FR3027156A1 - Photodiode pincee a faible courant d'obscurite - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une photodiode pincée, comprenant : la formation d'une région (13) de conversion de photons en charges électriques d'un premier type de conductivité sur un substrat (11, 12) du deuxième type de conductivité ; le revêtement de ladite région par une couche d'un isolant (22) fortement dopé du deuxième type de conductivité ; et un recuit assurant une diffusion de dopants en provenance de la couche d'isolant fortement dopé.

Description

B13470 - 13-GR3-0439 1 PHOTODIODE PINCEE A FAIBLE COURANT D'OBSCURITE Domaine La présente demande concerne une photodiode pincée à faible courant d'obscurité apte à constituer un pixel d'un capteur d'image matricielle.
Exposé de l'art antérieur La figure 1 ci-jointe correspond à la figure 2 du brevet US 6677656 (B4903 - 00-GR1-0219). Cette figure est une vue en coupe partielle et schématique d'une réalisation sous forme monolithique de l'ensemble d'une photodiode et d'un transistor de transfert associé. Ces éléments sont réalisés dans une même zone active d'une couche épitaxiée 3 formée sur un substrat semiconducteur 1. La zone active est délimitée par des zones d'isolement de champ 2 par exemple en oxyde de silicium (Si02). La couche épitaxiée 3 est faiblement dopée de type P. Le substrat 1 est également de type P mais plus fortement dopé. Au-dessus de la surface de la couche 3 est formée une structure de grille isolée 4 éventuellement munie d'espaceurs latéraux. De part et d'autre de la grille 4, à la surface du caisson 3, se trouvent des régions de source 5 et de drain 6 de type N. La région de drain 6, à droite de la grille 4, est fortement dopée (Nt). La région de source 5 est réalisée sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain 6 et constitue la région utile 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 2 de conversion de photons en charges électriques. La grille 4 et le drain 6 sont solidaires de métallisations (non représentées). La structure est complétée par des régions 8 et 9 fortement dopées de type P (P+). Les régions 8 et 9, bordant les zones d'isolement 5 2, sont connectées au potentiel de référence ou masse par l'intermédiaire du caisson 3 et du substrat 1. La photodiode comporte en outre, à la surface de sa région de source 5, une couche 7 de type P en contact latéral avec la région 8. Elle est donc maintenue en permanence au niveau de 10 tension de référence. La région utile de conversion de photons en charges électriques, la région de source 5, est électriquement flottante. Une telle photodiode est dite pincée (en anglais "pinned diode"). La figure 2 représente la répartition des concentrations 15 en atomes dopants dans une direction x perpendiculaire au plan principal des couches 7, 5, 9 et 3. Dans le cas représenté, la couche 3 correspond à une couche épitaxiée de dopage constant, par exemple de l'ordre de 5.1014 à 3.1015 at./cm3. La région N est obtenue par implantation et a une concentration maximum de 20 l'ordre de 1016 à 8.1017 at./cm3. La couche 7 est obtenue par implantation. Inévitablement, si la dose d'implantation utilisée pour former la couche 7 est plus élevée, la profondeur de jonction entre les régions 7 et 5 est plus grande. On a représenté le cas d'une première concentration maximum c1 de l'ordre de 1 à 2.1018 at./cm3 pour laquelle la profondeur de jonction est égale à xjl compris entre 30 et 50 nm et le cas d'une seconde implantation dont la concentration maximum est de l'ordre de 5.1018 à 5.1019 at./cm3 et dont la profondeur de jonction est égale à xj2 de l'ordre de 100 à 250 nm.
