FR3114189A1 - Dispositif électronique comprenant une région semiconductrice photosensible et procédé de fabrication correspondant - Google Patents
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Abstract
Dispositif électronique comprenant : une région semiconductrice photosensible configurée pour être illuminée par une face arrière, comprenant une face avant opposée à la face arrière, un réseau périodique de plots, comprenant un premier matériau, formé sur la face avant, ayant un contour présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, ledit contour formant une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du premier matériau. Les dimensions caractéristiques du motif périodique sont inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et configurées pour produire une réflexion de lumière sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible. Figure de l’abrégé : Fig 1
Description
Des modes de réalisation et mise en œuvre de l’invention concernent le domaine de la microélectronique et plus particulièrement le domaine des capteurs lumineux.
Des dispositifs électroniques classiques comprennent par exemple un capteur de lumière à rétro-illumination du type « BSI » (acronyme du terme anglais usuel « Back Side Illumination ») comportant au moins un pixel et une zone photosensible associée. La zone photosensible comprend une face inférieure et une face supérieure.
La face inférieure de la zone photosensible reçoit des rayons lumineux. La face supérieure de la zone photosensible est recouverte par une couche d’isolation du type « PMD » (acronyme du terme anglais usuel « Pre-Metal Dielectric ») isolant électriquement la face supérieure de couches métalliques d’un réseau d’interconnexion.
Les rayons lumineux provenant de la face arrière et n’ayant pas été absorbés par la zone photosensible s’échappent par la face supérieure de la zone photosensible via la couche d’isolation. A cet égard, une plaque réfléchissante est classiquement placée dans un premier niveau de métal du réseau d’interconnexion de façon à réfléchir les rayons lumineux s’échappant de la zone photosensible.
De telles dispositions présentent des inconvénients dans la mesure où certains rayons lumineux sont réfléchis en dehors de la zone photosensible, ces rayons lumineux pouvant passer par un chemin optique existant dans la couche d’isolation du type « PMD ».
Les rayons lumineux réfléchis en dehors de la zone photosensible ne sont pas absorbés dans la zone photosensible ce qui limite notamment la sensibilité du pixel associé.
Par ailleurs, les rayons lumineux réfléchis en dehors de la zone photosensible peuvent perturber le fonctionnement de zones voisines.
C’est notamment le cas lorsque les rayons lumineux sont détectés dans des zones photosensibles voisines, ces rayons introduisent un signal lumineux interférant dans les zones photosensibles voisines usuellement appelé « cross talk » en anglais.
C’est également le cas lorsque les rayons lumineux atteignent des zones de transfert de charge, les rayons lumineux pouvant alors générer des charges parasites altérant par exemple l’information contenue dans la zone, on parle usuellement de « Parasitic Light Signal » en anglais.
Ainsi, il est souhaitable d’augmenter la quantité de rayons lumineux réfléchis vers la zone photosensible dans le but de diminuer les différents signaux parasites et d’améliorer l’absorption lumineuse dans la zone photosensible.
Selon un aspect il est proposé un dispositif électronique comprenant : une région semiconductrice photosensible configurée pour être illuminée par une face arrière, comprenant une face avant opposée à la face arrière, un réseau périodique de plots, comprenant un premier matériau, formé sur la face avant, ayant un contour présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, ledit contour formant une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du premier matériau, dans lequel les dimensions caractéristiques du motif périodique sont inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et sont configurées pour produire une réflexion de lumière sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible.
En d’autres termes, les dimensions caractéristiques du motif périodique du contour du réseau sont configurées pour produire, sur des rayons de lumière à la longueur d’onde d’intérêt, une interférence lumineuse constructive en-dessous de la face avant de la région semiconductrice photosensible, et une interférence lumineuse destructive au-dessus de la face avant de la région semiconductrice photosensible.
Ainsi, le réseau périodique de plots est configuré pour exploiter un effet de résonance afin de produire une réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt.
De plus, étant donné que le réseau périodique de plot est situé sur la face avant de la région photosensible, il n’existe pas de chemin optique entre la surface de réflexion (on considèrera que la surface de réflexion est matérialisée par le contour du réseau périodique) et une autre région du dispositif que la région photosensible.
Selon un mode de réalisation, les plots sont saillants par rapport à la face avant de la région semiconductrice photosensible, et le deuxième matériau appartient à une couche diélectrique recouvrant les plots saillants et la face avant.
