FR3103635A1 - Capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD - Google Patents

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Abstract

Capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD La présente description concerne un capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes à avalanche formées dans et sur un substrat semiconducteur (101) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière, dans lequel : - des tranchées (107) s'étendent verticalement dans le substrat (101) depuis sa face avant jusqu'à sa face arrière, les tranchées (107) ayant, en vue de dessus, la forme d'une grille continue et délimitant latéralement une pluralité d'îlots (109) de substrat, chaque îlot (109) définissant un pixel (PIX) comportant une unique photodiode à avalanche contrôlable de façon individuelle, et comportant une zone dopée de collecte (119) d'un signal d'avalanche de la photodiode du pixel. Figure pour l'abrégé : Fig. 1A

Description

Capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD
La présente description concerne de façon générale le domaine des photodiodes à avalanche pour la détection de photons uniques, aussi appelées photodiodes SPAD (de l'anglais "Single Photon Avalanche Diode"). Elle vise plus particulièrement un capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD.
Une photodiode SPAD est essentiellement constituée par une jonction PN polarisée en inverse à une tension supérieure à son seuil d'avalanche. Lorsqu'aucune charge électrique n'est présente dans la zone de déplétion ou zone de charge d'espace de la jonction PN, la photodiode est dans un état pseudo-stable, non conducteur. Lorsqu'une charge électrique photogénérée est injectée dans la zone de déplétion, si la vitesse de déplacement de cette charge dans la zone de déplétion est suffisamment élevée, c'est-à-dire si le champ électrique dans la zone de déplétion est suffisamment intense, la photodiode est susceptible d'entrer en avalanche. Un seul photon est ainsi capable de générer un signal électrique mesurable, et ce avec un temps de réponse très court. Les photodiodes SPAD permettent de détecter des rayonnements de très faible intensité lumineuse, et sont notamment utilisées pour la détection de photons uniques et le comptage de photons.
La demande de brevet WO2018050996 précédemment déposée par le demandeur décrit des exemples de réalisation de photodiodes SPAD à jonction PN verticales, permettant une collecte efficace des charges photogénérées en profondeur dans le substrat.
On s'intéresse ici à la réalisation d'un capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD à jonction PN verticales.
Un mode de réalisation prévoit un capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes à avalanche formées dans et sur un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière, dans lequel :
- des tranchées s'étendent verticalement dans le substrat depuis sa face avant jusqu'à sa face arrière, les tranchées ayant, en vue de dessus, la forme d'une grille continue et délimitant latéralement une pluralité d'îlots de substrat, chaque îlot définissant un pixel comportant une unique photodiode à avalanche contrôlable de façon individuelle, et comportant une zone dopée de collecte d'un signal d'avalanche de la photodiode du pixel ;
- les parois latérales des tranchées sont revêtues d'une première couche semiconductrice de type de conductivité opposé à celui de la zone de collecte ; et
- une région conductrice s'étend dans les tranchées, ladite région conductrice étant en contact avec la face de la première couche semiconductrice opposée au substrat.
Selon un mode de réalisation, les zones de collecte des différents pixels sont isolées électriquement les unes des autres.
Selon un mode de réalisation, la région conductrice est opaque pour le rayonnement à détecter.
Selon un mode de réalisation, la région conductrice est en métal.
Selon un mode de réalisation, la région conductrice comprend du cuivre ou du tungstène.
Selon un mode de réalisation, la première couche semiconductrice est en silicium polycristallin dopé.
Selon un mode de réalisation, la première couche semiconductrice est du deuxième type de conductivité, la jonction entre les faces latérales de chaque îlot de substrat et la première couche semiconductrice définissant une zone d'avalanche d'une photodiode à avalanche du capteur.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre, dans une partie supérieure de chaque îlot de substrat, une région annulaire périphérique du deuxième type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui la première couche semiconductrice, s'étendant latéralement à partir des parois latérales des tranchées.
Selon un mode de réalisation, dans chaque îlot, la zone de collecte est une région de même type de conductivité que le substrat mais de niveau de dopage supérieur, située dans une partie centrale de l'îlot.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre, dans une partie centrale de chaque îlot de substrat, une région centrale du deuxième type de conductivité formant la zone de collecte de l'îlot, s'étendent verticalement dans le substrat depuis sa face avant jusqu'à sa face arrière, la jonction entre les faces latérales de la région centrale du deuxième type de conductivité et le substrat définissant une zone d'avalanche d'une photodiode à avalanche du capteur.
