FR3117268A1 - Pixel d'un capteur de lumière et son procédé de fabrication - Google Patents

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Abstract

Pixel d'un capteur de lumière et son procédé de fabrication La présente description concerne un pixel (2) et un procédé de fabrication d'un tel pixel (2), le procédé comprenant les étapes successives suivantes : déposer une première couche d'électrode (118) sur une face exposée d'une structure d'interconnexion (102) et en contact avec un élément conducteur (104) de la structure ; déposer une couche isolante (200) ; graver une ouverture (300) traversant la couche isolante (200) jusqu'à la première couche d'électrode (118) ; déposer une deuxième couche d'électrode (400) sur et en contact avec la première couche d'électrode (118) et la couche isolante (200) ; retirer par gravure une partie de la deuxième couche d'électrode (400) reposant sur la couche isolante (200) ; et déposer un film (500) configuré pour convertir des photons en paires électron-trou. Figure pour l'abrégé : Fig. 7

Description

Pixel d'un capteur de lumière et son procédé de fabrication
La présente description concerne de façon générale les capteurs de lumière, par exemple les capteurs d'image, et plus particulièrement un pixel d'un capteur de lumière et un procédé de fabrication d'un tel pixel.
On connaît des capteurs de lumière comprenant un circuit intégré en technologie CMOS (Métal Oxyde Semiconducteur Complémentaire – "Complementary Metal Oxide Semiconductor"), une structure d'interconnexion reposant sur le circuit intégré, et un film photosensible reposant sur la structure d'interconnexion. Le film photosensible fait partie d'un empilement disposé au-dessus du circuit intégré ("ABove Integrated Circuit"), c’est-à-dire d'un empilement de type ABIC. Le film est configuré pour mettre en œuvre, à la longueur d'onde de fonctionnement du capteur, la conversion de photons incidents en paires électron-trou. Dans de tels capteurs, chaque pixel du capteur comprend généralement une portion du film photosensible.
Il existe un besoin de pallier tout ou partie des inconvénients des capteurs de lumière connus, en particulier des capteurs de lumière connus du type décrit ci-dessus.
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs de lumière connus, en particulier des capteurs de lumière connus du type décrit ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un pixel comprenant les étapes successives suivantes :
déposer une première couche d'électrode sur une face exposée d'une structure d'interconnexion d'un circuit intégré, et en contact avec un élément conducteur de la structure qui affleure ladite face exposée ;
déposer une couche isolante ;
graver une ouverture traversant la couche isolante jusqu'à la première couche d'électrode ;
déposer une deuxième couche d'électrode sur et en contact avec la première couche d'électrode et la couche isolante ;
retirer par gravure une partie de la deuxième couche d'électrode reposant sur la couche isolante ; et
déposer un film configuré pour convertir des photons en paires électron-trou lorsqu'un rayonnement à une longueur d'onde de fonctionnement du pixel atteint le pixel.
Selon un mode de réalisation, avant le dépôt de la couche isolante, le procédé comprend une gravure jusqu'à ladite face en laissant en place une partie de la première couche recouvrant entièrement l'élément conducteur.
Selon un mode de réalisation, une partie de la première couche d'électrode exposée par la gravure de l'ouverture et les parois latérales de l'ouverture sont entièrement recouvertes par la deuxième couche d'électrode.
Selon un mode de réalisation, le film est déposé de manière qu'une face exposée du film soit plane.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape suivante de formation d'une électrode sur ledit film, ladite électrode étant en un ou plusieurs matériaux transparents à ladite longueur d'onde.
Un mode de réalisation prévoit un pixel comprenant :
une première couche d'électrode reposant sur et en contact avec une face d'une structure d'interconnexion d'un circuit intégré du pixel et recouvrant un élément conducteur de ladite structure qui affleure ladite face ;
une couche isolante comprenant une ouverture traversante jusqu'à la première couche d'électrode ;
une deuxième couche d'électrode reposant sur et en contact avec la première couche d'électrode au fond de l'ouverture et sur et en contact avec les parois latérales de ladite ouverture ; et
un film configuré pour convertir des photons en paires électron-trou lorsqu'un rayonnement à une longueur d'onde de fonctionnement du pixel atteint le pixel, ledit film remplissant l'ouverture et recouvrant la deuxième couche d'électrode et la couche isolante.
Selon un mode de réalisation, le pixel est obtenu par une mise en œuvre du procédé décrit.
Selon un mode de réalisation, ledit film comprend des boîtes quantiques colloïdales.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche isolante moins l'épaisseur de la première couche d'électrode est égale à la moitié de ladite longueur d'onde dans le matériau du film.
Selon un mode de réalisation, la longueur d'onde du rayonnement est comprise entre 750 nm et 3000 nm, par exemple égale à 940 nm.
Selon un mode de réalisation, la première couche d'électrode comprend une couche barrière de diffusion sur et en contact avec l'élément conducteur.
Selon un mode de réalisation, la deuxième couche d'électrode comprend une couche d'extraction de charges configurée pour être en contact avec ledit film.
