maximizing the absorption of infrared radiation to be detected by the absorbent membrane.
  • LWIR Long Wavelength Infrared
  • the detection device comprises one or more thermal detectors each containing a thermometric transducer, located in an absorbent membrane thermally isolated from the substrate.
  • a thermometric transducer is an element having an electrical property varying with its heating, and can be a thermistor material formed for example of vanadium or titanium oxide, or of amorphous silicon, a capacitance formed by a pyroelectric or ferroelectric material, a diode (pn or pin junction), or even a field effect transistor with a metal - oxide - semiconductor structure (MOSFET).
  • each thermal detector comprises a three-dimensional structure, suspended above the substrate, and comprising at least three distinct functional stages and superimposed on each other, that is to say arranged opposite and parallel one another.
  • the three-dimensional structure thus comprises a lower stage of thermal insulation, an intermediate stage of optical reflection, and an upper stage of detection of electromagnetic radiation.
  • the three stages are distant from each other along the Z axis, that is to say they are spaced from each other by a non-zero distance along the Z axis.
  • the conductive pillars which maintain suspended from the upper stage vis-à-vis the lower stage are hollow conductive pillars whose side walls are entirely formed by a conductive layer.
  • FIGs îA and îB are schematic and partial views, respectively in cross section and in top view, of a detection device i according to a first embodiment.
  • Fig.iA is a view along the section plane A-A illustrated in fig.iB.
  • the thermometric transducer is a thermistor material, for example amorphous silicon or a vanadium oxide.
  • a single thermal detector 20 is shown here, but the detection device i advantageously comprises a matrix of identical thermal detectors 20 (sensitive pixels).
  • C, U, Z a direct orthogonal three-dimensional reference
  • the plane (X, Y) is substantially parallel to the main plane of the reading substrate 10 of the detection device 1
  • the axis Z is oriented in a direction substantially orthogonal to the main plane of the reading substrate 10 and oriented towards the absorbent membrane 60.
  • the terms “lower” and “upper” are understood to mean being relative to an increasing positioning when one moves away from the reading substrate 10 in the + Z direction.
  • the detection device 1 comprises a functionalized substrate, called the reading substrate 10, produced in this example based on silicon, comprising a reading circuit 12 allowing the control and reading of the thermal detectors 20.
  • the read circuit 12 is here in the form of a CMOS integrated circuit located in a support substrate 11. It has portions 14 of conductive lines, for example metal, separated from each other by a dielectric material 13 , for example a mineral material based on silicon such as a silicon oxide SiO x , a silicon nitride SiN x , or their alloys. It may also include active electronic elements (not shown), for example diodes, transistors, or passive electronic elements, for example capacitors, resistors, etc., connected by electrical interconnections to the thermal detector 20 on the one hand, and on the other hand to a connection pad (not shown), the latter being intended to connect the detection device 1 to an external electronic device.
  • active electronic elements for example diodes, transistors, or passive electronic elements, for example capacitors, resistors, etc.
  • the conductive portions 14 and the conductive vias 15 can be produced, for example, from copper, aluminum or tungsten.
  • the copper or tungsten may optionally be located between sublayers made of titanium nitride, tantalum or the like.
  • the reading substrate 10 here has an upper face 10a formed in particular by a surface of an inter-metal insulating layer 13 and a surface of conductive portions 14 of the last level of electrical interconnection.
  • the upper face is advantageously coated with a protective layer 16, in particular when the three-dimensional structure 22 is produced by the use of mineral sacrificial layers, which are then eliminated by chemical attack in HF acid medium (hydrofluoric acid) .
  • the protective layer 16 then has an etching stop function, and is therefore suitable for ensuring protection of the support substrate il and of the inter-metal dielectric layers 13 when they are made of an inorganic material with respect to HF chemical attack.
  • This protective layer 16 thus forms a hermetic and chemically inert layer. It is electrically insulating to avoid any short circuit between the metal line portions. It can thus be made of alumina Al 2 0 3 , or even of aluminum nitride or fluoride, or even of intrinsic amorphous silicon. It may have a thickness of between a few tens and a few hundred nanometers, for example between ⁇ m and soonm, preferably between 2 ⁇ m and ⁇ m.
  • the detection device 1 comprises at least one thermal detector 20, and here a matrix of thermal detectors 20 identical to each other.
  • the thermal detectors 20 thus form sensitive pixels of the matrix, arranged periodically, and can have a lateral dimension in the XY plane (known as the pixel pitch), of the order of a few tens of microns, for example equal to approximately ⁇ m or even less. .
  • the thermal detector 20 comprises a three-dimensional structure 22 for detecting electromagnetic radiation, suspended above the reading substrate 10 by anchoring pillars 21 and connected to the reading circuit 12 by the latter.
  • the anchoring pillars 21 are conductive pads made of at least one electrically conductive material, which extend along the axis Z from the reading substrate 10 to the three-dimensional structure 22. They are in contact portions 14 of conductive lines, and thus ensure the electrical connection of the three-dimensional structure 22 to the reading circuit 12.
  • the anchoring pillars 21 can be made, for example, of copper, aluminum or tungsten, possibly encapsulated in at minus a protective underlay 16 of titanium nitride, or the like.
  • the three-dimensional structure 22 has at least three different distinct functional stages and superimposed on each other.
  • the functional stages are thus arranged in separate planes which are parallel to each other, and are opposite one another.
  • the first functional stage of the three-dimensional structure 22 is a lower stage having in particular a thermal insulation function. It thus comprises the thermal insulation arms 30, which extend planarly in a first plane Pi parallel to the plane XY, from the anchoring pillars 21. They provide thermal insulation of the absorbent membrane 60 vis- with respect to the reading substrate 10, the electrical connection of the thermistor material 64, and participate in maintaining the absorbent membrane 60 suspended above the reading substrate 10.
  • the thermal insulation arms 30 comprise a conductive layer 32 made of an electrically conductive material, here encapsulated between two dielectric layers 31, 33 participating in the stiffening of the thermal insulation arms 30.
  • the thermal insulation arms 30 can be formed of a thin conductive layer 32 of TiN encapsulated in two dielectric layers 31, 33 of amorphous silicon. They extend longitudinally preferably in a serpentine fashion, so as to maximize their length in the surface of the sensitive pixel. They extend here longitudinally between a first end 34 assembled and connected to an anchoring pillar 21 and a second opposite end 35 on which rests and is connected a conductive pillar 50 for holding the absorbent membrane 60.
  • the second functional stage of the three-dimensional structure 22 is an intermediate stage having a function of optical reflection of the electromagnetic radiation to be detected. It comprises a reflector 40 adapted to reflect towards the absorbent membrane 60 a proportion of the electromagnetic radiation to be detected that has not been absorbed by the absorbent membrane 60.
  • the reflector 40 is a layer of a reflective material, for example metallic, which extends planarly in a second plane P2 parallel to the plane XY and distinct from the first plane Pi, from a holding stud 41 which rests on an anchoring pillar 21.
  • the holding stud 41 extends thus along the Z axis between an upper end of the anchoring pillar 21 and the reflector 40.
  • the reflector 40 is arranged above and facing the thermal insulation arms 30 along the Z axis.
  • the support 41 can be made differently or identical to the anchor pillars 21. It can thus be made based on copper, aluminum or tungsten, optionally laterally encapsulated in a sub-co uche based on titanium nitride.
  • the reflector 40 can also be made from copper, aluminum or tungsten.
  • the reflectors 40 of the different sensitive pixels can be metallic layers distinct from each other, that is to say separated from each other in the plane P2. Alternatively, they can be formed from the same metallic layer which extends continuously at the level of each sensitive pixel. Alternatively also, the holding pad 41 may rest on and in contact with the reading substrate, and not rest on a thermal insulation arm.
  • the third functional stage of the three-dimensional structure 22 is an upper stage having a function of detecting the electromagnetic radiation of interest.
  • it comprises the absorbent membrane 60 containing an absorber of the electromagnetic radiation to be detected associated with the thermistor material.
  • the absorbent membrane 60 extends planarly in a third plane P3 parallel to the plane XY and distinct from the planes Pi and P2. It is kept suspended above the reflector 40 by at least one conductive pillar 50 which rests on a thermal insulation arm 30.
  • the absorbent membrane 60 is therefore suspended above the reading substrate 10 and is connected to the reading circuit 12, by the action of the pillars anchor 21, thermal insulation arms 30, and conductive pillars 50. It is also thermally isolated from the reading substrate 10 by the thermal insulation arms 30.
  • the absorbent membrane 60 is here conventionally formed of a stack of a lower insulating layer 61 made of a dielectric material, of two electrodes 62 electrically isolated from each other by lateral spacing, of a layer intermediate insulator 63 made of a dielectric material and covering the electrodes 62 and the lateral spacing, except in two openings opening onto the electrodes 62, of a thermistor material 64, for example amorphous silicon or a vanadium or titanium oxide.
  • the thermistor material 64 is in contact with the two electrodes 62 via the openings.
  • An upper protective layer 65 covers the thermistor material 64, in particular to protect the thermistor material during chemical attack with hydrofluoric acid implemented subsequently.
  • the absorber is here formed by the electrodes 62, which are made of at least one metallic material, for example titanium nitride.
  • the conductive pillar 50 thus extends along the axis Z between the second longitudinal end 35 of a thermal insulation arm 30 and the absorbent membrane 60.
  • the conductive pillar 50 can be produced differently or identical to anchoring pillars 21 and the support stud 41. It comprises an electrically conductive material, for example copper, aluminum or tungsten, optionally laterally encapsulated in a sublayer based on titanium nitride.
  • the conductive pillar 50 is in contact with the conductive layer 32 of the thermal insulation arm 30 at a lower end, and in contact with a bias electrode 62 at an opposite upper end. It can be made in one piece with a bias electrode 62 or be separate and in contact with the latter.
  • It can be a solid pillar, that is to say that the internal space delimited by its periphery, in the XY plane, is filled with at least one material (conductive or not), or be a hollow pillar, it that is to say that the conductive material extends at its periphery so as to form side walls which delimit an internal space not filled with a material.
  • the absorbent membrane 60 is spaced vertically and is arranged opposite the reflector 40 along the Z axis, so that the absorber (electrodes 62) and the reflector 40 together define a quarter-wave interference optical cavity, allowing thus maximizing the absorption of the electromagnetic radiation to be detected by the absorbent membrane 60.
  • the detection device i comprises at least one sensitive pixel, and preferably a matrix of identical sensitive pixels, each having a thermal detector 20 containing a three-dimensional structure 22 suspended above the reading substrate îo by the pillars anchor 21.
  • This three-dimensional structure 22 thus comprises at least three separate stages: a lower stage in which the thermal insulation arms 30 extend; an intermediate stage in which the reflector 40 extends, and an upper stage in which the absorbent detection membrane 60 extends.
  • This vertical arrangement of the different functional stages of thermal insulation, optical reflection, and absorption / detection of the electromagnetic radiation of interest makes it possible both to produce a sensitive pixel with small lateral dimensions in the XY plane, by example of the order of ten microns or less, while optimizing the performance of the thermal detector 20.
  • the thermal detector 20 has a large filling factor FF, this parameter FF (for Fill Factor) being defined as the ratio of the surface of the absorbent membrane 60 to the a total area of the sensitive pixel, in an XY plane parallel to the plane of the substrate.
  • the filling factor FF is particularly important insofar as the absorbent membrane 60 is not limited in size by the presence of the thermal insulation arms 30 in the plane P3.
  • the optical efficiency of the thermal detector 20, produced by the parameter FF by the absorption e of the thermal detector 20 is preserved, the absorption e being defined as the proportion absorbed per unit area of the incident energy of the electromagnetic radiation to be detected. .
  • the thermal insulation arms 30 are located in the lower stage and not in the intermediate stage, and therefore are located outside the quarter-wave interference cavity, allows preserving the performance of the thermal detector 20.
  • the presence of the thermal insulation arms 30 in the quarter-wave interference cavity can lead to a disturbance of the interference cavity and consequently to a degradation of the absorption e.
  • the absorber of the absorbent membrane 60 is usually arranged at a distance from the reflector such that the reflected wave generates constructive interference with the incident wave at the absorbent membrane, that is to say at a substantially equal distance.
