FR2647595A1 - Integrated photoreceiver structure - Google Patents
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Abstract
Description
Structure intégrée deqhotoréceptcurs
La présente invention concerne une structure intégrée de récepteurs photosensibles du type photovoltalque, généralement répartis en matrice. Les récepteurs peuvent être sensibles à un rayonnement infrarouge afin d'inclure la structure dans des caméras destinées à la reconnaissance aérienne.Integrated structure of qq
The present invention relates to an integrated structure of photosensitive receptors of the photovoltaic type, generally distributed in a matrix. Receivers can be sensitive to infrared radiation to include the structure in aerial reconnaissance cameras.
La réalisation d'une telle structure pour constituer un photodétecteur se heurte principalement au problème de l'isolation électrique entre les microrécepteurs élémentaires de la matrice. The realization of such a structure to constitute a photodetector mainly encounters the problem of electrical insulation between the elementary microreceptors of the matrix.
Une augmentation toujours croissante du nombre de récepteurs et une réduction des espaces entre ces récepteurs ne permettent pas d'utiliser tels quels les procédés actuels de fabrication.An ever increasing increase in the number of receptors and a reduction in the spaces between these receptors does not allow current manufacturing methods to be used as they are.
Les récepteurs sensibles de la matrice sont réalisés, en technologie PLANAR, par diffusion en phase gazeuse ou par implantation ionique d'un dopant de type P, dans un matériau massif de type N. Pour un matériau semiconducteur donné, l'espacement minimum entre récepteurs d'un détecteur matriciel réalisé par ce procédé est limité par la collection des porteurs minoritaires, des trous, en-dehors des régions sensibles diffusées ou implantées. Un récepteur photosensible peut ainsi collecter des porteurs créés par un récepteur voisin éclairé et engendrer de la diaphonie électrique. The sensitive receptors of the matrix are produced, in PLANAR technology, by gas phase diffusion or by ion implantation of a P-type dopant, in a solid N-type material. For a given semiconductor material, the minimum spacing between receptors of a matrix detector produced by this process is limited by the collection of minority carriers, holes, outside of the sensitive regions disseminated or implanted. A photosensitive receiver can thus collect carriers created by an illuminated neighboring receiver and generate electrical crosstalk.
Deux procédés de fabrication connus ont tenté de résoudre ce problème. Two known manufacturing methods have attempted to solve this problem.
Selon un premier procédé, on éloigne suffisamment les récepteurs élémentaires de la matrice pour empêcher toute collecte de trous d'un récepteur sur l'autre. Ceci n'est pas compatible avec les besoins actuels ou futurs d'imagerie infrarouge. Par exemple, pour un substrat semiconducteur en InSb, il faut éloigner les récepteurs sensibles d'au moins 50 pm et prévoir un masquage optique entre les récepteurs pour éviter la création de paires électrons-trous en-dehors des régions sensibles. Ce masque optique est réalisé par dépôt d'une couche métallique opaque au rayonnement et localisée entre les régions sensibles. According to a first method, the elementary receptors are moved away enough from the matrix to prevent any collection of holes from one receptor to the other. This is not compatible with current or future infrared imaging needs. For example, for an InSb semiconductor substrate, it is necessary to distance the sensitive receptors by at least 50 μm and to provide an optical masking between the receptors to avoid the creation of electron-hole pairs outside the sensitive regions. This optical mask is produced by depositing a metallic layer opaque to radiation and located between the sensitive regions.
Selon un second procédé, on réalise des détecteurs en structure MESA pour lesquels l'isolement électrique entre éléments sensibles est obtenu en gravant chimiquement le substrat semiconducteur entre les régions sensibles des récepteurs jusqu'à une profondeur suffisante pour atténuer la diaphonie électrique. Il s'agit d'un procédé délicat, peu reproductible, qui limite l'espacement minimum entre récepteurs et qui pose le problème de la passivation d'une technologie non PLANAI. According to a second method, detectors are produced in MESA structure for which the electrical isolation between sensitive elements is obtained by chemically etching the semiconductor substrate between the sensitive regions of the receivers to a depth sufficient to attenuate the crosstalk. It is a delicate process, not very reproducible, which limits the minimum spacing between receivers and which poses the problem of the passivation of a non-PLANAI technology.
