EP4643393A1 - Procédé de fabrication d'un capteur d'image - Google Patents

Procédé de fabrication d'un capteur d'image

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EP4643393A1
EP4643393A1 EP23841606.9A EP23841606A EP4643393A1 EP 4643393 A1 EP4643393 A1 EP 4643393A1 EP 23841606 A EP23841606 A EP 23841606A EP 4643393 A1 EP4643393 A1 EP 4643393A1
Authority
EP
European Patent Office
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pixels
sensitive
support substrate
visible light
semiconductor material
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841606.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Sciancalepore CORRADO
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
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    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/809—Constructional details of image sensors of hybrid image sensors

Definitions

  • the present disclosure relates to a method of manufacturing an image sensor sensitive to visible light as well as near-wave infrared rays.
  • image sensors sensitive to visible light as well as near infrared rays or short-wave infrared rays involves using distinct materials to form two types of different pixels: a first series of pixels sensitive to visible light, that is to say whose wavelength is between 380 and 780 nm, and a second series of pixels sensitive to near infrared rays, this is i.e. whose wavelengths range from approximately 780nm to 3pm.
  • Silicon is commonly used in the manufacture of sensors sensitive to visible light, for its semiconductor properties.
  • silicon on insulator (SOI) type substrates comprising a base substrate of doped silicon, an intermediate layer of silicon oxide, called a buried oxide layer, and a layer called active silicon, presenting a doping which may be different from that of the base substrate, in which the pixels are formed.
  • silicon is not suitable for detecting infrared rays, whose photon energy is too low to be detected by wide bandgap materials such as silicon. Consequently, materials with a narrower bandgap are used, such as III-V semiconductors, including for example indium phosphide (InP) alloys, or even germanium (Ge) alloys, for the manufacture cameras or infrared sensors.
  • III-V semiconductors including for example indium phosphide (InP) alloys, or even germanium (Ge) alloys, for the manufacture cameras or infrared sensors.
  • InP alloys are particularly used, however InP is a relatively rare material, only occurring in the form of small diameter substrates (less than 15cm), brittle and relatively difficult to handle.
  • the manufacture of sensors sensitive simultaneously to visible light and infrared rays requires the use of several layers of different materials, coming from different substrates.
  • the sensors obtained by this type of process typically comprise at least one silicon substrate, a layer of a semiconductor material sensitive to visible light, and a layer of a different semiconductor material, sensitive to infrared rays.
  • III-V semiconductors for the detection of visible light but also of infrared rays, as envisaged by document WO 2015/048304A2.
  • a layer 104 of gallium-indium arsenide (InGaAs) serves as a detection layer for visible waves as well as near infrared waves, the thickness of this layer being between 0.5pm and 6pm.
  • This layer 104 of InGaAs is formed by epitaxial growth on an InP substrate 101, and is covered with an additional layer of InP 105 serving as a contact layer.
  • the surface layer 105 of indium phosphide is particularly thin, so as to allow the passage of visible light towards the layer 104 of InGaAs.
  • the presence of the indium phosphide layer 105 still reduces the quantum efficiency of the sensor at certain wavelengths of visible light, typically around 600nm.
  • using the same layer of InGaAs 104 for visible and infrared wave detection means that the dimensions and spacing of visible pixels must be the same as for SWIR pixels.
  • the resolution of the sensor is therefore limited by the resolution of the pixels sensitive to infrared rays, which is typically much lower than that which we would like to obtain for pixels sensitive to visible waves. This solution therefore does not make it possible to obtain a satisfactory resolution for pixels sensitive to visible light.
  • the present disclosure proposes a method of manufacturing an image sensor for the detection of visible light and short-wave infrared rays, the method comprising the following steps: a. providing a support substrate comprising a first semiconductor material; b. formation, in the support substrate, of cavities in order to define pixels sensitive to visible light in the first semiconductor material between said cavities; vs. formation of an electrically insulating protective layer at least on the side surfaces of each pixel sensitive to visible light; d. growth, in the cavities, of a second material, different from the first material, so as to form pixels sensitive to short-wave infrared rays.
  • a sensor sensitive to both light rays of the visible spectrum and short-wave infrared rays whose pixels sensitive to these two types of rays are located in the same plane, without having to vertically stack successive layers of semiconductor materials.
  • the sensor thus obtained has no loss of quantum efficiency, and the resolution of its pixels sensitive to visible light rays is not limited by that of its pixels sensitive to short-wave infrared rays.
  • the method comprises, between step a and step b, a step a' of forming a protective film of the support substrate, to protect the pixels sensitive to visible light during step b formation of cavities; and between step c and step d, a step c’ of removing the protective film in order to expose the upper surface of the pixels sensitive to visible light.
  • the method comprises, between step a and step b, a step a' of forming a protective film of the support substrate, to protect the pixels sensitive to visible light during step b formation of cavities; and after step d, a step d of removing the protective film in order to expose the upper surface of the pixels sensitive to visible light.
  • step c comprises the formation of the protective layer by rapid thermal annealing.
  • the first semiconductor material is silicon.
  • the second semiconductor material is a III-V semiconductor, preferably chosen from indium phosphide, indium gallium arsenide, germanium alloys, or quantum dots, for example colloidal quantum dots. based on lead(ll) sulphide.
  • the support substrate is of the silicon-on-insulator type, and successively comprises a base substrate, an electrically insulating intermediate layer and a single-crystal layer of the first semiconductor material.
  • the method comprises, between step b and step c, a step b' of thickening the single-crystal layer by homo-epitaxy.