  • l o being a central wavelength of the spectral range of the electromagnetic radiation to be detected (for example isopm for the LWIR range)
  • n being the refractive index of the medium located in the quarter-wave interference cavity, usually vacuum.
  • the presence of the arms of thermal insulation 30 within the quarter-wave interference cavity can cause a reduction in the absorption e of the thermal detector 20, due to a modification of the optical path making it possible to generate the constructive interference at the level of the membrane absorbent on the one hand, and due to a non-zero absorption of electromagnetic radiation by the thermal insulation arms 30 on the other hand. It appears that these drawbacks are eliminated in the context of the invention insofar as the thermal insulation arms 30 are arranged outside the quarter-wave interference cavity. The performance of the thermal detector 20 is then preserved.
  • FIGS. 2A to 2G illustrate different stages of a method of manufacturing the detection device 1 according to a second embodiment.
  • the detection device 1 is here similar to that illustrated in FIG. 2A and is essentially distinguished from it in that the conductive pillar 50 for maintaining the upper floor is a hollow pillar.
  • the reflector 40 is formed of a planar layer made of a reflective material, which rests on a planar lower layer 42 made in one piece and of the same material with the holding stud 41.
  • the thermal detector 20 is produced using mineral sacrificial layers intended to be subsequently removed by wet etching in an acid medium (HF vapor).
  • the reading substrate 10 is produced, formed of a support substrate 11 containing the reading circuit 12 suitable for controlling and reading the thermal detector 20.
  • the reading circuit 12 thus includes conductive portions 14 which are flush with the upper face 10a of the reading substrate 10, which is substantially planar.
  • the conductive portions 14 and the conductive vias 15 can be made of copper, aluminum and / or tungsten, among others, for example by means of a damascene process in which trenches made in the inter-metal insulating layer 13 are filled
  • the leveling of the conductive portions 14 at the level of the upper face 10a can be obtained by a mechanical-chemical planarization technique (CMP).
  • CMP mechanical-chemical planarization technique
  • This etching stop layer is made of a material substantially inert to the etching agent used subsequently to remove the layers sacrificial minerals, for example in the HF medium in the vapor phase. It thus prevents the underlying mineral insulating layers 13 from being etched during this step of removing the sacrificial layers. It can be formed from an aluminum oxide or nitride, from aluminum trifluoride, or from intrinsic amorphous silicon (not intentionally doped). It can be filed for example by PVD (for Physical Vapor Déposition, in English) and can have a thickness of the order of ten nanometers to a few hundred nanometers.
  • a first sacrificial layer 71 on the reading substrate 10 for example made of an inorganic material such as a silicon oxide SiO x deposited by chemical vapor deposition assisted by plasma (PECVD).
  • This mineral material is capable of being removed by wet chemical etching, in particular by chemical attack in an acid medium, the etchant preferably being hydrofluoric acid (HF) in the vapor phase.
  • This mineral sacrificial layer 71 is deposited so as to extend continuously over substantially the entire surface of the reading substrate 10 and thus cover the etching stop layer 16.
  • the thickness of the sacrificial layer 71 along the Z axis allows to define the distance separating the thermal insulation arms 30 from the reading substrate 10. It can be of the order of a few hundred nanometers to a few microns.
  • Vertical holes are then made for the formation of the anchoring pillars 21. They are made by photolithography and etching, and pass through the first mineral sacrificial layer 71 and the protective layer 16, to lead to the conductive portions 14 of the read circuit 12.
  • the vertical orifices may have a cross section in the plane (X, Y) of square, rectangular, or circular shape, with a surface area substantially equal, for example, to 25.25 pm 2 .
  • the anchoring pillars 21 are then produced in the vertical holes. They can be produced by filling the orifices with one or more electrically conductive materials.
  • they may each comprise a layer of TiN deposited by PVD or MOCVD (for Metal Organic Chemical Vapor Deposition, in English) on the vertical sides of the orifices, and a copper or tungsten core filling the defined space. transversely through the TiN layer.
  • a CMP step then makes it possible to remove the excess filling materials and to planarize the upper face formed by the sacrificial layer 71 and the anchoring pillars 21.
  • a lower dielectric layer 31 is deposited here on the mineral sacrificial layer 71, then a conductive layer 32 and an upper dielectric layer 33.
  • the electrical contact between the layer conductive 32 and the anchor pillar is obtained through an opening made in the lower dielectric layer 31 and filled with the conductive layer 32.
  • the conductive layer 32 is in contact with the upper end of the anchor pillars 21. It is made of an electrically conductive material, for example TiN with a thickness of a few nanometers to a few tens of nanometers, for example ⁇ m.
  • the lower dielectric layers 31 and upper 33 can be made of silicon amorphous, silicon carbide, alumina Al 2 0 3 or aluminum nitride, among others.
  • the lower dielectric layers 31 and upper 33 can have a thickness of a few tens of nanometers, for example 20 nm, and participate in ensuring the stiffening of the thermal insulation arms 30.
  • a structuring of the dielectric layers 31, 33 and of the conductive layer 32 is then carried out by photolithography and localized etching, so as to define the topology of the thermal insulation arms 30 in the first plane Pi.
  • the thermal insulation arms 30 extend longitudinally, for example in a serpentine, between a first end 34 of electrical connection between the anchoring pillar 21 and the conductive layer 32, and a second opposite end 35 intended to receive the conductive pillar 50 for holding the absorbent membrane 60.
  • the intermediate stage of the three-dimensional structure 22 is then produced.
  • a second mineral sacrificial layer 72 is deposited so as to cover the underlying sacrificial layer 71 and the arms d thermal insulation 30.
  • the thickness of the sacrificial layer 72 makes it possible to define the distance separating the lower and intermediate stages of the three-dimensional structure 22, that is to say the reflector 40 with respect to the isolation arms thermal 30. It can be of the order of a few hundred nanometers to a few microns, for example comprised between soonm and spm, and preferably comprised between ispm and 2pm.
  • vertical orifices intended for the formation of the holding pads 41 of the reflector 40 are produced. They are produced by photolithography and etching, and pass through the second mineral sacrificial layer 72, to lead to the thermal insulation arms 30, preferably on the first end 34 of the thermal insulation arms 30 resting on the anchoring pillars 21, so that the holding pads 41 are preferably located opposite the anchoring pillars 21. As indicated previously, as a variant , the holding pads 41 can rest on and in contact with the reading substrate 10 and not the thermal insulation arms.
  • a continuous holding layer 42 is deposited, preferably made of a dielectric material such as amorphous silicon, so as to fill the vertical orifices and to cover the second sacrificial layer 72.
  • the layer of holding 42 is then covered by a reflective layer 40, forming the reflector, made of a material reflecting the electromagnetic radiation of interest, for example a metallic layer, for example made of aluminum, copper, tungsten, or the like.
  • the retaining layer 42 and the reflector 40 can extend continuously at the level of all the sensitive pixels, or be distinct from one sensitive pixel to the other.
  • the hollow conductive pillar 50 is produced. If necessary, a through opening 43 is made beforehand by localized etching of the layer. reflector 40 and the retaining layer 42 perpendicular to the second end 35 of the thermal insulation arm 30 intended to receive the conductive pillar 50.
  • this sacrificial layer 73 makes it possible to define the distance separating the intermediate and upper levels of the three-dimensional structure 22, that is to say the absorbent membrane 60 with respect to the reflector 40. It thus defines the size of the quarter-wave interference cavity of the thermal detector 20. It can be of the order of 1.5 pm to 2.5 pm in the case of the detection of LWIR radiation.
  • the lower dielectric layer 61 can be made of at least one dielectric material.
  • it can be formed for example of a thin under-layer of protection against chemical etching carried out subsequently, for example in amorphous silicon, in Al 2 0 3 or in AIN d ' a thickness between Ionm and 50nm, coated with a passivation sublayer, for example in SiN with a thickness between Ionm and 30nm.
  • a conductive layer 62 made of an electrically conductive material, and here advantageously absorbent vis-à-vis the electromagnetic radiation to be detected.
  • This conductive layer 62 is intended to form the polarization electrodes of the thermistor material, which also performs the function of absorber. It is preferably made of Ti, TiN, TaN, WN, or the like, and has a thickness of between 3 nm and 20 nm approximately. Here it covers the lower dielectric layer 61.
  • Vertical holes 51 are then produced for the formation of the conductive pillars 50. They are produced by photolithography and etching, and pass, from top to bottom, the conductive layer 62, the lower dielectric layer 61, the third and second sacrificial layers 73, 72, and the upper dielectric layer 33 of the thermal insulation arms 30, to lead to the conductive layer 32 of the latter, here at their second ends 35.
  • the vertical orifices 51 may have a cross section in the plane (X, Y) of square, rectangular, or circular shape, with an area substantially equal, for example, to 0.25pm 2 . They can have a dimension in the XY plane of the order of approximately 0.5 ⁇ m, and a height of the order of approximately 3 ⁇ m, within the framework of a detection of the infrared range LWIR.
  • the conductive pillars 50 are produced, intended to hold the absorbent membranes 60 suspended, while connecting them to the reading circuit 12.
  • a conductive layer 52 is deposited so as to continuously cover the sides of the vertical orifice 51 and to come into contact on the one hand with the conductive layer 32 of the thermal insulation arms 30, and on the other hand with the conductive layer 62 intended to form the bias electrodes.
  • the conductive layer 52 can be deposited by a conformal deposition technique, for example by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition, in English), by atomic thin layer deposition (Atomic Loyer Deposition, in English), or even by physical deposition in vapor phase (Physical Vapor Deposition, in English), for example by sputtering, or other.
  • a conformal deposition technique for example by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition, in English), by atomic thin layer deposition (Atomic Loyer Deposition, in English), or even by physical deposition in vapor phase (Physical Vapor Deposition, in English), for example by sputtering, or other.
  • the conductive layer 52 intended to form the conductive pillars 50 is distinct from that intended to form the bias electrodes 62, but as a variant, it could be a single conductive layer.
  • the conductive layer 52 forms a single layer with the electrodes 62, for example made of TiN, it is advantageous to structure the conductive layer 52 at the absorbent membrane to adapt it to the impedance of the vacuum , for example by making a network of through orifices
  • the conductive layer 52 here has a thickness less than the lateral dimension of the vertical orifice 51 in the XY plane, so that this vertical orifice 51 is not entirely filled by the conductive material.
  • the conductive pillars 50 therefore have side walls 50a which extend over the lateral flanks of the vertical orifice 51.
  • the lateral walls 50a are made in one piece. They can be rectilinear side walls joined to each other, or correspond to different parts of the same circular or oval peripheral wall. They therefore extend substantially orthogonal to the XY plane of the reading substrate 10.
  • the conducting pillars 50 are in electrical contact with the reading circuit 12 via the anchoring pillars 21 and the thermal insulation arms 30 , and make it possible to connect the bias electrodes 62 of the absorbent membranes 60.
  • a fourth mineral sacrificial layer 74 is deposited so as to cover the conductive layer 52 forming the conductive pillars 50 and fill the space internal hollow of these.
  • the mineral sacrificial layer 74 is preferably made of a dielectric material identical to that of the underlying sacrificial layers.
  • the conductive layer 62 is structured in the XY plane so as to define the polarization electrodes.
  • the part parallel to the XY plane of the conductive layer 52 forming the conductive pillars 50 is also etched, so as to keep only an upper portion in contact with the bias electrodes 62.
  • the material of the electrodes 62 is different. from that of the conductive layer 52, so as to have an etching selectivity between these two materials.
  • the conductive layer is preferably made of WSi and the electrodes are preferably made of TiN.
  • the bias electrodes 62 are substantially coplanar and electrically isolated from each other. They are made so as to have an electrical resistance of the order of 377 Îl / square.
  • the electrodes 62 each contact a different support pillar and are separated from each other in the XY plane by a distance preferably less than about X c / 5 or even less than 1 pm so as not to disturb the absorption electromagnetic radiation to be detected with a central wavelength l o .
  • the absorbent membrane 60 is obtained comprising an intermediate insulating layer 63 made of a dielectric material, for example of Al 0 3 , or AIN, and covering the electrodes 62 and the lateral spacing between them, except at the level of openings opening onto the electrodes 62.
  • a portion of thermistor material 64 for example made of amorphous silicon or of a vanadium or titanium oxide, is deposited in electrical contact electrodes 62 via the openings. It may have a thickness for example between 20nm and 200nm.