La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients. The present invention therefore aims to overcome these drawbacks.
A cette fin, une structure intégrée de récepteurs photosensibles comprenant un substrat semiconducteur d'un type de conductivité prédéterminé ayant une face principale, une mince couche isolante sur la face principale comportant des fenêtres, et des régions sensibles des récepteurs d'un type de conductivité opposé au substrat et localisées sous lesdites fenêtres dans le substrat, est caractérisée en ce qu'elle comprend des régions isolantes amorphisées par implantation de protons et localisées entre les régions sensibles dans le substrat. To this end, an integrated structure of photosensitive receptors comprising a semiconductor substrate of a predetermined conductivity type having a main face, a thin insulating layer on the main face comprising windows, and sensitive regions of receptors of a conductivity type. opposite the substrate and located under said windows in the substrate, is characterized in that it comprises insulating regions amorphized by implantation of protons and located between the sensitive regions in the substrate.
Un procédé de fabrication de la structure intégrée de récepteurs photosensibles selon l'invention est caractérisé en ce que
- après formation de la couche mince isolante sur ledit substrat, ouverture desdites fenêtres dans ladite couche mince isolante, et formation des régions sensibles dans le substrat,
il comprend successivement
- recouvrement desdites fenêtres par un photorésist épais,
- implantation protonique d'ions hydrogène dans le substrat entre les régions sensibles et à travers la couche mince isolante de manière à former lesdites régions isolantes amorphisées, des ions hydrogène étant absorbés par le photorésist,
- traitement thermique de la structure, et
- retrait du photorésist.A method of manufacturing the integrated structure of photosensitive receptors according to the invention is characterized in that
- after formation of the insulating thin layer on said substrate, opening of said windows in said insulating thin layer, and formation of sensitive regions in the substrate,
he successively understands
- covering of said windows with a thick photoresist,
- proton implantation of hydrogen ions in the substrate between the sensitive regions and through the insulating thin layer so as to form said amorphized insulating regions, hydrogen ions being absorbed by the photoresist,
- heat treatment of the structure, and
- removal of the photoresist.
Grâce à l'invention, chaque récepteur photosensible de la structure se trouve parfaitement isolé électriquement de ses voisins. En effet, l'implantation de protons, dite protonation, en amorphisant partiellement le substrat bloque totalement la migration des porteurs minoritaires dans toute les régions traitées aussi bien en surface qu'en profondeur. Thanks to the invention, each photosensitive receiver of the structure is perfectly electrically isolated from its neighbors. Indeed, the implantation of protons, called protonation, by partially amorphizing the substrate completely blocks the migration of minority carriers in all the regions treated both on the surface and at depth.
Le procédé de fabrication selon l'invention présente notamment trois avantages
- le procédé ne limite pas l'espacement minimum entre les photorécepteurs de la structure, principalement lorsque celle-ci est matricielle. Un espacement correspondant sensiblement à la largeur des régions amorphisées de l'ordre de 10 à 20 pm, de préférence égale à 10 pm environ, est parfaitement réalisable
- le procédé fait appel à une technologie PLANAS et les étapes de fabrication supplémentaires inhérentes à la protonation ne modifient en rien les caractéristiques photoélectriques des photorécepteurs de la structure
- il n'est pas nécessaire d'effectuer un masquage optique entre les régions sensibles.The manufacturing method according to the invention has in particular three advantages
- The method does not limit the minimum spacing between the photoreceptors of the structure, mainly when the latter is matrix. A spacing corresponding substantially to the width of the amorphized regions of the order of 10 to 20 μm, preferably equal to approximately 10 μm, is perfectly achievable
- the process uses PLANAS technology and the additional manufacturing steps inherent in protonation do not in any way modify the photoelectric characteristics of the photoreceptors of the structure
- it is not necessary to perform optical masking between the sensitive regions.
