FR2893765A1 - Circuit integre photosensible muni d'une couche reflective et procede de fabrication correspondant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un circuit intégré photosensible comprenant les étapes consistant à :- réaliser des transistors de commande du circuit,- réaliser, au-dessus des transistors de commande, et entre au moins une électrode supérieure (E1) et au moins une électrode inférieure (E2), au moins une photodiode, par couches de silicium amorphe dans lesquelles sont absorbés des photons d'un rayonnement électromagnétique incident, et- réaliser au moins une couche de passivation, entre l'électrode inférieure et les transistors de commande,caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape consistant à réaliser, entre les transistors de commande et la surface extérieure du circuit intégré, une couche réflective apte à réfléchir des photons non absorbés par les couches de silicium amorphe.
Description
CIRCUIT INTEGRE PHOTOSENSIBLE MUNI D'UNE COUCHE REFLECTIVE ET PROCEDE DE
FABRICATION CORRESPONDANT.
La présente invention concerne le domaine de la fabrication des puces électroniques. Plus précisément, la présente invention concerne les premières phases de fabrication d'une puce, en particulier celles de la fabrication des circuits intégrés.
Les puces sont utilisées dans de plus en plus de produits de la vie courante (grand public) et professionnels. Et le développement des dispositifs électroniques intégrant des produits optiques comme les caméras webcam , les téléphones portables photo ou 3G, les souris optiques, etc. nécessite le développement de puces photosensibles.
L'invention porte spécifiquement sur ces puces photosensibles, la photosensibilité étant fournie par 20 des photodiodes.
Une photodiode est une diode à jonction conçue pour être utilisée comme photodétecteur en exposant un côté de la jonction à un rayonnement optique. Cette 25 jonction est destinée à être éclairée par une fenêtre pratiquée dans la couche d'oxyde protecteur de la puce et disposée éventuellement sous une microlentille. La lumière qui atteint la jonction fait croître le courant proportionnellement à l'éclairement de celle-ci, comme 30 décrit ultérieurement.
Selon un de ses premiers aspects, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un circuit intégré photosensible comprenant les étapes consistant à : réaliser des transistors de commande du circuit, -réaliser, au-dessus des transistors de commande, et entre au moins une électrode supérieure et au moins une électrode inférieure, au moins une photodiode, par couches de silicium amorphe dans lesquelles sont absorbés des photons d'un rayonnement électromagnétique incident, et réaliser au moins une couche de passivation, entre l'électrode inférieure et les transistors de commande.
De tels procédés de fabrication de circuits intégrés sont connus de l'état de la technique antérieure. La photodiode étant configurée pour convertir un rayonnement électromagnétique incident en courant par absorption de photons.
Si l'énergie du rayonnement électromagnétique incident est suffisante, les photons sont absorbés dans la couche de silicium amorphe. Un électron du silicium passe alors de la bande de valence à la bande de conduction, créant de fait une paire électron-trou.
Typiquement, une photodiode est constituée par un dépôt de silicium amorphe dopé à la fois n et p (une couche dopée n et une couche dopée p). Les parties n et p sont respectivement reliées à un circuit par l'intermédiaire d'un réseau d'électrodes et d'une -3- électrode transparente. Lorsque la jonction est éclairée, la lumière absorbée y crée des paires électrons - trous. Les électrons libres sont attirés vers la partie n et les trous sont attirés vers la partie p. Le courant (ou la différence de potentiel) mesuré(e) aux bornes de la jonction est proportionnel, dans une certaine limite, à l'éclairement de la photodiode.
Toutefois, les photons du rayonnement incident ne sont pas tous absorbés. Et selon les conditions d'illumination, certains rayons lumineux ne sont pas absorbés par le silicium amorphe de la jonction.
Si l'incidence des rayons a lieu sur une électrode inférieure du réseau d'électrodes, les rayons sont réfléchis et renvoyés vers le silicium amorphe.