Selon un mode de réalisation :
la deuxième couche d'électrode est moins épaisse, par exemple dix fois moins épaisse, que la couche isolante ; et/ou
le film est plus épais, par exemple au moins deux fois plus épais, que la couche isolante
Selon un mode de réalisation, le pixel comprend en outre une électrode reposant sur le film, l'électrode étant en un matériau transparent à la longueur d'onde du rayonnement.
Un mode de réalisation prévoit un capteur de lumière comprenant au moins un pixel tel que décrit.
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 représente, par une vue en coupe schématique, un exemple d'un pixel d'un capteur de lumière ;
la illustre, par une vue en coupe schématique, une étape d'un mode de mise en œuvre d'un procédé de fabrication d'un pixel d'un capteur d'image ;
la illustre, par une vue en coupe schématique, une autre étape du procédé de fabrication du pixel ;
la illustre, par une vue en coupe schématique, encore une autre étape du procédé de fabrication du pixel ;
la illustre, par une vue en coupe schématique, encore une autre étape du procédé de fabrication du pixel ;
la illustre, par une vue en coupe schématique, encore une autre étape du procédé de fabrication du pixel ; et
la illustre, par une vue en coupe schématique, encore une autre étape du procédé de fabrication du pixel.
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 intégrés CMOS usuels des capteurs de lumière, notamment les circuits intégrés CMOS de lecture de pixels, n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation, modes de mise en œuvre et variantes décrits étant compatibles avec les circuits intégrés CMOS usuels des capteurs de lumière.
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 suite de la description, on appelle longueur d'onde de fonctionnent d'un capteur de lumière ou d'un pixel du capteur de lumière, une longueur d'onde d'un rayonnement lumineux, ou rayonnement électromagnétique, reçu par le capteur ou le pixel pour lequel le capteur ou le pixel met en œuvre une conversion des photons reçus en paires électron-trou. Un capteur de lumière ou un pixel d'un tel capteur peut avoir plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement, par exemple comprises dans une plage de longueurs d'onde de fonctionnement.
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 figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La représente, par une vue en coupe schématique, un exemple d'un pixel 1 d'un capteur de lumière, étant entendu que, en pratique, le capteur peut comporter plusieurs pixels 1 identiques, par exemple plusieurs centaines ou plusieurs milliers de pixels 1.
Le capteur comprend une couche semiconductrice 100, par exemple un substrat semiconducteur ou une couche d'une structure semiconducteur sur isolant, ou structure SOI ("Semiconductor On Insulator"). La couche 100 est par exemple une couche de silicium.
Divers composants en technologie CMOS sont formés dans et/ou sur la couche 100. Dit autrement, divers composants CMOS sont formés à partir de la couche 100. En , un seul de ces composants est représenté, dans cet exemple un transistor T dont seule l'électrode de grille G, aussi appelée empilement de grille ou grille, est représentée en .
La couche 100 et les composants CMOS formés dans et/ou sur cette couche 100 forment un circuit intégré en technologie CMOS du capteur, ou circuit intégré CMOS. A titre d'exemple, le circuit intégré CMOS comprend des circuits de lecture des pixels du capteur.
Le capteur comprend une structure d'interconnexion 102. La structure d'interconnexion 102 recouvre le circuit intégré CMOS du capteur, ou, dit autrement, recouvre la couche 100 et les composants CMOS formés dans et/ou sur cette couche 100. La face supérieure 110 de la structure d'interconnexion 102 est plane.
La structure d'interconnexion 102 comprend des portions de couches électriquement conductrices 104, par exemple des portions de couches métalliques, noyées dans des couches électriquement isolantes. Dit autrement, ces portions de couches conductrices 104 sont séparées les unes des autres par ces couches isolantes. En , les couches isolantes de la structure d'interconnexion 102 sont représentées par une unique couche isolante 106.
La structure d'interconnexion 102 comprend des vias électriquement conducteurs 108, par exemple des vias métalliques, reliant électriquement les portions de couches conductrices 104 entre elles et/ou à des composants CMOS du circuit intégré du capteur.
Les vias conducteurs 108 et les portions de couches conductrices 104 constituent des éléments électriquement conducteurs de la structure d'interconnexion 102.
En plus de la structure d'interconnexion 102 et du circuit intégré CMOS qu'elle recouvre, le pixel 1 comprend un élément électriquement conducteur 108 ou 104 de la structure d'interconnexion 102 qui affleure au niveau de la face supérieure 110 de la structure d'interconnexion 102, c’est-à-dire au niveau de la face supérieure de la couche isolante 106.
De préférence, comme cela est représenté en , cet élément conducteur est une portion de couche conductrice 104. De préférence, cet élément conducteur est électriquement relié à un circuit de lecture du pixel 1 comprenant des composants CMOS tels que le transistor T, par l'intermédiaire d'autres éléments conducteurs 104, 108 de la structure d'interconnexion 102. Par exemple, l'élément conducteur 104 affleurant la face 110 est électriquement relié à une zone dopée 105 formée dans la couche 100 et constituant une zone de stockage de charges photogénérées.
Le pixel 1 comprend une électrode 112. Une partie centrale de l'électrode 112 repose sur et en contact avec l'élément conducteur 104 affleurant la face 110. L'électrode 112 constitue une électrode inférieure du pixel 1.
