FR2910713A1 - Photodiode verrouillee a grande capacite de stockage, par exemple pour un capteur d'image, procede de realisation associe, et capteur d'image comprenant une telle diode. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une photodiode formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220) d'un substrat semi-conducteur. La région du premier type comprend une première zone (212) comprenant un dopant du premier type à une première concentration (C1) et ayant une première profondeur (P1). Selon l'invention, la région du premier type (210) comprend également une deuxième zone (214) adjacente à la première zone (212), comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration (C2) supérieure à la première concentration (C1) et ayant une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1).L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une telle diode.Application à la réalisation de capteurs d'image.
Description
PHOTODIODE VERROUILLEE A GRANDE CAPACITE DE STOCKAGE, PAR EXEMPLE POUR UN
CAPTEUR D'IMAGE, PROCEDE DE REALISATION ASSOCIE, ET CAPTEUR D'IMAGE COMPRENANT UNE TELLE DIODE L'invention concerne une photodiode et un procédé de réalisation associé. La photodiode est formée dans une région d'un premier type à l'intérieur d'une région d'un deuxième type d'un substrat semi-conducteur. Le premier type est par exemple un type N et le deuxième type est par exemple un type P, ou l'inverse. L'invention est notamment intéressante, mais pas uniquement, pour la réalisation de capteurs d'image tel qu'un capteur CCD (Charge Coupled Device) ou un capteur CMOS.
Sur la figure 1 est représenté un capteur d'image connu notamment du document Dl (US 2006/0103747). Le capteur comprend une photodiode 101, un transistor de transfert ayant une grille de transfert 150, un noeud flottant 107, et un moyen 103, 109, 111, 113 de lecture du noeud flottant. La photodiode 101 comprend une région d'accumulation 110 (nommée "shallow region" dans Dl) de type N-, dans une région de type P- 120 d'un substrat ou directement sur un substrat P-, et une région de verrouillage 160 (nommée "pinning layer" dans Dl) très peu profonde de type P+ et située au dessus de la région d'accumulation. Les régions 110 et 160 sont limitées d'un côté par une région d'isolement 130 et de l'autre côté dans un plan vertical passant par un flanc 140 de la grille 150. L'interface entre la région 160 et la région 110 forme une première jonction PN et l'interface entre la région 110 et le substrat forme une deuxième jonction PN. Le fonctionnement d'une telle diode comprend une phase d'accumulation et une phase de transfert. Lors de la phase d'accumulation, un potentiel de masse est 2910713 2 appliqué sur la région P 120 (ou le substrat) et sur la région P+ 160 et un potentiel Vd de polarisation inverse est appliqué à la région N- 110 ; lorsque des photons viennent frapper une surface supérieure 118 de la diode, 5 des paires electrons - trous sont générés dans la diode, plus précisément dans les régions 160, 110, 112, 120, et les électrons sont ici stokés dans la région N 110. Lors de la phase de transfert, la grille 150 du transistor de transfert est rendue passante et les électrons générés 10 par photoémission sont transférés vers le noeud flottant 107 dont le contenu peut être ensuite lu par le moyen de lecture. Les profondeurs des régions 110, 160, et les concentrations en dopant N, P de ces régions sont 15 choisies de sorte que, lorsque le transfert de charges est complet, la grille du transistor de transfert étant passante, (le potentiel Vp est appliqué sur la région N 110), les zones de charge d'espace des deux diodes se rencontrent. Ainsi, lors de la phase d'accumulation, la 20 grille du transistor de transfert étant bloquée, aucun porteur majoritaire ne peut être extrait de la région 110. Une telle diode est dite verrouillée (pinned diode en anglais) ou complètement déplétée.
25 Un problème d'une diode selon la figure 1 est sa capacité de stockage limitée. Le document Dl propose d'augmenter la capacité de stockage d'une telle diode en réalisant la région N- par implantation de deux dopants de type N ayant des 30 coefficients de diffusion différents et des densités de concentration différentes (figure 2 de Dl), la zone d'implantation du premier dopant 112 entourant la zone d'implantation du deuxième dopant 114.