  • step b is an etching step carried out in the support substrate until reaching the electrically insulating intermediate layer.
  • the method comprises after step c, and possibly step c', a step c” of removing, in the cavities, the material forming the electrically insulating intermediate layer, and in that the sensitive pixels with short-wave infrared rays are formed, in step d, on the face of the base substrate revealed by removal step c.
  • the support substrate is a solid substrate of the first semiconductor material.
  • the present disclosure further provides an image sensor for detecting visible light and short-wave infrared rays, comprising: a support substrate; a plurality of pixels sensitive to visible light, formed in the support substrate, and pixels sensitive to short-wave infrared rays, said pixels sensitive to infrared rays being arranged on a surface region of the support substrate; a protective layer arranged at least on the side walls of each pixel so as to electrically isolate each pixel from adjacent pixels; the pixels forming an arrangement arranged on the same plane, the support substrate being of the semiconductor on insulator (SOI) type, in particular silicon on insulator, the support substrate successively comprising a base substrate in a semiconductor material, an electrically insulating intermediate layer and a single crystal layer in a semiconductor material.
  • SOI semiconductor on insulator
  • Figure 1 illustrates a sensor sensitive to visible light and near infrared according to the state of the art.
  • Figure 2 illustrates a typical SOI substrate.
  • Figure 3 illustrates a step of epitaxial growth of the single crystal layer of the SOI, according to one embodiment.
  • Figures 4a, 4b, 4c, 4d, 4e and 4f illustrate the steps of the proposed method, according to a first embodiment.
  • Figures 5a, 5b, 5c, 5d and 5e illustrate the steps of the proposed method, according to a second embodiment.
  • Figure 6 shows an arrangement of pixels on a sensor, called the “Bayer arrangement”. To promote the readability of the figures, the different elements have not necessarily been represented to scale.
  • the present disclosure relates to a method for manufacturing an image sensor, capable of detecting visible light as well as short-wave infrared rays, as well as to the sensors obtained by this method.
  • the method comprises a first step of providing a support substrate.
  • This substrate comprises at least a first semiconductor material, in which the pixels sensitive to visible light will be formed. More particularly, the first semiconductor material may be silicon.
  • the support substrate is a silicon-on-insulator (SOI) type substrate, which successively comprises a base substrate, an electrically insulating intermediate layer and a monocrystalline layer of a first semiconductor material.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the method may include a growth step aimed at thickening said layer.
  • This step can be an epitaxial growth step, in particular homo-epitaxy.
  • the thickness of the pixels sensitive to visible light is advantageously between 1 pm and 10 pm.
  • the support substrate is entirely formed of the first semiconductor material, and can in particular be a silicon bulk substrate.
  • the method comprises a step of forming cavities in the first semiconductor material of the support substrate. This makes it possible to delimit in the first semiconductor material, between the cavities, a plurality of pixels sensitive to visible light. As we will see below, the cavities will subsequently be filled with a second semiconductor material sensitive to infrared rays. Consequently, the size of the cavities is advantageously chosen to optimize the size of the pixels sensitive to infrared rays and the distance between adjacent cavities is chosen to optimize the size of the pixels sensitive to visible light.
  • the distance between two adjacent cavities corresponding substantially to the width of a pixel sensitive to visible light is between 0.25 and 2 pm
  • the width of the cavities is between 1 and 10 pm.
  • the proposed method may include a step of forming a protective film. Such a step aims to protect certain parts of the support substrate, and to leave other parts of the support substrate unprotected, the unprotected parts then forming the cavities.
  • the cavity formation step may be a plasma-assisted dry etching step.
  • the protective film can then be used in particular to protect certain parts of the support substrate during engraving.
  • This may in particular be a film which acts as a mask, protecting the support substrate from the etching agent.
  • the protective film can be formed from silicon nitride, which has the advantage of having high etching selectivity with respect to silicon and III-V materials.
  • the method further comprises a step of forming an electrically insulating protective layer on the pixels sensitive to visible light, in particular on their lateral surfaces.
  • the protective layer also extends over this surface. This layer can be obtained by rapid thermal annealing, particularly in an oxidizing atmosphere.
  • the proposed method also includes growing, in the cavities, a second semiconductor material, different from the first semiconductor material, which is sensitive to near infrared rays.
  • the second material is advantageously chosen from III-V semiconductors, such as alloys of indium phosphide (InP), gallium-indium arsenide (InGaAs) or germanium (Ge), or else be formed of quantum dots colloids such as colloidal quantum dots based on lead(ll) sulfide or lead selenide.
  • the second semiconductor material grows by heteroepitaxy on the first semiconductor material. For this purpose, if the bottom of the cavities is covered with the electrically insulating protective layer, it is necessary to first remove said layer to expose the first semiconductor material.
  • the surface of the pixels sensitive to visible light is advantageously protected by means of a mask, for example made of silicon nitride.
  • the first embodiment uses, as support substrate 1, an SOI, as shown in Figure 2.
  • SOI successively comprises a base substrate 13 made of semiconductor material, generally silicon, an intermediate layer 14 of electrically insulating material, in particular silicon oxide, and a layer 15 of monocrystalline semiconductor material, also generally silicon.
  • the thickness of the single-crystal semiconductor layer is typically between 50 nm and a few pm.
  • the proposed method may include a step of forming a protective film 3, which will selectively protect certain parts of the substrate 1 and leave other parts unprotected.
  • Figure 4b represents a step of forming pixels 11 sensitive to visible light.
  • cavities 5 are made in the monocrystalline layer 15 of the support substrate 1, until reaching the intermediate insulating layer 14.