Un film photosensible 114 repose sur la structure d'interconnexion 102. Le film 114 recouvre la structure d'interconnexion 102 et l'électrode 112 du pixel 1. Plus particulièrement, le film 114 repose sur et en contact avec toute l'électrode 112 et sur et en contact avec toutes les portions de la face 110 non revêtues de l'électrode 112.
Le film 114 a une face supérieure 116 plane. Entre la face 110 et la face 116, le film 114 a une épaisseur H.
Le pixel 1 comprend également une électrode supérieure 117 reposant sur la face 116 du film 114.
En fonctionnement, lorsque de la lumière à la longueur d'onde de fonctionnement du capteur est reçue par le pixel 1, des paires électron-trou sont photogénérées dans le film 114. Les trous ou les électrons photogénérés sont ensuite collectés par l'électrode 112 pour être transmis au circuit intégré CMOS de lecture du pixel 1. Le circuit de lecture du pixel fournit alors une information représentative de la quantité de lumière à la longueur d'onde de fonctionnement du pixel 1 qui est reçue par ce pixel 1.
L'efficacité quantique QE ("Quantum Efficiency") du pixel 1 correspond au rapport entre le nombre de trous ou d'électrons photogénérés collectés par le pixel 1 et le nombre de photons reçus par le pixel 1 à une longueur d'onde de fonctionnement du pixel 1. Pour augmenter l'efficacité quantique du pixel 1, il serait souhaitable d'augmenter l'épaisseur H du film 114.
Toutefois, l'augmentation de l'épaisseur H du film 114 pose divers problèmes. En effet, une augmentation de l'épaisseur du film 114 entraîne une augmentation du risque de délamination du film 114 et/ou une augmentation du risque que des fissures se forment à travers tout ou partie de l'épaisseur du film 114. En outre, une augmentation de l'épaisseur du film 114 entraîne une augmentation du nombre d'étapes de formation du film 114, par exemple car le film 114 est alors formé par au moins deux dépôts successifs, d'où il résulte une augmentation du coût de fabrication du pixel 1, et plus généralement d'un capteur de lumière comprenant un ou plusieurs pixels 1.
Il est ici proposé d'augmenter localement l'épaisseur du film photosensible d'un pixel du type du pixel 1, au-dessus de l'électrode inférieure du pixel, en conservant la face supérieure du film photosensible plane, et en conservant, au-delà de l'électrode inférieure, une épaisseur du film photosensible pour laquelle le risque de délamination ou de fissure est nul ou presque, cette épaisseur dépendant du type (nombre de couche, matériaux, etc.) du film photosensible mis en œuvre.
Les figures 2 à 7 illustrent des étapes successives d'un mode de mise en œuvre d'un procédé de fabrication d'un pixel d'un capteur de lumière, conduisant à l'obtention d'un film photosensible localement plus épais au-dessus de l'électrode inférieure du pixel. Le pixel fabriqué par ce procédé comprend un circuit intégré CMOS similaire ou identique à celui du pixel 1, et une structure d'interconnexion 102 similaire ou identique à celle du pixel 1, la structure d'interconnexion 102 reposant sur le circuit intégré CMOS.
La est une vue en coupe schématique illustrant une étape du procédé de fabrication.
En , seule une portion de la structure d'interconnexion 102 est représentée. La portion représentée de la structure d'interconnexion 102 comprend un élément électriquement conducteur 104 ou 108 affleurant au niveau de la face supérieure 110 de la structure d'interconnexion 102. Dit autrement, la face supérieure de l'élément conducteur 104 fait partie de la face supérieure 110 de la structure d'interconnexion 102.
De préférence, comme cela est représenté en , l'élément conducteur affleurant la face 110 est une portion de couche conductrice 104 de la structure d'interconnexion 102. De préférence, l'élément conducteur 104 est électriquement relié à un circuit intégré CMOS (non représenté) sur lequel repose la structure d'interconnexion 102, par exemple à un circuit de lecture du pixel.
A titre d'exemple, l'élément conducteur 104 est en un métal tel que du cuivre ou de l'aluminium, ou en un alliage métallique tel qu'un alliage aluminium/cuivre.
A l'étape de la , une première couche d'électrode 118 a été déposée sur la face 110 de la structure d'interconnexion 102, étant entendu que, avant le dépôt de la couche 118, la face 110 était une face exposée de la structure d'interconnexion 102. La couche 118 est une couche électriquement conductrice.
La couche 118 est plus particulièrement déposée en contact avec la face 110. Par exemple, une face inférieure de la couche 118 est en contact avec la face 110. La couche d'électrode 118 est donc déposée sur et en contact avec l'élément conducteur 104. La couche 118 recouvre entièrement la face supérieure de l'élément conducteur 104.
De préférence, la couche 118 est déposée sur toute la face 110 de la structure d'interconnexion, ou, dit autrement, est déposée pleine plaque.