L'invention porte sur tous les matériaux semiconducteurs dont les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires, tels que trous, sont trop importantes pour rendre possible la réalisation de détecteurs photovoltatques matriciels denses, à pas réduit, de l'ordre de 10 > 20 pm. The invention relates to all semiconductor materials whose diffusion lengths of minority carriers, such as holes, are too great to make possible the production of dense matrix photovoltaic detectors, with reduced pitch, of the order of 10> 20 μm.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels
- la Fig. l est une vue en coupe schématique d'une structure intégrée matricielle de photorécepteurs, au niveau de deux photorécepteurs voisins ; et
- les Figs. 2 à 7 sont des vues en coupe schématiques illustrant des étapes successives de fabrication de la structure selon la Fig. 1, respectivement.Other advantages and characteristics of the invention will appear more clearly on reading the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the corresponding appended drawings in which
- Fig. l is a schematic sectional view of an integrated matrix structure of photoreceptors, at the level of two neighboring photoreceptors; and
- Figs. 2 to 7 are schematic sectional views illustrating successive stages in the manufacture of the structure according to FIG. 1, respectively.
A titre d'exemple pratique est décrite ci-après une réalisation préférée d'une structure intégrée matricielle de récepteurs photosensibles illustrée à la Fig. 1 et pour laquelle divers constituants et dimensions sont indiqués. La structure est destinée à détecter des objets dans la bande spectrale de 3 à 5 pm en longueur d'onde. L'antimoniure d'indium InSb offre une réponse spectrale incluant cette bande infrarouge. By way of practical example, a preferred embodiment of an integrated matrix structure of photosensitive receptors illustrated in FIG. 1 and for which various components and dimensions are indicated. The structure is intended to detect objects in the spectral band of 3 to 5 pm in wavelength. Indium antimonide InSb offers a spectral response including this infrared band.
La structure comprend ainsi un substrat semiconducteur 1 d'un type de conductivité prédéterminé N, ici en InSb. Une face principale 11 du substrat est recouverte d'une couche mince isolante 2, en monoxyde de silicium SiO. Cette couche 2 est en fait composée d'un treillis plan de bandes 21, composé de premières bandes parallèles, ici perpendiculaires au plan de la Fig. 1, et de secondes bandes parallèles (non représentées) perpendiculaires aux premières bandes, afin de former entre elles des fenêtres carrées 3 régulièrement réparties en rangées et colonnes d'une matrice. Le coté des fenêtres 3 est par exemple compris entre 10 et 20 pm et de préférence égal à 10 tjm. La largeur L des bandes 21 est de l'ordre de 10 à 20 pm, et de préférence de l'ordre de 10 um. The structure thus comprises a semiconductor substrate 1 of a predetermined type of conductivity N, here in InSb. A main face 11 of the substrate is covered with a thin insulating layer 2, made of silicon monoxide SiO. This layer 2 is in fact composed of a plane lattice of bands 21, composed of first parallel bands, here perpendicular to the plane of FIG. 1, and second parallel bands (not shown) perpendicular to the first bands, in order to form between them square windows 3 regularly distributed in rows and columns of a matrix. The side of windows 3 is for example between 10 and 20 pm and preferably equal to 10 tjm. The width L of the strips 21 is of the order of 10 to 20 μm, and preferably of the order of 10 μm.
Les fenêtres 3 délimitent des régions sensibles 4 de récepteur dans le substrat 1. Les régions 4 sont obtenues par implantation d'ions d'un type de conductivité P opposé au substrat 1, ions typiquement de béryllium ou de magnésium. The windows 3 delimit sensitive receptor regions 4 in the substrate 1. The regions 4 are obtained by implantation of ions of a type of conductivity P opposite to the substrate 1, typically beryllium or magnesium ions.
Entre les régions 4 des récepteurs photosensibles sont implantées des régions 5 isolant électriquement les récepteurs entre eux. Ces régions isolantes 5 sont amorphes et sont scus-jacentes aux bandes isolantes en SiO dans le substrat et ont une largeur de préférence sensiblement inférieure à L. Between regions 4 of the photosensitive receptors are located regions 5 electrically isolating the receptors from each other. These insulating regions 5 are amorphous and are adjacent to the SiO insulating strips in the substrate and preferably have a width substantially less than L.