Selon un mode de réalisation, la première couche semiconductrice est du premier type de conductivité.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre, dans une partie supérieure de chaque îlot de substrat, une région annulaire du deuxième type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui de la région centrale du deuxième type de conductivité, s'étendant latéralement à partir des parois latérales de la région centrale du deuxième type de conductivité.
Selon un mode de réalisation, le substrat est surmonté, du côté de sa face avant, par une deuxième couche semiconductrice du premier type de conductivité de niveau de dopage inférieur à celui du substrat, les tranchées traversant la deuxième couche.
Selon un mode de réalisation, le substrat repose, du côté de sa face arrière, sur une troisième couche semiconductrice du deuxième type de conductivité, les tranchées débouchant dans ou sur la troisième couche ou traversant la troisième couche.
Selon un mode de réalisation, le niveau de dopage de la troisième couche est inférieur à celui de la première couche.
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:
la figure 1A est une vue en coupe illustrant un exemple d'un capteur d'images selon un mode de réalisation;
la figure 1B est une vue de dessus du capteur de la figure 1A ;
la figure 2 est une vue en coupe illustrant un autre exemple d'un capteur d'images selon un mode de réalisation ;
la figure 3 est une vue en coupe illustrant un autre exemple d'un capteur d'images selon un mode de réalisation ;
la figure 4A est une vue en coupe illustrant un autre exemple d'un capteur d'images selon un mode de réalisation ; et
la figure 4B est une vue de dessus du capteur de la figure 4A.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits de contrôle des photodiodes SPAD des capteurs décrits, comprenant notamment des circuits de polarisation des jonctions PN des photodiodes SPAD, des circuits de lecture adaptés à détecter des déclenchements d'avalanches des photodiodes SPAD, ainsi que des circuits d'extinction ("quenching circuit" en anglais) ayant pour fonction d'interrompre les avalanches des photodiodes SPAD une fois celles-ci déclenchées, n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles de tels circuits ou la réalisation de tels circuits étant à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des vue en coupe des figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10% près, de préférence à 5% près ou, lorsqu'elles concernent des angles ou des orientations angulaires absolues ou relatives, à 10 degrés près, et préférence à 5 degrés près.
Les figures 1A et 1B représentent de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images 100 selon un mode de réalisation. La figure 1B est une vue de dessus du capteur, et la figure 1A est une vue en coupe selon le plan A-A de la figure 1B.
Le capteur 100 comprend une pluralité de pixels PIX, par exemple identiques ou similaires (aux dispersions de fabrication près). Chaque pixel PIX comprend une photodiode SPAD à jonction PN verticale. Les différents pixels PIX du capteur sont par exemple adressables individuellement, c'est-à-dire que la photodiode SPAD de chaque pixel PIX peut être contrôlée indépendamment des photodiodes SPAD des autres pixels PIX.
Le capteur 100 comprend un substrat semiconducteur 101 présentant des faces supérieure et inférieure sensiblement horizontales (dans l'orientation de la figure 1A). Le substrat 101 peut être en silicium, par exemple en silicium monocristallin. Dans cet exemple, le substrat 101 est dopé de type P (P). Dans l'exemple représenté, le substrat 101 repose sur une couche 103 dopée de type N (N-), dont la face supérieure est en contact avec la face inférieure du substrat.
Dans cet exemple, la couche 103 repose elle-même sur une couche 105 dopée de type P, dont la face supérieure est en contact avec la face inférieure de la couche 103. A titre d'exemple, la couche 105 peut être un substrat de support, sur la face supérieure duquel sont formés, par épitaxie, la couche 103, puis le substrat 101. A titre d'exemple, l'épaisseur du substrat 101 est comprise entre 3 et 25 µm. La couche 103 présente par exemple une épaisseur comprise entre 500 nm et 3µm.