En revanche, si l'incidence des rayons a lieu entre deux électrodes inférieures, les rayons sont réfractés puis absorbés par les niveaux intermétalliques du circuit intégré.
Et en étant absorbés sous les photodiodes, ces photons ne participent plus à la création de paires électron-trou, et sont donc perdus pour le dispositif. Ce processus d'absorption non désirée réduit l'efficacité quantique du système.
L'efficacité quantique est définie par la fraction de photons incidents participant au photocourant et dépend de la longueur d'onde du rayonnement incident.
La présente invention a pour but de remédier aux 5 inconvénients susmentionnés en proposant une solution visant à améliorer l'efficacité quantique.
Avec cet objectif en vue, le procédé selon la présente invention, par ailleurs conforme au préambule 10 cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape consistant à réaliser, entre les transistors de commande et la surface extérieure du circuit intégré, une couche réflective apte à réfléchir des photons non absorbés 15 par les couches de silicium amorphe.
Grâce à cet agencement, un rayon qui n'a pas été absorbé par le silicium amorphe est réfléchi sur la couche réflective. Il est ainsi renvoyé vers la couche 20 de silicium amorphe et peut à nouveau générer une paire électron-trou.
Dans un mode de réalisation du procédé de fabrication d'un circuit intégré selon l'invention, la 25 couche réflective est intercalée entre une couche de passivation et les couches de silicium amorphe.
De préférence, la couche réflective, de même que chacune des couches du circuit intégré, est réalisée 30 par dépôt en phase vapeur (CVD). Toutefois, d'autres techniques sont envisageables, telles que les -5 techniques SOL-GEL, SPIN-ON, ALD ou encore PVD. Une étape de recuit post-dépôt, oxydant ou non, pouvant également être réalisée.
Avantageusement, la couche réflective est réalisée à partir d'un matériau blanc tel qu'un oxyde métallique, et de préférence, l'oxyde de titane, l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zirconium, ou l'oxyde de magnésium.
L'invention concerne également un circuit intégré photosensible comprenant au moins une photodiode configurée pour convertir un rayonnement électromagnétique incident en courant par absorption de photons dans au moins une couche de silicium amorphe par création de paires électron-trous.
Le circuit intégré selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une couche réflective apte à réfléchir, à l'intérieur du circuit intégré, les photons non absorbés.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la 25 couche réflective est située juste sous la/les photodiode(s), intercalée entre une couche de passivation et les couches de silicium amorphe.
De préférence également, la couche réflective est 30 un matériau blanc réalisé à partir d'un oxyde métallique, le métal étant choisi parmi le groupe comprenant au moins le titane, l'aluminium, le zirconium, et le magnésium.
Par ailleurs, la couche réflective possède une 5 surface de réflexion dont la rugosité est choisie de sorte à réaliser une réflexion spéculaire ou diffuse.
L'invention concerne enfin un dispositif électronique comprenant le circuit intégré tel que 10 décrit.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre 15 d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence à la figure unique annexée représentant une coupe transversale d'un circuit intégré selon un mode de réalisation de l'invention.
20 La présente invention est avantageusement mise en œuvre dans les puces électroniques répondant aux normes CMOS180, CMOS120, CMOS090 ou CMOS065. Elle peut être mise en œuvre quel que soit le mode de réalisation suivant : soit un premier mode de réalisation dans 25 lequel les photodiodes (le dispositif photosensible) sont en back-end , c'est-à-dire dans les niveaux supérieurs du circuit intégré ; soit un deuxième mode de réalisation dans lequel les photodiodes (le dispositif photosensible) sont en front-end , c'est- 30 à-dire dans les niveaux inférieurs du circuit intégré.
Ces normes correspondent aux largeurs de grille des transistors du circuit, la norme CMOS065 correspondant aux technologies actuelles les plus fines, à savoir 65 nm.
Par souci de clarté, seul le mode dans lequel les photodiodes sont en back-end sera décrit ci-après. Ce mode de réalisation est préféré car la présence des photodiodes dans les niveaux supérieurs du circuit intégré permet à un maximum de lumière d'être capté et transformé.