La structure comporte également une seconde couche isolante 6 en dioxyde de silicium Si02 recouvrant la face principale 11, c'est-à-dire la couche 2 et les fenêtres 3, à l'exception de petits puits 61 atteignant les régions sensibles 4 et localisés en bordure des fenêtres. Des contacts métalliques 7 remplissent les puits 61 et recouvrent partiellement la couche isolante 6 au-dessus des bandes en SiO pour former des premières électrodes des récepteurs photosensibles. Une seconde électrode 8 commune aux récepteurs est située de préférence sur la meme grande face 11, ici avant, du substrat que les contacts 7, et est constieuée par un puits de métal 62 pratiqué dans les couches isolantes 2 et 6. Dans ces conditions, un éclairement de la structure par la face arrière 12 du substrat est possible. The structure also includes a second insulating layer 6 of silicon dioxide Si02 covering the main face 11, that is to say the layer 2 and the windows 3, with the exception of small wells 61 reaching the sensitive and localized regions 4 by the windows. Metal contacts 7 fill the wells 61 and partially cover the insulating layer 6 above the SiO strips to form the first electrodes of the photosensitive receptors. A second electrode 8 common to the receivers is preferably located on the same large face 11, here before, of the substrate as the contacts 7, and is formed by a metal well 62 formed in the insulating layers 2 and 6. Under these conditions, an illumination of the structure by the rear face 12 of the substrate is possible.
Le procédé de fabrication de la structure matricielle de récepteurs photosensibles montrée à la Fig. 1 comporte essentiellement les étapes suivantes. The method of manufacturing the matrix structure of photosensitive receptors shown in FIG. 1 essentially comprises the following steps.
(a) Le substrat 1 sous forme d'une plaquette en InSb de type N montré à la Fig. 2 est soumis à une attaque chimique afin que ses faces principales, telles que la face 11, présentent un bon état de surface physico-chimique. (a) The substrate 1 in the form of an N-type InSb wafer shown in FIG. 2 is subjected to a chemical attack so that its main faces, such as the face 11, have a good physicochemical surface condition.
(b) Une couche de masquage est déposée sur la face de substrat 11 afin d'obtenir une couche mince isolante 2 en SiO évaporé, comme montré à la Fig. 3. L'épaisseur de la couche 2 est de l'ordre de 0,2 à 0,25 pm. (b) A masking layer is deposited on the substrate face 11 in order to obtain a thin insulating layer 2 of evaporated SiO, as shown in FIG. 3. The thickness of layer 2 is of the order of 0.2 to 0.25 µm.
(c) Des ouvertures sont ménagées dans la couche isolante 2 afin de constituer le treillis de bandes isolantes de masquage 21 définissant entre elles les fenêtres 3, comme montré à la Fig. 4. (c) Openings are made in the insulating layer 2 in order to constitute the lattice of insulating masking strips 21 defining between them the windows 3, as shown in FIG. 4.
Les fenêtres ont une section de préférence carrée, bien qu'elle puisse être rectangulaire ou circulaire. Cette mosaïque dense de fenêtres est préparée par un procédé classique de photogravure consistant en un dépôt d'un film photorésist en pclymère, et en des exposition et développement du photorésist pour définir un masque selon ladite mosaIque matricielle. En particulier, la largeur L des bandes 21 est définie précisément et peut être réduite à 10 pm, voire moins. La gravure fait appel à un procédé connu de gravure ionique réactive pour accéder à la face de substrat 11 dans les fenêtres 3.Windows have a preferably square section, although it can be rectangular or circular. This dense mosaic of windows is prepared by a conventional photogravure process consisting of depositing a photoresist film in polymer, and exposing and developing the photoresist to define a mask according to said matrix mosaic. In particular, the width L of the strips 21 is precisely defined and can be reduced to 10 μm, or even less. The etching uses a known method of reactive ion etching to access the substrate face 11 in the windows 3.
