FR2974237A1 - Capteur d'images a eclairement par la face arriere muni d'une electrode transparente - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un capteur d'images (21) à éclairement par la face arrière formé à partir d'un substrat semiconducteur (23) aminci, dans lequel : une électrode (29) conductrice transparente, isolée du substrat par une couche isolante (27), s'étend sur toute la face arrière du substrat ; et des régions (37) conductrices, isolées du substrat par un revêtement isolant (39), s'étendent orthogonalement depuis la face avant du substrat jusqu'à ladite électrode.

Description

B10787 - 10-GR3-1092 1 CAPTEUR D'IMAGES À ÉCLAIREMENT PAR LA FACE ARRIÈRE MUNI D'UNE ÉLECTRODE TRANSPARENTE
Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'images à éclairement par la face arrière. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images 1 à éclairement par la face arrière, réalisé dans et sur un substrat semiconducteur aminci 3. Dans cet exemple, le substrat 3 est de type P. Son épaisseur est par exemple comprise entre 1 et 10 }gym.
Des régions isolantes 5, par exemple en oxyde de silicium, s'étendent depuis la face avant (face supérieure dans l'orientation de la figure) jusqu'à la face arrière du substrat 3, orthogonalement à ces faces. Les régions 5 forment des cloisons délimitant, en vue de dessus, une pluralité de portions de substrat 3a et 3b. Chaque portion de substrat 3a comprend au moins une photodiode et peut comprendre des dispositifs de transfert de charges (non représentés), correspondant à un pixel du capteur, et chaque portion de substrat 3b comprend un ou plusieurs transistors de contrôle (non représentés). Les régions 5 ont pour fonction d'isoler les portions de substrat 3a et 3b les unes des autres. Elles permettent notamment d'éviter que des B10787 - 10-GR3-1092
2 électrons générés dans une portion de substrat 3a donnée, par suite de l'éclairement de cette portion de substrat, ne soient collectés par une photodiode d'une autre portion de substrat 3a. La face avant du substrat 3 est revêtue d'un empilement 7 de couches isolantes et conductrices, dans lequel sont formées diverses interconnexions du capteur. On notera en particulier que l'empilement 7 comprend des prises de contact (non représentées), permettant de polariser les portions de substrat 3a et 3b à un potentiel de référence commun.
La face arrière du substrat 3 est revêtue d'une mince couche isolante 9, par exemple en oxyde de silicium, elle-même revêtue d'une couche antireflet 11, constituée par exemple d'une superposition de plusieurs couches diélectriques transparentes d'indices distincts. La couche antireflet 11 est revêtue de filtres couleur juxtaposés, formant ensemble une couche de filtrage 13. Dans l'exemple représenté, un premier pixel est surmonté d'un filtre vert (G) et un deuxième pixel voisin est surmonté d'un filtre bleu (B). Des microlentilles 15 sont superposées à la couche de filtrage 13, pour concentrer les rayons lumineux reçus vers les photodiodes. Un inconvénient de ce type de capteur réside dans la présence dans le substrat de courants parasites, dits courants d'obscurité, pouvant conduire à des dysfonctionnements et/ou à dégrader les performances du capteur. Les courants d'obscurité sont liés à la génération spontanée et aléatoire de paires électron-trou au niveau de certains défauts de la structure cristalline du substrat. De tels courants sont susceptibles d'apparaître même en l'absence de tout éclairement du capteur. Ils naissent plus particulièrement aux interfaces entre le substrat 3 et les régions isolantes 5 et 9, qui sont des zones à forte concentration de défauts cristallins. Pour réduire les courants d'obscurité, on a proposé de doper fortement, par implantation, des bandes du substrat 3 aux interfaces avec les régions 5 et la couche isolante 9.
Toutefois, la prévision de ces implantations présente divers B10787 - 10-GR3-1092
3 inconvénients. En particulier, la présence d'une bande fortement dopée du côté de la face d'exposition à la lumière du substrat entraîne une dégradation de la sensibilité du capteur, notamment dans les gammes de longueurs d'ondes du bleu ou de l'ultraviolet, dans lesquelles les photons sont absorbés par des épaisseurs de substrat très minces. En outre, la présence de telles bandes à fort niveau de dopage, en périphérie des portions de substrat 3a et 3b, tend à affecter le comportement des transistors du capteur, et plus particulièrement à modifier de façon indésirable leur tension de seuil. De plus, la prévision d'une implantation du côté de la face arrière du capteur pose des problèmes techniques de réalisation. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'images à éclairement par la face arrière palliant au moins en partie certains des inconvénients des capteurs existants. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel capteur présentant des courants d'obscurité réduits par rapport aux capteurs existants. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel capteur présentant une meilleure sensibilité que les capteurs existants. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel capteur ne comportant pas de zones implantées de niveau de dopage supérieur à celui du substrat du côté de la face arrière du substrat. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'images à éclairement par la face arrière formé à partir d'un substrat semiconducteur aminci, dans lequel : une électrode conductrice transparente, isolée du substrat par une couche isolante, s'étend sur toute la face arrière du substrat ; et des régions conductrices, isolées du substrat par un revêtement isolant, s'étendent orthogonalement depuis la face avant du substrat jusqu'à l'électrode.