  • these cavities are produced by plasma-assisted dry etching, so as to etch the unprotected parts of the substrate 1, while the parts protected by the protective film 3 do not undergo etching.
  • Such etching is generally anisotropic, essentially oriented along the direction of thickness of the substrate 1, making it possible to obtain cavities 5 with sides substantially parallel to this direction.
  • the distance between the cavities which corresponds substantially to the width of the parts of the support substrate 1 covered by the protective film 3, is chosen so as to obtain the pixels 11 sensitive to visible light of a desired dimension.
  • an epitaxial growth step can be provided so as to thicken the monocrystalline layer 15, for example up to a thickness of the order of a few micrometers. Such a step is illustrated in Figure 3.
  • This layer being preferably formed of silicon, this step will in this case be a step of homo-epitaxy of monocrystalline silicon on the monocrystalline layer 15.
  • This step makes it possible in particular to choose the thickness of the pixels 11 sensitive to visible light, this thickness depending directly on that of the monocrystalline layer 15 of the SOI.
  • an electrically insulating protective layer 4 is formed so as to protect at least the side walls of each pixel sensitive to visible light.
  • this protective layer is obtained by thermal oxidation which can carry out rapid thermal annealing. When such thermal annealing is carried out in an oxidizing atmosphere, a layer of silicon oxide is formed on the surface of the pixels 11 sensitive to visible light, forming the protective layer 4.
  • the protective layer can also be formed by a deposit. The function of this protective layer 4 is to create electrical insulation between the pixels 11 sensitive to visible light and pixels 12 sensitive to near infrared rays which will be formed according to a subsequent step of the process.
  • an SOI as a support substrate thus makes it possible to obtain a layer of silicon oxide present both on the side walls of the pixels 11 sensitive to visible light and between these pixels and the base substrate 13 of the substrate. support 1.
  • the protective layer 4 of silicon oxide is already partially formed by the intermediate layer 14 of the SOI serving as support substrate 1. This not only allows electrical insulation of the pixels 11 sensitive to visible light relative to the pixels 12 sensitive to near infrared, but also in relation to the rest of the support substrate 1, which limits transconductance phenomena between pixels.
  • the method then includes a step of removing the parts of the protective layer 4 (or 14) extending at the bottom of the cavities, so as to reveal the base substrate 13 of the support substrate 1 as illustrated in Figure 4d.
  • the protective layer is then located only around the side walls of each pixel 11 sensitive to visible light, as well as between these pixels 11 and the base substrate 13 of the support substrate 1.
  • the method includes a step of forming pixels 12 sensitive to infrared rays, on the parts of the support substrate 1 located between the pixels 11 sensitive to visible light.
  • This step is illustrated in Figure 4e.
  • this training is made by epitaxy, a superficial surface of the support substrate 11 then serving as a seed layer for the growth of the material sensitive to infrared rays.
  • the material forming the pixels 12 is chosen from 11 lV semiconductors, such as indium phosphide (InP), gallium-indium arsenide (InGaAs) or germanium (Ge) alloys.
  • the material forming the pixels 12 may also be formed of colloidal quantum dots such as lead(ll) sulfide colloidal quantum dots.
  • the substrate 1 being generally made of silicon, this step is preferably a hetero-epitaxial growth step.
  • the film is removed following the step of forming pixels 12 sensitive to infrared rays.
  • the protective film 3 also makes it possible to prevent the growth of the material forming the pixels 12 on the pixels 11 sensitive to visible light.
  • the protective film 3 can in particular be removed using an additional etching step.
  • pixels 12 sensitive to near infrared rays in cavities 5 arranged between pixels 11 sensitive to visible light makes it possible to have these two types of pixels arranged in the same plane of the sensor.
  • the formation of the sensor does not require a vertical stack of photosensitive materials configured respectively for the detection of visible light and near infrared radiation. Unlike state-of-the-art sensors, neither of the two materials used is buried, and all the pixels are directly exposed to light rays.
  • the sensors obtained using the proposed method do not present the loss of quantum efficiency observed in sensors according to the state of the art at certain wavelengths.
  • pixels 12 sensitive to infrared rays being independent of that of pixels 11 sensitive to visible light
  • these pixels 12 are formed in desired dimensions (in particular desired width and thickness), independently of the dimensions of the pixels. 11 sensitive to visible light.
  • Each type of pixel is formed in the most suitable material.
  • a massive silicon substrate (called "bulk silicon” in English), so as to obtain a sensor as shown in Figure 5e.
  • cavities 5 are made in the silicon layer 1', preferably by etching using a protective film 3 as described previously. THE cavities are made on only part of the thickness of the support substrate 1 so as to achieve a desired thickness of the pixels 11 'sensitive to visible light.
  • a protective layer 4 is then formed, as shown in Figure 5c. Then, a step can be provided for removing the parts of the protective layer 4 extending at the bottom of the cavities, so as to reveal the support substrate T. This step is shown in Figure 5d.
  • the protective layer 4 finally obtained will only be placed on the side walls of the pixels 11' sensitive to visible light.
  • the pixels 12' sensitive to infrared rays are formed, in particular by hetero-epitaxial growth on the superficial surface of the support substrate 1' arranged in the cavities 5.
  • the material sensitive to rays infrared an III-V semiconductor such as those mentioned above, or colloidal quantum dots such as lead(ll) sulfide colloidal quantum dots.
  • the film is removed following the step of forming the pixels 12' sensitive to infrared rays, in particular using an additional engraving step.