Le capteur 100 comprend des tranchées 107 s'étendant verticalement dans le substrat 101 depuis sa face supérieure, ou face avant, jusqu'à sa face inférieure, ou face arrière. Dans cet exemple, les tranchées 107 débouchent sur la face supérieure de la couche 103 ou dans la couche 103. En vue de dessus, les tranchées 107 ont la forme d'une grille continue délimitant latéralement une pluralité d'îlots 109 de substrat 101. Dans cet exemple, chaque îlot 109 est entièrement entouré et séparé latéralement des îlots 109 voisins par des tranchées 107. A titre d'exemple, en vue de dessus (figure 1B), les tranchées 107 comprennent des tranchées horizontales et des tranchées verticales, régulièrement réparties sur toute la surface du capteur. Les îlots 109 ont alors tous sensiblement la même forme carrée ou rectangulaire (en vue de dessus) et les mêmes dimensions. Chaque îlot 109 a par exemple une largeur comprise entre 2 et 10 µm. Dans cet exemple, chaque pixel PIX comprend un unique îlot 109.
Les parois latérales et le fond des tranchées 107 sont revêtus par une couche semiconductrice 113 de type N (N). La couche 113 est par exemple en silicium polycristallin dopé. Dans cet exemple, le niveau de dopage de la couche 113 est supérieur au niveau de dopage de la couche 103. La couche 113 s'étend par exemple sur toute la hauteur et sur toute la longueur des parois latérales des tranchées 107. La couche 113 est en contact avec les faces latérales de chaque îlot 109 de substrat, par exemple sur toute la hauteur et sur toute la périphérie de l'îlot 109. Lors de la fabrication, la structure est soumise à un recuit de diffusion conduisant à faire diffuser des éléments dopants de la couche 113 dans le substrat 101, par exemple sur une distance comprise entre 200 nm et 1 µm.
Dans cet exemple, le capteur 100 comprend, dans une partie supérieure de chaque îlot 109, une région périphérique annulaire 111 de type N (N-). Le niveau de dopage de la région 111 est inférieur à celui de la couche 113. En vue de dessus, la région 111 s'étend sur toute la périphérie de l'îlot. Verticalement, la région 111 s'étend depuis la face supérieure du substrat 101 et sur une profondeur inférieure à celle du substrat, par exemple une profondeur comprise entre 100 et 1500 nm. Latéralement, la région 111 s'étend depuis le bord de la tranchée 107 délimitant l'îlot 109, en direction du centre de l'îlot. La largeur de la région 111 est inférieure à la largeur totale de l'îlot, par exemple comprise entre 100 nm et 1500 nm.
Chaque îlot 109 de substrat définit une photodiode SPAD d'un pixel PIX du capteur. La région d'anode de la photodiode SPAD est formée par la portion de substrat 101 dopée de type P de l'îlot. La région de cathode de la photodiode SPAD comprend la portion de la couche de type N 113 en contact avec les faces latérales de l'îlot 109, la région de type N (non représentée) diffusée dans une région périphérique de l'îlot 109 à partir de la couche 113, la région annulaire de type N 111 de l'îlot, et la portion de la couche de type N 103 en contact avec la face inférieure de l'îlot 109. La jonction PN formée entre les faces latérales de l'îlot 109 et la couche 113 définit la zone d'avalanche de la photodiode SPAD, c'est-à-dire la partie de la jonction PN de la photodiode dans laquelle l'avalanche peut être déclenchée par une charge photogénérée unique.
En partie supérieure des tranchées 107, la couche 113 est en contact avec les faces latérales extérieures de la région annulaire de type N 111. A ce niveau, la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la région 111 et le substrat 101. Du fait que le niveau de dopage de type N de la région 111 est inférieur à celui de la couche 113, le champ électrique généré au niveau de la partie supérieure de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la jonction PN entre le substrat 101 et la couche 113. Ainsi, la région 111 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité supérieure des tranchées 107. A titre de variante, la région 111 peut présenter un gradient latéral de niveau de dopage, de façon que son niveau de dopage de type N décroisse progressivement lorsqu'on s'éloigne de la tranchée 107.
En partie inférieure des tranchées 107, la couche 113 est en contact avec la couche de type N 103. La partie inférieure de la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la couche 103 et le substrat 101. Là encore, du fait que le niveau de dopage de type N de la couche 103 est inférieur à celui de la couche 113, le champ électrique généré au niveau de la partie inférieure horizontale de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la jonction PN verticale entre le substrat 101 et la couche 113. Ainsi, la couche 103 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité inférieure des tranchées 107.
