FR2897472A1 - Photodetecteur monolithique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un photodétecteur comprenant une photodiode (D) formée dans un substrat semiconducteur (1) et un élément de guide d'onde (G) constitué d'un bloc d'un matériau à haut indice (7) s'étendant verticalement à l'aplomb de la photodiode dans une couche épaisse d'un diélectrique (5) superposée au substrat, la couche épaisse étant au moins majoritairement constituée d'oxyde de silicium et le bloc étant constitué d'un polymère siloxane.

Description

PHOTODETECTEUR MONOLITHIQUE
Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale le domaine des imageurs réalisés sous forme monolithique. Plus particulièrement, la présente invention concerne la structure de photodétecteurs utilisés dans de tels imageurs. Exposé de l'art antérieur Des dispositifs d'acquisition d'images fixes ou mobiles sont utilisés de façon croissante dans de nombreux domaines. Ils doivent être insérés dans des espaces de plus en plus réduits.
Par exemple, des dispositifs d'acquisition d'images sont insérés dans des téléphones portables. Selon un autre exemple, dans le domaine médical, il est souhaitable de disposer de dispositifs d'acquisition d'images de faibles dimensions de façon à pouvoir être disposés sur des endoscopes.
On a donc cherché à réaliser sous forme monolithique des dispositifs d'acquisition d'images de faibles dimensions dont la qualité d'images rendue soit au moins comparable à celle des dispositifs optiques connus. Un dispositif d'acquisition d'images monolithique 20 comporte notamment des photodétecteurs disposés à l'intersection de lignes et de colonnes d'une matrice.
La vue en coupe de la figure 1 illustre quatre photodétecteurs d'une ligne ou colonne d'un dispositif d'acquisition d'images. Un photodétecteur comporte une photodiode D formée dans un substrat semiconducteur 1. La surface occupée par la photodiode D a typiquement un côté ou un diamètre compris entre 0,2 et 1,5 }gym. Sensiblement à l'aplomb de l'intervalle séparant deux photodiodes D voisines, des interconnexions métalliques sont formées dans un diélectrique 5. Les inter-connexions métalliques sont constituées de plusieurs niveaux de métallisation 3 et de nias. L'épaisseur du diélectrique 5 est généralement supérieure à la hauteur totale des métallisations 3 et dépend de contraintes technologiques liées aux filières technologiques standard et/ou aux circuits formés autour de la zone d'acquisition d'images tels que les circuits de lecture et de traitement des images acquises. L'épaisseur du diélectrique 5 est typiquement comprise entre 1,5 et 6,5 }gym. Sur le diélectrique 5, est formée une succession de filtres F de résine transparente colorée en rouge R, vert V ou bleu B. Les filtres F se succèdent de façon que, sur une même ligne, deux couleurs différentes s'alternent et que, sur deux lignes successives une couleur soit commune. Par exemple, une ligne comporte des filtres selon la séquence B-V-B-V et la ligne suivante selon la séquence R-V-R-V illustrée. Les filtres F se succèdent de façon continue et l'interface entre deux filtres F voisins se trouve sensiblement à l'aplomb du milieu de l'intervalle séparant deux photodiodes sous-jacentes D. Ainsi, chaque photodétecteur comprend un filtre F associé à une photodiode D. Le filtre F de chaque photodétecteur est surmonté d'une lentille convergente respective L, également en résine transparente.
On a proposé de former dans chaque photodétecteur, entre un filtre F et sa photodiode correspondante D, un guide d'onde G. Le guide d'onde G est constitué d'un bloc 7 entouré du diélectrique 5. Le bloc 7 est constitué d'un matériau d'indice de réfraction n7 supérieur à celui n5 du diélectrique 5 (n7>n5).
Le bloc 7 est de forme cylindrique droite ou faiblement conique.