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4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, des prises de contact sont disposées du côté de la face avant des régions conductrices, et sont adaptées à polariser, en fonctionnement, ces régions et l'électrode à un même potentiel.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les régions conductrices délimitent des portions de substrat dans et sur lesquelles sont formés des photodiodes et des transistors de contrôle du capteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 l'épaisseur de la couche isolante et l'épaisseur du revêtement isolant sont sensiblement identiques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les régions conductrices sont en silicium polycristallin dopé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 l'électrode est en oxyde d'indium-étain. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat est de type P. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit l'utilisation d'un tel capteur dans laquelle le substrat 20 est polarisé à un premier potentiel, les régions conductrices et l'électrode étant polarisées à un deuxième potentiel inférieur au premier potentiel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des portions de substrat distinctes sont polarisées à des 25 potentiels distincts. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 30 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un capteur d'images à éclairement par la face arrière ; B10787 - 10-GR3-1092
la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un mode de réalisation d'un capteur d'images à éclairement par la face arrière ; et les figures 3A à 3D sont des vues en coupe 5 représentant de façon schématique et partielle des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un capteur d'images à éclairement par la face arrière. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références sur différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un mode de réalisation d'un capteur d'images 21 à éclairement par la face arrière. Le capteur 21 est réalisé dans et sur un substrat semiconducteur aminci 23, par exemple un substrat de silicium faiblement dopé de type P. L'épaisseur du substrat 23 est par exemple comprise entre 1 et 10 µm. La face avant du substrat 23 est revêtue d'un empilement 25 de couches isolantes et conductrices, dans lequel sont formées diverses interconnexions du capteur. La face arrière du substrat 23 est revêtue d'une mince couche isolante 27, par exemple en oxyde de silicium, elle-même revêtue par une couche conductrice transparente 29, par exemple en oxyde d'indium-étain (généralement désigné dans la technique par le sigle 110, de l'anglais "Indium Tin Oxyde"). Dans cet exemple, la couche 29 est revêtue d'une couche antireflet 31, elle-même revêtue de filtres couleur juxtaposés formant ensemble une couche de filtrage 33, et des microlentilles 35 sont superposées à la couche de filtrage 33 pour concentrer la lumière vers les zones photosensibles du capteur. Des régions conductrices 37, par exemple en silicium polycristallin de même type de conductivité que le substrat mais de niveau de dopage supérieur, s'étendent depuis la face avant B10787 - 10-GR3-1092
6 du substrat 23, sensiblement orthogonalement à cette face, jusqu'à la couche 29. Les régions 37 sont isolées du substrat 23 par un revêtement isolant 39, par exemple en oxyde de silicium, de préférence de même épaisseur que la couche 27. La face arrière des régions 37 est en contact avec la couche conductrice 29. Les régions 37 et leur revêtement isolant 39 forment ensemble des cloisons délimitant une pluralité de portions de substrat 23a et 23b. A titre d'exemple, chaque portion de substrat 23a comprend au moins une photodiode et peut comprendre des dispositifs de transfert de charges (non représentés), correspondant à un pixel du capteur, et chaque portion de substrat 23b comprend un ou plusieurs transistors de contrôle (non représentés). Dans cet exemple, chaque région 37 est surmontée d'une prise de contact de polarisation 41, formée dans l'empilement d'interconnexion 25 et venant contacter sa face avant. D'autres pistes et nias d'interconnexion, non représentés, sont bien entendu prévus dans l'empilement 25. On notera en particulier que l'empilement 25 comprend des prises de contact (non représentées), permettant d'assurer la polarisation des portions de substrat 23a et 23b. En fonctionnement, les régions 37 et la couche conductrice transparente 29 peuvent être polarisées à un même potentiel, par l'intermédiaire des prises de contact 41. En particulier, elles peuvent être polarisées à un potentiel distinct du potentiel de polarisation des portions de substrat 23a, 23b. La couche conductrice formée par les régions 37 et 29, la couche diélectrique intermédiaire formée par les régions isolantes 39 et 27, et la couche conductrice formée par le substrat 23, forment ensemble une capacité entourant entièrement les faces latérales et arrière des portions de substrat 23a, 23b. Dans cet exemple, un potentiel négatif par rapport au potentiel de polarisation du substrat est appliqué sur les prises 41, pour repousser vers les photodiodes les électrons qui pourraient être générés à proximité de la face arrière du B10787 - 10-GR3-1092