  • a buffer layer 6 could be provided between the support substrate 1' and the material sensitive to infrared rays, so as to absorb any dislocations possibly generated by the process of epitaxial growth of the pixels 12'.
  • Figure 6 illustrates, in top view, an example of arrangement of pixels of a sensor, in the form of a Bayer matrix type matrix comprising pixels sensitive to visible light of blue, green or red color ( denoted respectively R, G and B for English “red, green, blue”) as well as pixels sensitive to own infrared rays (denoted SWIR). All pixels are located on the same plane. The shape and size of the pixels are given for information purposes only and are not representative of the actual size of the two types of pixels.

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

La présente divulgation concerne un procédé de fabrication d'un capteur d'image pour la détection de la lumière visible et des rayons infrarouges à ondes courtes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. fourniture d'un substrat support (1, 1') comprenant un premier matériau semiconducteur; b. formation, dans le substrat support (1, 1'), de cavités (5) afin de définir des pixels (11, 11') sensibles à la lumière visible dans le premier matériau semiconducteur entre lesdites cavités (5); c. formation d'une couche protectrice (4) électriquement isolante au moins sur les surfaces latérales de chaque pixel (11, 11') sensible à la lumière visible; croissance, dans les cavités (5), d'un second matériau, différent du premier matériau, de sorte à former des pixels (12, 12') sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes

Description

Description
Titre : Procédé de fabrication d’un capteur d’image
Domaine technique
La présente divulgation concerne un procédé de fabrication d’un capteur d’image sensible à la lumière visible ainsi qu’aux rayons infrarouges à ondes proches.
Etat de la technique
La fabrication de capteurs d’images sensibles à la lumière visible ainsi qu’aux rayons infrarouges proches ou rayons infrarouges à ondes courtes (en anglais, « short-wave infrared » ou SWIR) implique d'utiliser des matériaux distincts pour former deux types de pixels différents : une première série de pixels sensibles à la lumière visible, c’est-à-dire dont la longueur d’onde est comprise entre 380 et 780 nm, et une deuxième série de pixels sensibles aux rayons infrarouges proches, c’est-à-dire dont les longueurs d’onde vont de 780nm à 3pm environ.
Le silicium est couramment utilisé dans la fabrication de capteurs sensibles à la lumière visible, pour ses propriétés semiconductrices. On utilise notamment des substrats de type silicium sur isolant (en anglais « silicon on insulator » ou SOI), comprenant un substrat de base de silicium dopé, une couche intermédiaire d’oxyde de silicium, dite couche d’oxyde enterrée, et une couche dite active de silicium, présentant un dopage qui peut être différent de celui du substrat de base, dans laquelle sont formés les pixels.
Cependant, le silicium n’est pas adapté à la détection des rayons infrarouges, dont l’énergie des photons est trop faible pour être détectée par les matériaux à bande interdite large telle que le silicium. Par conséquent, des matériaux à bande interdite plus étroite sont utilisés, tels que les semi-conducteurs lll-V, dont par exemple les alliages du phosphure d’indium (InP), ou encore les alliages du germanium (Ge), pour la fabrication de caméras ou de capteurs infrarouge.
Les alliages InP sont particulièrement utilisés, cependant l’InP est un matériau relativement rare, ne se présentant que sous la forme de substrats de faible diamètre (moins de 15cm), cassant et relativement difficile à manipuler.
Par conséquent, la fabrication de capteurs sensibles simultanément à la lumière visible et aux rayons infrarouges selon l’état de la technique nécessite l’utilisation de plusieurs couches de différents matériaux, provenant de différents substrats. Les capteurs obtenus par ce type de procédé comprennent typiquement au moins un substrat en silicium, une couche d’un matériau semiconducteur sensible à la lumière visible, et une couche d’un matériau semiconducteur différent, sensible aux rayons infrarouges. Une alternative est d’utiliser des semiconducteurs lll-V pour la détection de la lumière visible mais aussi des rayons infrarouges, tel qu’envisagé par le document WO 2015/048304A2. Pour ce type de capteurs, illustré à la figure 1 , une couche 104 d'arséniure de gallium-indium (InGaAs) sert de couche de détection pour les ondes visibles ainsi que les ondes infrarouges proches, l’épaisseur de cette couche étant comprise entre 0,5pm et 6pm. Cette couche 104 d’InGaAs est formée par croissance épitaxiale sur un substrat 101 d’InP, et est recouverte d’une couche additionnelle d’InP 105 servant de couche de contact. La couche 105 superficielle de phosphure d’indium est particulièrement fine, de sorte à permettre le passage de la lumière visible vers la couche 104 d’InGaAs.
Cependant, la présence de la couche 105 de phosphure d’indium diminue toujours l’efficacité quantique du capteur à certaines longueurs d’onde de lumière visible, typiquement autour de 600nm. En outre, l'utilisation d’une même couche d’InGaAs 104 pour la détection des ondes visibles et infrarouges signifie que les dimensions et l’espacement des pixels visibles doivent être les mêmes que pour les pixels SWIR. La résolution du capteur est donc limitée par la résolution des pixels sensibles aux rayons infrarouge, qui est typiquement bien moindre que celle qu’on souhaiterait obtenir pour des pixels sensibles aux ondes visibles. Cette solution ne permet donc pas d’obtenir une résolution satisfaisante pour les pixels sensibles à la lumière visible.