La couche 118 est par exemple déposée par dépôt chimique en phase vapeur ("Chemical Vapor Deposition") ou CVD, ou par dépôt de couche atomique ("Atomic Layer Deposition") ou ALD, ou par dépôt physique en phase vapeur ("Physical Vapor Deposition") ou PVD.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche 118 correspond au dépôt d'une unique couche d'un matériau conducteur. De préférence, ce matériau est un matériau barrière de diffusion pour le métal, notamment pour le métal de l'élément conducteur 104. La couche 118 constitue alors une couche barrière de diffusion. Dit autrement, la couche 118 comprend une couche barrière de diffusion sur et en contact avec la face 110. Ainsi, la couche 118 comprend une couche barrière de diffusion sur et en contact avec l'élément conducteur 104, cette couche barrière recouvrant entièrement la face supérieure de l'élément conducteur 104.
Selon un autre mode de réalisation, le dépôt de la couche 118 correspond à des dépôts successifs de couches électriquement conductrices, éventuellement en des matériaux différents. De préférence, la première couche déposée sur et en contact avec la face 110 pour former la couche 118 est en un matériau barrière de diffusion pour le métal, notamment pour le métal de l'élément conducteur 104. La couche 118 comprend alors une couche barrière de diffusion sur et en contact avec l'élément conducteur 104, cette couche barrière recouvrant entièrement la face supérieure de l'élément conducteur 104.
A titre d'exemple, la couche 118 comprend une couche de tantale et/ou une couche de nitrure de tantale et/ou une couche de nitrure de titane et/ou une couche de titane.
Lorsque la couche 118 comprend une couche barrière de diffusion reposant sur et en contact avec l'élément conducteur 104, la couche barrière de diffusion est en tantale, en nitrure de tantale et/ou en nitrure de titane et/ou en titane.
A titre d'exemple, l'épaisseur tA de la couche 118, par exemple mesurée orthogonalement à la face 110 et à partir de cette face 110, est comprise entre 10 nm et 100 nm, par exemple entre 40 nm et 70 nm, par exemple égale à 50 nm.
A l'étape de la , une gravure est effectuée jusqu'à la face 110 en laissant en place une partie de la couche 118 recouvrant entièrement l'élément conducteur 104. Dit autrement, des parties de la couche 118 ne recouvrant pas l'élément conducteur 104 sont retirées par gravure jusqu'à la face 110, en laissant en place une partie de cette couche 118 qui recouvre entièrement l'élément conducteur 104. La partie de la couche 118 laissée en place et recouvrant l'élément conducteur 104 peut débordée autour de l'élément conducteur 104 comme cela est représenté en .
A titre d'exemple, l'étape de gravure comprend le dépôt d'une ou plusieurs couches de masque de gravure, la définition d'un masque de gravure par photolithographie dans la ou les couches déposées, de sorte que le masque de gravure recouvre entièrement l'élément conducteur 104. Puis la gravure, par exemple une gravure sèche ou humide ou plasma, est effectuée, et le masque est ensuite retiré.
A titre d'exemple plus particulier, quand la couche 118 comprend couche barrière de diffusion en tantale et/ou en nitrure de tantale et/ou en nitrure de titane et/ou en titane, la gravure est une gravure plasma, telle que par exemple une gravure ionique réactive ("Reactive Ion Etching"), ou RIE.
A l'étape de la , une couche isolante 200 a été déposée sur la structure obtenue à l'issu de l'étape de la , du côté de la face 110. De préférence, la couche 200 est déposée pleine plaque. Dit autrement, la couche 200 est déposée sur et en contact avec la face 110 de la structure d'interconnexion 102, et sur et en contact avec la couche 118. La couche 200 recouvre entièrement la couche 118.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche 200 correspond au dépôt d'une unique couche d'un matériau électriquement isolant.
Selon un autre mode de réalisation, le dépôt de la couche 200 correspond à des dépôts successifs de couches en des matériaux électriquement isolants, éventuellement différents entre les couches.
A titre d'exemple, la couche 200 est en nitrure de silicium (par exemple SiN ou Si3N4) ou correspond à un empilement d'une couche de nitrure de silicium reposant sur et en contact avec la face 110 et la couche 118, et d'une couche d'oxyde de silicium reposant sur et en contact avec la couche de nitrure de silicium.
A titre d'exemple, l'épaisseur h de la couche 200, par exemple mesurée orthogonalement et à partir de la face 110, est comprise entre 50 nm et 500 nm, par exemple entre 50 nm et 300 nm, par exemple égale à 200 nm.
A l'étape de la , une ouverture 300 est gravée à travers la couche 200, jusqu'à la couche 118. Dit autrement, la gravure de l'ouverture 300 est arrêtée sur la couche 118. Après la gravure de l'ouverture 300, une partie au moins de la couche 118 se retrouve exposée au fond de l'ouverture 300 (en bas de l'ouverture 300 en ).
L'ouverture 300 est gravée de manière à déboucher uniquement sur la couche 118, qui peut alors avantageusement servir de couche d'arrêt de gravure.
L'ouverture 300 est gravée en regard de l'élément conducteur 104, de sorte que la partie de la couche 118 exposée par la gravure de l'ouverture 300 corresponde à une partie de la couche 118 reposant sur et en contact avec l'élément conducteur 104.