7 substrat. Ceci permet d'améliorer la sensibilité du capteur, dans la mesure ou si des photons sont absorbés à proximité de l'interface entre le substrat 23 et la couche isolante 27, les électrons générés ne seront pas piégés ou recombinés à l'interface mais seront repoussés vers la partie supérieure du substrat de façon qu'ils soient collectés par une photodiode. Par ailleurs, la polarisation, négative par rapport au substrat, des régions 37 et 29, crée dans les zones du substrat en regard de ces régions un enrichissement, ce qui équivaut à la formation d'une région P plus fortement dopée (l'épaisseur de la zone enrichie dépend du potentiel appliqué). Ceci empêche la génération spontanée de paires électron-trou au niveau des faces latérales et arrière des portions de substrat 23a et 23b. Il en résulte une nette diminution des courants d'obscurité par rapport aux capteurs usuels. De plus, la zone enrichie ainsi obtenue peut être nettement plus mince que les bandes fortement dopées des capteurs usuels, créées par implantation d'éléments dopés à partir de la face arrière. Ceci permet notamment d'améliorer la sensibilité du capteur dans les longueurs d'ondes pour lesquelles les photons sont absorbés par des épaisseurs de silicium très minces. A titre d'exemple, en fonctionnement, les portions de substrat 23a et 23b peuvent être polarisées à 0 V, et les prises 41 à -5 V. Un autre avantage de la structure proposée est que la polarisation de l'électrode transparente 29 revêtant la face arrière du capteur se fait par l'intermédiaire des prises 41 formées du côté de la face avant. Ceci permet d'éviter la prévision d'une prise de contact du côté de la face d'exposition à la lumière du capteur.
On notera que la structure proposée permet de prévoir un mode de fonctionnement dans lequel le potentiel de polarisation des portions de substrat 23a et 23b n'est pas le même pour tous les pixels du capteur. Ceci permet en particulier d'ajuster l'épaisseur de la bande enrichie formée sur les faces latérales et arrière des portions de substrat 23a, 23b, en B10787 - 10-GR3-1092
8 fonction de divers critères tels que la couleur du pixel et/ou la position du pixel sur le capteur. Les figures 3A à 3D sont des vues en coupe représentant de façon schématique et partielle des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un capteur d'images 31 du type décrit en relation avec la figure 2. La figure 3A illustre la formation de divers composants du capteur à partir de la face avant d'un substrat semiconducteur d'épaisseur standard. Dans cet exemple, le substrat de départ est un substrat de type semiconducteur sur isolant, comprenant un support de silicium 22 revêtu d'une mince couche d'oxyde 27, elle-même revêtue d'une couche épitaxiée 23 faiblement dopée de type P. Lors d'une étape ultérieure d'amincissement, le support 22 sera entièrement éliminé, et seules seront conservées la couche isolante 27 et la couche épitaxiée 23. Ainsi, c'est la couche épitaxiée 23 qui constitue le substrat du capteur. Des régions 37 en silicium polycristallin fortement dopé de type P sont réalisées dans la partie supérieure du substrat. Les régions 37 s'étendent depuis la face avant du substrat et orthogonalement à cette face. Dans cet exemple, elles traversent la couche épitaxiée 23 et la couche isolante 27, et débordent légèrement dans le support 22. Pour réaliser les régions 37, des tranchées sont ouvertes dans le substrat à la profondeur souhaitée, par exemple par gravure. Un revêtement isolant 39, par exemple en oxyde de silicium, est formé sur les parois latérales et au fond des tranchées. Les tranchées sont alors remplies de silicium polycristallin dopé. Des photodiodes et des transistors de contrôle (non représentés) sont formés à partir de la face avant, dans et sur le substrat 23, soit avant soit après la formation des régions 37. Après la formation des régions 37, des photodiodes, et des transistors de contrôle, la face avant du substrat 23 est recouverte d'un empilement 25 de couches isolantes et conductrices dans lequel sont réalisées les diverses inter- B10787 - 10-GR3-1092
9 connexions du capteur. En particulier, dans l'exemple représenté, l'empilement 25 comprend des prises conductrices 41 venant contacter la face avant des régions 37. La figure 3B illustre une étape d'amincissement du substrat, postérieure à la formation de l'empilement 25. Une poignée de maintien (non représentée) est reportée sur la face supérieure de l'empilement 25, et le substrat est aminci par sa face arrière jusqu'à atteindre la couche isolante 27. On notera que la dernière partie de l'amincissement se fait par gravure sélective du support 22 de silicium, par rapport à la couche 27 d'oxyde de silicium. Cette gravure n'attaquant pas la couche isolante 39, les régions de silicium polycristallin 37 et leur revêtement 39 forment des légères protubérances du côté de la face arrière du substrat aminci.