Ainsi, les plots saillants par rapport à la face avant de la région semiconductrice photosensible peuvent être formés par des ajouts de matière, par exemple de façon similaire à une formation de régions de grille de transistors.
Selon un mode de réalisation alternatif, les plots sont logés dans des tranchées pénétrant dans la région semiconductrice photosensible, les plots sont inclus dans une couche diélectrique remplissant les tranchées et recouvrant la face avant de la région semiconductrice photosensible, et le deuxième matériau appartient à la région semiconductrice photosensible.
Ainsi, le deuxième matériau étant le matériau semiconducteur de la région photosensible, l’interface sur laquelle se produit la réflexion est située dans la région semiconductrice photosensible.
De plus, les tranchées logeant les plots peuvent être formées par exemple de façon similaire à des tranchées d’isolation peu profondes.
Selon un mode de réalisation, chaque plot a une forme de cylindre comportant un diamètre et une hauteur, les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
Ainsi, chaque plot cylindrique présente une symétrie axiale permettant de réfléchir des rayons lumineux incidents de manière isotrope par rapport à l’axe de symétrie de chaque cylindre.
La réflexion est ainsi avantageusement neutre vis-à-vis d’une éventuelle polarisation de la lumière et d’un angle d’incidence de la lumière.
Selon un mode de réalisation, le réseau périodique de plots est disposé selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe, les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
En effet, la disposition des plots du réseau en un maillage, c’est-à-dire un réseau périodique dont la maille élémentaire est par exemple rectangulaire, carrée, ou hexagonale (sans que ces exemples ne soient limitatifs), permet une conception simple et polyvalente pour recouvrir uniformément de plots la face avant de la région photosensible.
De plus, la période fixe de répétition de la maille élémentaire est inférieure à la longueur d’onde d’intérêt.
Ainsi, la période fixe de répétition des mailles contribue à produire l’effet de résonance permettant la réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt, et l’arrangement périodique des mailles permet la réflexion uniforme de la lumière à la longueur d’onde d’intérêt sur la face avant de la région photosensible.
Selon un mode de réalisation, la région semiconductrice photosensible est configurée pour détecter spécifiquement de la lumière à des longueurs d’onde centrées sur la longueur d’onde d’intérêt.
Par « longueurs d’onde centrées sur la longueur d’onde d’intérêt », on entend une distribution sensiblement uniforme de longueurs d’ondes, centrée sur la longueur d’onde d’intérêt, et dont la largeur est étroitement définie par une tolérance matérielle de sélection de la longueur d’onde d’intérêt. C’est par exemple le cas des capteurs tels que des capteurs par « temps de vol », dont le signal détecté est filtré à la longueur d’onde d’intérêt, c’est-à-dire la longueur d’onde du signal temps de vol émis par le détecteur.
En effet, la réflexion étant sélective sur la longueur d’onde d’intérêt, le dispositif selon cet aspect est particulièrement avantageux lorsque la région semiconductrice photosensible est spécifiquement dédiée à la longueur d’onde d’intérêt.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau et le deuxième matériau sont choisis parmi les matériaux suivants : du silicium polycristallin, de l’oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du silicium monocristallin, de façon à présenter une différence d’indice optique réglée en fonction des dimensions caractéristiques du réseau périodique, afin de produire la réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt sur l’interface.
En effet, les matériaux exposés ci-dessus sont des matériaux habituellement utilisés pour la fabrication de circuits intégrés, leur utilisation est donc maîtrisée et peu coûteuse dans le contexte global des procédés industriels.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des transistors ayant des régions de grille en silicium polycristallin, le premier matériau a la même nature et la même épaisseur que les régions de grille de transistors.
Ainsi, les plots peuvent être formés durant des étapes de formation communes avec des régions de grille de transistor, cela permet de fabriquer le dispositif selon cet aspect gratuitement dans un contexte prévoyant des procédés classiques.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des tranchées d’isolation peu profondes, dans lequel les tranchées pénétrant dans la région semiconductrice photosensible et longeant les plots ont la même nature et la même profondeur que lesdites tranchées d’isolation peu profondes.
Ainsi, les plots peuvent être formés durant des étapes de grave de tranchées d’isolation peu profondes, cela permet de fabriquer le dispositif selon cet aspect gratuitement dans un contexte prévoyant des procédés classiques.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’un dispositif électronique comprenant :
-une formation d’une région semiconductrice photosensible configurée pour être illuminée par une face arrière, comprenant une face avant opposée à la face arrière,
-une formation d’un réseau périodique de plots dans un premier matériau, sur la face avant, de sorte qu’un contour du réseau périodique présente un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques de façon à former une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent de l’indice optique du premier matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques du motif périodique sont formées à des dimensions inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et configurées pour produire une réflexion de lumière sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible.