2910713 3 L'invention vise également à augmenter la capacité de stockage d'une diode connue en proposant une solution alternative à la solution de Dl. Pour cela, l'invention propose une photodiode 5 formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220) d'un substrat semi-conducteur. La dite région du premier type comprend une première zone (212) comprenant un dopant du premier type à une première concentration (Cl) et ayant une première 10 profondeur (Pl). Selon l'invention, la dite région du premier type (210) comprend également une deuxième zone (214) adjacente à la première zone (212), comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration (C2) 15 supérieure à la première concentration (Cl) et ayant une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (Pi). Dans la région du premier type, l'augmentation locale de la concentration en dopant dans la deuxième 20 zone par rapport à la concentration dans la première zone (deuxième concentration supérieure à la première concentration) permet d'augmenter la capacité de stockage de la diode. La limitation de la profondeur de la deuxième zone par rapport à la profondeur de la première 25 zone permet de fixer la valeur du potentiel de polarisation inverse de la diode à une valeur appropriée pour que, en cours de fonctionnement, la diode soit complètement verrouillée à la fin d'un transfert de charge, et pendant la phase d'accumulation.
30 L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une photodiode dans un substrat semi-conducteur, la dite diode étant formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220). Le procédé comprenant notamment une première étape de formation de la région du premier type (210) par ajout d'un dopant du premier type à une 2910713 4 première concentration (Cl) sur une longueur initiale (L) et sur une première profondeur (P1) de la région du deuxième type (220). Le procédé selon l'invention comprend également une 5 deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration (Cl) sur une deuxième longueur (L2) inférieure à la longueur initiale (L) et sur une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1). Cette deuxième étape permet d'augmenter la capacité de 10 stockage de la diode. Le procédé selon l'invention comprend également une troisième étape de pincement de la région du premier type (N) sur la deuxième longueur (L2) à la deuxième profondeur (P2). Cette troisième étape permet d'ajuster 15 le potentiel de polarisation inverse de la diode à une valeur appropriée pour que, en fonctionnement, la diode soit complètement verrouillée à la fin du transfert de charges. L'invention concerne enfin un capteur d'image 20 comprenant une photodiode telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de 25 réalisation d'une photodiode selon l'invention et d'un procédé associé. La description est à lire en relation au dessin annexé dans lequel : • la figure 1, déjà décrite, est une coupe selon un plan (X, Z) d'un capteur d'image comprenant une 30 photodiode connue, • la figure 2 est une coupe selon le plan (X, Z) d'une photodiode selon l'invention. Les axes X, Y, Z sont définis tels que : 35 • la surface supérieure du substrat définit le plan (X, Y), la largeur des différentes zones du substrat étant 2910713 5 définie selon l'axe des Y et la longueur des différentes zones étant définie selon la direction X, • l'axe Z s'étend perpendiculairement à la surface supérieure du substrat, depuis la surface supérieure du 5 substrat en direction de la surface inférieure du substrat, la profondeur des différentes zones du substrat étant définie selon l'axe Z positivement vers le bas, • sur les figures, l'axe X s'étend horizontalement de 10 gauche à droite, l'axe Y s'étend perpendiculairement vers l'arrière et l'axe Z s'étend verticalement vers le bas. De même qu'une photodiode connue (figure 1), une 15 photodiode selon l'invention est formée (figure 2) d'une région 210 d'un premier type à l'intérieur d'une région 220 d'un deuxième type d'un substrat semi-conducteur. La région 220 est en pratique le substrat lui-même (cas de la figure 2), ou bien un caisson du deuxième type dans (par exemple de type STI pour Shallow Trench Isolation) implantée dans le substrat, et d'un deuxième côté 30 approximativement par un plan vertical défini par un flanc 240 d'une grille 250, qui est la grille d'un transistor de transfert. Egalement, la photodiode comprend une région 260 du deuxième type P, de très faible épaisseur et s'étendant au dessus de la région 35 210, en surface du substrat. 20 substrat du premier type. les régions 210, 220 sont premier type est le type type P. Mais l'inverse est De même que pour 25 direction X parallèle à substrat, la région 210 délimitée d'un premier côté Dans l'exemple de la figure faiblement dopées. De plus, N et le deuxième type est bien sûr possible. une diode connue, selon la une surface supérieure du a une longueur totale L, par une région isolante 230 un 2, le le 2910713 6 La région 210 comprend une lere zone 212 comprenant un dopant du premier type N à une première concentration Cl et ayant une première profondeur Pl. Selon l'invention, la région 2:L0 comprend également 5 une deuxième zone 214 adjacente à la première zone 212, comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration C2 supérieure à la première concentration Cl et ayant une deuxième profondeur P2 inférieure à la première profondeur Pi.