A titre d'exemple, l'ouverture 300 a des dimensions latérales, par exemple un diamètre dans le cas où l'ouverture 300 a une forme circulaire en vue de dessus ou un côté dans le cas où l'ouverture 300 a une forme carrée en vue de dessus, qui sont inférieures ou égales à un tiers des dimensions latérales du pixel fabriqué. Les dimensions latérales du pixel et de l'ouverture 300 sont par exemple mesurées dans un plan parallèle à la face 110. Par exemple, dans un capteur de lumière où les pixels sont disposés de manière régulière avec un pas de l'ordre de 3 µm, c’est-à-dire que chaque pixel a des dimensions latérales de l'ordre de 3 µm, l'ouverture 300 de chaque pixel du capteur a des dimensions latérales inférieures ou égales à 1 µm.
A l'étape de la , une deuxième couche d'électrode 400 est déposée sur la structure obtenue à l'issue de l'étape décrite en relation avec la . Dit autrement, la couche d'électrode 400 est déposée sur et en contact avec, d'une part, la couche 118, et, plus exactement la partie de la couche 118 exposée au fond de l'ouverture 300, et, d'autre part, la couche isolante 200, notamment sur et en contact avec les parois latérales de l'ouverture 300.
De préférence, la couche 400 est déposée pleine plaque. La couche 400 est par exemple déposée par dépôt chimique en phase vapeur ("Chemical Vapor Deposition") ou CVD, ou par dépôt de couche atomique ("Atomic Layer Deposition") ou ALD, ou par dépôt physique en phase vapeur ("Physical Vapor Deposition") ou PVD.
L'épaisseur tB de la couche d'électrode 400 est inférieure à l'épaisseur h de la couche 200, de sorte que la couche 400 ne remplisse pas l'ouverture 300. A titre d'exemple, l'épaisseur tB de la couche 400 est dix fois plus petite que celle de la couche 200. A titre d'exemple, l'épaisseur tB de la couche 400 est comprise entre 5 et 100 nm.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche 400 correspond au dépôt d'une unique couche d'un matériau électriquement conducteur, par exemple un métal ou un alliage métallique ou un oxyde métallique conducteur.
Selon un autre mode de réalisation, le dépôt de la couche 400 correspond à des dépôts successifs de couches étant chacune en un matériau électriquement conducteur, par exemple un métal ou un alliage métallique ou un oxyde métallique conducteur, éventuellement différent entre ces couches déposées successivement.
Après le dépôt de la couche 400, des parties de la couche 400 reposant sur la couche 200 sont retirées par gravure. Plus exactement, des parties de la couche 400 reposant sur la face supérieure de la couche 200 sont retirées par gravure en laissant en place une partie de la couche 400 reposant sur la couche 118, sur les parois latérales de l'ouverture 300 et débordant sur la couche 200 autour de l'ouverture 300. La partie de la couche 400 laissée en place comprend alors une portion annulaire s'étendant latéralement à partir de l'ouverture 300, et reposant sur et en contact avec la face supérieure de la couche 200.
A titre d'exemple, l'étape de gravure comprend le dépôt d'une ou plusieurs couches de masque de gravure, la définition d'un masque de gravure par photolithographie de la ou des couches déposées, de sorte que le masque de gravure recouvre entièrement une partie de la couche 400 reposant sur la couche 118, sur les parois latérales de l'ouverture 300 et débordant sur la couche 200 autour de l'ouverture 300. Puis la gravure, par exemple une gravure plasma, est effectuée, et le masque est ensuite retiré.
A l'issue de l'étape de la , les couches 118 et 400, et plus exactement la partie de la couche 118 laissée en place à l'étape de la et la partie de la couche 400 laissée en place à l'étape 6, sont en contact l'une avec l'autre au fond de l'ouverture 300 et forment une électrode inférieure du pixel.
Selon un mode de réalisation, le ou les matériaux de la couche 400 sont choisis pour adapter le travail de sortie de cette électrode inférieure en fonction des charges (électrons ou trous) collectées par cette électrode. Cela permet d'améliorer l'extraction des charges photogénérées dans le film photosensible (non visible à cette étape) qui, à la fin du procédé, recouvre la couche 400. Plus particulièrement, la couche 400 comprend une couche, dite d'extraction de charges, en un matériau configuré pour adapter le travail de sortie de l'électrode inférieure, par exemple en oxyde de zinc (ZnO) ou en oxyde de zinc dopé en aluminium (AZO). La couche d'extraction de charge a, par exemple, une face confondue avec la face de la couche 118 opposée à la face de la couche 118 reposant sur l'élément conducteur 104.
A l'étape de la , un film photosensible 500 est déposé sur la structure obtenue à l'issue des étapes de la . Lorsque la couche 400 comprend une couche d'extraction de charges, le film 500 est déposé sur et en contact avec celle-ci.
Le film photosensible 500 est déposé pleine plaque, de manière à recouvrir la couche 400, et les parties exposées de la face supérieure de la couche 200.
Le procédé de dépôt du film 500 conduit à l'obtention d'un film 500 ayant une face supérieure, ou face exposée, 502 plane.