-une formation d’une région semiconductrice photosensible configurée pour être illuminée par une face arrière, comprenant une face avant opposée à la face arrière,
-une formation d’un réseau périodique de plots dans un premier matériau, sur la face avant, de sorte qu’un contour du réseau périodique présente un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques de façon à former une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent de l’indice optique du premier matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques du motif périodique sont formées à des dimensions inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et configurées pour produire une réflexion de lumière sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation du réseau périodique de plots comprend :
-une formation d’une couche du premier matériau sur la face avant de la région semiconductrice photosensible,
-une gravure dans la couche du premier matériau, de sorte à former des plots saillants rapport à la face avant de la région semiconductrice photosensible, et
-une formation d’une couche diélectrique comprenant le deuxième matériau et recouvrant les plots saillants.
-une formation d’une couche du premier matériau sur la face avant de la région semiconductrice photosensible,
-une gravure dans la couche du premier matériau, de sorte à former des plots saillants rapport à la face avant de la région semiconductrice photosensible, et
-une formation d’une couche diélectrique comprenant le deuxième matériau et recouvrant les plots saillants.
Selon un mode de mise en œuvre alternatif, la formation du réseau périodique de plots comprend :
-une gravure de tranchées pénétrant la région semiconductrice photosensible comprenant le deuxième matériau, de sorte à former le contour du réseau périodique, et
-un remplissage desdites tranchées par une couche diélectrique comprenant le premier matériau, de sorte à loger les plots dans les tranchées.
Selon un mode de mise en œuvre, chaque plot du réseau périodique est formé de façon à avoir une forme de cylindre comportant un diamètre et une hauteur, les dimensions caractéristiques comprenant ladite hauteur et ledit diamètre.
Selon un mode de mise en œuvre, le réseau périodique est formé de sorte que les plots soient disposés selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe, les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
Selon un mode de mise en œuvre, la région semiconductrice photosensible est configurée spécifiquement pour détecter de la lumière à des longueurs d’onde centrées sur la longueur d’onde d’intérêt.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau et le deuxième matériau sont choisis parmi les matériaux suivants : du silicium polycristallin, de l’oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du silicium monocristallin, de façon à présenter une différence d’indice optique réglée en fonction des dimensions caractéristiques du réseau périodique, afin de produire la réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt sur l’interface.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une formation de régions de grille de transistors comportant :
-une formation d’une couche de silicium polycristallin,
-une gravure des régions de grille des transistors dans la couche de silicium polycristallin,
-une formation d’une couche de silicium polycristallin,
-une gravure des régions de grille des transistors dans la couche de silicium polycristallin,
dans lequel la formation de la couche du premier matériau est réalisée simultanément avec la formation de la couche de silicium polycristallin, et la gravure dans la couche du premier matériau est réalisée simultanément avec la gravure des régions de grille de transistors dans la couche de silicium polycristallin.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une formation de tranchées d’isolation peu profondes, dans lequel :
-la gravure de tranchées pénétrant la région semiconductrice photosensible est réalisée simultanément avec une gravure de tranchées d’isolation peu profondes,
-le remplissage des tranchées par une couche diélectrique est réalisée simultanément avec un remplissage de tranchées d’isolation peu profondes.
-la gravure de tranchées pénétrant la région semiconductrice photosensible est réalisée simultanément avec une gravure de tranchées d’isolation peu profondes,
-le remplissage des tranchées par une couche diélectrique est réalisée simultanément avec un remplissage de tranchées d’isolation peu profondes.
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, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 illustre une vue en coupe d’un dispositif DIS appartenant à un capteur de lumière, par exemple un capteur du type « BSI » (acronyme du terme anglais « Back Side Illumination »).
Le dispositif DIS comprend une région semiconductrice photosensible PH-S de pixel comportant une face avant FAV présentant un réseau périodique de plots RP-S, une face arrière FAR configurée pour recevoir des rayons de lumière incident Ri, et des faces latérales encadrée par des tranchées d’isolation profondes DTI (usuellement appelées en anglais « Deep Trench Isolation »).