Comme représenté sur la figure unique, un circuit intégré photosensible comprend au moins une photodiode.
La photodiode est constituée par exemple de deux couches de silicium amorphe dont l'une 5 est dopée P, et l'autre 6 est dopée N.
La couche dopée P est reliée à un circuit par l'intermédiaire d'une électrode supérieure 4 reliée à une électrode El. La couche dopée N est reliée à un circuit par l'intermédiaire d'une électrode inférieure E2.
L'électrode supérieure 4 est continue, c'est-à-dire qu'elle possède une surface de contact continue avec la couche de silicium amorphe dopée P de la photodiode.
De préférence, l'électrode transparente supérieure 4 est constituée d'un oxyde d'étain dopé à l'indium.
En revanche, l'électrode inférieure est discontinue et est constituée, comme représentée sur la figure unique, d'une somme d'électrodes E2, distantes les unes des autres. De préférence, chaque électrode inférieure E2 est 10 constituée de chrome ou d'un matériau à base de chrome.
Dans un mode de réalisation, le circuit selon l'invention comprend au-dessus de l'électrode supérieure 4 un ou plusieurs filtres 3. Ces filtres, 15 par exemple colorés, permettent dans ce cas la séparation de la lumière incidente (hv) en composantes élémentaires (rouge, vert, bleu).
De préférence, le circuit selon l'invention 20 comprend également, du côté de sa surface extérieure, une couche planarisante 2 réalisée par exemple par dépôt d'une résine, et ayant pour objet de niveler la topographie du circuit liée à la réalisation de filtres colorés avec des résines d'épaisseurs différentes. 25 Et dans le mode de réalisation préféré, le circuit selon l'invention comprend des microlentilles 1 positionnées sur la face extérieure du circuit.
30 Ces microlentilles permettent de focaliser le rayonnement incident sur les électrodes inférieures E2, -9 chaque microlentille étant normalement alignée sur une électrode inférieure, de sorte à optimiser l'efficacité quantique.
Sous les photodiodes, le circuit comprend une couche de passivation. Cette couche de passivation peut être scindée en deux couches, typiquement l'une 8 réalisée dans un matériau tel que le nitrure de silicium et l'autre 9 réalisée dans un matériau tel qu'un oxyde dopé au phosphore (PSG).
Sous ces couches de passivation se trouve une couche 10 d'isolation intermétallique, typiquement un oxyde. Enfin sous cette couche d'isolation intermétallique se trouvent les transistors de commande du circuit (non représentés).
20 Sur le plan électronique, chaque électrode E2 est reliée à un élément 14 conducteur tel que du métal, par exemple tungstène ou cuivre, cet élément 14 étant lui-même relié à un autre conducteur 12 tel que du métal, par exemple aluminium ou cuivre. 25 Ces éléments sont reliés deux à deux par une barrière de diffusion (11, 13, 15), par exemple un alliage de titane/nitrure de titane, dont au moins l'une 11, possède des propriétés anti réflectives. 30 - 10 - Selon l'invention, le circuit possède en outre une couche réflective 7. Cette couche est un matériau blanc réalisé à partir d'un oxyde métallique dans lequel le métal de l'oxyde métallique est choisi parmi le groupe comprenant au moins le titane, l'aluminium, le zirconium, et le magnésium.
Grâce à cette couche réflective, si un photon hv, dont la trajectoire est représentée par une flèche ondulée sur la figure unique, n'est pas absorbé par les couches de silicium amorphe de la photodiode lors de son incidence première, celui-ci est réfléchi et peut de ce fait à nouveau générer une paire électron-trou, ce qui augmente l'efficacité quantique du dispositif.
De même, dans le cas préférentiel ou le circuit comporte des microlentilles, il peut arriver que les lentilles ne soient pas convenablement alignées par rapport aux électrodes inférieures. Auquel cas, le circuit selon l'invention permet de compenser ce défaut en renvoyant vers le silicium amorphe les photons mal focalisés et donc, à nouveau, d'améliorer l'efficacité quantique du dispositif.