Le film 500 est déposé de sorte que son épaisseur H1, par exemple mesurée orthogonalement à la face supérieure de la structure d'interconnexion 102, de la face supérieure de la couche 200 jusqu'à la face supérieure 502 du film 500, soit inférieure ou égale à une épaisseur maximale au-delà de laquelle des délaminations et/ou des fissures peuvent se produire dans le film 500. Cette épaisseur maximale peut être déterminée par la personne du métier, par exemple à partir d'essais de routine, et dépend notamment du matériau du film 500 et/ou du procédé de dépôt du film 500 mis en oeuvre.
En outre, l'épaisseur H1 du film 500 est supérieure à l'épaisseur h de la couche 200, de sorte que le film 500 remplisse entièrement l'ouverture 300. De préférence, l'épaisseur H1 du film 500 est supérieure à au moins 2 fois l'épaisseur h de la couche 200. A titre d'exemple, l'épaisseur H1 du film 500 est comprise entre 200 nm et 1 µm, par exemple égale à environ 500 nm.
Selon le matériau du film 500, le dépôt pleine plaque du film 500 peut être réalisé, par exemple, par un dépôt par voie liquide, par un dépôt par pulvérisation cathodique, par un dépôt par évaporation, par un dépôt à la tournette ("spin coating"), par revêtement par pulvérisation ("spray coating"), par héliographie, par revêtement par filière ("slot-die coating"), par revêtement à la lame ("blade-coating"), par flexographie ou par sérigraphie. Un exemple de dépôt par pulvérisation est décrit dans l'article de Kramer et al., intitulé "Efficient Spray-Coated Colloidal Quantum Dot Solar Cells", Adv. Mater., 27: 116–121.
Selon l’épaisseur H1 visée et/ou la forme sous laquelle le matériau du film 500 est déposé, par exemple selon que le matériau soit déposé sous la forme d'une encre ("ink") ou d'une solution colloïdale stabilisée par des ligands intermédiaires, le dépôt du film 500 est mis en œuvre par une seule étape de dépôt, ou par plusieurs étapes de dépôt successives, chaque étape de dépôt pouvant être suivie d'une étape traitement chimique et/ou d'une étape de recuit ou de séchage.
A titre d'exemple, le matériau du film 500 est déposé sous la forme d'une encre, par exemple par plusieurs étapes successives de dépôt du matériau du film 500.
Chaque étape de dépôt du matériau du film 500 sous la forme d'encre conduit à l'obtention d'une couche du matériau du film 500 ayant une épaisseur comprise, par exemple, entre environ dix nanomètres et une ou plusieurs centaines de nanomètres, l'épaisseur dépendant, par exemple, de la concentration de l'encre déposée.
Chaque étape de dépôt du matériau du film 500 sous la forme d'encre est, par exemple, mise en œuvre à une température comprise entre 0°C et 50°C, de préférence entre 10°C et 25°C.
A titre d'exemple, aucun traitement chimique n'est mis en œuvre après chaque étape de dépôt du matériau du film 500 sous la forme d'encre.
A titre d'exemple, chaque étape de dépôt du matériau du film 500 sous la forme d'encre est suivie d'un recuit, par exemple à une température comprise entre 40°C et 150°C, par exemple à une température de 100°C. Ce recuit a, par exemple, une durée comprise entre une ou plusieurs dizaines de secondes et une ou plusieurs heures. Ce recuit est, par exemple, mis en œuvre sur une plaque chauffante ou dans un four. Ce recuit est, par exemple, mis en œuvre sous atmosphère ambiante, sous atmosphère contrôlée, ou sous vide.
A titre d'exemple, le matériau du film 500 est déposé sous la forme d'une solution colloïdale stabilisée par des ligands intermédiaires, par exemple par plusieurs étapes successives de dépôt de cette solution colloïdale stabilisée.
Chaque étape de dépôt d'une couche de solution colloïdale stabilisée par des ligands intermédiaires est, par exemple, mise en œuvre à une température comprise entre 0 et 50°C, par exemple à une température de 15, 25 ou 30°C.
Chaque étape de dépôt du matériau du film 500 sous la forme d'une solution colloïdale stabilisée par des ligands intermédiaires est, par exemple, suivie d'une ou plusieurs étapes de traitements chimiques pour modifier les propriétés du film de solution déposé, par exemple pour modifier les propriétés de conductivité du film pour les électrons et/ou les trous. Par exemple, chaque couche déposée de solution colloïdale stabilisée par des ligands intermédiaires est mise en contact avec des solutions chimiques qui interagissent avec la couche déposée, de manière à entraîner des échanges en phase solide des ligands intermédiaires présents autour de nanocristaux formant des boîtes quantiques, par des molécules permettant d'améliorer des propriétés du film 500. Ces molécules sont, par exemple, des chaînes de ligands plus courtes que celles des ligands intermédiaires, ce qui permet d'augmenter la conductivité du film 500, et/ou des molécules inorganiques, ce qui permet d’augmenter la résistance et/ou la stabilité du film 500 par rapport à son environnement (air, lumière). Ces échanges chimiques en phase solide sont, par exemple, mis en œuvre par plusieurs étapes successives de mise en contact d'une solution chimique avec la couche de solution colloïdale déposée, chaque solution chimique étant, par exemple, une solution comprenant des ligands ou des molécules inorganiques destinés à être échangés avec des ligands intermédiaires de la couche de solution colloïdale déposée.