  • an upper protective layer 65 for example made of amorphous silicon, AI O or AIN with a thickness of between Ion and Sonm, is deposited so as to cover the thermistor material 64.
  • an upper protective layer 65 for example made of amorphous silicon, AI O or AIN with a thickness of between Ion and Sonm, is deposited so as to cover the thermistor material 64.
  • the subsequent removal of the fourth sacrificial layer 74 located in the conductive pillar 50 is particularly advantageous insofar as it makes it possible to reduce the calorific mass of the conductive pillars 50, and thus to reduce the thermal time constant of the thermal detector 20.
  • the suspension can be carried out after having encapsulated the thermal detector 20 in a housing (not shown) defining a vacuum cavity intended to be hermetic.
  • the suspension can be obtained by chemical etching of the various mineral sacrificial layers, here by wet chemical etching by attack with hydrofluoric acid in the vapor phase.
  • the part of the fourth sacrificial layer 74 located in the internal space of the conductive pillars 50 is evacuated at the same time through the upper opening 53 of the conductive pillars 50.
  • a detection device 1 is thus obtained here comprising a matrix of sensitive pixels which may have a particularly small pixel pitch, each sensitive pixel having a reduced time constant.
  • the quarter-wave interference cavity is not disturbed by the presence of the thermal insulation arms 30, unlike the example of the prior art mentioned above.
  • the conductive pillars 50 are here hollow pillars, the internal space of which is not filled with an electrically conductive material or with a dielectric material of a sacrificial layer. The absence of filling material in this internal space makes it possible to reduce the thermal capacity associated with the conductive pillar 50, thereby reducing the thermal time constant of the thermal detector 20.
  • each conductive pillar 50 is formed only of the conductive layer 52, and not also of an additional insulating layer as in document US2002 / 0179837, makes it possible to reduce the mass thermal detector, and therefore improve the performance of the detection device.
  • the manufacturing process is simplified, since it is not necessary to produce, as in document US2002 / 0179837, an opening in the additional insulating layer, so as to lead to a layer conductive of the thermal insulation arms, this step being particularly delicate due to the local topology. It is also possible to reduce the width in the XY plane of the conductive pillars 50.
  • thermometric transducer 64 is here made of a material different from that of the bias electrodes 62 and of the conductive layer 52. It is deposited after the step of making the hollow pillars 50, which is made possible by the fact that the hollow pillars 50 are momentarily filled with the sacrificial layer 74. Also, the thermometric transducer 64 rests on and in contact with polarization electrodes 52, which are in electrical contact with the conductive layer 52. This makes it possible to obtain a membrane absorbent with high performance.
  • thermometric transducer 64 makes the vertical hole 51 and the conductive pillars 50 after the deposition of the thermometric transducer 64 can lead to a degradation of the performance of the absorbent membrane, as well as to a potential mechanical fragility of the latter, in particular if other vertical orifices must be made through the thermometric material 64 to come into contact with the electrodes 62.
  • FIGS. 3A to 3G illustrate different steps of a method of manufacturing the detection device 1 according to a third embodiment.
  • the detection device 1 is similar to that illustrated in FIG. 2G and is essentially distinguished in that the conductive pillars 50 for maintaining the upper level are hollow pillars closed in their upper openings 53 by the absorbent membrane 60, and each comprising a transverse lateral opening 54 (ie not closed) allowing the evacuation from the side of the sacrificial layer located in the internal space of the conductive pillar 50.
  • This variant of the manufacturing process is advantageous, in particular when the dimensioning of the absorbent membrane 60 does not release the upper opening 53 of the conductive pillar 50, as described above with reference to Fig.2A to 2G.
  • the lower and intermediate stages of the three-dimensional structure 22 are produced.
  • the structure obtained is then identical or similar to that described with reference to FIG. 2C.
  • the steps for obtaining this structure are not detailed again.
  • intermediate pads 2 are produced which are intended to form lugs 2a projecting within each vertical orifice 51 of the conductive pillars 50.
  • Each lug 2a is here defined as being a portion of the pad 2 projecting from the vertical opening 51 of the conductive pillar 50, that is to say projecting from the lateral flanks of the vertical opening 51.
  • an opening 43 is produced if necessary by localized etching of the reflective layer 40 and the retaining layer 42 perpendicular to the part of the thermal insulation arms 30 intended to receive the conductive pillar 50, here opposite the second end 35 of a thermal insulation arm 30.
  • this sacrificial layer 73.1 participates in defining the distance separating the intermediate and upper stages of the three-dimensional structure 22, that is to say the absorbent membrane 60 with respect to the reflector 40. It thus participates in defining the size of the quarter-wave interference cavity of the thermal detector 20.
  • This material can be chosen from titanium, tantalum oxide Ta 2 0 5 , or a silicon nitride deposited preferably by PECVD at low temperature, for example at 300 ° C., among others. It has a thickness which depends on the nature and the thickness of the other layers to be etched, and may be of the order of a few tens of nanometers to a few hundred nanometers, for example between about 1 ⁇ 2 m and about 300 nm. It is positioned in the XY plane so that part of the stud 2 protrudes into the vertical hole 51 intended to make the conductive pillar 50.
  • the vertical orifices 51 are then produced to form the hollow conductive pillars 50.
  • a first mineral sacrificial layer 73.2 is first deposited so as to cover the underlying sacrificial layer 73.1 as well as the stud 2 intended to form the lug.
  • the thickness of the third and fourth sacrificial layers 73.1, 73.2 makes it possible to define the size of the quarter-wave interference cavity along the axis Z between the intermediate and upper stages of the three-dimensional structure 22.
  • conductive pillars 50 hollow. They are produced by photolithography and etching, and pass, from top to bottom, the conductive layer 62, the lower dielectric layer 61, the fourth, third and second sacrificial layers 73.2, 73.1, 72, and the upper dielectric layer 33, to open up. on the conductive layer 32 of the thermal insulation arms 30, here at the second end 35 of the thermal insulation arms 30.
  • the etching of the sacrificial layers, and in particular of the third layer sacrificial 73.1 has a slight isotropy.
  • a portion 2a of the pad 2 is then projecting vis-à-vis the lateral flanks of the vertical orifice 51.
  • This portion therefore forms a lug 2a.
  • it projects from the lateral flanks over a distance in the XY plane at least greater than the thickness that the conductive layer 52 is intended to have at the level of the lateral flanks.
  • the lug 2a is then projecting over a distance advantageously at least equal to sonm.
  • the lug 2a can extend over at most half of the local circumference of the vertical orifice 51.
  • the conductive pillars 50 are produced which are intended to hold the absorbent membranes suspended, and to connect them to the reading circuit 12.
  • a conductive layer 52 is deposited so as to cover the sides of the vertical orifice 51 and coming into contact on the one hand with the conductive layer 32 of the thermal insulation arms 30, and on the other hand with the conductive layer 62 intended to form the polarization electrodes.
  • the conductive layer 52 is deposited by a conformal deposition technique, for example by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition, in English), or by physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition, in English), for example by spraying cathodic (Sputtering, in English), or other.
  • the conductive layer 52 is made from a material of interest chosen from a tungsten silicide WSi, TiN or TiW, among others.
  • a conductive layer 52 of such a material of interest (WSi, TiN, etc.) is deposited conformally, preferably by CVD, in the vertical orifice 51 in which protrudes the lug 2a, there is a break in the continuity of the conductive layer 52, in particular under the lug 2a.
  • a lateral opening 54 is therefore formed which will be used later to remove the sacrificial layer 74 which will be present in the internal space of the conductive pillar 50.
  • a fifth mineral sacrificial layer 74 is deposited so as to cover the conductive layer 52 forming the conductive pillars and to fill the hollow internal space of the latter.
  • the mineral sacrificial layer 74 is preferably made of a dielectric material identical to that of the underlying sacrificial layers.
  • the absorbent membrane 60 we finalize the production of the absorbent membrane 60.
  • the steps are similar or identical to those described above, and differ essentially in that the absorbent membrane 60, here the dielectric layer intermediate 63, covers the upper opening of the conductive pillar 50.
  • a fifth mineral sacrificial layer 74 is then located in the internal space of the conductive pillar 50 to obtain an essentially flat surface which facilitates the continuation of the technological operations.
  • the steps for producing the absorbent membrane 60 are not detailed again.
  • the sacrificial layers 71, 72, 73.1, 73.2, 74 are removed, so as to suspend the three-dimensional structure 22, and therefore its different stages, above the reading substrate 10.
  • the suspension is obtained here by chemical etching of the various mineral sacrificial layers, here by wet chemical etching by attack with hydrofluoric acid in the vapor phase.
  • the part of the fifth sacrificial layer 74 located in the internal space of the conductive pillars 50 is removed at the same time, through the lateral opening 54 of the conductive pillars 50, and the studs 2 forming the pins 2a are removed in the since they are made of a material sensitive to the etchant used, which makes it possible to prevent them from degrading the performance of the detection device 1 by falling on the reflectors 40 or by remaining fixed to the conductive pillars (and thus by disturbing the electromagnetic radiation in the optical cavity).
  • a detection device 1 is thus obtained here comprising a matrix of sensitive pixels which may have a particularly reduced pixel pitch, each sensitive pixel having a reduced time constant.
  • the quarter-wave interference cavity is not disturbed by the presence of the thermal insulation arms 30, unlike the example of the prior art mentioned above.
  • the conductive pillars 50 are here hollow pillars, the upper opening of which is closed by the absorbent membrane 60. The sacrificial layer present in the internal space is then effectively removed during the removal of the various sacrificial layers, so that the thermal capacity associated with the conductive pillars 50 is reduced, thereby optimizing the thermal time constant of the thermal detector 20.
  • thermometric transducer 64 rests on and in contact with polarization electrodes 52, which are in electrical contact with the conductive layer 52.

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique comportant un substrat et au moins un détecteur thermique (20), lequel comporte une structure tridimensionnelle (22) dans laquelle un réflecteur (40) s'étend de manière planaire dans un étage intermédiaire, distinct et situé entre un étage inférieur comportant les bras d'isolation thermique (30) et un étage supérieur comportant la membrane absorbante (60).

Description

DISPOSITIF DE DETECTION D’UN RAYONNEMENT
ELECTROMAGNETIQUE COMPORTANT UNE STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE SUSPENDUE
DOMAINE TECHNIQUE
[001] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique comportant au moins un détecteur thermique à membrane absorbante thermiquement isolée du substrat de lecture. L’invention s’applique notamment au domaine de l’imagerie infrarouge ou térahertz, de la thermographie, voire de la détection de gaz.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
[002] Un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique peut comporter des pixels sensibles formés chacun d’un détecteur thermique comportant une membrane absorbante thermiquement isolée du substrat de lecture. La membrane absorbante comporte un absorbeur du rayonnement électromagnétique à détecter associé à un transducteur thermométrique dont une propriété électrique varie en intensité en fonction de réchauffement du transducteur.
[003] La température du transducteur thermométrique étant cependant grandement dépendante de son environnement, la membrane absorbante est isolée thermiquement du substrat et du circuit de lecture, celui-ci étant disposé dans le substrat. Ainsi, la membrane absorbante est généralement suspendue au-dessus du substrat par des piliers d’ancrage, et en est isolée thermiquement par des bras d’isolation thermique. Ces piliers d’ancrage et bras d’isolation thermique présentent également une fonction électrique en assurant la connexion électrique de la membrane absorbante au circuit de lecture.
[004] Cependant, il existe un besoin de pouvoir réaliser de tels détecteurs thermiques sous la forme d’une matrice de pixels sensibles agencés de manière périodique avec un pas du réseau (pas pixel) de l’ordre d’une dizaine de microns voire moins. Pour éviter la dégradation des performances de tels détecteurs thermiques, une approche consiste à disposer la membrane absorbante dans un plan différent de celui des bras d’isolation thermique.
[005] La demande de brevet WO2018/055276 décrit ainsi un exemple d’un dispositif de détection dans lequel le détecteur thermique comporte une structure tridimensionnelle suspendue au-dessus du substrat de lecture par les piliers d’ancrage. Cette structure tridimensionnelle est formée d’un étage inférieur comportant les bras d’isolation thermique, lesquels sont suspendus au-dessus du substrat par les piliers d’ancrage et connectés au circuit de lecture par ces derniers, et d’un étage supérieur comportant la membrane absorbante de détection, laquelle est maintenue au-dessus des bras d’isolation thermique par des piliers conducteurs qui prennent appui sur les bras d’isolation thermique. La membrane absorbante comporte un absorbeur du rayonnement électromagnétique d’intérêt associé à un transducteur thermométrique, ici un transistor MOS. La membrane absorbante forme une cavité interférentielle quart d’onde avec un réflecteur qui repose sur le substrat de lecture.