Le bloc 7 est placé à l'aplomb de la lentille L de façon à recevoir les photons injectés par la lentille L vers la photodiode D. La partie haute du bloc 7 est séparée du filtre F par une épaisseur du diélectrique 5 négligeable du point de vue des pertes lumineuses induites, typiquement de l'ordre de quelques nanomètres. De façon similaire, le fond du bloc 7 se trouve à la verticale de la photodiode D et est séparé de celle-ci par une épaisseur du diélectrique 5 de l'ordre de quelques nanomètres. La présence du guide d'onde G permet de réduire les pertes d'intensité lumineuse et d'éviter de fausses détections liées à une dispersion des photons et/ou à leur réfraction contre les métallisations 3 qui apparaissent dans l'épaisseur relativement importante du diélectrique 5. Par exemple, la société STMicroelectronics a décrit de tels guides d'onde dans le brevet américain N 6858828. Selon un exemple, le guide est constitué d'un cône d'un composé de silicium, d'oxygène, de carbone et d'azote appelé oxy-carbonitrure de silicium qui présente un indice n de l'ordre de 1,6 à 2,3 selon sa stoechiométrie formé dans une couche épaisse d'oxyde de silicium (SiO2) d'indice n=1,43. Dans le même brevet américain susmentionné, STMicroelectronics propose d'utiliser comme matériau à haut indice l'oxyde de tantale qui a un indice n de l'ordre de 2. Toutefois, l'utilisation de tels matériaux pose des problèmes pratiques. En particulier, le bloc 7 de la figure 1 de la présente demande est formé en remplissant une ouverture profonde et étroite. Par profonde et étroite on entend dans la présente description une ouverture dont le rapport entre la profondeur (sensiblement égale à l'épaisseur du diélectrique 5) et le diamètre moyen (sensiblement égal à celui de la photodiode D) est supérieur à 2. Le remplissage d'une telle ouverture, qui s'effectue par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), doit être homogène. Toutefois, lors du remplissage d'une ouverture étroite et profonde avec des composés du type oxy-carbo-nitrure de silicium ou avec de l'oxyde de tantale, des bulles ou cavités se forment. De telles bulles constituent des pièges pour la lumière reçue. De plus, lorsque le bloc 7 est constitué d'un oxy-carbonitrure de silicium ou d'oxyde de tantale, on observe des problèmes de tenue mécanique avec l'oxyde de silicium 5 périphérique. De plus certains des oxy-carbo-nitrures de silicium, ainsi que l'oxyde de tantale, se détériorent lors des cycles thermiques mis en oeuvre dans la suite du procédé, notamment les recuits d'encapsulation et de mise en boîtier effectués à des températures de 300 à 400 C.
La société Microntech technology a proposé dans la demande de brevet américain N 2005/0001146 un élément de guide d'onde constitué d'alumine d'indice 1,63 ou de nitrure de silicium (n=1,83) formé dans une couche épaisse d'oxyde de silicium n=1,43. Selon une variante, Microntech décrit que le bloc à haut indice est de l'oxyde de silicium n=1,43, formé dans une couche épaisse diélectrique en un matériau d'indice plus faible tel qu'un oxysilane d'indice 1,39. L'utilisation d'alumine ou de nitrure de silicium dans une couche épaisse d'oxyde de silicium présente des inconvé-nients similaires à ceux décrits précédemment pour l'oxyde de tantale ou les oxy-carbo-nitrures de silicium. L'utilisation d'oxyde de silicium dans de l'oxysilane, pose également des problèmes. En particulier, cela conduit à une modification importante des matériaux utilisés dans la zone optique par rapport aux matériaux présents dans les zones non-optiques voisines dans lesquelles il est souhaitable de conserver comme diélectrique interniveau 5 de l'oxyde de silicium. Cela complique et augmente les coûts de fabrication. De plus, l'utilisation en couche épaisse d'oxysilane d'indice de réfraction inférieur à celui de l'oxyde de silicium pose des problèmes de tenue mécanique, d'aptitude à être gravé localement, notamment pour former les niveaux de métallisation 3 et les nias, ainsi que des problèmes de résistance aux contraintes thermiques, notamment lors de la formation des niveaux métalliques.