Les niveaux de dopage du substrat 101, des couches 113 et 103, et des régions 111, et la tension de polarisation de la photodiode, sont de préférence choisis de façon que le champ électrique au niveau de la jonction PN verticale formée entre le substrat 101 et la couche 113 soit suffisamment intense pour que l'avalanche puisse être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit supérieur à 400 kV/cm sur une distance de 100 à 500 nm selon une direction orthogonale à la jonction PN, et de façon que le champ électrique au niveau des jonctions PN formées entre le substrat 101 et la région 111 et entre le substrat 101 et la couche 103 soit suffisamment faible pour que l'avalanche ne puisse pas être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit inférieur à 400 kV/cm. A titre d'exemple, la tension de claquage en inverse (ou tension d'avalanche) de la photodiode est comprise entre 10 et 50 V, et la tension de polarisation en inverse de la photodiode est supérieure à sa tension de claquage d'une valeur comprise entre 0,5 et 10 V. Le niveau de dopage du substrat 101 est par exemple compris entre 5*1016et 7*1017atomes/cm3. Le niveau de dopage de la couche 113 est par exemple compris entre 5*1018et 1*1020atomes/cm3. Le niveau de dopage de type N de la région 111 et le niveau de dopage de la couche 103 sont par exemple compris entre un tiers du niveau de dopage de type P du substrat 101 et trois fois le niveau de dopage de type P du substrat 101. A titre d'exemple, le niveau de dopage de type N de la région 111 et de la couche 103 sont sensiblement égaux au niveau de dopage de type P du substrat 101.
A titre de variante, la couche 103 peut présenter un niveau de dopage sensiblement identique à celui de la couche 113. Dans ce cas, la zone d'avalanche de chaque photodiode SPAD comprend non seulement la jonction PN verticale formée entre les faces latérales du substrat 101 et la couche 113, mais aussi la jonction PN horizontale formée entre le substrat 101 et la couche 103. Ceci permet d'augmenter la surface de la zone d'avalanche et donc la sensibilité des photodiodes.
Dans l'exemple des figures 1A et 1B, l'épaisseur de la couche 113 est inférieure à la moitié de la largeur des tranchées 107, de sorte que la couche 113 ne remplit pas entièrement les tranchées 107. Une région conductrice 115, par exemple métallique, est disposée dans une région centrale des tranchées non occupée par la couche 113. La région 115 est en contact, par ses faces latérales, avec les faces de la couche 113 opposées aux îlots 109 de substrat, et, par sa face inférieure, avec la face inférieure de la portion de la couche 113 revêtant le fond des tranchées 107. La région 115 s'étend sur sensiblement toute la hauteur et sur toute la longueur des tranchées 107.
La région 115 forme une grille conductrice continue connectant électriquement les unes aux autres les régions de cathode de tous les pixels du capteur.
Chaque pixel PIX peut comprendre une métallisation de contact d'anode 117 disposée au-dessus de la face supérieure de l'îlot 109 de substrat 101 du pixel et reliée électriquement au substrat 101. Dans l'exemple représenté, une région localisée de prise de contact 119 dopée de type P, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, s'étend dans une partie centrale supérieure de l'îlot 109. La métallisation 117 est disposée sur et en contact avec la région de prise de contact 119. Les métallisations de contact d'anode 117 permettent de contrôler individuellement les photodiodes SPAD des différents pixels du capteur. La région 119 forme une zone de collecte d'un signal représentatif de l'éclairement du pixel.
Le capteur peut en outre comprendre une ou plusieurs métallisations de contact de cathode 121 disposées sur et en contact avec la face supérieure de la région conductrice commune 115. Du fait de la continuité électrique de la région conductrice 115, le nombre de métallisations de contact de cathode 121 peut être inférieur au nombre de pixels PIX du capteur.
Par souci de clarté, les métallisations de contact d'anode 117 et de cathode 121 n'ont pas été représentées sur la figure 1B.
En fonctionnement, les régions de cathode des photodiodes SPAD du capteur sont polarisées à un potentiel positif V+, par exemple par l'intermédiaire des métallisations de contact de cathode 121, et les régions d'anode des photodiodes SPAD du capteur sont polarisées à un potentiel négatif V-, par exemple par l'intermédiaire des métallisations de contact 117, de façon que la tension cathode-anode de chaque photodiode soit supérieure à sa tension d'avalanche.