[006] Le document US2002/0179837A1 décrit un autre exemple d’un dispositif de détection dans lequel le détecteur thermique comporte une structure tridimensionnelle suspendue au-dessus du substrat de lecture par les piliers d’ancrage. La structure tridimensionnelle comporte un étage inférieur contenant les bras d’isolation thermique, un étage intermédiaire contenant le réflecteur, et un étage supérieur contenant une membrane absorbante. L’étage supérieur est suspendu au-dessus de l’étage inférieur par des piliers conducteurs creux. Cependant, il existe un besoin d’améliorer les performances du dispositif de détection et de simplifier le procédé de fabrication.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
[007] L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique qui autorise une réduction des dimensions latérales du pixel sensible, tout en optimisant les performances du détecteur thermique.
[008] Pour cela, l’objet de l’invention est un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, comportant :
o un substrat comportant un circuit de lecture ;
o au moins un détecteur thermique, comportant :
• une structure tridimensionnelle adaptée à détecter le rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat et électriquement connectée au circuit de lecture par au moins un pilier d’ancrage, comportant :
■ des bras d’isolation thermique s’étendant de manière planaire dans un étage dit inférieur de la structure tridimensionnelle,
■ une membrane absorbante du rayonnement électromagnétique contenant un transducteur thermométrique, s’étendant de manière planaire dans un étage dit supérieur de la structure tridimensionnelle, distinct et superposé à l’étage inférieur, suspendue au-dessus des bras d’isolation thermique par des piliers conducteurs qui s’étendent à partir des bras d’isolation thermique ;
• un réflecteur du rayonnement électromagnétique, disposé entre le substrat et la membrane absorbante de manière à former une cavité interférentielle quart d’onde pour ledit rayonnement électromagnétique.
[009] Le réflecteur s’étend de manière planaire dans un étage dit intermédiaire de la structure tridimensionnelle, distinct et situé entre les étages inférieur et supérieur. Le pilier conducteur est un pilier creux comportant des parois latérales formées d’au moins une couche conductrice, les parois latérales délimitant un espace interne vide.
[0010] Selon l’invention, les parois latérales de chaque pilier conducteur sont entièrement formées, suivant leur épaisseur dans un plan parallèle au substrat, par ladite couche conductrice. Les parois latérales sont donc entièrement réalisées en au moins un matériau électriquement conducteur. Autrement dit, la couche conductrice définit les faces opposées des parois latérales. En conséquence, les parois latérales ne comportent pas une couche supplémentaire réalisée en un matériau isolant, accolée à la couche conductrice, ce qui permet de réduire la masse thermique du détecteur thermique, et améliore les performances du dispositif de détection. De plus, le procédé de fabrication permettant d’obtenir ce dispositif de détection est simplifié, dans la mesure où il n’est pas nécessaire de réaliser une ouverture dans la couche supplémentaire isolante pour pouvoir contacter ensuite une couche conductrice des bras d’isolation thermique.
[0011] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif de détection sont les suivants.
[0012] De préférence, le transducteur thermométrique repose sur et au contact d’électrodes de polarisation, lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice. De plus, le transducteur thermométrique est ici réalisé en un matériau différent de celui de la couche conductrice. Cette configuration structurelle permet d’éviter que les parois latérales ne comportent une couche isolante, cette couche isolante étant alors présente entre le transducteur thermométrique et la couche conductrice.
[0013] Le pilier conducteur peut comporter une ouverture supérieure débouchant sur l’espace interne, ladite ouverture supérieure étant traversante, c’est-à-dire qu’elle n’est pas obturée et qu’elle met en relation l’espace interne et l’environnement du pilier conducteur.
[0014] Le pilier conducteur peut comporter une ouverture supérieure débouchant sur l’espace interne et obturée par la membrane absorbante, et peut comporter une ouverture latérale traversante située au niveau des parois latérales. [0015] Le réflecteur peut comporter au moins une ouverture traversante, au travers de laquelle s’étend le pilier conducteur.
[0016] Le dispositif de détection peut comporter une matrice de détecteurs thermiques, le réflecteur s’étendant de manière continue en regard de chacune des membranes absorbantes.
[0017] Le réflecteur peut être suspendu au-dessus des bras d’isolation thermique par au moins un plot de maintien qui prend appui sur un pilier d’ancrage.
[0018] L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes :
i) réalisation des bras d’isolation thermique, du réflecteur, puis de la membrane absorbante reposant sur au moins un pilier conducteur, au moyen de différentes couches sacrificielles déposées successivement sur le substrat, la couche conductrice étant déposée avant un dépôt du matériau du transducteur thermométrique ;
ii) suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à obtenir la suspension de la structure tridimensionnelle au-dessus du substrat.
[0019] Le pilier conducteur peut être un pilier creux comportant des parois latérales formées entièrement, suivant leur épaisseur dans un plan parallèle au substrat, par ladite couche conductrice, les parois latérales délimitant un espace interne. L’étape i) peut alors comporter les sous-étapes suivantes :
- réalisation des bras d’isolation thermique sur une première couche sacrificielle ;
- réalisation du réflecteur sur une deuxième couche sacrificielle reposant sur la première couche sacrificielle ;
- dépôt d’au moins une troisième couche sacrificielle sur la deuxième couche sacrificielle, et réalisation d’un orifice vertical au travers d’au moins les deuxième et troisième couches sacrificielles de manière à déboucher sur un bras d’isolation thermique ;
- dépôt conforme d’une couche conductrice sur les flancs latéraux de l’orifice vertical de manière à former le pilier conducteur creux présentant une ouverture supérieure ;
- dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire de manière à recouvrir au moins la troisième couche sacrificielle et à remplir l’espace interne du pilier conducteur au travers de l’ouverture supérieure ;
- dépôt du matériau du transducteur thermométrique sur et au contact d’électrodes de polarisation, lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice.
[0020] L’étape i) peut comporter les sous-étapes suivantes :
- suppression de la couche sacrificielle supplémentaire, hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure ; - réalisation de la membrane absorbante de manière à laisser traversante l’ouverture supérieure ;
et l’étape ii) peut comporter la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture supérieure traversante.
[0021] L’étape i) peut comporter les sous-étapes suivantes :
- réalisation d’un plot intermédiaire situé entre le réflecteur et la membrane absorbante, le plot intermédiaire formant un ergot en saillie dans l’orifice vertical, réalisé en un matériau sensible à un agent de gravure utilisé lors de l’étape ii) de suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à induire une rupture de continuité de la couche conductrice lors du dépôt conforme, formant ainsi une ouverture latérale traversante du pilier conducteur ;
- suppression de la couche sacrificielle supplémentaire, hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure ;
- réalisation de la membrane absorbante de manière à obturer l’ouverture supérieure ; et l’étape ii) peut comporter la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture latérale traversante.
[0022] Les couches sacrificielles peuvent être réalisées en un matériau minéral, et être supprimées par une gravure chimique humide à l’acide fluorhydrique, le plot formant l’ergot étant réalisé en titane, en oxyde de tantale Ta205 ou en un nitrure de silicium.
[0023] La couche conductrice formant le pilier conducteur peut être réalisée en WSi, en TiN ou en TiW.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0024] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure îA et îB sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe transversale et en vue de dessus, d’un dispositif de détection selon un premier mode de réalisation ;
les figures 2A à 2G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon un deuxième mode de réalisation ;
les figures 3A à 3G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon un troisième mode de réalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
[0025] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, l’expression « comportant un » doit être comprise, sauf indication contraire, comme « comportant au moins un » et non pas comme « comportant un unique ».
[0026] L’invention porte sur un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, par exemple un rayonnement infrarouge ou térahertz. Le dispositif de détection peut ainsi être particulièrement adapté à détecter un rayonnement infrarouge de la gamme LWIR ( Long Wavelength Infrared, en anglais) dont la longueur d’onde est comprise entre 8pm et 14pm environ. Il comporte une cavité interférentielle quart d’onde formée entre une membrane absorbante et un réflecteur, permettant ainsi de maximiser l’absorption du rayonnement infrarouge à détecter par la membrane absorbante.
[0027] Dans la suite de la description, le dispositif de détection comporte un ou plusieurs détecteurs thermiques contenant chacun un transducteur thermométrique, situé dans une membrane absorbante isolée thermiquement du substrat. Un transducteur thermométrique est un élément présentant une propriété électrique variant avec son échauffement, et peut être un matériau thermistance formé par exemple d’oxyde de vanadium ou de titane, ou de silicium amorphe, une capacité formée par un matériau pyroélectrique ou ferroélectrique, une diode (jonction pn ou pin), voire un transistor à effet de champ et à structure métal - oxyde - semiconducteur (MOSFET).
[0028] Selon l’invention, chaque détecteur thermique comporte une structure tridimensionnelle, suspendue au-dessus du substrat, et comportant au moins trois étages fonctionnels distincts et superposés les uns aux autres, c’est-à-dire disposés en regard et parallèlement les uns des autres. La structure tridimensionnelle comporte ainsi un étage inférieur d’isolation thermique, un étage intermédiaire de réflexion optique, et un étage supérieur de détection du rayonnement électromagnétique. Les trois étages sont distants les uns des autres suivant l’axe Z, c’est-à-dire qu’ils sont espacés les uns des autres d’une distance non nulle suivant l’axe Z. Par ailleurs, les piliers conducteurs qui maintiennent suspendu l’étage supérieur vis-à-vis de l’étape inférieur sont des piliers conducteurs creux dont les parois latérales sont entièrement formées par une couche conductrice.
[0029] Les figures îA et îB sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe transversale et en vue de dessus, d’un dispositif de détection i selon un premier mode de réalisation. La fig.iA est une vue selon le plan de coupe A-A illustré sur la fig.iB. Dans cet exemple, le transducteur thermométrique est un matériau thermistance, par exemple du silicium amorphe ou un oxyde de vanadium. Un seul détecteur thermique 20 est ici représenté, mais le dispositif de détection i comporte avantageusement une matrice de détecteurs thermiques 20 identiques (pixels sensibles).
[0030] On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal (C,U,Z), où le plan (X,Y) est sensiblement parallèle au plan principal du substrat de lecture 10 du dispositif de détection 1, et où l’axe Z est orienté suivant une direction sensiblement orthogonale au plan principal du substrat de lecture 10 et orientée vers la membrane absorbante 60. Dans la suite de la description, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne du substrat de lecture 10 suivant la direction +Z.
[0031] Le dispositif de détection 1 comporte un substrat fonctionnalisé, dit substrat de lecture 10, réalisé dans cet exemple à base de silicium, comportant un circuit de lecture 12 permettant la commande et la lecture des détecteurs thermiques 20.
[0032] Le circuit de lecture 12 se présente ici sous la forme d’un circuit intégré CMOS situé dans un substrat support 11. Il comporte des portions 14 de lignes conductrices, par exemple métalliques, séparées les unes des autres par un matériau diélectrique 13, par exemple un matériau minéral à base de silicium tel qu’un oxyde de silicium SiOx, un nitrure de silicium SiNx, ou leurs alliages. Il peut également comporter des éléments électroniques actifs (non représentés), par exemple des diodes, transistors, ou des éléments électroniques passifs, par exemple des condensateurs, résistances..., connectés par des interconnexions électriques au détecteur thermique 20 d’une part, et à un plot de connexion (non représenté) d’autre part, ce dernier étant destiné à connecter le dispositif de détection 1 à un dispositif électronique externe. A titre illustratif, les portions conductrices 14 et les vias conducteurs 15 peuvent être réalisés, par exemple, en cuivre, en aluminium ou en tungstène. Le cuivre ou le tungstène peut éventuellement être situé entre des sous-couches en nitrure de titane, de tantale ou autre. Le substrat de lecture 10 présente ici une face supérieure 10a formée notamment par une surface d’une couche isolante inter-métal 13 et une surface de portions conductrices 14 du dernier niveau d’interconnexion électrique. [0033] La face supérieure îoa est avantageusement revêtue d’une couche de protection 16, notamment lorsque la structure tridimensionnelle 22 est réalisée via l’utilisation de couches sacrificielles minérales, lesquelles sont ensuite éliminées par attaque chimique en milieu acide HF (acide fluorhydrique). La couche de protection 16 présente alors une fonction d’arrêt de gravure, et est donc adaptée à assurer une protection du substrat support il et des couches diélectriques inter-métal 13 lorsqu’elles sont réalisées en un matériau minéral vis-à-vis de l’attaque chimique HF. Cette couche de protection 16 forme ainsi une couche hermétique et chimiquement inerte. Elle est électriquement isolante pour éviter tout court- circuit entre les portions de ligne métallique. Elle peut ainsi être réalisée en alumine Al203, voire en nitrure ou fluorure d’aluminium, voire en silicium amorphe intrinsèque. Elle peut présenter une épaisseur comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de nanomètres, par exemple comprise entre îonm et soonm, de préférence comprise entre 2onm et îoonm.