10 La gère zone 212 s'étend sur une première longueur L1. La deuxième zone 214 s'étend sur une deuxième longueur L2. La longueur totale L de la diode est égale à L1 + L2. L2 est par exemple de l'ordre de 0.2 à 4 fois la première longueur L1 ou, dit autrement, L2 est de l'ordre 15 de 20 à 80 % de la longueur totale L de la diode, et L1 est de l'ordre de 80 à 20 % de la longueur totale L. Dans l'exemple de la figure 2, L2 est sensiblement égale à la première longueur L1. Dans l'exemple de la figure 2, la première longueur 20 L1 est délimitée d'un côté par la deuxième zone 214 et d'un autre côté par le plan vertical défini par le flanc 240 de la grille 250, et la deuxième longueur L2 est délimitée par d'un côté la région isolante 230 et de l'autre côté par la première zone 212. Dans la diode, la 25 première zone 212 est ainsi localisée du côté de la grille de transfert 250, entre la deuxième zone 214 et le plan passant par le flanc 240 de la grille 250. Mais l'inverse est également possible : la deuxième zone 214, moins profonde et plus fortement dopée que la première 30 zone 212, peut ainsi dans un autre exemple être située entre la première zone 212 et le plan vertical défini par le flanc 240 de la grille 250. Dans la 1ere zone 212, la première concentration Cl en dopant de type N est de l'ordre de 2 à 10.1012 cm-2.
35 Dans la deuxième zone 214, la deuxième concentration C2 2910713 7 en dopant de type N est de l'ordre de 0.5 à 3 fois la concentration Cl, soit C2 de l'ordre de 4 à 20.1012 cm-2. La région 220 du deuxième type comprend une 5 troisième zone 222 adjacente à la lère zone et s'étendant sous la deuxième zone 214 sur une troisième profondeur P3, et comprenant un dopant du deuxième type (P+ dans l'exemple) à une troisième concentration C3. La profondeur P3 est choisie par exemple supérieure à Pl - 10 P2, mais P3 peut également être choisie égale ou inférieure à P1-P2. La région 220 comprend également une 4ème zone 224, qui est en pratique la partie non modifiée du substrat ou de la region 220 initiale. La région 224 s'étend ainsi 15 sous la 3ème zone 222, sous la lère zone 212, et à côté de la zone 212 sous la grille 250. La région 224 comprend un dopant du deuxième type (P- dans l'exemple) à une quatrième concentration C4, faible, de l'ordre de 0.01 à 1 fois la 3ème concentration C3.
20 Par rapport à une diode antérieure selon la figure 1, dans une diode selon l'invention, la région 210 a été modifiée de la manière suivante : • la concentration en dopant du premier type N est 25 renforcée dans la zone 214 par rapport à la concentration dans la zone 212 : C2 > Cl • la profondeur a été limitée dans la zone 214 par rapport à la profondeur dans la zone 212 (la région 210 est dite pincée dans la zone 212) : P2 < P1 30 L'augmentation de la concentration dans la zone 214 permet d'augmenter localement la capacité des deux jonctions PN (jonctions plus abruptes entre les zones 260 et 212 d'une part et entre les zones 224 et 214 d'autre part). Ceci augmente la capacité de stockage de charges 35 électriques dans la diode, de 30% à 50% en choisissant des concentrations en dopants appropriées. La limitation 2910713 8 de la profondeur de la région 210 sous la zone 214 permet de modifier le potentiel de polarisation inverse Vp de la diode pour que ce potentiel reste conforme aux contraintes de transfert de charges de la diode vers le 5 noeud flottant (non représenté sur la figure 2) du capteur d'image dans lequel la diode est susceptible d'être utilisée. Le choix de la profondeur P2 permet ainsi de fixer le potentiel Vp pour lequel la diode est complètement déplétée à la fin d'un transfert de charges.