Le capteur est par exemple destiné à être éclairé par sa face inférieure. A titre d'exemple, le capteur peut comprendre un circuit intégré de contrôle, non représenté, accolé du côté de la face supérieure du substrat 101 et connecté électriquement aux métallisations 117 et 121. On notera que dans le cas où le capteur est destiné à être éclairé par sa face inférieure, un amincissement voire un retrait complet de la couche inférieure 105 peut éventuellement être prévu. A titre d'exemple, la couche inférieure 105 est entièrement retirée, et la couche 103 est partiellement retirée jusqu'à atteindre la couche 113, voire jusqu'à atteindre la face inférieure des régions 115. La face inférieure du capteur peut en outre être revêtue par un empilement d'une ou plusieurs couches diélectriques, non représentées, par exemple une couche de nitrure de silicium, permettant de favoriser l'entrée de la lumière dans les photodiodes SPAD.
En plus de sa fonction de région de contact de cathode, la région conductrice 115 forme un écran optique opaque au rayonnement à détecter. Ceci permet de limiter les risques de déclenchement parasites des photodiodes SPAD du capteur. En effet, lorsqu'une photodiode SPAD entre en avalanche, la zone d'avalanche émet des photons. La région 115 forme une séparation optique permettant d'éviter que ces photons ne provoquent une avalanche dans une autre photodiode du capteur.
A titre d'exemple, la région 115 comprend une couche de cuivre, et peut en outre comprendre une couche barrière en nitrure de titane faisant interface entre la couche de cuivre et les couches 113 et 103 de façon à éviter une diffusion du cuivre dans les couches 113 et 103. A titre de variante, la région 115 comprend du tungstène. Plus généralement, tout métal adapté à remplir la double fonction de contact électrique de cathode et de séparation optique des photodiodes SPAD peut être utilisé pour former la région 115.
A titre d'exemple, la largeur des tranchées 107 est comprise entre 0,4 et 2 µm. La couche 113 présente par exemple une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,8 µm. L'épaisseur de la région conductrice 115 est par exemple comprise entre 0,2 et 1 µm.
La figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un autre exemple d'un capteur d'images 200 selon un mode de réalisation.
Le capteur 200 de la figure 2 diffère du capteur 100 de la figure 1 en ce qu'il ne comprend pas les régions annulaires de type N 111 du capteur 100. De plus, dans le capteur 200, le substrat 101 est surmonté d'une couche 202 dopée de type P (P-), de niveau de dopage inférieur à celui du substrat, et dont la face inférieure est en contact avec la face supérieure du substrat. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 202 est comprise entre 50 nm et 1,5µm. La couche 202 est par exemple formée par épitaxie sur la face supérieure du substrat 101.
Dans l'exemple de la figure 2, les tranchées 107 s'étendent verticalement depuis la face supérieure de la couche 202, jusqu'à la couche 103. Ainsi, au niveau de la partie supérieure des tranchées 107, dans chaque pixel PIX, la couche 113 est en contact avec les faces latérales de la portion de couche 202 surmontant l'îlot 109 du pixel. A ce niveau, la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la couche 202 et la couche 113. Du fait que le niveau de dopage de type P de la couche 202 est inférieur à celui du substrat 101, le champ électrique généré au niveau de la jonction PN entre la couche 202 et la couche 113 est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la jonction PN entre le substrat 101 et la couche 113. Ainsi, la couche 202 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité supérieure des tranchées 107. De préférence, le niveau de dopage de la couche 202 est choisi de façon que le champ électrique au niveau de la jonction PN entre la couche 202 et la couche 113 soit suffisamment faible pour que l'avalanche ne puisse pas être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit inférieur à 400 kV/cm. A titre d'exemple, le niveau de dopage de la couche 202 est inférieur à 8*1016atomes/cm3.
Dans l'exemple de la figure 2, dans chaque pixel PIX du capteur, la région de prise de contact 119 est localisée en vis-à-vis d'une région centrale de l'îlot 109 du pixel et s'étend, verticalement, depuis la face supérieure de la couche 202, jusqu'au substrat 101.
La figure 3 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un autre exemple d'un capteur d'images 300 selon un mode de réalisation. Le capteur 300 de la figure 3 présente des éléments communs avec le capteur 200 de la figure 2. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau. Dans la suite, seules les différences par rapport au capteur 200 de la figure 2 seront détaillées.