Le réseau périodique de plots RP-S et des portions libres de la face avant FAV sont recouverts par une couche diélectrique PMD-S. On considérera que la surface de la face avant FAV peut être recouverte, ou non, d’une couche d’oxyde natif. Les couches d’oxyde natif sur les régions semiconductrice sont typiquement présentes dans les procédés industriels et parfois retirées, et leur mention peut être intentionnellement omise par effort de concision.
Par ailleurs, les plots du réseau périodique RP-S peuvent être séparés, ou non, de la face avant FAV par une couche d’oxyde analogue à une couche d’oxyde de grille de transistor du type « MOSFET » (acronyme du terme anglais usuel « Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor »).
La région semiconductrice photosensible PH-S est par exemple configurée spécifiquement pour détecter des longueurs d’onde centrées sur une longueur d’onde d’intérêt. La longueur d’onde d’intérêt est par exemple une longueur d’onde infrarouge utilisée dans le cadre d’une application du type « TOF » (acronyme du terme anglais usuel « Time Of Flight »).
Le dispositif DIS comprend une première zone Z1 comportant des composant actifs usuellement désignés par l’acronyme « FEOL » (pour « Front End Of Lines » en anglais), et une deuxième zone Z2 comprenant des éléments de connexion usuellement désignés par l’acronyme « BEOL » (pour « Back End Of Lines » en anglais). Par convention, l’orientation verticale est choisie telle que la deuxième zone Z2 est située au-dessus de la première zone Z1.
La première zone Z1 comprend des éléments tels que des transistors G1, G2, la région photosensible PH-S, et des zones de transfert de charges ZTC. La deuxième zone Z2 comprend un réseau d’interconnexion métallique comprenant une pluralité de niveaux de métal M1, M2, Mn superposés au-dessus de la couche diélectrique PMD-S.
Les zones de transfert de charge ZTC sont destinées à recevoir des charges générées dans la région semiconductrice photosensible PH-S par des rayons lumineux. Les zones de transfert de charges ZTC peuvent être perturbées par d’éventuels rayons lumineux les traversant, et des charges parasites peuvent être générées altérant alors l’information contenue dans la zone, on parle alors usuellement de « Parasitic Light Signal » en anglais.
A cet égard, le réseau périodique de plots RP-S est prévu sur la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S pour réfléchir une partie des rayons de lumière incident Ri provenant de la face arrière FAR, en direction de la région photosensible PH-S. Les rayons de lumière réfléchis Rr peuvent ainsi être détectés dans la région semiconductrice photosensible PH-S.
Le réseau périodique de plots saillants RP-S est un ensemble de plots identiques disposés selon un arrangement périodique sur la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S.
Les plots du réseau périodique sont formés dans un premier matériau, par exemple du silicium polycristallin. La couche diélectrique PMD-S recouvrant les plots du réseau périodique est formée dans un deuxième matériau, par exemple de l’oxyde de silicium.
Un contour CTR du réseau périodique RP-S est situé à une interface entre le premier matériau et le deuxième matériau et sur des portions de la face avant FAV non occupées par des plots.
Le réseau périodique RP-S de plot, en particulier le contour CTR du réseau, comprend des dimensions caractéristiques inférieures à la longueur d’onde d’intérêt et l’interface entre le premier matériau et le deuxième matériau présente une différence d’indice optique.
Une telle interface dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde d’intérêt est appelée « méta-surface ». Une méta-surface est bien connue de l’homme du métier, qui pourra néanmoins se référer, à toutes fins utiles, à la publication scientifique de Yu et al. «Light Propagation with Phase Discontinuities : Generalized Laws of Reflection and Refraction» - SCIENCE vol 334 21/10/2011, qui donne un exemple de définition d’une méta-surface.
L’interface est destinée à permettre une réflexion de lumière en exploitant des propriétés particulières de résonance permettant d’obtenir des interférences constructives parfaites en dessous du réseau périodique RP-S et des interférences destructives parfaites au-dessus du réseau périodique.
Les plots sont disposés selon un arrangement comprenant une maille élémentaire polygonale répétée avec une période P (figures 2 et 3). En particulier, la période fixe P de répétition des mailles dans le réseau correspond à un espacement entre deux coins analogues de deux mailles jointives.
Une maille élémentaire du réseau périodique RP-S comprend un même motif périodique comprenant un ou plusieurs plots situés chacun aux coins du polygone.
Par exemple, les plots peuvent être disposés selon un quadrillage de mailles carrées ou rectangulaires, ou encore selon un arrangement de mailles hexagonales formant un maillage du type « nid d’abeilles ».