Par ailleurs, pour limiter les impacts négatifs du milieu extérieur (chaleur, radiation, etc.) sur les circuits intégrés, ceux-ci sont généralement protégés dans des boîtiers opaques. Ce mode de protection n'est évidemment pas utilisable en tant que tel pour des circuits intégrés photosensibles. -11- Aussi, sous de fortes illuminations, les performances des dispositifs électroniques comprenant des circuits intégrés photosensibles peuvent être fortement dégradées du fait de la génération de charges au niveau des zones dopées des transistors.
Ces charges stockées induisent des phénomènes parasites tels que : • l'augmentation du bruit de fond du détecteur (augmentation du courant d'obscurité), et • la variation des tensions de commande des transistors (comportement singulier d'un transistor par rapport à un autre).
La couche réflective du circuit intégré selon l'invention permet de limiter ces effets négatifs en protégeant les transistors de commande de ces effets dits de stacking .
Enfin, l'intégration d'une couche réflective et protectrice selon l'invention permet d'obtenir des capteurs plus dynamiques (meilleure réponse entre une faible et une forte illumination).
Le métal de l'oxyde métallique utilisé dans la fabrication de la couche réflective peut être choisi en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident.
Claims (10)
1. Procédé de fabrication d'un circuit intégré photosensible comprenant les étapes consistant à : - réaliser des transistors de commande du circuit, - réaliser, au-dessus des transistors de commande, et entre au moins une électrode supérieure (El) et au moins une électrode inférieure (E2), au moins une photodiode, par couches de silicium amorphe dans lesquelles sont absorbés des photons d'un rayonnement électromagnétique incident, et - réaliser au moins une couche de passivation, entre l'électrode inférieure et les transistors de commande, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape consistant à réaliser, entre les transistors de commande et la surface extérieure du circuit intégré, une couche réflective apte à réfléchir des photons non absorbés par les couches de silicium amorphe.
2. Procédé de fabrication d'un circuit intégré selon la revendication 1, dans lequel la couche réflective est située juste au-dessous de la (les) photodiode(s), intercalée entre une couche de passivation et les couches de silicium amorphe.
3. Procédé de fabrication d'un circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche réflective est un matériau blanc réalisé à partir d'un oxyde métallique, le métal de l'oxyde métallique étant choisi parmi le groupe-13- comprenant au moins le titane, l'aluminium, le zirconium, et le magnésium.
4. Procédé de fabrication d'un circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à réaliser au moins une microlentille sur la face extérieure du circuit intégré, configurée pour focaliser le rayonnement électromagnétique incident vers au moins une électrode inférieure (E2).
5. Circuit intégré photosensible comprenant au moins une photodiode configurée pour convertir un rayonnement électromagnétique incident en courant par absorption de photons dans au moins une couche de silicium amorphe par création de paires électron-trous, caractérisé en ce que le circuit intégré comprend, en outre, une couche réflective apte à réfléchir, à l'intérieur du circuit intégré, les photons non absorbés.
6. Circuit intégré photosensible selon la revendication 5, dans lequel la couche réflective est située juste sous la/les photodiode(s), intercalée entre une couche de passivation et les couches de silicium amorphe.
7. Circuit intégré photosensible selon l'une 30 quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la- 14 - couche réflective est un matériau blanc réalisé à partir d'un oxyde métallique.
8. Circuit intégré photosensible selon la revendication 7, dans laquelle le métal de l'oxyde métallique est choisi parmi le groupe comprenant au moins le titane, l'aluminium, le zirconium, et le magnésium.
9. Circuit intégré photosensible selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la couche réflective possède une surface de réflexion dont la rugosité est choisie de sorte à réaliser une réflexion spéculaire ou diffuse.
10. Dispositif électronique comprenant le circuit intégré selon l'une quelconque des revendications 5 à 9.
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Effective date: 20070731 |