Dans l'exemple de la figure 3, le capteur est formé à partir d'un substrat de type silicium sur isolant (SOI – de l'anglais "Silicon On Insulator"). La couche 105 correspond au substrat de support de l'empilement SOI. Une couche isolante 301 ("Box"), par exemple en un oxyde de silicium, est disposée sur et en contact avec la face supérieure de la couche 105. La couche isolante 301 est elle-même surmontée de l'empilement des couches 103, 101 et 202.
Dans l'exemple de la figure 3, les tranchées 107 débouchent sur la face supérieure de la couche isolante 301.
Dans le cas où le capteur est destiné à être éclairé par sa face inférieure, un amincissement voire un retrait complet de la couche inférieure 105 peut éventuellement être prévu.
On notera que la variante de la figure 3 peut être adaptée à l'exemple de réalisation des figures 1A et 1B.
Les figures 4A et 4B représentent de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images 400 selon un autre mode de réalisation. La figure 4B est une vue de dessus du capteur, et la figure 4A est une vue en coupe selon le plan A-A de la figure 4B.
Le capteur 400 des figures 4A et 4B comprend des éléments communs avec le capteur 100 des figures 1A et 1B. Ces éléments communs ne seront pas décrits à nouveau. Par la suite, seules les différences entre les deux capteurs seront détaillées.
Le capteur 400 des figures 4A et 4B diffère du capteur 100 des figures 1A et 1B en ce que, dans le capteur 400, la couche de type N 113 du capteur 100 est remplacée par une couche 413 dopée de type P (P+), de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101. La couche 413 est par exemple en silicium polycristallin dopé. Lors de la fabrication, la structure peut être soumise à un recuit de diffusion conduisant à faire diffuser des éléments dopants de la couche 413 dans le substrat 101, par exemple sur une distance comprise entre 200 nm et 1 µm.
De plus, dans le capteur 400 des figures 4A et 4B, les tranchées 107 traversent entièrement la couche 103 et débouchent dans ou sur la face supérieure de la couche 105.
Le capteur 400 des figures 4A et 4B diffère en outre du capteur 100 des figures 1A et 1B en ce qu'il ne comprend pas les régions annulaires 111 de type N présentes dans le capteur 100.
Le capteur 400 des figures 4A et 4B comprend de plus, dans une partie centrale de chaque îlot 109 de substrat, une région dopée de type N 419 s'étendant verticalement depuis la face supérieure du substrat 101 jusqu'à la couche 103. En vue de dessus, le centre de la région 419 coïncide par exemple avec le centre de l'îlot 109. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. La région 419 est par exemple en silicium polycristallin dopé. Dans cet exemple, le niveau de dopage de la région 419 est supérieur au niveau de dopage de la couche 103. Lors de la fabrication, la structure peut être soumise à un recuit de diffusion conduisant à faire diffuser des éléments dopants de la région 419 dans le substrat 101. La régions 419 a par exemple la forme d'une tige verticale ou d'un barreau vertical à section circulaire. Les régions 419 sont par exemple formées avant les tranchées 107.
Le capteur 400 comprend en outre, dans une partie supérieure de chaque îlot 109, une région annulaire 421 de type N (N-) entourant entièrement, en vue de dessus, la région 419. Le niveau de dopage de la région 421 est inférieur à celui de la région 419. La région 421 s'étend latéralement depuis le bord de la région 419, en direction de la périphérie de l'îlot 109, et s'interrompt avant d'atteindre les tranchées 107. La largeur de la région 421 est par exemple comprise entre 100 nm et 1500 nm. Verticalement, la région 421 s'étend depuis la face supérieure du substrat 101 et sur une profondeur inférieure à celle du substrat, par exemple une profondeur comprise entre 100 et 1500 nm.
Chaque îlot 109 de substrat définit une photodiode SPAD d'un pixel PIX du capteur. La région d'anode de la photodiode SPAD est formée par la couche 413 et par la portion de substrat 101 dopée de type P de l'îlot. La région de cathode de la photodiode SPAD comprend la région centrale de type N 419, la région annulaire centrale 421, et la portion de la couche de type N 103 en contact avec la face inférieure de l'îlot 109. La jonction PN formée entre les faces latérales de la région 419 et le substrat 101 définit la zone d'avalanche de la photodiode SPAD, c'est-à-dire la partie de la jonction PN de la photodiode dans laquelle l'avalanche peut être déclenchée par une charge photogénérée unique.