Résumé
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente divulgation propose un procédé de fabrication d’un capteur d’image pour la détection de la lumière visible et des rayons infrarouges à ondes courtes, le procédé comprenant les étapes suivantes : a. fourniture d’un substrat support comprenant un premier matériau semiconducteur ; b. formation, dans le substrat support, de cavités afin de définir des pixels sensibles à la lumière visible dans le premier matériau semiconducteur entre lesdites cavités ; c. formation d’une couche protectrice électriquement isolante au moins sur les surfaces latérales de chaque pixel sensible à la lumière visible ; d. croissance, dans les cavités, d’un second matériau, différent du premier matériau, de sorte à former des pixels sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes.
Ainsi, on obtient un capteur sensible à la fois aux rayons lumineux du spectre visible et aux rayons infrarouges à ondes courtes, dont les pixels sensibles à ces deux types de rayons sont situés dans un même plan, sans avoir à empiler verticalement des couches successives de matériaux semi-conducteurs. Le capteur ainsi obtenu n’a pas de perte d’efficacité quantique, et la résolution de ses pixels sensibles aux rayons lumineux visible n’est pas limitée par celle de ses pixels sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, entre l’étape a et l’étape b, une étape a’ de formation d’un film protecteur du substrat support, pour protéger les pixels sensibles à la lumière visible lors de l’étape b de formation des cavités ; et entre l'étape c et l’étape d, une étape c’ de retrait du film protecteur afin d’exposer la surface supérieure des pixels sensibles à la lumière visible.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, entre l’étape a et l’étape b, une étape a’ de formation d’un film protecteur du substrat support, pour protéger les pixels sensibles à la lumière visible lors de l’étape b de formation des cavités ; et après l’étape d, une étape d’ de retrait du film protecteur afin d’exposer la surface supérieure des pixels sensibles à la lumière visible.
Selon un mode de réalisation, l’étape c comprend la formation de la couche protectrice par recuit thermique rapide.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau semiconducteur est du silicium.
Selon un mode de réalisation, le second matériau semiconducteur est un semiconducteur III- V, préférentiellement choisi parmi le phosphure d’indium, l’arséniure d’indium gallium, des alliages de germanium, ou des points quantiques, par exemple des points quantiques colloïdaux à base de sulfure de plomb(ll).
Selon un mode de réalisation, le substrat support est de type silicium sur isolant, et comprend successivement un substrat de base, une couche intermédiaire électriquement isolante et une couche monocristalline du premier matériau semiconducteur.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, entre l’étape b et l’étape c, une étape b’ d’épaississement de la couche monocristalline par homo-épitaxie.
Selon un mode de réalisation, l’étape b est une étape de gravure pratiquée dans le substrat support jusqu’à atteindre la couche intermédiaire électriquement isolante.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend après l’étape c, et éventuellement l’étape c’, une étape c” de retrait, dans les cavités, du matériau formant la couche intermédiaire électriquement isolante, et en ce que les pixels sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes sont formés, à l’étape d, sur la face du substrat de base révélée par l’étape c” de retrait.
Selon un mode de réalisation, le substrat support est un substrat massif du premier matériau semiconducteur.
La présente divulgation propose en outre un capteur d’image pour la détection de la lumière visible et des rayons infrarouges à ondes courtes, comprenant : un substrat support ; une pluralité de pixels sensibles à la lumière visible, formés dans le substrat support, et de pixels sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes, lesdits pixels sensibles aux rayons infrarouges étant disposés sur une région superficielle du substrat support ; une couche protectrice disposée au moins sur les parois latérales de chaque pixel de sorte à isoler électriquement chaque pixel des pixels adjacents ; les pixels formant un agencement disposé sur un même plan, le substrat support étant de type semiconducteur sur isolant (SOI), notamment silicium sur isolant, le substrat support comprenant successivement un substrat de base dans un matériau semiconducteur, une couche intermédiaire électriquement isolante et une couche monocristalline dans un matériau semiconducteur.
Brève description des figures
La Figure 1 illustre un capteur sensible à la lumière visible et aux infrarouges proches selon l’état de la technique.
La Figure 2 illustre un substrat SOI classique.
La Figure 3 illustre une étape de croissance épitaxiale de la couche monocristalline du SOI, selon un mode de réalisation.
Les Figures 4a, 4b, 4c, 4d, 4e et 4f illustrent les étapes du procédé proposé, selon un premier mode de réalisation.
Les Figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e illustrent les étapes du procédé proposé, selon un deuxième mode de réalisation.
La Figure 6 montre un agencement de pixels sur un capteur, dit « agencement de Bayer ». Pour favoriser la lisibilité des figures, les différents éléments n’ont pas nécessairement été représentés à l’échelle.
Un même signe de référence utilisé d’une figure à l’autre désigne un même élément, qui ne sera pas décrit en détail à nouveau.
Description détaillée de modes de réalisation
La présente divulgation porte sur un procédé de fabrication d’un capteur d’image, capable de détecter la lumière visible ainsi que les rayons infrarouges à ondes courtes, ainsi que sur les capteurs obtenus par ce procédé.
Le procédé comprend une première étape de fourniture d’un substrat support. Ce substrat comprend au moins un premier matériau semi-conducteur, dans lequel seront formés les pixels sensibles à la lumière visible. Plus particulièrement, le premier matériau semiconducteur peut être du silicium. Selon un premier mode de réalisation, le substrat support est un substrat du type silicium-sur- isolant (en anglais « silicon on insulator » ou SOI), qui comprend successivement un substrat de base, une couche intermédiaire électriquement isolante et une couche monocristalline d’un premier matériau semiconducteur.
