FR3103284A1 - Capteur optique intégré du type photodiode à avalanche à photon unique, et procédé de fabrication - Google Patents
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Abstract
Capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique (MD), ledit module de détection comportant au sein d’un substrat, une zone active semiconductrice (1) contenant du germanium. Figure pour l’abrégé : Fig 1
Description
Des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention concernent les capteurs optiques intégrés, notamment ceux comportant un détecteur de photon unique, en particulier ceux du type photodiode à avalanche à photon unique (SPAD).
Durant ces dernières années, un nombre croissant d’applications telles que la reconnaissance faciale, la réalité virtuelle, et la sécurité active pour automobile exigent de plus en plus souvent des systèmes d’imagerie de haute performance à faible encombrement et à faible coût.
A cet égard, des systèmes d’imagerie, basés sur le principe de mesure par temps de vol communément désigné par l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon «ToF» («Time of Flight» en anglais) et bénéficiant d’une structure fortement intégrée et d’une performance précise et rapide, répondent particulièrement bien à ces attentes.
Un tel système d’imagerie dit ToF émet généralement un rayonnement de lumière optique, par exemple du type infrarouge ou laser, vers un objet situé dans son champ de mesure de façon à mesurer le temps de vol de ce rayonnement, en d’autres termes, le temps qui s’écoule entre son émission et sa réception par le système d’imagerie après la réflexion sur l’objet. Une telle mesure directe est connue de l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon «dToF» («direct Time of Flight» en anglais).
Pour ce faire, plusieurs types de détecteurs de photon unique peuvent être utilisés tels que des détecteurs de type photodiode à avalanche à photon unique communément désignés par l’homme du métier sous l’acronyme anglo-saxon «SPAD» («Single Photon Avalanche Diode»).
Ce type de détecteur est particulièrement utilisé pour des applications utilisant des rayonnements dont la longueur d’onde se situe dans le proche infra-rouge (par exemple entre 0,8 micromètre et 1 micromètre).
Et de telles applications, mises en œuvre notamment non seulement dans des capteurs temps de vol mais également dans des imageurs CMOS, sont de plus en plus nombreuses.
Généralement les capteurs utilisés sont des capteurs intégrés à base de silicium.
Or le silicium présente un faible pouvoir d’absorption dans l’infra-rouge et même dans le proche infra-rouge (0,94 micromètre par exemple). Par exemple un substrat de silicium de 1 micromètre d’épaisseur présente une absorption de 1,7% à 0,94 micromètre de longueur d’onde.
En outre les dispositifs silicium présentent une faible sensibilité dans le proche infra-rouge. Par exemple un substrat de silicium de 2 micromètres d’épaisseur présente une efficacité quantique de l’ordre de 3 % à 0,94 micromètre de longueur d’onde.
Il existe par conséquent un besoin d’améliorer les performances d’un capteur optique mettant en particulier en œuvre un ou plusieurs détecteurs de photon unique tels que des détecteurs de type photodiode à avalanche à photon unique (SPAD), tout particulièrement dans le domaine du proche infra-rouge, notamment en termes d’absorption et de sensibilité.
L’inventeur a observé qu’il était possible de répondre à ce besoin en remplaçant le silicium par un matériau présentant en particulier une meilleure absorption infra-rouge tout en satisfaisant à des contraintes strictes telles que par exemple:
- une intégrabilité avec des composants microélectroniques situés sur la face avant d’un substrat («Front-End») ainsi qu’avec du silicium monocristallin,
- une compatibilité avec les différents procédés de fabrication des autres dispositifs semiconducteurs (diodes, transistors, résistances, etc..
- une intégrabilité dans la partie active des dispositifs semiconducteurs (diode avalanche),
- une génération suffisamment faible de porteurs minoritaires dans l’obscurité,
- une défectuosité aussi faible que possible.
Un tel matériau est alors avantageusement résistant à la température, capable de subir des avalanches répétées de porteurs, présentant une qualité d’interface parfaite avec du silicium et bonne avec des matériaux diélectriques tels que dioxyde de silicium et présentant d’une façon générale une bonne qualité structurelle et électronique (pas ou très peu de défauts structuraux, pas ou très peu de contaminants) et donc des durées de vie des porteurs minoritaires élevées.