Si on veut que les photons, et notamment les photons correspondant au bleu, soient convenablement absorbés, il faut que la couche 7 soit aussi mince que possible. En effet, dans le bleu (pour une longueur d'onde de 450 nm), sensiblement 50 % des photons sont absorbés dans les premiers 170 nm. Il faut donc que l'épaisseur de la couche 7 soit nettement inférieure à cette 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 3 valeur. Ceci entraîne que sa concentration maximum, et notamment sa concentration en surface ne soit pas supérieure à 1018 at./cm3. Dans une réalisation pratique, après avoir réalisé la structure de la figure 1, celle-ci est revêtue d'une couche d'isolant, 5 couramment de l'oxyde de silicium. Or, il est connu qu'à l'interface entre une région dopée et de l'oxyde de silicium, il se produira une génération activée en température de paires électron-trou dont certains iront dans la couche N. Ainsi, même en l'absence d'éclairement, la région N se charge. Ceci correspond 10 à ce qui est appelé courant d'obscurité. Et on souhaite que ce courant d'obscurité soit aussi faible que possible. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'une photodiode pincée, comprenant la formation d'une 15 région de conversion de photons en charges électriques d'un premier type de conductivité sur un substrat du deuxième type de conductivité ; le revêtement de ladite région par une couche d'un isolant fortement dopé du deuxième type de conductivité ; et un recuit assurant une diffusion de dopants en provenance de la 20 couche d'isolant fortement dopé. Selon un mode de réalisation, la région de conversion est de type N et la couche d'un isolant fortement dopé est de l'oxyde de silicium dopé au bore, BSG. Selon un mode de réalisation, la couche d'oxyde de 25 silicium dopé au bore est dopée à une concentration de bore de 5.1021 à 2.1022 at./cm3. Selon un mode de réalisation, le recuit est effectué dans des conditions telles que la profondeur de pénétration des dopants dans la région semiconductrice sous-jacente à la couche 30 d'isolant fortement dopé du deuxième type de conductivité soit inférieure à 50 nm, et de préférence inférieure à 10 nm. Selon un mode de réalisation, la région de conversion est revêtue d'une couche implantée du deuxième type de conductivité avec un niveau de dopage maximum de l'ordre de 1017 à 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 4 1018 at./cm3 avant son revêtement par la couche d'un isolant fortement dopé. Un mode de réalisation prévoit une photodiode pincée, dont la couche semiconductrice supérieure est revêtue d'une couche 5 d'un isolant fortement dopé. Selon un mode de réalisation, la région de conversion de photons en charges électriques est de type N et la couche d'un isolant fortement dopé est de l'oxyde de silicium dopé au bore, BSG, à une concentration de bore de 5.1021 à 2.1022 at./cm3.
10 Brève description des dessins Ces 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 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 15 la figure 1 est une vue en coupe schématique corres- pondant à la figure 2 du brevet US 6 677 656 ; la figure 2 représente des variations de concentration en fonction de la profondeur pour une structure du type de celle de la figure 1 ; 20 la figure 3 est une vue en coupe représentant un mode de réalisation d'une photodiode pincée à faible courant d'obscurité ; et la figure 4 représente des variations de concentration en fonction de la profondeur pour une structure du type de celle 25 de la figure 3. Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses vues en coupe ne sont pas tracées à l'échelle. Par ailleurs, dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "environ", "de l'ordre de", etc., 30 signifient "à 10% près", et des références directionnelles telles que "supérieur", "inférieur", "latéral", "horizontal", "vertical", etc., s'appliquent à des dispositifs orientés de la façon illustrée dans les vues en coupe correspondantes, étant entendu que, dans la pratique, ces dispositifs peuvent être 35 orientés différemment.
3027156 B13470 - 13-GR3-0439 5 Description détaillée La figure 3 est une vue en coupe représentant un mode de réalisation d'une photodiode pincée à faible courant d'obscurité. Cette photodiode comprend, sur un substrat 11 5 fortement dopé de type P, une couche 12 également dopée de type P, de préférence formée par épitaxie, dans laquelle est formé un caisson 13 dopé de type N dans lequel est formé par implantation une région 14 de type P peu profonde, c'est-à-dire d'une profondeur inférieure à 100 nm, de préférence inférieure à 75 nm. Comme 10 précédemment, un transistor MOS de transfert 15 est formé entre la région 13 qui constitue sa source et une région 16 fortement dopée de type N. Le pixel comprenant notamment la photodiode 12, 13, 14 et le transistor est délimité par une tranchée profonde 20 s'étendant de préférence jusqu'au substrat 11. Cette tranchée 15 profonde est bordée d'une région fortement dopée de type P 21, de préférence formée par diffusion à partir d'un matériau fortement dopé contenu dans l'isolant remplissant la tranchée 20. La structure est revêtue d'une couche 22 d'un isolant fortement dopé. Cet isolant sera par exemple dans le cas des types 20 de conductivité indiqués précédemment, une