La figure 3C illustre une étape ultérieure de retrait de la partie du revêtement 39 qui recouvre la face arrière des régions de silicium polycristallin 37. Ce retrait se fait par exemple par polissage mécano-chimique. A l'issue de cette étape, la face arrière des régions de silicium polycristallin 37 est dénudée. La figure 3D illustre une étape ultérieure de formation d'une couche conductrice transparente 29, par exemple en oxyde d'indium-étain (IT0), du côté de la face arrière. La couche 29 forme une électrode transparente revêtant toute la surface arrière du capteur. En particulier, la couche 29 est en contact avec la face arrière des régions de silicium polycristallin 37. Des étapes finales de fabrication, non représentées, peuvent être prévues pour obtenir un capteur du type décrit en relation avec la figure 2, comprenant notamment la formation d'une couche antireflet, d'éléments de filtrage couleur, et de microlentilles. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications 35 apparaîtront à l'homme de l'art.
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10 En particulier, l'invention ne se restreint pas à l'exemple de procédé de réalisation décrit en relation avec les figures 3A à 3D, dans lequel le capteur est réalisé à partir d'un substrat de type semiconducteur sur isolant. L'homme de l'art saura réaliser un capteur du type décrit en relation avec la figure 2 à partir de tout autre type de substrat adapté à être aminci par sa face arrière, par exemple un substrat de silicium massif éventuellement revêtu d'une couche épitaxiée. En particulier, si la couche isolante 27 n'est pas préexistante dans le substrat, l'homme de l'art saura former cette couche lors d'une étape postérieure à l'amincissement du substrat. Par ailleurs, l'invention ne se restreint pas à l'exemple décrit ci-dessus, dans lequel le capteur est réalisé à partir d'un substrat de type P. L'homme de l'art saura adapter le procédé proposé pour réaliser un capteur à partir d'un substrat de type N. En particulier, il conviendra alors, en fonctionnement, de polariser les régions 37 et l'électrode 29 positivement par rapport au substrat. De plus, l'invention ne se retreint pas à l'exemple décrit ci-dessus, dans lequel des prises de contact 41 sont prévues sur la face avant de chacune des régions de silicium polycristallin 37. L'homme de l'art saura prévoir d'autres configurations, et notamment réduire le nombre de prises de contact prévues pour la polarisation des régions 37 et de la couche conductrice 29. En outre, l'homme de l'art saura adapter la structure proposée en remplaçant le silicium polycristallin dopé des régions 37 par tout autre matériau conducteur adapté.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Capteur d'images (21) à éclairement par la face arrière formé à partir d'un substrat semiconducteur (23) aminci, dans lequel : une électrode (29) conductrice transparente, isolée du 5 substrat par une couche isolante (27), s'étend sur toute la face arrière du substrat ; et des régions (37) conductrices, isolées du substrat par un revêtement isolant (39), s'étendent orthogonalement depuis la face avant du substrat jusqu'à ladite électrode. 10
  2. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel des prises de contact (41) sont disposées du côté de la face avant desdites régions conductrices (37), et sont adaptées à polariser, en fonctionnement, lesdites régions (37) et ladite électrode (29) à un même potentiel. 15
  3. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites régions conductrices (37) délimitent des portions de substrat (23a, 23b) dans et sur lesquelles sont formés des photodiodes et des transistors de contrôle du capteur.
  4. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 3, dans lequel l'épaisseur de la couche isolante (27) et l'épaisseur du revêtement isolant (39) sont sensiblement identiques.
  5. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lesdites régions conductrices (37) sont en 25 silicium polycristallin dopé.
  6. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite électrode (29) est en oxyde d'indium-étain.
  7. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 6, dans lequel ledit substrat (23) est de type P.
  8. 8. Utilisation d'un capteur (21) selon la revendication 7, dans laquelle le substrat (23) est polarisé à un premier potentiel, les régions conductrices (37) et l'électrodeB10787 - 10-GR3-1092 12 (29) étant polarisées à un deuxième potentiel inférieur au premier potentiel.
  9. 9. Utilisation d'un capteur (21) selon la revendication 3, dans laquelle des portions de substrat (23a, 23b) 5 distinctes sont polarisées à des potentiels distincts.
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