Il est ainsi proposé d’incorporer du germanium ou un alliage de silicium-germanium, dans la partie active du détecteur.
Ainsi, selon un aspect, il est proposé un capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique, ledit module de détection comportant au sein d’un substrat, une zone active semiconductrice contenant du germanium.
La présence de germanium dans la zone active semiconductrice permet d’augmenter les performances du capteur optique en particulier dans le domaine proche infra-rouge, notamment en termes d’absorption et de sensibilité.
Selon un mode de réalisation, la zone active comprend une région contenant du silicium et du germanium, le pourcentage atomique du germanium dans ladite région étant compris entre 3 et 10.
Cette gamme de pourcentages atomiques de germanium (entre 3% et 10%) est particulièrement avantageuse, car elle permet d’obtenir un matériau contenant d’une part du germanium (ce qui permet en particulier d’augmenter le rendement du capteur dans le domaine infra-rouge ou proche infra-rouge) et présentant d’autre part pas ou très peu de dislocations ce qui facilite la réalisation d’un capteur fonctionnel sous forme intégrée.
Plus précisément, avec un tel pourcentage, l’absorption d’un rayonnement dans le proche infra-rouge (0,94 μm par exemple) est augmentée dans un rapport de 30% à 100% par rapport à une région active de silicium (ne contenant pas de germanium).
De même, l’efficacité quantique est augmentée dans un rapport de 30% à 100% par rapport à l’efficacité quantique d’une même région active ne comportant que du silicium.
Une région contenant du silicium et du germanium avec un tel pourcentage atomique peut être obtenue par un alliage de silicium-germanium ou, en variante, par une alternance de couches de silicium et de couches de silicium-germanium.
Lorsqu’on utilise une alternance de couches de silicium-germanium et de silicium, on choisira les pourcentages atomiques de germanium dans chacun des couches de silicium-germanium de façon à ce que le pourcentage atomique total moyen de germanium se situe également dans la plage 3-10%.
On peut aussi prévoir de générer une composition graduelle de germanium (Ge) aux interfaces silicium/germanium-silicium (SiGe-Si), perpendiculairement au substrat.
Le gradient de composition est avantageusement choisi de façon à enlever toute possibilité d’avoir un champ électrique contraire pour les porteurs générés.
Ce gradient de composition sera alors préférentiellement choisi inférieur à 2% par nm, par exemple 1% par nm.
Il convient de noter à cet égard que les différentes couches du capteur étant avantageusement réalisées par épitaxie, les budgets thermiques subséquents à l’épitaxie sont souvent suffisants pour créer cette couche graduelle par inter-diffusion des atomes de silicium et de germanium.
Par ailleurs, contrairement au cas général où les épitaxies épaisses de SiGe sont accompagnées d’une densité très importante de dislocation de désaccord de maille à l’interface SiGe/Si et d’une densité importante de dislocations émergeantes en surface, et qui ne sont pas compatibles avec les transistors nécessaires au fonctionnement du pixel, les épitaxies réalisées ici sont exemptes ou quasi exemptes de ces défauts en raison en particulier de la gamme préférentielle de pourcentage atomique de germanium (entre 3% et 10%).
En conséquence, ces épitaxies sont compatibles avec les transistors de stockage/lecture et avec la fabrication de pixels de haute qualité, c’est-à-dire avec un nombre d’avalanches parasites (dans l’obscurité) faible.
Alors qu’il serait possible que la zone active semiconductrice contenant du germanium occupe toute la profondeur du substrat, il peut s’avérer avantageux que ladite région contenant du germanium soit située en profondeur et à distance d’une face supérieure du substrat.
Ceci permet par exemple que la zone active comprenne une couche de silicium située entre ladite face supérieure et ladite région.
Une telle couche supérieure de silicium présente sur toute la plaquette permet de faciliter la compatibilité du capteur avec l’intégration des autres composants sur la plaquette semiconductrice.
Selon un mode de réalisation, le capteur peut comporter plusieurs modules de détection arrangés en lignes ou en matrice par exemple.
Selon un autre aspect, il est proposé un système d’imagerie, par exemple une caméra, comportant au moins un capteur tel que défini ci-avant.
Selon un autre aspect, il est proposé un appareil électronique, par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire, comportant au moins un système d’imagerie tel que défini ci-avant.