En partie supérieure de la région 419, les faces latérales de la région 419 sont en contact avec la région annulaire 421. A ce niveau, la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la région 421 et le substrat 101. Du fait que le niveau de dopage de type N de la région 421 est inférieur à celui de la région 419, le champ électrique généré au niveau de la partie supérieure de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la jonction PN entre le substrat 101 et la région 419. Ainsi, la région 421 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité supérieure de la région 419.
En partie inférieure de la région 419, la région 419 est en contact avec la couche de type N 103. La partie inférieure de la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la couche 103 et le substrat 101. Là encore, du fait que le niveau de dopage de type N de la couche 103 est inférieur à celui de la région 419, le champ électrique généré au niveau de la partie inférieure horizontale de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la jonction PN verticale entre le substrat 101 et la région 419. Ainsi, la couche 103 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité inférieure de la région 419.
Les niveaux de dopage du substrat 101, des régions 419 et 421, et de la couche 103, et la tension de polarisation de la photodiode, sont de préférence choisis de façon que le champ électrique au niveau de la jonction PN verticale formée entre le substrat 101 et la région 419 soit suffisamment intense pour que l'avalanche puisse être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit supérieur à 400 kV/cm sur une distance de 100 à 500 nm selon une direction orthogonale à la jonction PN, et de façon que le champ électrique au niveau des jonctions PN formées entre le substrat 101 et la région 421 et entre le substrat 101 et la couche 103 soit suffisamment faible pour que l'avalanche ne puisse pas être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit inférieur à 400 kV/cm.
La région 115 forme une grille conductrice continue connectant électriquement les unes aux autres les régions d'anode de tous les pixels du capteur.
Chaque pixel PIX peut comprendre une métallisation de contact de cathode 117 disposée sur et en contact avec la face supérieure de la région 419. Pour favoriser le contact, la région 419 peut comprendre, au voisinage de sa face supérieure, une zone plus fortement dopée (non détaillée sur la figure) en contact avec la métallisation 117. Les métallisations de contact de cathode 117 permettent de contrôler individuellement les photodiodes SPAD des différents pixels du capteur. La région 419 définit une zone de collecte d'un signal représentatif de l'éclairement du pixel.
Le capteur peut en outre comprendre une ou plusieurs métallisations de contact d'anode 121 disposées sur et en contact avec la face supérieure de la région conductrice commune 115. Du fait de la continuité électrique de la région conductrice 115, le nombre de métallisations de contact de cathode 121 peut être inférieur au nombre de pixels PIX du capteur.
Par souci de clarté, les métallisations de contact d'anode 121 et de cathode 117 n'ont pas été représentées sur la figure 4B.
En fonctionnement, les régions de cathode des photodiodes SPAD du capteur sont polarisées à un potentiel positif V+, par exemple par l'intermédiaire des métallisations de contact de cathode 117, et les régions d'anode des photodiodes SPAD du capteur sont polarisées à un potentiel négatif V-, par exemple par l'intermédiaire des métallisations de contact 121, de façon que la tension cathode-anode de chaque photodiode soit supérieure à sa tension d'avalanche.
En plus de sa fonction de région de contact d'anode, la région conductrice 115 forme un écran optique opaque au rayonnement à détecter. Ceci permet de limiter les risques de déclenchement parasites des photodiodes SPAD du capteur.
Dans le cas où le capteur est destiné à être éclairé par sa face inférieure, un amincissement voire un retrait complet de la couche inférieure 105 peut éventuellement être prévu. A titre de variante, avant l'amincissement, les tranchées 107 débouchent à un niveau intermédiaire de la couche 103 mais ne traversent pas entièrement la couche 103, et, lors de l'amincissement de face arrière, la couche 105 est entièrement retirée et la couche 103 est partiellement retirée jusqu'à atteindre la couche 413, voire jusqu'à atteindre la face inférieure des régions 115.