Dans la suite, l’arrangement périodique décrit est un quadrillage, cet exemple n’étant pas limitatif.
La période P de répétition des mailles élémentaires appartient aux dimensions caractéristiques du réseau périodique RP-S. De même, le motif périodique comprend des dimensions appartenant aux dimensions caractéristiques du réseau périodique RP-S. Dans un cas où les plots sont par exemple des cylindres, les dimensions caractéristiques du réseau périodique comprennent le diamètre et la hauteur des cylindres. Bien entendu, les plots peuvent être d’une forme différente, par exemple hémisphérique ou parallélépipèdique.
De plus, la différence d’indice optique entre le premier et le deuxième matériau ainsi que les dimensions caractéristiques du réseau sont configurés pour entrainer un déphasage spécifique du rayon incident Ri de façon à obtenir une réflexion de lumière Rr en direction de la face arrière FAR.
De façon sommaire, les matériaux choisis et le motif périodique du contour du réseau RP-S sont configurées pour produire une interférence lumineuse constructive en-dessous de la face avant de la région semiconductrice photosensible et une interférence lumineuse destructive au-dessus de la face avant de la région semiconductrice photosensible, sur des rayons de lumière incident Ri à la longueur d’onde d’intérêt afin d’engendrer la réflexion Rr.
La figure 2 illustre une vue de dessus de la première zone Z1 du dispositif DIS de la figure 1. Un plan de coupe F1 permet de situer la vue en coupe représentée dans la figure 1 par rapport à la vue illustrée dans la figure 2.
La face avant FAV de la région semiconductrice photosensible occupe une surface par exemple de forme rectangulaire.
Le réseau périodique de plots RP-S comporte dans cet exemple un quadrillage de forme rectangulaire comprenant six plots disposés sur la face avant FAV. Bien entendu, le quadrillage peut prendre une forme quelconque pour s’adapter à la surface occupée par la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible.
Le quadrillage de six plots comprend deux plots dans la largeur et trois plots dans la longueur. De même, le quadrillage peut comprendre un nombre quelconque de plots pour s’adapter à des dimensions de la surface occupée par la face avant FAV.
Le quadrillage comprend dans ce mode de réalisation un espacement fixe entre les plots P, définissant une période du motif périodique. En alternative, l’espacement entre les plots peut être différent selon les directions du quadrillage.
La face avant FAV de la région semiconductrice photosensible est encadrée par des tranchées d’isolations profondes DTI, définissant des parois de zones de transfert de charges ZTC. Les zones de transfert de charges ZTC sont isolées notamment de la région semiconductrice photosensible par les tranchées d’isolation profondes DTI et permettent de stocker provisoirement les charges photo-générées dans la région photosensible lors d’une lecture succédant à une acquisition d’image.
Des régions de grille G1, G2, G3, G4, G5, G6, de transistors sont disposées par exemple dans un même plan que le réseau périodique de plots RP-S. Les régions de grilles G3, G4, G5, G6, appartiennent par exemple à des transistors permettant des transferts de charges entre la région semiconductrice photosensible PH-S, les zones de transfert de charges ZTC et des voies de lectures.
La figure 3 illustre un réseau périodique RP-S comprenant des plots saillants disposés sur une face avant FAV d’une région semiconductrice photosensible PH-S. Une couche diélectrique PMD-S recouvre le réseau périodique RP-S de plots saillants et des portions de la face avant FAV.
Les plots saillants du réseau périodique RP-S sont des cylindres saillants déposés sur la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S. Les cylindres saillants comprennent un diamètre D et une hauteur H, le réseau périodique de cylindres saillants est disposé selon un quadrillage comportant un espacement fixe P entre l’axe de révolution de chaque cylindre.
Ainsi, le réseau périodique RP-S comporte un contour CTR épousant des formes cylindriques saillantes par rapport à face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S.
Les cylindres saillants sont formés dans un premier matériau, par exemple du silicium polycristallin, et la couche diélectrique PMD-S est formée dans un deuxième matériau, par exemple de l’oxyde de silicium.
Les cylindres saillants peuvent avantageusement être fabriqués en même temps que certaines au moins des régions de grilles G1-G6 et comporter en conséquence des couches de matériaux de même nature et de même épaisseur, c’est-à-dire de même composition chimique et de même caractéristiques cristallographiques, que les régions de grille de transistors, G1, G2, G3, G4, G5, G6.