Selon encore un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisation d’un capteur optique, comprenant au moins un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique, le procédé comprenant une réalisation au sein d’un substrat, d’une zone active semiconductrice dudit au moins un module, contenant du germanium.
Selon un mode de mise en œuvre, la réalisation de la zone active comprend une formation d’une région contenant du silicium et du germanium, le pourcentage atomique du germanium de ladite région étant compris entre 3 et 10.
La formation de ladite région peut comprendre au moins une épitaxie, par exemple une épitaxie d’une couche d’un alliage de silicium-germanium.
En variante, la formation de la région peut comporter des formations, par épitaxies successives, d’une alternance de couches de silicium et de couches de silicium-germanium.
Selon un mode de mise en œuvre, la réalisation de la zone active comprend une formation d’une couche de silicium recouvrant ladite région.
La formation de cette couche de silicium peut comprendre également une épitaxie.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une formation d’une électrode de type de conductivité N du capteur par implantation ionique localisée réalisée avant la formation par épitaxie de la région contenant du silicium et du germanium.
Le procédé peut également comprendre une formation d’une électrode de type de conductivité P par implantation ionique localisée.
De même la zone de contact du capteur, de type de conductivité P+, peut être réalisée par implantation ionique localisée.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en œuvre, et des dessins annexés sur lesquels:
Sur la figure 1, la référence MD désigne globalement un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique (SPAD).
Ce module de détection MD comporte, au sein d’un substrat SB une zone active semiconductrice 1 contenant du germanium.
Plus précisément, dans ce mode de réalisation, la zone active 1 comporte une région 100 contenant du silicium et du germanium, le pourcentage en volume du germanium dans ladite région étant compris entre 3 et 10.
Sur cette figure, on n’a volontairement pas représenté les différents contacts et autres éléments du module de détection du type SPAD, qui sont classiques et connus en eux-mêmes, pour des fins de simplification de la figure.
Dans la zone active 1, on trouve au-dessus du substrat SB de typeP une couche profonde 11 dopée N, formant l’électrode N de la photodiode.
L’épaisseur de cette couche 11 est par exemple de l’ordre de 1 micromètre et la concentration de dopants est par exemple de l’ordre de 2.1018atomes de dopants (de type N) par cm3.
Au-dessus de la couche N se situe une couche épaisse 10 très faiblement dopée.
Cette couche référencée globalement 10, comporte une partie inférieure 10a et une partie supérieure 10b.
La couche 10 forme l’électrode P de la photodiode.
Alors que la région 100 de silicium-germanium incorpore la couche 11 dopée N, elle incorpore également la partie 10a de la couche 10.
L’épaisseur de la région 100, contenant du germanium, est par exemple de l’ordre de 1 micromètre et le pourcentage atomique de germanium est de l’ordre de 4.
La concentration de dopants (de type P) dans la partie 10a de la couche 10 est par exemple nulle (non intentionnellement dopée) ou de l’ordre de 1015à 2.1015at/cm3voire moins, tandis que la concentration de dopants (de type P) dans la partie 10b de la couche 10, située au-dessus de la partie 10a, est de l’ordre de 1018à 4.1018at/cm3.
La couche 10 est surmontée d’une couche supérieure 12 dopée P+ avec par exemple une concentration de dopants de l’ordre de 1018à 5.1018at/cm3.
Dans cet exemple, la région 100 contenant du germanium est située en profondeur et à une distance d de la face supérieure FS du substrat SB.
A titre indicatif, cette distance d peut être de l’ordre de 0,5μm pour une région 100 ayant une épaisseur de l’ordre de 1μm.
Alors que dans le mode de réalisation de la figure 1, la région 100 est formée d’un alliage homogène de silicium-germanium, elle est formée, dans la figure 2, d’une alternance de couches de silicium 110 et de couches de silicium-germanium 111.
Le pourcentage en volume du germanium pour chacune de ces couches 111 est choisi de sorte que le pourcentage final moyen de germanium en volume dans la région 100, soit compris entre 3 et 10.
Cet empilement formant la région 100 se situe au-dessus de la couche enterrée 11 dopée N et sous la couche 10 de silicium dopée P.
Dans ce mode de réalisation, la région 100 se situe également à une distance d de la face supérieure FS du substrat SB.