Si la couche monocristalline du premier matériau semiconducteur présente une épaisseur inférieure à l’épaisseur souhaitée pour les pixels sensibles à la lumière visible, le procédé peut comprendre une étape de croissance visant à épaissir ladite couche. Cette étape peut être une étape de croissance épitaxiale, notamment une homo-épitaxie. Par exemple, l'épaisseur des pixels sensibles à la lumière visible est avantageusement comprise entre 1 pm et 10 pm. Selon un second mode de réalisation, le substrat support est intégralement formé du premier matériau semiconducteur, et peut notamment être un substrat massif (dit « bulk » en anglais) de silicium.
Le procédé comprend une étape de formation de cavités dans le premier matériau semiconducteur du substrat support. Ceci permet de délimiter dans le premier matériau semiconducteur, entre les cavités, une pluralité de pixels sensibles à la lumière visible. Comme on le verra plus bas, les cavités seront comblées par la suite par un second matériau semiconducteur sensible aux rayons infrarouge. Par conséquent, la taille des cavités est avantageusement choisie pour optimiser la taille des pixels sensibles aux rayons infrarouge et la distance entre cavités adjacentes est choisie pour optimiser la taille des pixels sensibles à la lumière visible. Par exemple, mais de manière non limitative, la distance entre deux cavités adjacentes (correspondant sensiblement à la largeur d’un pixel sensible à la lumière visible est comprise entre 0,25 et 2 pm, et la largeur des cavités (correspondant sensiblement à la largeur d’un pixel sensible aux rayons infrarouge) est comprise entre 1 et 10 pm.
Précédemment à cette étape de formation de cavités, le procédé proposé peut comprendre une étape de formation d’un film protecteur. Une telle étape vise à protéger certaines parties du substrat support, et de laisser d’autres parties du substrat support non protégées, les parties non protégées formant alors les cavités. L’étape de formation de cavités peut être une étape de gravure sèche assistée par plasma.
Le film protecteur peut alors notamment servir à protéger certaines parties du substrat support lors de la gravure. Il peut s’agir notamment d’un film qui agit en tant que masque, en protégeant le substrat support de l’agent de gravure.
Le film protecteur peut être formé de nitrure de silicium, qui présente l’avantage de présenter une grande sélectivité à la gravure vis-à-vis du silicium et des matériaux lll-V.
Après la formation des cavités, le procédé comprend en outre une étape de formation d’une couche protectrice électriquement isolante sur les pixels sensibles à la lumière visible, notamment sur leurs surfaces latérales. Lorsque le fond des cavités est en matériau semiconducteur, la couche protectrice s’étend également sur cette surface. Cette couche peut être obtenue par recuit thermique rapide, notamment dans une atmosphère oxydante.
Le procédé proposé comprend également la croissance, dans les cavités, d’un second matériau semiconducteur, différent du premier matériau semiconducteur, qui est sensible aux rayons infrarouges proches. Le second matériau est avantageusement choisi parmi les semiconducteurs lll-V, tel que les alliages de phosphure d’indium (InP), d’arséniure de gallium- indium (InGaAs) ou de germanium (Ge), ou encore être formé de points quantiques colloïdaux tels que des points quantiques colloïdaux à base de sulfure de plomb(ll) ou de séléniure de plomb.
Le second matériau semiconducteur croît par hétéroépitaxie sur le premier matériau semiconducteur. A cet effet, si le fond des cavités est recouvert de la couche protectrice électriquement isolante, il est nécessaire au préalable de retirer ladite couche pour exposer le premier matériau semiconducteur.
Pour faire croître le second matériau semiconducteur dans les cavités, on protège avantageusement la surface des pixels sensibles à la lumière visible au moyen d’un masque, par exemple en nitrure de silicium.
Le premier mode de réalisation utilise, comme substrat support 1 , un SOI, tel que représenté sur la figure 2. Un tel SOI comprend successivement un substrat de base 13 en matériau semiconducteur, généralement du silicium, une couche intermédiaire 14 en matériau électriquement isolant, notamment de l’oxyde de silicium, et une couche 15 en matériau semiconducteur monocristallin, généralement du silicium également. L’épaisseur de la couche semi-conductrice monocristalline est typiquement comprise entre 50 nm et quelques pm.
Comme illustré sur la figure 4a, le procédé proposé peut comprendre une étape de formation d’un film protecteur 3, qui protégera sélectivement certaines parties du substrat 1 et laissera d’autres parties non protégées.
La figure 4b représente une étape de formation des pixels 11 sensibles à la lumière visible. Durant cette étape, on pratique des cavités 5 dans la couche monocristalline 15 du substrat support 1 , jusqu’à atteindre la couche intermédiaire 14 isolante. Selon un mode de réalisation préférentiel, on pratique ces cavités par gravure sèche assistée par plasma, de sorte à graver les parties du substrat 1 non protégées, alors que les parties protégées par le film protecteur 3 ne subissent pas de gravure.
Une telle gravure est généralement anisotrope, essentiellement orientée selon la direction d’épaisseur du substrat 1 , permettant d’obtenir des cavités 5 avec des côtés sensiblement parallèles à cette direction.
La distance entre les cavités, qui correspond sensiblement à la largeur des parties du substrat support 1 couvertes par le film protecteur 3, est choisie de sorte à obtenir les pixels 11 sensibles à la lumière visible d'une dimension voulue. Lorsque la couche monocristalline 15 du SOI est trop fine pour permettre la formation de pixels 11 sensibles à la lumière visible de la taille voulue, on peut prévoir une étape de croissance épitaxiale de sorte à épaissir la couche monocristalline 15, par exemple jusqu’à une épaisseur de l’ordre de quelques micromètres. Une telle étape est illustrée à la figure 3. Cette couche étant préférentiellement formée de silicium, cette étape sera dans ce cas une étape d’homo- épitaxie de silicium monocristallin sur la couche monocristalline 15.