La figure 4 illustre une alternative du réseau périodique RP-G de plots, dans laquelle les plots sont logés dans des tranchées pénétrant dans une région semiconductrice photosensible PH-G.
La région semiconductrice photosensible PH-S comprend des tranchées gravées en forme de cylindres pénétrant dans la face avant FAV. Les tranchées en forme de cylindres comprennent une profondeur, analogue à une hauteur H, et un diamètre D.
Une couche diélectrique PMD-G remplit les tranchées de sorte à former les plots du réseau périodique épousant les formes de cylindres gravés des tranchées. Les tranchées en forme de cylindres sont disposées selon un quadrillage comportant un espacement fixe P entre l’axe de révolution de chaque cylindre gravé.
Ainsi, le réseau périodique de plots RP-G présente un contour CTR épousant des formes cylindriques gravées dans la région semiconductrice photosensible PH-G.
Les plots logés dans la région semiconductrice sont formés dans un premier matériau, par exemple de l’oxyde de silicium et la région semiconductrice photosensible PH-G est formée dans un deuxième matériau, par exemple le matériau semiconducteur de la région photosensible PH-G.
Les plots en oxyde de silicium logés dans les tranchées peuvent être obtenues par un procédé similaire à une formation de de tranchées d’isolation peu profondes.
Là encore, la différence d’indice optique entre le premier et le deuxième matériau, ainsi que les dimensions caractéristiques du réseau, sont configurées pour entrainer un déphasage spécifique du rayon incident Ri de façon à obtenir une réflexion de lumière Rr en direction de la face arrière FAR.
La figure 5 illustre un graphique présentant des résultats d’une simulation de la réflexion de la lumière sur un réseau périodique de plots RP-S cylindriques appartenant à un dispositif analogue au dispositif décrit en référence avec les figures 1, 2 et 3.
Le graphique est tracé pour un signal incident de lumière paramétré à la longueur d’onde de 940 nanomètres (i.e. la longueur d’onde d’intérêt), et pour une hauteur H constante de 200 nanomètres des plots cylindriques.
Le graphique représente un taux de réflexion Rr/Ri en fonction de la période P du réseau, en abscisse, et en fonction du diamètre D des plots cylindriques, en ordonnée. Le taux de réflexion Rr/Ri correspond à la quantité de rayons réfléchis Rr sur la quantité de rayons incidents Ri.
Le graphique présente des maximums de réflexion Rr/Ri atteignant 90% pour des diamètres D compris entre 250 et 350 nanomètres et des périodes P comprises entre 580 et 620 nanomètres.
Ainsi, on pourra avantageusement paramétrer les dimensions caractéristiques du motif périodique en se plaçant dans ces intervalles, et former par exemples des plots cylindriques ayant un diamètre D de 300 nanomètres, une hauteur de 200 nanomètres arrangés dans un quadrillage régulier ayant une période P de 600 nanomètres.
La figure 6 illustre des étapes d’un procédé de fabrication d’un réseau périodique RP-S de plots saillants sur une face avant FAV d’une région semiconductrice photosensible PH-S.
Une première étape S16 comprend une formation d’une couche d’un premier matériau MAT1 sur la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S. Le premier matériau MAT1 peut par exemple être du silicium polycristallin ou du nitrure de silicium.
Avantageusement, dans le cas où le premier matériau MAT1 est du silicium polycristallin, l’étape S16 peut être réalisée simultanément avec une formation de grilles de transistors G1, G2, G3, G4, G5, G6.
Ensuite, une deuxième étape S26 comprend une gravure dans la couche du premier matériau MAT1, par exemple via un procédé de lithographie classique comprenant une utilisation d’un masque, de sorte à former des plots saillants par rapport à la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S.
Avantageusement, l’étape S26 peut être réalisée simultanément avec une gravure de grilles de transistors G1, G2, G3, G4, G5, G6, dans la couche de silicium polycristallin formée à l’étape S16.
Une troisième étape S36 comprend ensuite de recouvrir le réseau périodique de plots saillants par une couche du deuxième matériau MAT2 PMD-S. Le deuxième matériau MAT2 est par exemple de l’oxyde de silicium ou du nitrure de silicium (dans le cas où le premier matériau n’est pas en nitrure de silicium).
Avantageusement, la couche de deuxième matériau MAT2 est une couche diélectrique pré-métal, typiquement prévue entre la face avant FAV du substrat semiconducteur, et les niveaux d’interconnexion des circuits intégrés.