La présente invention vise à proposer un bloc de guide d'onde qui pallie au moins certains des inconvénients des structures connues. La présente invention vise à proposer un tel bloc qui 5 soit compatible avec l'utilisation d'oxyde de silicium en tant que diélectrique épais périphérique. La présente invention vise à proposer un tel bloc qui soit compatible avec les cycles thermiques mis en oeuvre après sa formation. 10 La présente invention vise à proposer un tel bloc qui soit facile à fabriquer dans une ouverture étroite et profonde. Résumé de l'invention Pour atteindre tout ou partie de ces objets et d'autres, la présente invention prévoit un photodétecteur 15 comprenant une photodiode formée dans un substrat semiconducteur et un élément de guide d'onde constitué d'un bloc d'un matériau à haut indice s'étendant verticalement à l'aplomb de la photodiode dans une couche épaisse d'un diélectrique superposée au substrat, la couche épaisse étant au moins majoritairement 20 constituée d'oxyde de silicium et le bloc étant constitué d'un polymère siloxane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le bloc présente un rapport entre sa profondeur et son diamètre moyen supérieur à 2. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, un filtre coloré est à l'aplomb du bloc. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une lentille convergente est à l'aplomb du bloc. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 la lentille est décalée latéralement par rapport au bloc. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le siloxane est un verre du type SOG comportant des inclusions de tantale, de titane et/ou de zirconium. La présente invention prévoit également un dispositif 35 d'acquisition d'images, comportant une pluralité de photo- détecteurs selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec la figure 1, décrite précédemment qui est une vue en coupe partielle d'un dispositif d'acquisition d'images connu.
Description détaillée Comme cela est habituel dans la représentation des composants semiconducteurs, la figure 1 n'est pas tracée à l'échelle. La présente invention propose d'utiliser un bloc 7 (figure 1) constitué d'un composé polymère siloxane de formule générale R1R2R3SiOSiR1R2R3 où R1, R2 et R3 sont des quelconques substituants carbonés ou métalliques tels que des composés de tantale, de titane ou de zirconium et ayant un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction de l'oxyde de silicium égal à 1,43, ce bloc étant noyé dans de l'oxyde de silicium. Les inventeurs ont montré que de tels polymères siloxane présentent de nombreux avantages. Tout d'abord, comme cela a été indiqué précédemment, leur indice de réfraction étant supérieur à celui de l'oxyde de silicium, le diélectrique 5 est de l'oxyde de silicium. Le diélectrique interniveau 5 est alors le même dans les zones optiques de formation des photodiodes D que dans les zones non optiques voisines. Cela simplifie le procédé de formation.
De plus, déposés à la tournette (spin on) et non par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme les matériaux classiquement proposés, les polymères siloxane sont déposables dans des ouvertures étroites et profondes présentant un rapport entre leur profondeur et le diamètre moyen supérieur à 2.
En outre, au cours du dépôt le siloxane se polymérise en chaîne ce qui conduit de façon fiable et reproductible à la formation d'un bloc 7 homogène, c'est-à-dire dépourvu de cavités ou bulles.
Par ailleurs, la compatibilité entre un siloxane et un oxyde de silicium (diélectrique 5) périphérique est bonne, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de phénomène de décollement mécanique entre ces polymères et l'oxyde de silicium, ni contamination croisée. Il n'y a pas non plus de défauts de mouillage susceptible de conduire à la formation de cavités. En outre, de tels polymères siloxane présentent une bonne résistance à des températures supérieures à 400 C. Ils sont donc thermiquement compatibles avec les filières de fabrication de circuits semiconducteurs.