Cette étape permet notamment de choisir l’épaisseur des pixels 11 sensibles à la lumière visible, cette épaisseur dépendant directement de celle de la couche monocristalline 15 du SOI.
Comme illustré sur la figure 4c, une fois les cavités obtenues, une couche protectrice 4 électriquement isolante est formée de manière à protéger au moins les parois latérales de chaque pixel sensible à la lumière visible. Selon un mode de réalisation, cette couche protectrice est obtenue par oxydation thermique pouvant mettre en œuvre un recuit thermique rapide. Lorsqu’un tel recuit thermique est pratiqué dans une atmosphère oxydante, une couche d’oxyde de silicium se forme sur la surface des pixels 11 sensibles à la lumière visible, formant la couche protectrice 4. Par ailleurs, la couche protectrice peut être également formée par un dépôt. La fonction de cette couche protectrice 4 est de créer une isolation électrique entre les pixels 11 sensibles à la lumière visible et des pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges proches qui seront formés selon une étape ultérieure du procédé.
L’utilisation d’un SOI comme substrat support permet ainsi d’obtenir une couche d’oxyde de silicium présente à la fois sur les parois latérales des pixels 11 sensibles à la lumière visible et entre ces pixels et le substrat de base 13 du substrat support 1. En effet, la couche protectrice 4 d’oxyde de silicium est déjà partiellement formée par la couche intermédiaire 14 du SOI servant de substrat support 1. Ceci permet non seulement une isolation électrique des pixels 11 sensibles à la lumière visible par rapport aux pixels 12 sensibles aux infrarouges proches, mais également par rapport au reste du substrat support 1 , ce qui limite les phénomènes de transconductance entre pixels.
Le procédé comprend ensuite une étape de retrait des parties de la couche protectrice 4 (ou 14) s’étendant au fond des cavités, de façon à révéler le substrat de base 13 du substrat support 1 tel qu’illustré sur la figure 4d. La couche protectrice est alors située uniquement autour des parois latérales de chaque pixel 11 sensible à la lumière visible, ainsi qu’entre ces pixels 11 et le substrat de base 13 du substrat support 1.
Ceci permet de révéler une surface supérieure du substrat support 1 en vue d’y former les pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges, comme il sera expliqué par la suite.
Enfin, le procédé comprend une étape de formation de pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges, sur les parties du substrat support 1 situées entre les pixels 11 sensibles à la lumière visible. Cette étape est illustrée à la figure 4e. Préférentiellement, cette formation se fait par épitaxie, une surface superficielle du substrat support 11 servant alors de couche germe pour la croissance du matériau sensible aux rayons infrarouges. Selon un mode de réalisation, le matériau formant les pixels 12 est choisi parmi les semiconducteurs 11 l-V, tel que les alliages de phosphure d’indium (InP), d’arséniure de gallium-indium (InGaAs) ou de germanium (Ge). Le matériau formant les pixels 12 peut également être formé de points quantiques colloïdaux tels que des points quantiques colloïdaux de sulfure de plomb(ll). Le substrat 1 étant généralement en silicium, cette étape est préférentiellement une étape de croissance hétéro-épitaxiale.
Lorsqu’un film protecteurs a été utilisé pourformer les cavités 5, le film est retiré suite à l’étape de formation de pixels 12 sensibles au rayon infrarouge. Ainsi, le film protecteur 3 permet également d’empêcher la croissance du matériau formant les pixels 12 sur les pixels 11 sensibles à la lumière visible. Le film protecteur 3 peut notamment être retiré à l’aide d’une étape additionnelle de gravure.
La formation des pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges proches dans des cavités 5 disposées entre les pixels 11 sensibles à la lumière visible permet d’avoir ces deux types de pixels disposés dans un même plan du capteur. Ainsi, la formation du capteur ne nécessite pas d’empilement vertical de matériaux photosensibles configurés respectivement à la détection de la lumière visible et du rayonnement infrarouge proche. Contrairement aux capteurs de l'état de la technique, aucun des deux matériaux utilisés n’est donc enfoui, et tous les pixels sont directement exposés aux rayons lumineux.
Ainsi, les capteurs obtenus grâce au procédé proposé ne présentent pas la perte d’efficacité quantique observée dans les capteurs selon l’état de la technique à certaines longueurs d’ondes.
En outre, la formation des pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges étant indépendante de celle des pixels 11 sensibles à la lumière visible, ces pixels 12 sont formés dans des dimensions voulues (notamment de largeur et d’épaisseur voulue), indépendamment des dimensions des pixels 11 sensibles à la lumière visible. Chaque type de pixel est formé dans le matériau le plus approprié.
Comme illustré sur la figure 4f, on peut éventuellement prévoir, avant l’étape de formation des pixels 12 sensibles aux rayons infrarouges, la formation d’une couche tampon 6 sur les parties du substrat support 1 situées au fond des cavités 5, de sorte à absorber les dislocations éventuellement générées par le processus de croissance épitaxiale des pixels 12.