A titre d'exemple, chaque solution chimique est mise en contact avec la couche de solution colloïdale déposée pendant une durée comprise entre une à dix secondes et une à dix minutes, par exemple pendant une durée de 90 s.
A titre d'exemple, des étapes de rinçage peuvent être prévues entre deux mises en contact successives d'une solution chimique avec la couche déposée.
A titre d'exemple, une ou plusieurs étapes de recuits intermédiaires (entre deux mises en contact successives d'une solution avec la couche déposée) et/ou une étape de recuit finale peuvent être prévues. Les températures des étapes de recuit sont par exemple comprises entre 40°C et 150°C. La durée de chaque étape de recuit est par exemple comprise entre environ 10 s et une ou plusieurs heures. Chaque étape de recuit est, par exemple, mise en œuvre sur plaque chauffante, par exemple, sous atmosphère ambiante, sous atmosphère contrôlée ou sous vide, ou dans un four, par exemple sous atmosphère contrôlée.
L’efficacité des échanges chimiques en phase solide limite l’épaisseur maximale de chaque couche de solution colloïdale stabilisée déposée, cette épaisseur maximale étant déterminée pour que l’ensemble du volume de la couche de solution colloïdale stabilisée déposée soit soumis à des échanges chimiques en phase solide avec les éléments chimiques d'intérêt des solutions chimiques mises en contact avec cette couche. A titre d'exemple, l'épaisseur de chaque couche de solution colloïdale stabilisée déposée est comprise entre quelques nanomètres, par exemple de 3 à 5 nm, et quelques centaines de nanomètres, par exemple de 300 à 500 nm. A titre d'exemple, l'épaisseur de chaque couche de solution colloïdale stabilisée déposée est égale à environ 50 nm.
Selon un mode de réalisation, le film 500 est un film de boîtes quantiques colloïdales ("colloidal quantum dot film"), ou, dit autrement, le film 500 comprend des boîtes quantiques colloïdales ("colloidal quantum dots").
Une électrode 504 est ensuite formée sur, et en contact avec, le film 500. Cette électrode 504, dite électrode supérieure du pixel, est formée par le dépôt d'une ou plusieurs couches conductrices dans laquelle ou lesquelles est définie l'électrode supérieure 504, par exemple par gravure. Chaque couche conductrice constitutive de l'électrode supérieure 504 est partiellement transparente à la ou aux longueurs d'onde de fonctionnement du pixel. A titre d'exemple, l'électrode supérieure est réalisé en oxyde d'indium-étain, ou ITO ("Indium Tin Oxide").
On obtient ainsi un pixel 2 comprenant une électrode inférieure constituée des couches d'électrode 118 et 400. Dans ce pixel 2, la couche 118 est en contact avec l'élément conducteur 104 et recouvre la face supérieure de celui-ci, et la couche 400 est intercalée entre la couche 118 et le film 500 avec lesquels la couche 400 est en contact.
A partir de la structure représentée en , des étapes non illustrées peuvent être mises en œuvre.
De manière classique, une ou plusieurs couches de passivation (non représentées en ) et/ou une ou plusieurs couches isolantes (non représentées en ) et/ou un ou plusieurs filtres de couleur (non représentés en ) et/ou une ou plusieurs lentilles ou microlentilles (non représentées en ) peuvent être formées au-dessus du film 500 et de l'électrode supérieure 504 du pixel.
Comme cela se voit en , dans le pixel 2, au-dessus de la portion de l'électrode inférieure qui repose sur l'élément conducteur 104, c’est-à-dire au-dessus de la portion de la couche 400 qui est en regard de l'élément conducteur 104, l'épaisseur totale du film 500 est égale à H1+h-tA-tB. Ainsi, si l'épaisseur H1 du film 500 est égale à l'épaisseur H du film 114 du pixel 1 décrit en relation avec la , le film 500 du pixel 2 est localement plus épais que le film 114, tout en conservant une face supérieure 502 plane. Cette surépaisseur du film 500, localisée au-dessus de l'électrode inférieure du pixel 2, conduit à une augmentation de l'efficacité quantique du pixel 2 par rapport au pixel 1.
En outre, le procédé décrit ci-dessus permet que la gravure de la couche 118 de l'électrode inférieure du pixel 2, telle que décrite à l'étape de la , soit différente de la gravure de la couche 400 de cette électrode inférieure, telle que décrite à l'étape de la . Cela permet, par exemple, d'utiliser une gravure moins agressive pour graver la couche 400 que celle utilisée pour graver la couche 118, en particulier quand les matériaux de la couche 118 sont plus difficiles à graver relativement aux matériaux de la couche 400 et/ou quand les matériaux de la couche 400 sont plus sensibles aux étapes de gravure que les matériaux de la couche 118. C'est notamment le cas quand la couche 118 comprend une couche barrière de diffusion et que le ou les matériaux de la couche 400 sont choisis pour obtenir un travail de sortie permettant d'optimiser l'efficacité quantique du pixel 2. En effet, les matériaux de la couche 118 nécessitent alors une gravure qui endommagerait les matériaux de la couche 400, c’est-à-dire une gravure inadaptée à la gravure de la couche 400, ce qui conduirait à diminuer l'efficacité quantique du pixel 2.