couche de verre au borosilicate, ou en d'autres termes d'oxyde de silicium fortement dopé au bore. Ainsi, à la suite des recuits résultant d'étapes ultérieures de fabrication, le bore contenu dans la couche 22 diffuse très peu profondément et à très forte concentration dans 25 le semiconducteur sous-jacent. Il se forme ainsi une couche 24 fortement dopée de type P en surface de la région 14. On notera que la diffusion n'affecte pas les régions N+ dont le dopage est nettement supérieur. De préférence, les niveaux de dopage et les temps de 30 recuit des diverses couches sont choisis de façon à obtenir perpendiculairement aux couches 24, 14, 13 et 12, un profil de concentration du type de celui représenté en figure 4. Ainsi, on constate que même si la couche 14 est modérément dopée (par exemple à un dopage maximum de l'ordre de 35 1018 at./cm3), on obtient en surface en raison de la présence de 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 6 la couche 24 une couche peu profonde dont le dopage maximum au niveau de l'oxyde supérieur est de l'ordre de 1020 at./cm3. Il en résulte que la génération de courant d'obscurité devient négligeable à l'interface entre une région très fortement dopée 5 et un isolant supérieur. En effet la génération de paires électron-trou à l'interface entre une couche isolante et une couche semiconductrice diminue quand le dopage du semiconducteur (par exemple du silicium) augmente. A titre d'exemple, une mesure à 60°C montre que le courant d'obscurité est de 100 pA/cm2 pour 10 un dispositif du type de celui de la figure 1 et est environ moitié pour un dispositif du type de celui de la figure 3. Dans un mode de fabrication, après avoir réalisé les isolations latérales 20 et 21 puis le dispositif MOS 15 comprenant la grille isolée 15 et la zone de source 13 de type N, on dépose 15 une couche d'oxyde de silicium 22 d'une épaisseur d'environ 5 à 20 nm (par exemple 10 nm) dopée au bore à une concentration comprise entre 5.1021 et 2.1022 at./cm3, par exemple 1.1022 at./cm3. Le mode de réalisation décrit ici est susceptible de 20 nombreuses variantes. Par exemple, tous les types de conductivité de la photodiode peuvent être inversés. Dans ce cas, la couche d'isolant fortement dopée au bore sera remplacée par une couche d'isolant fortement dopée à l'arsenic ou au phosphore (par exemple du PSG).
25 La forme particulière de la photodiode pincée repré- sentée ne constitue qu'un exemple. D'autres formes de photodiodes pourront être utilisées ainsi que d'autres dispositions de transistors de transfert. De plus, dans chaque pixel comprenant une photodiode et un transistor de transfert, d'autres éléments 30 seront de préférence intégrés, par exemple, un transistor de remise à zéro. En figure 3, la limite de la couche de type P 14 a été indiquée par des pointillés. Ceci illustre le fait que cette couche est optionnelle. On pourra prévoir seulement la très mince 35 couche à niveau de dopage élevé résultant de la diffusion du 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 7 dopant contenu dans l'isolant recouvrant la structure. D'autre part, l'isolant dopé 22 a été représenté comme recouvrant toute la structure. Dans des modes de réalisation particuliers, on pourra prévoir une gravure préalable de cet isolant pour qu'il ne 5 recouvre que des régions utiles de la photodiode.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une photodiode pincée, comprenant : la formation d'une région (13) de conversion de photons en charges électriques d'un premier type de conductivité sur un 5 substrat (11, 12) du deuxième type de conductivité ; le revêtement de ladite région par une couche d'un isolant (22) fortement dopé du deuxième type de conductivité ; et un recuit assurant une diffusion de dopants en provenance de la couche d'isolant fortement dopé. 10
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la région de conversion (13) est de type N et la couche (22) d'un isolant fortement dopé est de l'oxyde de silicium dopé au bore, BSG.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la 15 couche (22) d'oxyde de silicium dopé au bore est dopée à une concentration de bore de 5.1021 à 2.1022 at./cm3.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le recuit est effectué dans des conditions telles que la profondeur de pénétration des dopants dans la région 20 semiconductrice sous-jacente à la couche d'isolant (22) fortement dopé du deuxième type de conductivité soit inférieure à 50 nm, et de préférence inférieure à 10 nm.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la région de conversion est revêtue d'une couche 25 implantée du deuxième type de conductivité avec un niveau de dopage maximum de l'ordre de 1017 à 1018 at./cm3 avant son revêtement par la couche d'un isolant fortement dopé.
  6. 6. Photodiode pincée dont la couche semiconductrice supérieure est revêtue d'une couche (22) d'un isolant fortement 30 dopé.
  7. 7. Photodiode pincée selon la revendication 6, comprenant une région (13) de conversion de photons en charges électriques de type N et dans laquelle la couche (22) d'un isolant 3027156 B13470 - 13-GR3-0439 9 fortement dopé est de l'oxyde de silicium dopé au bore, BSG, à une concentration de bore de 5.1021 à 2.1022 at./cm3.
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