Selon un second mode de réalisation du procédé, représenté sur les figures 5a à 5e, on utilise, comme substrat support 1’, un substrat massif de silicium (appelé « bulk silicon » en anglais), de sorte à obtenir un capteur tel que représenté sur la figure 5e. Selon ce mode de réalisation, et tel qu’illustré par la figure 5b, on pratique des cavités 5 dans la couche de silicium 1 ’, de préférence par gravure en utilisant un film protecteur 3 tel que décrit précédemment. Les cavités sont pratiquées sur une partie seulement de l’épaisseur du substrat support 1 de sorte à atteindre une épaisseur voulue des pixels 11 ’ sensibles à la lumière visible. On forme ensuite une couche protectrice 4, comme représenté à la figure 5c. Puis, il peut être prévu une étape de retrait des parties de la couche protectrice 4 s’étendant au fond des cavités, de façon à révéler le substrat support T. Cette étape est représentée à la figure 5d.
Pour ce mode de réalisation, la couche protectrice 4 finalement obtenue sera uniquement disposée sur les parois latérales des pixels 11 ’ sensibles à la lumière visible.
Enfin, on forme les pixels 12’ sensibles aux rayons infrarouges, notamment par croissance hétéro-épitaxiale sur la surface superficielle du substrat support 1 ’ disposée dans les cavités 5. Comme pour le mode de réalisation précédent, on choisira préférentiellement comme matériau sensible aux rayons infrarouge un semiconducteur lll-V tel que ceux cités précédemment, ou des points quantiques collloïdaux tels que des points quantiques colloïdaux de sulfure de plomb(ll).
Comme pour le mode de réalisation précédent, lorsqu’un film protecteur 3 a été utilisé pour former les cavités 5, le film est retiré suite à l’étape de formation des pixels 12’ sensibles aux rayons infrarouges, notamment à l’aide d’une étape additionnelle de gravure.
Comme décrit précédemment, on pourra prévoir une couche tampon 6 entre le substrat support 1’ et le matériau sensible aux rayons infrarouges, de sorte à absorber les dislocations éventuellement générées par le processus de croissante épitaxiale des pixels 12’.
La figure 6 illustre, en vue de dessus, un exemple d’agencement de pixels d’un capteur, sous la forme d’une matrice de type matrice de Bayer comprenant des pixels sensibles à la lumière visible de couleur bleue, verte ou rouge (notés respectivement R, G et B pour l’anglais « red, green, blue ») ainsi que des pixels sensibles aux rayons infrarouges propres (notés SWIR). Tous les pixels sont situés sur un même plan. La forme et la taille des pixels ne sont données qu’à titre indicatif et ne sont pas représentatives de la taille réelle des deux types de pixels.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’un capteur d’image pour la détection de la lumière visible et des rayons infrarouges à ondes courtes, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : a. fourniture d’un substrat support (1 , 1 ’) comprenant un premier matériau semiconducteur ; b. formation, dans le substrat support (1 , 1 ’), de cavités (5) afin de définir des pixels (11 , 11 ’) sensibles à la lumière visible dans le premier matériau semiconducteur entre lesdites cavités (5) ; c. formation d’une couche protectrice (4) électriquement isolante au moins sur les surfaces latérales de chaque pixel (11 , 11 ’) sensible à la lumière visible ; d. croissance, dans les cavités (5), d’un second matériau semi-conducteur, différent du premier matériau, de sorte à former des pixels (12, 12’) sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend :
- entre l’étape a et l’étape b, une étape a’ de formation d’un film protecteur (3) du substrat support (1 , 1 ’), pour protéger les pixels (11 , 11 ’) sensibles à la lumière visible lors de l’étape b de formation des cavités (5) ;
- après l’étape d, une étape d’ de retrait du film protecteur (3) afin d’exposer la surface supérieure des pixels (11 , 11 ’) sensibles à la lumière visible.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape c comprend la formation de la couche protectrice (4) par oxydation thermique.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier matériau semiconducteur est du silicium.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second matériau semiconducteur est un semiconducteur lll-V, préférentiellement choisi parmi le phosphure d’indium, l’arséniure d’indium gallium, des alliages de germanium, ou des points quantiques colloïdaux à base de sulfure de plomb(ll) ou de séléniure de plomb.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat support (1 ) est de type silicium sur isolant (SOI), et comprend successivement un substrat de base (13), une couche intermédiaire (14) électriquement isolante et une couche monocristalline (15) du premier matériau semiconducteur.
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend, entre l'étape b et l’étape c, une étape b’ d’épaississement de la couche monocristalline (15) par homo-épitaxie.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l’étape b est une étape de gravure pratiquée dans le substrat support (1) jusqu’à atteindre la couche intermédiaire (14) électriquement isolante.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend après l’étape c, une étape c” de retrait, dans les cavités, du matériau formant la couche intermédiaire (14) électriquement isolante, et en ce que les pixels (12) sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes sont formés, à l’étape d, sur la face du substrat de base (13) révélée par l’étape c” de retrait.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat support (1’) est un substrat massif du premier matériau semiconducteur.
11. Capteur d’image pour la détection de la lumière visible et des rayons infrarouges à ondes courtes, comprenant : un substrat support (1 ) une pluralité de pixels (11 ) sensibles à la lumière visible, formés dans le substrat support, et de pixels (12) sensibles aux rayons infrarouges à ondes courtes, lesdits pixels (12) sensibles aux rayons infrarouges étant disposés sur une région superficielle du substrat support ; une couche protectrice (4) disposée au moins sur les parois latérales de chaque pixel de sorte à isoler électriquement chaque pixel des pixels adjacents ; dans lequel les pixels (11 , 12) forment un agencement disposé sur un même plan, et dans lequel le substrat support (1 ) est de type semiconducteur sur isolant (SOI), comprenant successivement un substrat de base (13) dans un matériau semiconducteur, une couche intermédiaire (14) électriquement isolante et une couche monocristalline (15) dans un matériau semiconducteur.
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