[0034] Le dispositif de détection 1 comporte au moins un détecteur thermique 20, et ici une matrice de détecteurs thermiques 20 identiques les uns aux autres. Les détecteurs thermiques 20 forment ainsi des pixels sensibles de la matrice, agencés périodiquement, et peuvent présenter une dimension latérale dans le plan XY (dite pas pixel), de l’ordre de quelques dizaines de microns, par exemple égale à îopm environ voire moins.
[0035] Le détecteur thermique 20 comporte une structure tridimensionnelle 22 de détection du rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat de lecture 10 par des piliers d’ancrage 21 et connectée au circuit de lecture 12 par ces derniers.
[0036] Les piliers d’ancrage 21 sont des plots conducteurs réalisés en au moins un matériau électriquement conducteur, qui s’étendent suivant l’axe Z à partir du substrat de lecture 10 jusqu’à la structure tridimensionnelle 22. Ils sont au contact des portions 14 de lignes conductrices, et assurent ainsi la connexion électrique de la structure tridimensionnelle 22 au circuit de lecture 12. Les piliers d’ancrage 21 peuvent être réalisés, par exemple, en cuivre, en aluminium ou en tungstène, éventuellement encapsulé dans au moins une sous-couche de protection 16 en nitrure de titane, ou autre.
[0037] La structure tridimensionnelle 22 présente au moins trois différents étages fonctionnels distincts et superposés les uns aux autres. Les étages fonctionnels sont ainsi disposés dans des plans distincts et parallèles entre eux, et sont en regard les uns des autres.
[0038] Le premier étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage inférieur présentant notamment une fonction d’isolation thermique. Il comporte ainsi les bras d’isolation thermique 30, qui s’étendent de manière planaire dans un premier plan Pi parallèle au plan XY, à partir des piliers d’ancrage 21. Ils assurent l’isolation thermique de la membrane absorbante 60 vis-à-vis du substrat de lecture 10, la connexion électrique du matériau thermistance 64, et participent à maintenir la membrane absorbante 60 suspendue au-dessus du substrat de lecture 10. Les bras d’isolation thermique 30 comportent une couche conductrice 32 réalisée en un matériau électriquement conducteur, ici encapsulée entre deux couches diélectriques 31, 33 participant à la rigidification des bras d’isolation thermique 30. A titre d’exemple, les bras d’isolation thermique 30 peuvent être formés d’une couche mince conductrice 32 de TiN encapsulée dans deux couches diélectriques 31, 33 en silicium amorphe. Ils s’étendent longitudinalement de préférence en serpentin, de manière à maximiser leur longueur dans la surface du pixel sensible. Ils s’étendent ici longitudinalement entre une première extrémité 34 assemblée et connectée à un pilier d’ancrage 21 et une deuxième extrémité opposée 35 sur laquelle repose et est connecté un pilier conducteur 50 de maintien de la membrane absorbante 60.
[0039] Le deuxième étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage intermédiaire présentant une fonction de réflexion optique du rayonnement électromagnétique à détecter. Il comporte un réflecteur 40 adapté à réfléchir en direction de la membrane absorbante 60 une proportion du rayonnement électromagnétique à détecter n’ayant pas été absorbée par la membrane absorbante 60. Le réflecteur 40 est une couche d’un matériau réfléchissant, par exemple métallique, qui s’étend de manière planaire dans un deuxième plan P2 parallèle au plan XY et distinct du premier plan Pi, à partir d’un plot de maintien 41 qui repose sur un pilier d’ancrage 21. Le plot de maintien 41 s’étend ainsi suivant l’axe Z entre une extrémité supérieure du pilier d’ancrage 21 et le réflecteur 40. Aussi, le réflecteur 40 est disposé au-dessus et en regard des bras d’isolation thermique 30 suivant l’axe Z. Le plot de maintien 41 peut être réalisé de manière différente ou identique aux piliers d’ancrage 21. Il peut ainsi être réalisé à base de cuivre, aluminium ou tungstène, éventuellement encapsulé latéralement dans une sous-couche à base de nitrure de titane. Le réflecteur 40 peut également être réalisé à base de cuivre, aluminium ou tungstène. Les réflecteurs 40 des différents pixels sensibles peuvent être des couches métalliques distinctes les unes des autres, c’est-à-dire séparées les unes des autres dans le plan P2. En variante, ils peuvent être formés d’une même couche métallique qui s’étend continûment au niveau de chaque pixel sensible. En variante également, le plot de maintien 41 peut reposer sur et au contact du substrat de lecture, et non pas reposer sur un bras d’isolation thermique.
[0040] Le troisième étage fonctionnel de la structure tridimensionnelle 22 est un étage supérieur présentant une fonction de détection du rayonnement électromagnétique d’intérêt. Pour cela, il comporte la membrane absorbante 60 contenant un absorbeur du rayonnement électromagnétique à détecter associé au matériau thermistance. La membrane absorbante 60 s’étend de manière planaire dans un troisième plan P3 parallèle au plan XY et distinct des plans Pi et P2. Elle est maintenue suspendue au-dessus du réflecteur 40 par au moins un pilier conducteur 50 qui repose sur un bras d’isolation thermique 30. La membrane absorbante 60 est donc suspendue au-dessus du substrat de lecture 10 et est connectée au circuit de lecture 12, par l’action des piliers d’ancrage 21, des bras d’isolation thermique 30, et des piliers conducteurs 50. Elle est par ailleurs thermiquement isolée du substrat de lecture 10 par les bras d’isolation thermique 30.
[0041] La membrane absorbante 60 est ici classiquement formée d’un empilement d’une couche isolante inférieure 61 réalisée en un matériau diélectrique, de deux électrodes 62 électriquement isolées l’une de l’autre par un espacement latéral, d’une couche isolante intermédiaire 63 réalisée en un matériau diélectrique et recouvrant les électrodes 62 et l’espacement latéral, hormis en deux ouvertures débouchant sur les électrodes 62, d’un matériau thermistance 64, par exemple du silicium amorphe ou un oxyde de vanadium ou de titane. Le matériau thermistance 64 est au contact des deux électrodes 62 via les ouvertures. Une couche supérieure de protection 65 recouvre le matériau thermistance 64, notamment pour protéger le matériau thermistance lors de l’attaque chimique à l’acide fluorhydrique mise en œuvre ultérieurement. L’absorbeur est ici formé par les électrodes 62, lesquelles sont réalisées en au moins un matériau métallique, par exemple en nitrure de titane.
[0042] Le pilier conducteur 50 s’étend ainsi suivant l’axe Z entre la deuxième extrémité longitudinale 35 d’un bras d’isolation thermique 30 et la membrane absorbante 60. Le pilier conducteur 50 peut être réalisé de manière différente ou identique aux piliers d’ancrage 21 et au plot de maintien 41. Il comporte un matériau électriquement conducteur, par exemple du cuivre, aluminium ou tungstène, éventuellement encapsulé latéralement dans une sous- couche à base de nitrure de titane. Le pilier conducteur 50 est au contact de la couche conductrice 32 du bras d’isolation thermique 30 au niveau d’une extrémité inférieure, et au contact d’une électrode de polarisation 62 au niveau d’une extrémité opposée supérieure. Il peut être réalisé d’un seul tenant avec une électrode de polarisation 62 ou être distinct et au contact de celle-ci. Il peut être un pilier plein, c’est-à-dire que l’espace interne délimité par sa périphérie, dans le plan XY, est rempli par au moins un matériau (conducteur ou non), ou être un pilier creux, c’est-à-dire que le matériau conducteur s’étend à sa périphérie de manière à former des parois latérales qui délimitent un espace interne non rempli par un matériau.
[0043] La membrane absorbante 60 est espacée verticalement et est disposée en regard du réflecteur 40 suivant l’axe Z, de sorte que l’absorbeur (électrodes 62) et le réflecteur 40 définissent ensemble une cavité optique interférentielle quart d’onde, permettant ainsi de maximiser l’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter par la membrane absorbante 60. [0044] Ainsi, le dispositif de détection i comporte au moins un pixel sensible, et de préférence une matrice de pixels sensibles identiques, ayant chacun un détecteur thermique 20 contenant une structure tridimensionnelle 22 suspendue au-dessus du substrat de lecture îo par les piliers d’ancrage 21. Cette structure tridimensionnelle 22 comporte ainsi au moins trois étages distincts : un étage inférieur dans lequel s’étendent les bras d’isolation thermique 30 ; un étage intermédiaire dans lequel s’étend le réflecteur 40, et un étage supérieur dans lequel s’étend la membrane absorbante 60 de détection.
[0045] Cet agencement vertical des différents étages fonctionnels d’isolation thermique, de réflexion optique, et d’absorption/détection du rayonnement électromagnétique d’intérêt permet à la fois de réaliser un pixel sensible de petites dimensions latérales dans le plan XY, par exemple de l’ordre d’une dizaine de microns voire moins, tout en optimisant les performances du détecteur thermique 20. En effet, il est alors possible d’améliorer l’isolation thermique de la membrane absorbante 60 (et donc d’augmenter la résistance thermique du détecteur thermique 20) en réalisant des bras d’isolation thermique 30 d’une longueur importante dans le plan Pi dans la mesure où il n’y a pas la contrainte de la présence de la membrane absorbante 60. De plus, le détecteur thermique 20 présente un facteur de remplissage FF important, ce paramètre FF (pour Fill Factor, en anglais) étant défini comme le rapport de la surface de la membrane absorbante 60 sur la surface totale du pixel sensible, dans un plan XY parallèle au plan du substrat. Le facteur de remplissage FF est particulièrement important dans la mesure où la membrane absorbante 60 n’est pas limitée en dimensions par la présence des bras d’isolation thermique 30 dans le plan P3. Aussi, le rendement optique du détecteur thermique 20, produit du paramètre FF par l’absorption e du détecteur thermique 20 est préservée, l’absorption e étant définie comme la proportion absorbée par unité de surface de l’énergie incidente du rayonnement électromagnétique à détecter.
[0046] De plus, le fait que les bras d’isolation thermique 30 soient situés dans l’étage inférieur et non pas dans l’étage intermédiaire, et donc soient situés en-dehors de la cavité interférentielle quart d’onde, permet de préserver les performances du détecteur thermique 20. En effet, la présence des bras d’isolation thermique 30 dans la cavité interférentielle quart d’onde peut conduire à une perturbation de la cavité interférentielle et en conséquence à une dégradation de l’absorption e. L’absorbeur de la membrane absorbante 60 est habituellement disposé à une distance du réflecteur telle que l’onde réfléchie génère une interférence constructive avec l’onde incidente au niveau de la membrane absorbante, c’est-à-dire à une distance sensiblement égale à lo/4h du réflecteur 40, lo étant une longueur d’onde centrale de la gamme spectrale du rayonnement électromagnétique à détecter (par exemple îopm pour la gamme LWIR), et n étant l’indice de réfraction du milieu situé dans la cavité interférentielle quart d’onde, habituellement le vide. Or, la présence des bras d’isolation thermique 30 au sein de la cavité interférentielle quart d’onde peut entraîner une diminution de l’absorption e du détecteur thermique 20, du fait d’une modification du chemin optique permettant de générer l’interférence constructive au niveau de la membrane absorbante d’une part, et du fait d’une absorption non nulle du rayonnement électromagnétique par les bras d’isolation thermique 30 d’autre part. Il en ressort que ces inconvénients sont écartés dans le cadre de l’invention dans la mesure où les bras d’isolation thermique 30 sont disposés en dehors de la cavité interférentielle quart d’onde. Les performances du détecteur thermique 20 sont alors préservées.