(d) Puis les fenêtres 3 sont diffusées en phase gazeuse ou implantés des ions du type P dans le substrat 1 afin d'obtenir les régions sensibles 4, comme montré à la Fig. 5. Les ions de type P peuvent être des ions de béryllium ou de magnésium. (d) Then the windows 3 are diffused in the gas phase or implanted P-type ions in the substrate 1 in order to obtain the sensitive regions 4, as shown in FIG. 5. Type P ions can be beryllium or magnesium ions.
Il est à noter qu'à cette étape, les régions de récepteur photosensible 4 ne sont pas isolées électriquement et optiquement. It should be noted that at this stage, the photosensitive receiver regions 4 are not electrically and optically isolated.
La détection de rayonnement infrarouge avec une structure selon la
Fig. 5 s'effectue non seulement dans les régions 5 mais également à l'extérieur de celles-ci.Detection of infrared radiation with a structure according to the
Fig. 5 takes place not only in regions 5 but also outside of them.
(e) Une couche épaisse d'un photorésist est déposée sur la structure obtenue à l'étape (d), selon la Fig. 5. Le photorésist est par exemple une résine photosensible du type AZ-1375 commercialisé par SHIPLEY, et est suffisamment épais pour absorber des ions H+ à l'étape suivante (f), sans que ceux-ci atteignent le substrat 1. Après exposition à un rayonnement ultraviolet à travers un masque sensiblement selon le motif matriciel des fenêtres 3 subsistent des blocs de photorésist 9 remplissant celles-ci et ayant une épaisseur de l'ordre de 3 pm, bien supérieure à celle de la couche isolante mince 2, comme montré à la Fig. 6. (e) A thick layer of a photoresist is deposited on the structure obtained in step (d), according to FIG. 5. The photoresist is for example a photosensitive resin of the AZ-1375 type marketed by SHIPLEY, and is thick enough to absorb H + ions in the next step (f), without these reaching the substrate 1. After exposure to ultraviolet radiation through a mask substantially according to the matrix pattern of the windows 3 remain photoresist blocks 9 filling them and having a thickness of the order of 3 μm, much greater than that of the thin insulating layer 2, as shown in Fig. 6.
En particulier, le motif du masque déborde latéralement des fenêtres 3 afin que les bords 91 des blocs de photorésist 9 recouvrent sensiblement les bords 22 des bandes minces isolantes 21. Ce chevauchement de l'ordre de 2 um est nécessaire pour éviter une diffusion d'ions H+ dans les régions sensibles 4 à l'étape suivante (f), et par suite une dégradation des caractéristiques photoélectriques des photorécepteurs. La largeur des régions isolantes 5 obtenues à l'étape suivante (f) est donc inférieure, voire sensiblement inférieure, à la largeur L des bandes 21. In particular, the pattern of the mask extends laterally from the windows 3 so that the edges 91 of the photoresist blocks 9 substantially overlap the edges 22 of the thin insulating strips 21. This overlap on the order of 2 μm is necessary to avoid diffusion of H + ions in sensitive regions 4 in the next step (f), and consequently a degradation of the photoelectric characteristics of the photoreceptors. The width of the insulating regions 5 obtained in the following step (f) is therefore less, or even substantially less, than the width L of the strips 21.
(f) On procède ensuite à une implantation protonique, dite protonation, particulièrement dans les fenêtres 92 qui ont été ouvertes entre les blocs de photorésist 9 et au-dessus des bandes isolantes en SiO à l'étape précédente (e). La protonation consiste à implanter des ions hydrogène H+ dans le substrat 1 à travers le masque défini par les blocs 9, sous une énergie préférée de 100 keV 14 et avec une dose de 10 ions par centimètre carré. Comme montré à la Fig. 7, les ions H+ traversent les bandes minces en SiO, telles que les bandes 21, et pénètrent dans le substrat 1 et l'amorphisent pour former les régions isolantes 5 entre régions sensibles 4. Par contre, les ions H+ sont complètement absorbés dans les blocs de photorésist 9, et grâce au débordement 91 de ceux-ci sur les bandes en SiO, les ions H+ ne peuvent pas atteindre latéralement les régions sensibles 4. (f) We then proceed to a proton implantation, called protonation, particularly in the windows 92 which have been opened between the photoresist blocks 9 and above the insulating strips of SiO in the preceding step (e). Protonation consists in implanting hydrogen ions H + in the substrate 1 through the mask defined by the blocks 9, at a preferred energy of 100 keV 14 and with a dose of 10 ions per square centimeter. As shown in Fig. 7, the H + ions cross the thin SiO bands, such as the bands 21, and penetrate into the substrate 1 and amorphize it to form the insulating regions 5 between sensitive regions 4. On the other hand, the H + ions are completely absorbed in the photoresist blocks 9, and thanks to the overflow 91 of these on the SiO bands, the H + ions cannot laterally reach the sensitive regions 4.