On notera que le mode de réalisation des figures 4A et 4B peut être adapté à l'exemple de réalisation de la figure 2. Dans ce cas, la région annulaire 421 peut être omise et remplacée par la couche de type P 202. Par ailleurs, le mode de réalisation des figures 4A et 4B peut être adapté à l'exemple de réalisation de la figure 3.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples numériques de dimensions et de niveaux de dopages mentionnés dans la description.
De plus, tous les types de conductivité des structures décrites ci-dessus peuvent être inversés, les régions de cathode étant alors remplacées par des régions d'anode et inversement.

Claims (15)

  1. Capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes à avalanche formées dans et sur un substrat semiconducteur (101) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière, dans lequel :
    - des tranchées (107) s'étendent verticalement dans le substrat (101) depuis sa face avant jusqu'à sa face arrière, les tranchées (107) ayant, en vue de dessus, la forme d'une grille continue et délimitant latéralement une pluralité d'îlots (109) de substrat, chaque îlot (109) définissant un pixel (PIX) comportant une unique photodiode à avalanche contrôlable de façon individuelle, et comportant une zone dopée de collecte (119 ; 419) d'un signal d'avalanche de la photodiode du pixel ;
    - les parois latérales des tranchées (107) sont revêtues d'une première couche semiconductrice (113 ; 413) de type de conductivité opposé à celui de la zone de collecte ; et
    - une région conductrice (115) s'étend dans les tranchées, ladite région conductrice (115) étant en contact avec la face de la première couche semiconductrice (113 ; 413) opposée au substrat (101).
  2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les zones de collecte (119 ; 419) des différents pixels (PIX) sont isolées électriquement les unes des autres.
  3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la région conductrice (115) est opaque pour le rayonnement à détecter.
  4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la région conductrice (115) est en métal.
  5. Capteur selon la revendication 4, dans lequel la région conductrice (115) comprend du cuivre ou du tungstène.
  6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première couche semiconductrice (113) est en silicium polycristallin dopé.
  7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première couche semiconductrice (113) est de type de conductivité opposé à celui du substrat, la jonction entre les faces latérales de chaque îlot (109) de substrat (101) et la première couche semiconductrice (113) définissant une zone d'avalanche d'une photodiode à avalanche du capteur.
  8. Capteur selon la revendication 7, comprenant en outre, dans une partie supérieure de chaque îlot (109) de substrat, une région annulaire périphérique (111) de type de conductivité opposé à celui du substrat et de niveau de dopage inférieur à celui la première couche semiconductrice (113), s'étendant latéralement à partir des parois latérales des tranchées (107).
  9. Capteur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel, dans chaque îlot (109), la zone de collecte (119) est une région de même type de conductivité que le substrat (101) mais de niveau de dopage supérieur, située dans une partie centrale de l'îlot.
  10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre, dans une partie centrale de chaque îlot (109) de substrat, une région centrale (419) de type de conductivité opposé à celui du substrat formant la zone de collecte de l'îlot, s'étendent verticalement dans le substrat (101) depuis sa face avant jusqu'à sa face arrière, la jonction entre les faces latérales de la région centrale (419) de type de conductivité opposé à celui du substrat et le substrat (101) définissant une zone d'avalanche d'une photodiode à avalanche du capteur.
  11. Capteur selon la revendication 10, dans lequel la première couche semiconductrice (413) est du premier type de conductivité.
  12. Capteur selon la revendication 10 ou 11, comprenant en outre, dans une partie supérieure de chaque îlot (109) de substrat, une région annulaire (421) de type de conductivité opposé à celui du substrat et de niveau de dopage inférieur à celui de la région centrale (419) de type de conductivité opposé à celui du substrat, s'étendant latéralement à partir des parois latérales de la région centrale (419) de type de conductivité opposé à celui du substrat.
  13. Capteur selon la revendication 7, 10 ou 11, dans lequel le substrat (101) est surmonté, du côté de sa face avant, par une deuxième couche semiconductrice (202) du premier type de conductivité de niveau de dopage inférieur à celui du substrat (101), les tranchées (107) traversant la deuxième couche (202).
  14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le substrat (101) repose, du côté de sa face arrière, sur une troisième couche semiconductrice (103) de type de conductivité opposé à celui du substrat, les tranchées débouchant dans ou sur la troisième couche (103) ou traversant la troisième couche (103).
  15. Capteur selon la revendication 14, dans lequel le niveau de dopage de la troisième couche (103) est inférieur à celui de la première couche (113).
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