[0047] Les figures 2A à 2G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection 1 selon un deuxième mode de réalisation. Le dispositif de détection 1 est ici similaire à celui illustré sur la fig.2A et s’en distingue essentiellement en ce que le pilier conducteur 50 de maintien de l’étage supérieur est un pilier creux. De plus, le réflecteur 40 est formé d’une couche plane réalisée en un matériau réfléchissant, laquelle repose sur une couche inférieure plane 42 réalisée d’un seul tenant et en un même matériau avec le plot de maintien 41.
[0048] Dans cet exemple, le détecteur thermique 20 est réalisé en utilisant des couches sacrificielles minérales destinées à être ultérieurement supprimées par gravure humide en milieu acide (HF vapeur).
[0049] En référence à la fig.2A, on réalise le substrat de lecture 10, formé d’un substrat support 11 contenant le circuit de lecture 12 adapté à commander et lire le détecteur thermique 20. Le circuit de lecture 12 comporte ainsi des portions conductrices 14 qui affleurent la face supérieure 10a du substrat de lecture 10, laquelle est sensiblement plane. Les portions conductrices 14 et les vias conducteurs 15 peuvent être réalisés en cuivre, en aluminium et/ou en tungstène, entre autres, par exemple au moyen d’un procédé damascène dans lequel on remplit des tranchées réalisées dans la couche isolante inter- métal 13. L’affleurement des portions conductrices 14 au niveau de la face supérieure 10a peut être obtenu par une technique de planarisation mécano-chimique (CMP).
[0050] On peut ensuite déposer une couche de protection 16 de manière à recouvrir la couche isolante inter-métal 13. Cette couche d’arrêt de gravure est réalisée en un matériau sensiblement inerte à l’agent de gravure utilisé ultérieurement pour supprimer les couches sacrificielles minérales, par exemple au milieu HF en phase vapeur. Elle permet ainsi d’éviter que les couches isolantes minérales sous-jacentes 13 ne soient gravées lors de cette étape de suppression des couches sacrificielles. Elle peut être formée en un oxyde ou nitrure d’aluminium, en trifluorure d’aluminium, ou en silicium amorphe intrinsèque (non intentionnellement dopé). Elle peut être déposée par exemple par PVD (pour Physical Vapor Déposition, en anglais) et peut présenter une épaisseur de l’ordre d’une dizaine de nanomètres à quelques centaines de nanomètres.
[0051] En référence à la fig.2B, on réalise les piliers d’ancrage 21 ainsi que l’étage inférieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire les bras d’isolation thermique 30. Pour cela, on dépose une première couche sacrificielle 71 sur le substrat de lecture 10, par exemple réalisée en un matériau minéral tel qu’un oxyde de silicium SiOx déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Ce matériau minéral est apte à être supprimé par gravure chimique humide, en particulier par attaque chimique en milieu acide, l’agent de gravure étant de préférence de l’acide fluorhydrique (HF) en phase vapeur. Cette couche sacrificielle minérale 71 est déposée de manière à s’étendre continûment sur sensiblement toute la surface du substrat de lecture 10 et recouvrir ainsi la couche d’arrêt de gravure 16. L’épaisseur de la couche sacrificielle 71 suivant l’axe Z permet de définir la distance séparant les bras d’isolation thermique 30 vis-à-vis du substrat de lecture 10. Elle peut être de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques microns.
[0052] On réalise ensuite des orifices verticaux destinés à la formation des piliers d’ancrage 21. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent la première couche sacrificielle minérale 71 et la couche de protection 16, pour déboucher sur les portions conductrices 14 du circuit de lecture 12. Les orifices verticaux peuvent présenter une section droite dans le plan (X,Y) de forme carrée, rectangulaire, ou circulaire, d’une surface sensiblement égale, par exemple, à o,25pm2. On réalise ensuite les piliers d’ancrage 21 dans les orifices verticaux. Ils peuvent être réalisés par remplissage des orifices par un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs. A titre d’exemple, ils peuvent comporter chacun une couche de TiN déposée par PVD ou MOCVD (pour Métal Organic Chemical Vapor Déposition, en anglais) sur les flancs verticaux des orifices, et un cœur en cuivre ou en tungstène remplissant l’espace délimité transversalement par la couche de TiN. Une étape de CMP permet ensuite de supprimer les matériaux de remplissage en excès et de planariser la face supérieure formée par la couche sacrificielle 71 et les piliers d’ancrage 21.
[0053] On réalise ensuite les bras d’isolation thermique 30. Pour cela, on dépose ici une couche diélectrique inférieure 31 sur la couche sacrificielle minérale 71, puis une couche conductrice 32 et une couche diélectrique supérieure 33. Le contact électrique entre la couche conductrice 32 et le pilier d’ancrage est obtenu au travers d’une ouverture pratiquée dans la couche diélectrique inférieure 31 et remplie par la couche conductrice 32. La couche conductrice 32 est en contact avec l’extrémité supérieure des piliers d’ancrage 21. Elle est réalisée en un matériau électriquement conducteur, par exemple du TiN d’une épaisseur de quelques de nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, par exemple îonm. Les couches diélectriques inférieure 31 et supérieure 33 peuvent être réalisées en silicium amorphe, carbure de silicium, alumine Al203 ou nitrure d’aluminium, entre autres. Les couches diélectriques inférieure 31 et supérieure 33 peuvent présenter une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres, par exemple 20nm, et participent à assurer la rigidification des bras d’isolation thermique 30. Une structuration des couches diélectriques 31, 33 et de la couche conductrice 32 est ensuite effectuée par photolithographie et gravure localisée, de manière à définir la topologie des bras d’isolation thermique 30 dans le premier plan Pi. Ainsi, les bras d’isolation thermique 30 s’étendent longitudinalement, par exemple en serpentin, entre une première extrémité 34 de connexion électrique entre le pilier d’ancrage 21 et la couche conductrice 32, et une deuxième extrémité opposée 35 destinée à recevoir le pilier conducteur 50 de maintien de la membrane absorbante 60.
[0054] En référence à la fig.2C, on réalise ensuite l’étage intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22. Pour cela, on dépose une deuxième couche sacrificielle 72 minérale de manière à recouvrir la couche sacrificielle sous-jacente 71 et les bras d’isolation thermique 30. L’épaisseur de la couche sacrificielle 72 permet de définir la distance séparant les étages inférieur et intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire le réflecteur 40 vis-à-vis des bras d’isolation thermique 30. Elle peut être de l’ordre de quelques centaines de nanomètres à quelques microns, par exemple comprise entre soonm et spm, et de préférence comprise entre îpm et 2pm.
[0055] On réalise ensuite des orifices verticaux destinés à la formation des plots de maintien 41 du réflecteur 40. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent la deuxième couche sacrificielle minérale 72, pour déboucher sur les bras d’isolation thermique 30, de préférence sur la première extrémité 34 des bras d’isolation thermique 30 reposant sur les piliers d’ancrage 21, de sorte que les plots de maintien 41 soient de préférence situés en regard des piliers d’ancrage 21. Comme indiqué précédemment, en variante, les plots de maintien 41 peuvent reposer sur et au contact du substrat de lecture 10 et non pas des bras d’isolation thermique.
[0056] On dépose ensuite, dans cet exemple, une couche continue de maintien 42, de préférence réalisée en un matériau diélectrique tel que du silicium amorphe, de manière à remplir les orifices verticaux et à recouvrir la deuxième couche sacrificielle 72. La couche de maintien 42 est ensuite recouverte par une couche réflectrice 40, formant le réflecteur, réalisée en un matériau réfléchissant au rayonnement électromagnétique d’intérêt, par exemple une couche métallique, par exemple réalisée en aluminium, cuivre, tungstène, ou autre. La couche de maintien 42 et le réflecteur 40 peuvent s’étendre de manière continue au niveau de tous les pixels sensibles, ou être distincts d’un pixel sensible à l’autre.
[0057] En référence à la fig.2D, on réalise le pilier conducteur 50 creux. On réalise au préalable, si nécessaire, une ouverture traversante 43 par gravure localisée de la couche réflectrice 40 et de la couche de maintien 42 à la perpendiculaire de la deuxième extrémité 35 du bras d’isolation thermique 30 destinée à recevoir le pilier conducteur 50.
[0058] On dépose ensuite une troisième couche sacrificielle 73 minérale de manière à recouvrir la couche réflectrice 40 sous-jacente. L’épaisseur de cette couche sacrificielle 73 permet de définir la distance séparant les niveaux intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire la membrane absorbante 60 vis-à-vis du réflecteur 40. Elle définit ainsi la taille de la cavité interférentielle quart d’onde du détecteur thermique 20. Elle peut être de l’ordre de 1,5 pm à 2,5pm dans le cas de la détection d’un rayonnement LWIR.
[0059] On dépose ensuite à la surface de la troisième couche sacrificielle 73 une couche diélectrique 61, destinée à former la couche diélectrique inférieure de la membrane absorbante 60. La couche diélectrique inférieure 61 peut être réalisée en au moins un matériau diélectrique. A titre d’exemple, elle peut être formée par exemple d’une sous- couche mince de protection vis-à-vis d’une gravure chimique effectuée ultérieurement, par exemple en silicium amorphe, en Al203 ou en AIN d’une épaisseur comprise entre îonm et 50nm, revêtue d’une sous-couche de passivation, par exemple en SiN d’une épaisseur comprise entre îonm et 30nm.
[0060] On dépose ensuite une couche conductrice 62 réalisée en un matériau électriquement conducteur, et ici avantageusement absorbant vis-à-vis du rayonnement électromagnétique à détecter. Cette couche conductrice 62 est destinée à former les électrodes de polarisation du matériau thermistance, qui assure également la fonction d’absorbeur. Elle est réalisée de préférence en Ti, TiN, TaN, WN, ou autre, et présente une épaisseur comprise entre 3nm et 20nm environ. Elle recouvre ici la couche diélectrique inférieure 61.
[0061] On réalise ensuite des orifices verticaux 51 destinés à la formation des piliers conducteurs 50. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent, de haut en bas, la couche conductrice 62, la couche diélectrique inférieure 61, les troisième et deuxième couches sacrificielles 73, 72, et la couche diélectrique supérieure 33 des bras d’isolation thermique 30, pour déboucher sur la couche conductrice 32 de ces derniers, ici au niveau de leurs deuxièmes extrémités 35. Les orifices verticaux 51 peuvent présenter une section droite dans le plan (X,Y) de forme carrée, rectangulaire, ou circulaire, d’une surface sensiblement égale, par exemple, à 0,25pm2. Ils peuvent présenter une dimension dans le plan XY de l’ordre de 0,5pm environ, et une hauteur de l’ordre de 3pm environ, dans le cadre d’une détection de la gamme infrarouge LWIR.
[0062] En référence à la fig.2E, on réalise les piliers conducteurs 50, destinés à maintenir suspendues les membranes absorbantes 60, tout en les connectant au circuit de lecture 12. Pour cela, on dépose une couche conductrice 52 de manière à recouvrir continûment les flancs de l’orifice vertical 51 et à venir au contact d’une part de la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, et d’autre part de la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation. La couche conductrice 52 peut être déposée par une technique de dépôt conforme, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur ( Chemical Vapor Déposition, en anglais), par dépôt de couche mince atomique ( Atomic Loyer Déposition, en anglais), voire par dépôt physique en phase vapeur ( Physical Vapor Déposition, en anglais), par exemple par pulvérisation cathodique ( Sputtering , en anglais), ou autre.