On se réfère maintenant plus particulièrement à la figure 3 pour illustrer un mode de mise en œuvre d’un procédé de fabrication de la zone active 1 du module de la figure 1.
Sur le substrat SB, on procède à une épitaxie 30 de façon à former la région 100 formée de silicium à 96% en pourcentage atomique et de germanium à 4% en pourcentage atomique.
Une épitaxie de silicium-germanium est une étape bien connue de l’homme du métier.
A titre d’exemple, l’épitaxie SiGe peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (acronyme anglais CVD) en utilisant une chimie dichlorosilane + germane + hydrogène à 900-950°C et à pression réduite (10-60 Torr).
On poursuit ensuite l’épitaxie 30 par une autre épitaxie 31 cette fois-ci uniquement de silicium, classique et connue en soi, de façon à former la partie supérieure 10b de la couche 10.
Cette épitaxie est préférentiellement dopée P- (1015à 1016at/cm3) et le dopage de type P (1018at/cm3) est alors obtenu de façon localisée par implantation ionique.
A titre d’exemple, les conditions de cette épitaxie sont sensiblement les mêmes que celles utilisées pour l’épitaxie SiGe, éventuellement avec une température augmentée de 50 à 100°C.
Il convient de noter que ces 2 épitaxies souvent réalisées à la même étape peuvent être réalisées dans la même opération d’épitaxie, et donc dans le même réacteur d’épitaxie et avec la même recette, et donc souvent sans refroidissement de la plaque entre les 2 types de dépôts.
Après implantation de dopants dans la région épitaxiée supérieure, on obtient la couche 12.
Quant à la couche 11, elle peut être obtenue par exemple par une implantation de dopants de type N préalablement à l’épitaxie de SiGe.
On se réfère maintenant plus particulièrement à la figure 4 qui illustre un exemple de mise en œuvre d’un procédé permettant d’obtenir la zone active 1 du module illustré sur la figure 2.
Sur le substrat SB on procède cette fois-ci à une épitaxie 40 de silicium de façon à former la couche 11 (électrode de type N) puis à des épitaxies successives de silicium et de silicium-germanium, référencées 41, de façon à obtenir l’empilement des couches 110 et 111.
Le pourcentage en volume du germanium pour chacune de ces épitaxies est choisi de sorte que le pourcentage final moyen de germanium en volume soit compris entre 3 et 10.
En variante la couche 11 (électrode de type N) peut être obtenue par exemple par une implantation de dopants de type N préalablement aux épitaxies successives de silicium et de silicium-germanium.
Après la réalisation de l’empilement des couches 110 et 111, on procède de nouveau à une épitaxie puis à une implantation 42 de façon à former les couches 10 et 12.
Comme illustré sur la figure 5, le capteur optique intégré SNS peut comporter plusieurs modules de détection MD1-MDn arrangés par exemple en lignes ou en matrice.
Comme illustré sur la figure 6, le capteur SNS peut être incorporé au sein d’un système d’imagerie CM, par exemple une caméra qui elle-même peut être incorporée au sein d’un appareil électronique APP (figure 7) par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et de mises en œuvre précédemment décrits mais en embrasse toutes les variantes.
Ainsi le mode de mise en œuvre suivant est possible, en partant d’un substrat massif («bulk»):
-épitaxie de silicium (dopage de bore à 1015 at/cm3) sur quelques micromètres,
-implantation localisée avec un dopant de type N pour former l’électrode inférieure du capteur,
-épitaxie de silicium-germanium ou épitaxies de silicium/silicium-germanium alternées, avec potentiellement une «sous-couche» de silicium) sur une épaisseur d’environ 1 micromètre avec un dopage intentionnellement nul ou très faible (inférieur à 1015at/cm3),
-épitaxie d’une couche de silicium sur une épaisseur d’environ 0,5 micromètre avec un dopage intentionnellement nul ou très faible (inférieur à 1015at/cm3), avec souvent la même recette que l’épitaxie précédente,
-implantation localisée d’un dopant de type P pour former l’électrode supérieure du capteur, suivie éventuellement d’un recuit d’implantation,
-implantation localisée superficielle d’un dopant de type P à forte dose suivie éventuellement d’un recuit d’implantation, pour former la zone de contact.