10 Les modifications de la région 210 sont de préférence limitées à une longueur L2 du côté de la région isolante 260, c'est-à-dire du côté opposé au transistor de transfert, et ne sont pas étendues à toute la longueur L de la diode. Ceci permet de ne pas modifier 15 la zone 212 au voisinage de la grille 250. Les conditions de transfert des charges de la région 210 vers le noeud flottant (non représenté) sont ainsi inchangées. Ceci permet également de conserver, au voisinage de la jonction entre les zones 212 et 224, un moyen pour 20 récupérer les électrons susceptibles d'être générés dans la zone 224 à une profondeur importante par absorption de photons très énergétiques tels que les photons rouges. L'invention concerne également un procédé de 25 réalisation d'une diode telle que décrite ci-dessus. De même qu'un procédé connu tel que celui susceptible d'être utilisé pour réaliser la diode de la figure 1, un procédé selon l'invention comprend une première étape d'ajout d'un dopant du premier type (N 30 dans l'exemple) à une première concentration Cl sur une longueur initiale L et sur une première profondeur P1 d'une région 220 du deuxième type (P dans l'exemple). La région 220 peut être un substrat (cf figure 2) ou bien un caisson du deuxième type dans un substrat du premier 35 type.
2910713 9 On choisit un dopant du premier type tel que par exemple le phosphore ou l'arsenic, à une concentration Cl de l'ordre de 2 à 10.1012 cm-2, par exemple 5.1012 cm-2. La courbe 312 (figure 3) montre le profil de dopage associé 5 à cette première étape. Le dopant du deuxième type est quant à lui du Bore ou de l'indium par exemple. La première étape est réalisée de préférence après des étapes préalables connues d'isolement latéral pour former la région isolante 230 et de réalisation de la 10 grille 250. L'isolement latéral est par exemple réalisé selon une technique d'isolement par tranchée peu profonde (STI, Shallow Trench Isolation). La première étape peut être réalisée par un procédé connu auto-aligné sur la région isolante 230 et la grille 250.
15 A la fin de la première étape, on obtient ainsi une région du premier type, de forme sensiblement parallélépipédique, de longueur L et de profondeur P1. Le procédé selon l'invention comprend également une 20 deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration Cl sur une deuxième longueur L2 inférieure à la longueur initiale L et sur une deuxième profondeur P2 inférieure à la première profondeur P1. L'augmentation locale de la première concentration 25 Cl est réalisée par ajout d'un dopant du premier type sur la longueur L2 et la profondeur P2. Le dopant du premier type peut être le même que celui utilisé lors de l'étape précédente, mais pas nécessairement. On obtient ainsi, après augmentation de la concentration, une zone 214 de 30 concentration C2, de longueur L2 et de profondeur P2 dans la région du premier type formée précédemment. On choisit par exemple pour cette étape une concentration en dopant de l'ordre de 2 à 10.1012 cm-2, par exemple de l'ordre de 10.1012 cm-2. On obtient ainsi dans la zone 214 une 35 concentration C2 de l'ordre de 2 à 20.1012 cm-2, par exemple de l'ordre de 15.1012 cm-2, soit C2 environ égal à 2910713 10 1 à 5 fois Cl. La courbe 314 (figure 3) montre le profil de dopage associé à cette deuxième étape. Le procédé selon l'invention comprend également une troisième étape de pincement de la région du premier type 5 N sur la deuxième longueur L2 à la deuxième profondeur P2. En d'autre terme, on limite la région 210 au voisinage de la zone 214 dont on a précédemment augmenté la concentration. Le pincement de la région du premier type N est 10 réalisé par ajout d'un dopant du deuxième type P sur la deuxième longueur L2 et sur une troisième profondeur P3 s'étendant en dessous de la deuxième profondeur P2. Le dopant du deuxième type peut être le même que celui utilisé pour le dopage de la région du deuxième type 220 15 (ou le substrat), mais pas nécessairement. On choisit une concentration en dopant de l'ordre de 5 à 50.1012 cm-2, par exemple de l'ordre de 15.1012 cm-2 et on choisit une énergie d'implantation ou de diffusion suffisante pour doper la zone de profondeur P3 à compter de la profondeur 20 P2, c'est-à-dire la zone située en dessous de la zone 214 où la concentration en dopant du premier type N a été précédemment augmentée. Sur la figure 3, la courbe 316 montre le profil de dopage associé à cette troisième étape, dans le cas particulier où P3 est choisie 25 supérieure à P1 - P2. Mais P3 peut également être choisie inférieure ou égale à P1 - P2, le profil de dopage devra être ajusté en conséquence. Après réalisation de la deuxième étape et troisième étape, la région 210 du premier type N est limitée à : 30 • la zone 212, de profondeur P1 et de longueur L1, contenant des dopants du premier type à la concentration Cl, • la zone 214, de profondeur P2 < P1 et de longueur L2 (L = L1 + L2), contenant des dopants du premier type à 35 la concentration C2 > Cl.