(g) Puis la structure ainsi obtenue à l'étape (f) est traitée thermiquement pour homogénéiser les différentes parties de la structure, et en particulier pour remédier aux défauts intrinsèques dus à la protonation. Le traitement thermique consiste de préférence en un recuit à 200"C sous atmosphère d'argon pendant 24 heures environ. (g) Then the structure thus obtained in step (f) is heat treated to homogenize the different parts of the structure, and in particular to remedy the intrinsic defects due to the protonation. The heat treatment preferably consists of annealing at 200 ° C. under an argon atmosphere for approximately 24 hours.
(h) Les blocs de photorésist 9 sont retirés en plaçant la structure dans un plasma d'oxygène. (h) The photoresist blocks 9 are removed by placing the structure in an oxygen plasma.
(i) Enfin, on procède d'une manière connue en microélectronique, à une passivation de la structure, en pulvérisant du SiO2 pour former la seconde couche isolante 6, à une attaque des couches 2 et 6 pour former les puits 61 et 62, et au dépôt des contacts métalliques 7 et e, par exemple en Cr-Au. A la fin de cette étape, la structure présente la configuration montrée à la Fig. 1. (i) Finally, in a known manner in microelectronics, a passivation of the structure is carried out, by spraying SiO2 to form the second insulating layer 6, an attack on the layers 2 and 6 to form the wells 61 and 62, and depositing the metal contacts 7 and e, for example in Cr-Au. At the end of this step, the structure presents the configuration shown in FIG. 1.
Bien que l'invention ait été décrite en référence à une réalisation préférée, d'autres réalisations sont facilement concevables par l'homme du métier dans le cadre de l'objet de la demande de brevet défini ci-après, tant du point de vue du choix des matériaux que du point de vue des profils de motif matriciel. Although the invention has been described with reference to a preferred embodiment, other embodiments are easily conceivable by those skilled in the art within the scope of the subject of the patent application defined below, both from the point of view of the choice of materials only from the point of view of matrix pattern profiles.
En particulier, en fonction des longueurs d'onde à détecter, seront choisis les types de conductivité du substrat et des régions photosensibles. Le substrat semlconducteur peut etre un alliage semiconducteur III-V ou I-VI. In particular, depending on the wavelengths to be detected, the types of conductivity of the substrate and of the photosensitive regions will be chosen. The semiconductor substrate can be a III-V or I-VI semiconductor alloy.
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|---|---|---|---|---|
| WO2008048555A2 (en) * | 2006-10-17 | 2008-04-24 | Raytheon Company | Infrared photodiodes and sensor arrays with improved passivation layers and methods of manufacture |
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| DE2235865A1 (en) * | 1972-07-21 | 1974-01-31 | Licentia Gmbh | Multi-element semiconductor device - having implanted semi-insulating zones separating (photodiode) elements |
-
1989
- 1989-05-26 FR FR8906935A patent/FR2647595B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE2235865A1 (en) * | 1972-07-21 | 1974-01-31 | Licentia Gmbh | Multi-element semiconductor device - having implanted semi-insulating zones separating (photodiode) elements |
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| WO2008048555A3 (en) * | 2006-10-17 | 2008-07-24 | Raytheon Co | Infrared photodiodes and sensor arrays with improved passivation layers and methods of manufacture |
| US7544532B2 (en) | 2006-10-17 | 2009-06-09 | Raytheon Company | Infrared photodiodes and sensor arrays with improved passivation layers and methods of manufacture |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| FR2647595B1 (en) | 1994-04-29 |
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