[0063] Dans cet exemple, la couche conductrice 52 destinée à former les piliers conducteurs 50 est distincte de celle destinée à former les électrodes de polarisation 62, mais en variante, il pourrait s’agir d’une seule et même couche conductrice. Dans ce cas où la couche conductrice 52 forme une seule et même couche avec les électrodes 62, par exemple réalisée en TiN, il est avantageux de structurer la couche conductrice 52 au niveau de la membrane absorbante pour l’adapter à l’impédance du vide, par exemple en réalisant un réseau d’orifices traversants La couche conductrice 52 présente ici une épaisseur inférieure à la dimension latérale de l’orifice vertical 51 dans le plan XY, de sorte que cet orifice vertical 51 n’est pas rempli entièrement par le matériau conducteur. A titre d’exemple, la couche conductrice 52 peut présenter une épaisseur sensiblement constante de quelques dizaines nanomètres à quelques centaines de nanomètres, par exemple isonm environ dans un plan XY, et par exemple sonm dans un plan sensiblement orthogonal au plan XY, alors que l’orifice vertical 51 peut présenter une dimension latérale égale, par exemple, à 0,5pm environ. La couche conductrice 52 est réalisée en au moins un matériau électriquement conducteur, par exemple à base de tungstène ou de titane, tel que le WSi, le TiN, le TiW, entre autres. Aussi, le pilier conducteur 50 est formé par une couche conductrice 52 s’étendant verticalement suivant l’axe Z et délimitant latéralement un espace interne creux non conducteur qui débouche sur une ouverture supérieure 53. Les piliers conducteurs 50 comportent donc des parois latérales 50a qui s’étendent sur les flancs latéraux de l’orifice vertical 51. Les parois latérales 50a sont réalisées d’un seul tenant. Elles peuvent être des parois latérales rectilignes jointes les unes aux autres, ou correspondre à différentes parties d’une même paroi périphérique circulaire ou ovale. Ils s’étendent donc de manière sensiblement orthogonale au plan XY du substrat de lecture 10. Les piliers conducteurs 50 sont en contact électrique avec le circuit de lecture 12 par l’intermédiaire des piliers d’ancrage 21 et des bras d’isolation thermique 30, et permettent de connecter les électrodes de polarisation 62 des membranes absorbantes 60.
[0064] Enfin, on dépose une quatrième couche sacrificielle minérale 74 de manière à recouvrir la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs 50 et à remplir l’espace interne creux de ces derniers. La couche sacrificielle minérale 74 est réalisée de préférence en un matériau diélectrique identique à celui des couches sacrificielles sous-jacentes.
[0065] En référence à la fig.2F, on réalise l’étage supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire on termine la réalisation de la membrane absorbante 60. Pour cela, on supprime une partie de la quatrième couche sacrificielle 74 de manière à exposer la face supérieure de la couche conductrice 52. Une partie de la quatrième couche sacrificielle 74, située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50, est ainsi préservée. Elle affleure au niveau de la partie parallèle au plan XY de la couche conductrice formant les piliers conducteurs 50. On obtient ainsi une surface essentiellement plane qui facilite la suite des opérations technologiques (sans quoi, il faudrait supprimer les couches qui pourraient tomber dans l’espace interne vide des piliers de maintien)
[0066] Ensuite, par photolithographie et gravure, on structure la couche conductrice 62 dans le plan XY de manière à définir les électrodes de polarisation. On grave également la partie parallèle au plan XY de la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs 50, de manière à n’en garder qu’une portion supérieure au contact des électrodes de polarisation 62. De préférence, le matériau des électrodes 62 est différent de celui de la couche conductrice 52, de manière à avoir une sélectivité de gravure entre ces deux matériaux. Ainsi, la couche conductrice est de préférence réalisée en WSi et les électrodes sont de préférence réalisées en TiN. Les électrodes de polarisation 62 sont sensiblement coplanaires et électriquement isolées l’une de l’autre. Elles sont réalisées de manière à présenter une résistance électrique de l’ordre de 377Îl/carré. Les électrodes 62 contactent chacune un pilier de maintien différent et sont séparées l’une de l’autre dans le plan XY d’une distance de préférence inférieure à Xc/5 environ voire inférieure à îpm de manière à ne pas perturber l’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter de longueur d’onde centrale lo.
[0067] Enfin, par une série d’étapes de dépôt, photolithographie et gravure, on obtient la membrane absorbante 60 comportant une couche isolante intermédiaire 63 réalisée en un matériau diélectrique, par exemple en Al 03, ou AIN, et recouvrant les électrodes 62 et l’espacement latéral entre celles-ci, hormis au niveau d’ouvertures débouchant sur les électrodes 62. Une portion de matériau thermistance 64, par exemple en silicium amorphe ou en un oxyde de vanadium ou de titane, est déposée au contact électrique des électrodes 62 via les ouvertures. Elle peut présenter une épaisseur par exemple comprise entre 20nm et 200nm. Enfin, une couche supérieure de protection 65, par exemple en silicium amorphe, AI O ou AIN d’une épaisseur comprise entre îonm et sonm, est déposée de manière à recouvrir le matériau thermistance 64. [0068] Enfin, on réalise un orifice traversant débouchant sur l’ouverture supérieure 53 des piliers conducteurs 50, par gravure localisée des couches diélectriques intermédiaire 63 et supérieure 65, dans le but de permettre une suppression ultérieure de la partie de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50. L’orifice traversant présente des dimensions latérales inférieures à celles de l’ouverture supérieure 53, ceci pour préserver l’intégrité de la couche conductrice 52. La suppression ultérieure de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans le pilier conducteur 50 est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle permet de diminuer la masse calorifique des piliers conducteurs 50, et ainsi de réduire la constante de temps thermique du détecteur thermique 20.
[0069] En référence à la fig.2G, on supprime les différentes couches sacrificielles 71, 72, 73, 74, de manière à suspendre la structure tridimensionnelle 22, et donc ses différents étages, au-dessus du substrat de lecture 10. La suspension peut être effectuée après avoir réalisé l’encapsulation du détecteur thermique 20 dans un boîtier (non représenté) définissant une cavité sous vide destinée à être hermétique. La suspension peut être obtenue par gravure chimique des différentes couches sacrificielles minérales, ici par une gravure chimique humide par attaque à l’acide fluorhydrique en phase vapeur. La partie de la quatrième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50 est évacuée dans le même temps au travers de l’ouverture supérieure 53 des piliers conducteurs 50.
[0070] On obtient ainsi un dispositif de détection 1 comportant ici une matrice de pixels sensibles pouvant présenter un pas pixel particulièrement petit, chaque pixel sensible ayant une constante de temps réduite. Comme détaillé précédemment, la cavité interférentielle quart d’onde n’est pas perturbée par la présence des bras d’isolation thermique 30, à la différence de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment. De plus, les piliers conducteurs 50 sont ici des piliers creux, dont l’espace interne n’est pas rempli par un matériau électriquement conducteur, ni par un matériau diélectrique d’une couche sacrificielle. L’absence de matériau de remplissage dans cet espace interne permet de réduire la capacité thermique associée au pilier conducteur 50, diminuant ainsi la constante de temps thermique du détecteur thermique 20.
[0071] De plus, le fait que les parois latérales 50a de chaque pilier conducteur 50 soient formées uniquement de la couche conductrice 52, et non pas également d’une couche isolante supplémentaire comme dans le document US2002/0179837, permet de réduire la masse thermique du détecteur thermique, et donc d’améliorer les performances du dispositif de détection. De plus, on simplifie le procédé de fabrication, dans la mesure où il n’est pas nécessaire de réaliser, comme dans le document US2002/0179837, une ouverture dans la couche isolante supplémentaire, de manière à déboucher sur une couche conductrice des bras d’isolation thermique, cette étape étant particulièrement délicate du fait de la topologie locale. Il est par ailleurs possible de réduire la largeur dans le plan XY des piliers conducteurs 50.
[0072] Le transducteur thermométrique 64 est ici réalisé en un matériau différent de celui des électrodes de polarisation 62 et de la couche conductrice 52. Il est déposé après l’étape de réalisation des piliers creux 50, ce qui est rendu possible par le fait que les piliers creux 50 sont momentanément remplis par la couche sacrificielle 74. Aussi, le transducteur thermométrique 64 repose sur et au contact d’électrodes de polarisation 52, lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice 52. Cela permet d’obtenir une membrane absorbante dont les performances sont élevées. En effet, réaliser l’orifice vertical 51 et les piliers conducteurs 50 après le dépôt du transducteur thermométrique 64 peut conduire à une dégradation des performances de la membrane absorbante, ainsi qu’à une potentielle fragilité mécanique de celle-ci, notamment s’il faut réaliser d’autres orifices verticaux au travers du matériau thermométrique 64 pour venir contacter les électrodes 62.
[0073] Les figures 3A à 3G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection 1 selon un troisième mode de réalisation. Le dispositif de détection 1 est similaire à celui illustré sur la fig.2G et s’en distingue essentiellement en ce que les piliers conducteurs 50 de maintien du niveau supérieur sont des piliers creux obturés en leurs ouvertures supérieures 53 par la membrane absorbante 60, et comportant chacun une ouverture latérale 54 traversante (i.e. non obturée) permettant l’évacuation par le côté de la couche sacrificielle située dans l’espace interne du pilier conducteur 50. Cette variante du procédé de fabrication est avantageuse, en particulier lorsque le dimensionnement de la membrane absorbante 60 ne permet pas de libérer l’ouverture supérieure 53 du pilier conducteur 50, comme décrit précédemment en référence aux fig.2A à 2G.
[0074] En référence à la fig-3A, on réalise les étages inférieur et intermédiaire de la structure tridimensionnelle 22. La structure obtenue est alors identique ou similaire à celle décrite en référence à la fig.2C. Les étapes permettant d’obtenir cette structure ne sont pas détaillées à nouveau.
[0075] En référence à la fig-3B, on réalise des plots intermédiaires 2 destinés à former des ergots 2a venant en saillie au sein de chaque orifice vertical 51 des piliers conducteurs 50. Chaque ergot 2a est ici défini comme étant une portion du plot 2 en saillie dans l’orifice vertical 51 du pilier conducteur 50, c’est-à-dire en saillie vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51. [0076] Au préalable, on réalise si nécessaire une ouverture 43 par gravure localisée de la couche réflectrice 40 et de la couche de maintien 42 à la perpendiculaire de la partie des bras d’isolation thermique 30 destinée à recevoir le pilier conducteur 50, ici en regard de la deuxième extrémité 35 d’un bras d’isolation thermique 30.
[0077] On dépose ensuite une troisième couche sacrificielle 73.1 minérale de manière à recouvrir la couche réflectrice 40 et la couche sacrificielle 72 sous-jacentes. L’épaisseur de cette couche sacrificielle 73.1 participe à définir la distance séparant les étages intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22, c’est-à-dire la membrane absorbante 60 vis-à-vis du réflecteur 40. Elle participe ainsi à définir la taille de la cavité interférentielle quart d’onde du détecteur thermique 20.
[0078] On réalise ensuite, par dépôt, photolithographie et gravure, un plot 2 réalisé en un matériau sensible (c’est-à-dire apte à être gravé) à l’agent de gravure utilisé ultérieurement pour supprimer les couches sacrificielles minérales. Ce matériau peut être choisi parmi le titane, l’oxyde de tantale Ta205, ou un nitrure de silicium déposé de préférence par PECVD à basse température, par exemple à 300°C, entre autres. Il présente une épaisseur qui dépend de la nature et de l’épaisseur des autres couches à graver, et peut être de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de nanomètres, par exemple comprise entre îoonm et 300nm environ. Il est positionné dans le plan XY de sorte qu’une partie du plot 2 soit en saillie dans l’orifice vertical 51 destiné à réaliser le pilier conducteur 50.
[0079] En référence aux fig-3C et 3D, on réalise ensuite les orifices verticaux 51 destinés à former les piliers conducteurs 50 creux. Pour cela, on dépose tout d’abord une quatrième couche sacrificielle 73.2 minérale de manière à recouvrir la couche sacrificielle sous-jacente 73.1 ainsi que le plot 2 destiné à former l’ergot. L’épaisseur des troisième et quatrième couches sacrificielles 73.1, 73.2 permet de définir la taille de la cavité interférentielle quart d’onde suivant l’axe Z entre les étages intermédiaire et supérieur de la structure tridimensionnelle 22.