-épitaxie de silicium (dopage de bore à 1015 at/cm3) sur quelques micromètres,
-implantation localisée avec un dopant de type N pour former l’électrode inférieure du capteur,
-épitaxie de silicium-germanium ou épitaxies de silicium/silicium-germanium alternées, avec potentiellement une «sous-couche» de silicium) sur une épaisseur d’environ 1 micromètre avec un dopage intentionnellement nul ou très faible (inférieur à 1015at/cm3),
-épitaxie d’une couche de silicium sur une épaisseur d’environ 0,5 micromètre avec un dopage intentionnellement nul ou très faible (inférieur à 1015at/cm3), avec souvent la même recette que l’épitaxie précédente,
-implantation localisée d’un dopant de type P pour former l’électrode supérieure du capteur, suivie éventuellement d’un recuit d’implantation,
-implantation localisée superficielle d’un dopant de type P à forte dose suivie éventuellement d’un recuit d’implantation, pour former la zone de contact.
Il convient de noter que ces recuits peuvent être mutualisés et peuvent être ou sont avantageusement communs aux autres recuits utilisés dans la technologie considérée pour la fabrication des autres composants du circuit intégré.
Ainsi, par exemple, le second recuit peut correspondre au recuit d’activation des régions de sources/drains des transistors MOS.
Le substrat peut être avantageusement formé d’une plaquette (wafer P+ (2.1018-2.1019at/cm3)) recouvert d’une épitaxie P- typiquement 1015-1016at/cm3. Ce substrat p+ permet ainsi de protéger le capteur des contaminations métalliques (effet getter) et forme un meilleur plan de masse (diminution du bruit électronique).
Alors que la description ci-dessus porte sur l’utilisation d’une électrode inférieure de type N et d’une électrode supérieure de type P, souvent avantageuse pour la gestion de la masse et des tensions électriques, on pourrait aussi utiliser un capteur SPAD avec une électrode inférieure de type P et une électrode supérieure de type N.
Claims (15)
- Capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique (MD), ledit module de détection comportant au sein d’un substrat, une zone active semiconductrice (1) contenant du germanium.
- Capteur selon la revendication 1, dans lequel la zone active (1) comprend une région (100) contenant du silicium et du germanium, le pourcentage atomique du germanium dans ladite région (100) étant compris entre 3 et 10.
- Capteur selon la revendication 2, dans lequel la région (100) contient un alliage de silicium germanium.
- Capteur selon la revendication 2, dans lequel la région (100) contient une alternance de couches de silicium (110) et de couches de silicium-germanium (111).
- Capteur selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le substrat comporte une face supérieure (FS) et ladite région est située en profondeur à distance (d) de ladite face supérieure.
- Capteur selon la revendication 5, dans lequel la zone active comprend une couche de silicium située entre ladite face supérieure et ladite région.
- Capteur selon l’une des revendications précédentes, comportant plusieurs modules de détection (MDi).
- Système d’imagerie, comportant au moins un capteur (SNS) selon l’une des revendications 1 à 7.
- Appareil électronique, par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire, comportant au moins un système d’imagerie (CM) selon la revendication 8.
- Procédé de réalisation d’un capteur optique, comprenant au moins un module de détection de photons du type photodiode à avalanche à photon unique (MD), le procédé comprenant une réalisation au sein d’un substrat, d’une zone active semiconductrice (1) dudit au moins un module (MD) contenant du germanium.
- Procédé selon la revendication 10, dans lequel la réalisation de la zone active comprend une formation d’une région (100) contenant du silicium et du germanium, le pourcentage atomique du germanium dans ladite région étant compris entre 3 et 10.
- Procédé selon la revendication 11, dans lequel la formation de ladite région comprend une épitaxie (30) d’une couche d’un alliage de silicium germanium.
- Procédé selon la revendication 11, dans lequel la formation de la région comporte des formations par épitaxies successives (41) d’une alternance de couches de silicium et de couches de silicium-germanium.
- Procédé selon l’une des revendications 11 à 13, dans lequel la réalisation de la zone active comprend une épitaxie d’une couche de silicium (12) recouvrant ladite région (100).
- Procédé selon l’une des revendications 11 à 14, comprenant une formation d’une électrode de type de conductivité N du capteur par implantation ionique localisée réalisée avant la formation par épitaxie de la région (100) contenant du silicium et du germanium.
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