Ainsi, le procédé de fabrication du réseau périodique RP-S de plots saillants peut être intégralement cointégré à des étapes de fabrication prévues par ailleurs, et ainsi être gratuit (c’est-à-dire ne pas introduire de coût supplémentaire dans le contexte de la fabrication).
La figure 7 illustre des étapes d’un procédé de fabrication d’un réseau périodique RP-G de plots logés dans une face avant FAV d’une région semiconductrice photosensible PH-G.
Une première étape S17 comprend une gravure de tranchées pénétrant dans la région semiconductrice photosensible PH-G de sorte à former un contour CTR du réseau périodique.
Ensuite, une deuxième étape S27 comprend un remplissage les tranchées par une couche diélectrique PMD-G comprenant un premier matériau MAT1, de sorte à loger les plots dans région semiconductrice photosensible PH-G, et de sorte à former la couche d’isolation diélectrique du type « PMD ».
Avantageusement, les étapes S17 et S27 peuvent être réalisées simultanément à un procédé de formation de tranchées d’isolation peu profondes (usuellement désignées par l’acronyme « STI » du terme anglais « Shallow Trench Isolation »).
Dans ce mode de mise en œuvre, le deuxième matériau MAT2 est le matériau semiconducteur de la région photosensible PH-G, et forme une interface avec le premier matériau MAT1 de la couche d’isolation du type « PMD », par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium. Les plots font alors partie intégrante de la couche d’isolation diélectrique du type « PMD ».
La figure 8 illustre des étapes d’un procédé de fabrication alternatif au procédé présenté en référence la figure 6, permettant d’obtenir un réseau périodique RP-G de plots saillants sur une face avant FAV d’une région semiconductrice photosensible PH-S.
Une première étape S18 comprend une formation d’une couche initiale dans un deuxième matériau MAT2 sur la face avant FAV de la région semiconductrice photosensible PH-S. Le deuxième matériau MAT2 peut par exemple être de l’oxyde de silicium ou du nitrure de silicium.
Une deuxième étape S28 comprend une gravure, par exemple via un procédé de lithographie classique comprenant l’utilisation d’un masque, des tranchées pénétrant la couche initiale du deuxième matériau MAT2 de sorte à former un contour CTR du réseau périodique dans la couche.
Une troisième étape S38 comprend un remplissage les tranchées de la couche initiale du deuxième matériau MAT2, gravées à l’étape S28, de sorte à former un réseau périodique de plots dans le premier matériau MAT1 logés dans les tranchées gravées.
Une quatrième étape S48 comprend un recouvrement le réseau périodique RP-S et la couche initiale dans le deuxième matériau MAT2 par une nouvelle couche du deuxième matériau MAT2.
Les étapes S18-S48 décrites en relation avec la figure 8 peuvent elles aussi s’inscrire dans des étapes de fabrication déjà prévues dans un contexte de fabrication industrielle donné, et par conséquent bénéficier d’un coût réduit, voir nul, pour leurs exécutions.
Claims (18)
- Dispositif électronique comprenant :
-une région semiconductrice photosensible (PH-S, PH-G) configurée pour être illuminée par une face arrière (FAR), comprenant une face avant (FAV) opposée à la face arrière,
-un réseau périodique (RP-S, RP-G) de plots, comprenant un premier matériau, formé sur la face avant, ayant un contour (CTR) présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques (P, H, D), ledit contour formant une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du premier matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques (P, H, D) du motif périodique sont inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et sont configurées pour produire une réflexion de lumière (Ri, Rr) sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les plots sont saillants par rapport à la face avant (FAV) de la région semiconductrice photosensible (PH-S), et le deuxième matériau appartient à une couche diélectrique (PMD-S) recouvrant les plots saillants et la face avant.