[0080] On dépose ensuite à la surface de la couche sacrificielle 73.2 la couche diélectrique inférieure 61 de la membrane absorbante 60, ainsi que la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation, puis on réalise les orifices verticaux 51 destinés à la formation des piliers conducteurs 50 creux. Ils sont réalisés par photolithographie et gravure, et traversent, de haut en bas, la couche conductrice 62, la couche diélectrique inférieure 61, les quatrième, troisième et deuxième couches sacrificielles 73.2, 73.1, 72, et la couche diélectrique supérieure 33, pour déboucher sur la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, ici au niveau de la deuxième extrémité 35 des bras d’isolation thermique 30. Pour obtenir la saillie de l’ergot 2a vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51, et plus précisément la saillie de l’ergot 2a vis-à-vis de la troisième couche sacrificielle 73.1 (i.e. sous l’ergot suivant l’axe Z), la gravure des couches sacrificielles, et en particulier de la troisième couche sacrificielle 73.1, comporte une légère isotropie.
[0081] Du fait du positionnement préalable du plot 2, une portion 2a du plot 2 est alors en saillie vis-à-vis des flancs latéraux de l’orifice vertical 51. Cette portion forme donc un ergot 2a. De préférence, il est en saillie vis-à-vis des flancs latéraux sur une distance dans le plan XY au moins supérieure à l’épaisseur que la couche conductrice 52 est destinée à avoir au niveau des flancs latéraux. Ainsi, si les parois verticales du pilier conducteur 50 sont destinées à présenter une épaisseur de sonm environ, l’ergot 2a est alors en saillie sur une distance avantageusement au moins égale à sonm. De préférence, pour préserver la tenue mécanique du pilier conducteur 50, l’ergot 2a peut s’étendre sur au plus la moitié de la circonférence locale de l’orifice vertical 51.
[0082] En référence à la fig-3E, on réalise les piliers conducteurs 50 destinés à maintenir suspendues les membranes absorbantes, et à les connecter au circuit de lecture 12. Pour cela, on dépose une couche conductrice 52 de manière à recouvrir les flancs de l’orifice vertical 51 et à venir au contact d’une part de la couche conductrice 32 des bras d’isolation thermique 30, et d’autre part de la couche conductrice 62 destinée à former les électrodes de polarisation. La couche conductrice 52 est déposée par une technique de dépôt conforme, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur ( Chemical Vapor Déposition, en anglais), ou par dépôt physique en phase vapeur ( Physical Vapor Déposition, en anglais), par exemple par pulvérisation cathodique ( Sputtering , en anglais), ou autre. La couche conductrice 52 est réalisée parmi un matériau d’intérêt choisi parmi un siliciure de tungstène WSi, le TiN ou le TiW, entre autres.
[0083] Les inventeurs ont ainsi constaté que lorsqu’une couche conductrice 52 d’un tel matériau d’intérêt (WSi, TiN...) est déposée de manière conforme, de préférence par CVD, dans l’orifice vertical 51 dans lequel est en saillie l’ergot 2a, il y a rupture de la continuité de la couche conductrice 52, notamment sous l’ergot 2a. Il se forme donc une ouverture latérale 54 qui sera mise à profit ultérieurement pour supprimer la couche sacrificielle 74 qui sera présente dans l’espace interne du pilier conducteur 50.
[0084] Enfin, on dépose une cinquième couche sacrificielle minérale 74 de manière à recouvrir la couche conductrice 52 formant les piliers conducteurs et à remplir l’espace interne creux de ces derniers. La couche sacrificielle minérale 74 est réalisée de préférence en un matériau diélectrique identique à celui des couches sacrificielles sous-jacentes.
[0085] En référence à la fig.3F, on finalise la réalisation de la membrane absorbante 60. Les étapes sont similaires ou identiques à celles décrites précédemment, et s’en distinguent essentiellement en ce que la membrane absorbante 60, ici la couche diélectrique intermédiaire 63, recouvre l’ouverture supérieure du pilier conducteur 50. Comme précédemment, une cinquième couche sacrificielle minérale 74 est alors située dans l’espace interne du pilier conducteur 50 pour obtenir une surface essentiellement plane qui facilite la suite des opérations technologiques. Les étapes de réalisation de la membrane absorbante 60 ne sont pas détaillées à nouveau.
[0086] En référence à la fig-3G, on supprime les couches sacrificielles 71, 72, 73.1, 73.2, 74, de manière à suspendre la structure tridimensionnelle 22, et donc ses différents étages, au- dessus du substrat de lecture 10. La suspension est ici obtenue par gravure chimique des différentes couches sacrificielles minérales, ici par une gravure chimique humide par attaque à l’acide fluorhydrique en phase vapeur. La partie de la cinquième couche sacrificielle 74 située dans l’espace interne des piliers conducteurs 50 est évacuée dans le même temps, au travers de l’ouverture latérale 54 des piliers conducteurs 50, et les plots 2 formant les ergots 2a sont supprimés dans la mesure où ils sont réalisés en un matériau sensible à l’agent de gravure utilisé, ce qui permet d’éviter qu’ils ne dégradent les performances du dispositif de détection 1 en tombant sur les réflecteurs 40 ou en restant fixés aux piliers conducteurs (et donc en perturbant le rayonnement électromagnétique dans la cavité optique).
[0087] On obtient ainsi un dispositif de détection 1 comportant ici une matrice de pixels sensibles pouvant présenter un pas pixel particulièrement réduit, chaque pixel sensible ayant une constante de temps réduite. Comme détaillé précédemment, la cavité interférentielle quart d’onde n’est pas perturbée par la présence des bras d’isolation thermique 30, à la différence de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment. De plus, les piliers conducteurs 50 sont ici des piliers creux dont l’ouverture supérieure est obturée par la membrane absorbante 60. La couche sacrificielle présente dans l’espace interne est alors efficacement évacuée lors de la suppression des différentes couches sacrificielles, de sorte que la capacité thermique associée aux piliers conducteurs 50 est diminuée, optimisant ainsi la constante de temps thermique du détecteur thermique 20. Les avantages indiqués précédemment en lien avec les piliers conducteurs 50 dont les parois latérales sont formées entièrement par la couche conductrice 52 sont valables ici également. Ainsi que ceux relatifs au fait que le transducteur thermométrique 64 repose sur et au contact d’électrodes de polarisation 52, lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice 52.
[0088] Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection (1) d’un rayonnement électromagnétique, comportant :
o un substrat (10) comportant un circuit de lecture (12) ;
o au moins un détecteur thermique (20), comportant :
• une structure tridimensionnelle (22) adaptée à détecter le rayonnement électromagnétique, suspendue au-dessus du substrat (10) et électriquement connectée au circuit de lecture (12) par au moins un pilier d’ancrage (21), comportant :
■ des bras d’isolation thermique (30) s’étendant de manière planaire dans un étage dit inférieur de la structure tridimensionnelle (22),
■ une membrane absorbante (60) du rayonnement électromagnétique contenant un transducteur thermométrique (64), s’étendant de manière planaire dans un étage dit supérieur de la structure tridimensionnelle (22), distinct et superposé à l’étage inférieur, suspendue au-dessus des bras d’isolation thermique (30) par des piliers conducteurs (50) qui s’étendent à partir des bras d’isolation thermique (30), chaque pilier conducteur (50) étant un pilier creux comportant des parois latérales (50a) formées d’au moins une couche conductrice (52), les parois latérales (50a) délimitant un espace interne vide ;
■ un réflecteur (40) du rayonnement électromagnétique, disposé entre le substrat et la membrane absorbante (60) de manière à former une cavité interférentielle quart d’onde pour ledit rayonnement électromagnétique, et s’étendant de manière planaire dans un étage dit intermédiaire de la structure tridimensionnelle (22), distinct et situé entre les étages inférieur et supérieur ; caractérisé en ce que :
■ les parois latérales (50a) de chaque pilier conducteur (50) étant entièrement formées, suivant leur épaisseur dans un plan parallèle au substrat, par ladite couche conductrice (52).
2. Dispositif de détection (1) selon la revendication 1, dans lequel le transducteur thermométrique (64) repose sur et au contact d’électrodes de polarisation (52), lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice (52), le transducteur thermométrique (64) étant réalisé en un matériau différent de celui de la couche conductrice (52).
3. Dispositif de détection (1) selon la revendication 2, dans lequel le pilier conducteur (50) comporte une ouverture supérieure (53) débouchant sur l’espace interne, ladite ouverture supérieure (53) étant traversante.
4. Dispositif de détection (1) selon la revendication 2, dans lequel le pilier conducteur (50) comporte une ouverture supérieure (53) débouchant sur l’espace interne et obturée par la membrane absorbante (60), et comporte une ouverture latérale (54) traversante située au niveau des parois latérales (50a).
5. Dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le réflecteur (40) comporte au moins une ouverture traversante (43), au travers de laquelle s’étend le pilier conducteur (50).
6. Dispositif de détection (1) selon la revendication 5, comportant une matrice de détecteurs thermiques, dans lequel le réflecteur (40) s’étend de manière continue en regard de chacune des membranes absorbantes (60).
7. Dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le réflecteur (40) est suspendu au-dessus des bras d’isolation thermique (30) par au moins un plot de maintien (41) qui prend appui sur un pilier d’ancrage (21).
8. Procédé de fabrication d’un dispositif de détection (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :
i) réalisation des bras d’isolation thermique (30), du réflecteur (40), puis de la membrane absorbante (60) reposant sur au moins un pilier conducteur (50), au moyen de différentes couches sacrificielles déposées successivement sur le substrat (10), la couche conductrice (52) étant déposée avant un dépôt du matériau du transducteur thermométrique (64) ;
ii) suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à obtenir la suspension de la structure tridimensionnelle (22) au-dessus du substrat (10).
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel le pilier conducteur (50) est un pilier creux comportant des parois latérales (50a) formées entièrement, suivant leur épaisseur dans un plan parallèle au substrat, par ladite couche conductrice (52), les parois latérales (50a) délimitant un espace interne, l’étape i) comportant les sous-étapes suivantes :
réalisation des bras d’isolation thermique (30) sur une première couche sacrificielle (71) ;
- réalisation du réflecteur (40) sur une deuxième couche sacrificielle (72) reposant sur la première couche sacrificielle (71) ;
dépôt d’au moins une troisième couche sacrificielle (73) sur la deuxième couche sacrificielle (72), et réalisation d’un orifice vertical (51) au travers d’au moins les deuxième et troisième couches sacrificielles (72, 73) de manière à déboucher sur un bras d’isolation thermique (30) ;
dépôt conforme d’une couche conductrice (52) sur les flancs latéraux de l’orifice vertical (51) de manière à former le pilier conducteur (50) creux présentant une ouverture supérieure (53) ;
dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire (74) de manière à recouvrir au moins la troisième couche sacrificielle (73) et à remplir l’espace interne du pilier conducteur (50) au travers de l’ouverture supérieure (53) ;
dépôt du matériau du transducteur thermométrique (64) sur et au contact d’électrodes de polarisation (52), lesquelles sont en contact électrique avec la couche conductrice (52).
10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’étape i) comporte les sous-étapes suivantes :
suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74), hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur (50) et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure (53) ;
réalisation de la membrane absorbante (60) de manière à laisser traversante l’ouverture supérieure (53) ;
et dans lequel l’étape ii) comporte la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74) située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture supérieure traversante (53).
11. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’étape i) comporte les sous-étapes suivantes :
réalisation d’un plot intermédiaire (2) situé entre le réflecteur (40) et la membrane absorbante (60), le plot intermédiaire (2) formant un ergot (2a) en saillie dans l’orifice vertical (51), réalisé en un matériau sensible à un agent de gravure utilisé lors de l’étape ii) de suppression des différentes couches sacrificielles, de manière à induire une rupture de continuité de la couche conductrice (52) lors du dépôt conforme, formant ainsi une ouverture latérale (54) traversante du pilier conducteur (50) ;
suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74), hormis une partie située dans l’espace interne du pilier conducteur (50) et affleurant au niveau de l’ouverture supérieure (53) ;
réalisation de la membrane absorbante (60) de manière à obturer l’ouverture supérieure (53) ; et dans lequel l’étape ii) comporte la suppression de la couche sacrificielle supplémentaire (74) située dans l’espace interne, celle-ci étant évacuée au travers de l’ouverture latérale (54) traversante.
12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel les couches sacrificielles sont réalisées en un matériau minéral, et sont supprimées par une gravure chimique humide à l’acide fluorhydrique, le plot formant l’ergot étant réalisé en titane, en oxyde de tantale Ta205 ou en un nitrure de silicium.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la couche conductrice (52) formant le pilier conducteur (50) est réalisée en WSi, en TiN ou en TiW.
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