Par exemple, les inventeurs proposent d'utiliser un bloc 7 constitué d'un isolant de type SOG (spin on glass) quasi inorganique à base de siloxane comportant ou non des inclusions métalliques de tantale, de titane et/ou de zirconium et ayant un indice de réfraction compris entre 1,56 et 1,6 et fabriqué par la société Tokyo Ohka Kogyo. Un autre siloxane possible est un matériau de caractéristiques similaires fabriqué par la société Silecs Inc. et ayant un indice de réfraction compris entre 1,64 et 1,7. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, seuls les éléments de la structure monolithique d'un photodétecteur nécessaires à la compréhension de la pré-sente invention ont été décrits. L'homme de l'art saura compléter la structure de façon à former un dispositif opéra-tionnel. En outre, l'homme de l'art comprendra que la présente invention s'applique à des photodétecteurs de structures différentes. Par exemple, un photodétecteur peut ne pas comporter de filtre F ou de lentille L. De plus, l'homme de l'art comprendra que le diélec-35 trique 5 n'a été considéré comme homogène qu'à titre d'exemple non-limitatif et par souci de clarté. En pratique, le diélectrique 5 peut n'être en oxyde de silicium que sur la plus grande partie de son épaisseur, c'est-à-dire avoir une structure multicouche. En particulier, le diélectrique 5 est typiquement constitué d'une alternance de sous-couches épaisses d'oxyde de silicium séparées par des sous-couches minces d'un isolant d'arrêt de gravure tel que du nitrure de silicium. La présence de telles sous-couches minces n'affecte pas le fonctionnement des photodétecteurs.
Par ailleurs, la présente invention a été décrite dans le cas d'un bloc 7 présentant un rapport entre leur profondeur et leur diamètre moyen supérieur à 2. Toutefois, l'homme de l'art comprendra que tels blocs peuvent présenter un rapport entre leur profondeur et leur diamètre moyen inférieur à 2.
De plus, l'homme de l'art comprendra que le guide d'onde selon la présente invention n'a été décrit appliqué au dispositif de la figure 1 qu'à titre d'exemple non limitatif. La présente invention s'applique également à des dispositifs d'acquisition d'images présentant une structure générale différente. Ainsi, par exemple, l'ensemble du filtre coloré F et de la lentille L peuvent être décalés radialement par rapport au bloc 7 sous-jacent pour corriger un angle de vue qui varie du centre du capteur vers le bord du capteur. Dans ce cas, on notera qu'il sera préférable de ménager entre le bloc 7 et le filtre une épaisseur significative du diélectrique, par exemple de l'ordre de 200 à 1500 nm. De façon générale, bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'une filière de silicium, elle s'applique à toute filière de fabrication d'imageurs. L'homme de l'art saura choisir un polymère approprié parmi les polymères siloxane disponibles dans le commerce d'indice de réfraction supérieur à celui du diélectrique 5 utilisé.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Photodétecteur comprenant une photodiode (D) formée dans un substrat semiconducteur (1) et un élément de guide d'onde (G) constitué d'un bloc d'un matériau à haut indice (7) s'étendant verticalement à l'aplomb de la photodiode dans une couche épaisse d'un diélectrique (5) superposée au substrat, la couche épaisse étant au moins majoritairement constituée d'oxyde de silicium, caractérisé en ce que le bloc est constitué d'un polymère siloxane.
2. Photodétecteur selon la revendication 1, dans 10 lequel ledit bloc (7) présente un rapport entre sa profondeur et son diamètre moyen supérieur à 2.
3. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel un filtre coloré (F) est à l'aplomb du bloc (7).
4. Photodétecteur selon la revendication 1, dans 15 lequel une lentille convergente (L) est à l'aplomb du bloc (7).
5. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel une lentille convergente (L) est placée au-dessus du bloc (7) et est décalée latéralement par rapport audit bloc.
6. Photodétecteur selon la revendication 1, dans 20 lequel le siloxane est un verre du type SOG comportant des inclusions de tantale, de titane et/ou de zirconium.
7. Dispositif d'acquisition d'images, comportant une pluralité de photodétecteurs selon la revendication 1.
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