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les plots sont logés dans des tranchées pénétrant dans la région semiconductrice photosensible (PH-G), les plots sont inclus dans une couche diélectrique (PMD-G) remplissant les tranchées et recouvrant la face avant (FAV) de la région semiconductrice photosensible, et le deuxième matériau appartient à la région semiconductrice photosensible.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque plot a une forme de cylindre comportant un diamètre (D) et une hauteur (H), les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réseau périodique de plots est disposé selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe (P), les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la région semiconductrice photosensible (PH-S, PH-G) est configurée pour détecter spécifiquement de la lumière à des longueurs d’onde centrées sur la longueur d’onde d’intérêt.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier matériau et le deuxième matériau sont choisis parmi les matériaux suivants : du silicium polycristallin, de l’oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du silicium monocristallin,
de façon à présenter une différence d’indice optique réglée en fonction des dimensions caractéristiques (P, H, D) du réseau périodique, afin de produire la réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt sur l’interface. - Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, prise en combinaison avec la revendication 2, comprenant des transistors ayant des régions de grille (G1, G2, G3, G4, G5, G6) en silicium polycristallin, dans lequel le premier matériau à la même nature et la même épaisseur que les régions de grille des transistors.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, prise en combinaison avec la revendication 3, comprenant des tranchées d’isolation peu profondes, dans lequel les tranchées pénétrant dans la région semiconductrice photosensible et logeant les plots ont la même nature et la même profondeur que lesdites tranchées d’isolation peu profondes.
- Procédé de fabrication d’un dispositif électronique comprenant :
-une formation d’une région semiconductrice photosensible (PH-S, PH-G) configurée pour être illuminée par une face arrière (FAR), comprenant une face avant opposée à la face arrière (FAV),
-une formation d’un réseau périodique (RP-S, RP-G) de plots dans un premier matériau, sur la face avant, de sorte qu’un contour (CTR) du réseau périodique présente un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques (P, H, D) de façon à former une interface entre le premier matériau et un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant un indice optique différent de l’indice optique du premier matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques du motif périodique sont formées à des dimensions inférieures à une longueur d’onde d’intérêt et configurées pour produire une réflexion de lumière (Ri, Rr) sur l’interface, à la longueur d’onde d’intérêt, vers la région semiconductrice photosensible. - Procédé selon la revendication 10, dans lequel la formation du réseau périodique de plots comprend :
-une formation d’une couche du premier matériau sur la face avant (FAV) de la région semiconductrice photosensible,
-une gravure dans la couche du premier matériau, de sorte à former des plots saillants par rapport à la face avant de la région semiconductrice photosensible (PH-S), et
-une formation d’une couche diélectrique (PMD-S) comprenant le deuxième matériau et recouvrant les plots saillants. - Procédé selon la revendication 10, dans lequel la formation du réseau périodique de plots comprend :
-une gravure de tranchées pénétrant la région semiconductrice photosensible (PH-G) comprenant le deuxième matériau, de sorte à former le contour (CTR) du réseau périodique, et
-un remplissage desdites tranchées par une couche diélectrique (PMD-G) comprenant le premier matériau, de sorte à loger les plots dans les tranchées. - Procédé selon l’une des revendications 10 à 12, dans lequel chaque plot du réseau périodique (RP-S, RP-G) et formé de façon à avoir une forme de cylindre comportant un diamètre (D) et une hauteur (H), les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
- Procédé selon l’une des revendication 10 à 13, dans lequel le réseau périodique (RP-S, RP-G) est formé de sorte que les plots soient disposés selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe (P), les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 14, dans lequel la région semiconductrice photosensible (PH-S) est configurée spécifiquement pour détecter de la lumière à des longueurs d’onde centrées sur la longueur d’onde d’intérêt.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 15, dans lequel le premier matériau et le deuxième matériau sont choisis parmi les matériaux suivants : du silicium polycristallin, de l’oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du silicium monocristallin,
de façon à présenter une différence d’indice optique réglée en fonction des dimensions caractéristiques (P, H, D) du réseau périodique, afin de produire la réflexion de lumière à la longueur d’onde d’intérêt sur l’interface. - Procédé selon l’une des revendications 10 à 16, prise en combinaison avec la revendication 11, comprenant en outre une formation de régions de grille (G1, G2, G3, G4, G5, G6) de transistors comportant :
-une formation d’une couche de silicium polycristallin,
-une gravure des régions de grille de transistors dans la couche de silicium polycristallin,
et dans lequel la formation de la couche du premier matériau est réalisée simultanément avec la formation de la couche de silicium polycristallin, et la gravure dans la couche du premier matériau est réalisée simultanément avec la gravure des régions de grille de transistors dans la couche de silicium polycristallin. - Procédé selon l’une des revendications 10 à 16, prise en combinaison avec la revendication 12, comprenant en outre une formation de tranchées d’isolation peu profondes, dans lequel :
-la gravure de tranchées pénétrant la région semiconductrice photosensible est réalisée simultanément avec une gravure des tranchées d’isolation peu profondes,
-le remplissage des tranchées par une couche diélectrique est réalisée simultanément avec un remplissage des tranchées d’isolation peu profondes.
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