2910713 11 Toutes les étapes d'ajout de dopant peuvent être réalisées selon des techniques connues, comme par exemple la technique de diffusion ou la technique d'implantation ionique de dopants.
5 La deuxième étape et la troisième étape nécessitent une étape préalable de pose d'un masque 280 de résine protectrice, recouvrant partiellement la région du premier type définie lors de la première étape sur la première longueur L1 à compter de la grille 250. Ce 10 masque protège ainsi la zone 212 lors de la deuxième étape et de la troisième étape, et définit la longueur L2 des zones 214 et 224 modifiées lors de la deuxième étape et de la troisième étape. Le masque 280 est enlevé après réalisation de la deuxième étape et de la troisième 15 étape. Le procédé peut être complété par des étapes complémentaires connues de réalisation d'espaceurs sur les flancs de la grille 250, la réalisation de contacts métalliques, etc, nécessaires à la finition de la diode, 20 ou d'un capteur incluant la diode selon l'invention. Ainsi, par rapport à un procédé antérieur, le procédé selon l'invention comprend quatre étapes complémentaires la pose du masque de résine 280, l'augmentation locale de la concentration dans la région 25 214, le pincement de la zone 210 et l'enlèvement du masque.
Claims (13)
1. Photodiode formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220) d'un substrat semi-conducteur, la dite région du premier type comprenant une première zone (212) comprenant un dopant du premier type à une première concentration (Cl) et ayant une première profondeur (Pi), la photodiode étant caractérisée en ce que la dite région du premier type (210) comprend également une deuxième zone (214) adjacente à la première zone (212), comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration (C2) supérieure à la première concentration (Cl) et ayant une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1).
2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle la première zone (212) s'étend sur une première longueur (L1) et dans laquelle la deuxième zone (214) s'étend sur une deuxième :Longueur (L2) de l'ordre de 0.2 à 4 fois la première longueur (Li).
3. Photodiode selon la revendication 2, dans laquelle la première longueur (L1) est sensiblement égale à la première longueur (L2).
4. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième concentration (C2) est de l'ordre de 0.5 à 3 fois la première concentration (Cl).
5. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 4, 30 dans laquelle la région du deuxième type (220) comprend : • une troisième zone (222) adjacente à la première zone (212) et s'étendant sous la deuxième zone (214) sur une 2910713 13 troisième profondeur (P3), et comprenant un dopant du deuxième type.
6. Photodiode selon l'une des revendications 5 précédentes, dans laquelle le premier type est un type N et dans laquelle le deuxième type est un type P.
7. Procédé de réalisation d'une photodiode dans un 10 substrat semi-conducteur, la dite diode étant formée d'une région d'un premier type (N, 210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (P, 220), le procédé comprenant notamment une première étape de formation de la région du premier type (210) par ajout d'un dopant du 15 premier type à une première concentration (Cl) sur une longueur initiale (L) et sur une première profondeur (P1) de la région du deuxième type (220), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend également une deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration 20 (Cl) sur une deuxième longueur (L2) inférieure à la longueur initiale (L) et sur une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1).
8. Procédé selon la :revendication 7, dans lequel la 25 deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration (Cl) est réalisée par ajout d'un dopant du premier type (N).
9. Procédé selon l'une des revendications 7 à 8, comprenant également une troisième étape de pincement de la région du premier type (N) sur la deuxième longueur (L2) à la deuxième profondeur (P2).
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel 35 la troisième étape de pincement de la région du premier type (N) est réalisée par ajout d'un dopant du deuxième 2910713 14 type sur la deuxième longueur (L2) et sur une troisième profondeur (P3) s'étendant en dessous de la deuxième profondeur (P2). 5
11. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 10, dans lequel un ajout de dopant est réalisé par implantation ionique du dit dopant.
12. Capteur d'image comprenant une photodiode selon 10 l'une des revendications 1 à 6 et une grille (250) de transfert, et dans lequel la première zone (212) est située entre la deuxième zone (214) et la grille (250).
13. Capteur d'image comprenant une photodiode selon 15 l'une des revendications 1 à 6 et une grille (250) de transfert, et dans lequel la deuxième zone (214) est située entre la première zone (212) et la grille (250).
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