La prévision d'une couche 400, par exemple constituée ou comprenant du ZnO et/ou du AZO, pour optimiser le travail de sortie de l'électrode inférieure du pixel 2 permet de réduire la différence de potentiel appliquée entre l'électrode supérieure 504 et l'électrode inférieure 118, 400 lorsque le pixel 2 est en fonctionnement, par rapport à celle qui doit être appliquée entre les électrodes 112 et 117 du pixel 1 ( ) lorsque celui-ci est en fonctionnement. Au-delà de la diminution de la consommation qui en résulte, la diminution de la différence de potentiel appliquée au film 500 résulte en une meilleure tenue dans le temps du film 500, et donc en une meilleure fiabilité du pixel 2.
Selon un mode de réalisation, les dimensions de l'élément conducteur 104 du pixel 2 qui affleure la face 110 sont choisies en fonction des dimensions latérales de l'ouverture 300 gravée à l'étape de la . Par exemple, ces dimensions sont choisies de sorte que, à l'étape illustrée en relation avec la , en adaptant l'emplacement de l'ouverture 300 par rapport à l'emplacement de l'élément conducteur 104, toute l'ouverture 300 soit en regard de l'élément conducteur 104. Toutefois, en variante, lorsque l'élément conducteur 104 affleurant la face 110 a des dimensions latérales, par exemple mesurées dans un plan parallèle à la face 110, inférieures à celles de l'ouverture 300, les dimensions de la portion de la couche 118 laissée en place à l'étape de la sont fixées pour que l'ouverture 300 débouche uniquement sur la couche 118.
Par ailleurs, selon un mode de réalisation, à l'étape de la , l'ouverture 300 est gravée dans une partie centrale du pixel 2 vu de dessus. Ainsi, lorsque les rayonnements électromagnétiques reçus par le pixel 2 sont focalisés dans une partie centrale du film 500 vu de dessus, par exemple par une ou plusieurs lentilles ou microlentilles, ces rayonnements sont focalisés dans une portion du film 500 ayant une épaisseur totale égale à H1+h-tA-tB.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur h de la couche 200 et l'épaisseur tA de la couche 118 sont choisies de telle sorte que l'épaisseur h moins l'épaisseur tA soit égale à la moitié de la longueur d'onde, dans le film 500, d'un rayonnement incident du pixel 2. Ainsi, lorsque le pixel 2 reçoit des rayonnements électromagnétiques à cette longueur d'onde, cela permet d'obtenir des interférences constructives entre, d'une part, un rayonnement électromagnétique qui a traversé le film 500 et qui a été réfléchi sur la portion de la couche 400 disposée au fond de l'ouverture 300 et, d'autre part, un rayonnement électromagnétique qui a traversé le film 500 et qui a été réfléchi sur une portion de la couche 400 reposant sur la surface supérieure de la couche 200.
Selon un mode de réalisation, une ou plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement du pixel 2 sont comprises dans le proche infra-rouge et sont par exemple comprises entre 750 nm et 3000 nm. Par exemple, le pixel 2 a une longueur d'onde de fonctionnement égale à 940 nm. La personne du métier est en mesure d'adapter les épaisseurs tA, tB, H1 et/ou h, et/ou le ou les matériaux du film 500, de la couche 118 et/ou de la couche 400 à la ou aux longueurs d'onde de fonctionnement du pixel 2. Par exemple, dans le cas où le film 500 comprend des boîtes quantiques colloïdales, en fonction de la ou des longueurs d'onde de fonctionnement du pixel 2, la personne du métier est en mesure d'adapter les dimensions et la composition de nanocristaux constitutifs des boîtes quantiques colloïdales.
Il a été constaté que l'efficacité quantique d'un pixel 2 était jusqu'à 30%, voire 35%, plus élevée que l'efficacité quantique d'un pixel 1 correspondant, c’est-à-dire un pixel 1 dont le film 114 est en le même matériau que le film 500 du pixel 2 et a une épaisseur H égale à l'épaisseur H1 du film 500 du pixel 2. Par exemple, les inventeurs ont mesuré une efficacité quantique de l'ordre de 0,6 électron par photon incident pour un pixel 2, et de l'ordre de 0,45 électron par photon incident pour un pixel 1 correspondant.
Bien que l'on ait décrit ci-dessus, en relation avec les figures 2 à 7, des modes de mises en œuvre et variantes d'un procédé de fabrication d'un seul pixel 2, plusieurs pixels 2 identiques, par exemple d'un même capteur lumière ou de plusieurs capteurs de lumière, peuvent être fabriqués simultanément à partir d'une même couche ou plaquette semiconductrice 100 ( ), en mettant en œuvre les étapes décrites de manière simultanée pour tous ces pixels 2. Les pixels 2 ainsi fabriqués peuvent alors partager un même film 500.
Divers modes de réalisation, modes de mise en oeuvre et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation, modes de mise en œuvre et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, bien que l'on ait décrit un pixel 2 dans lequel l'élément conducteur de la structure d'interconnexion 102 qui est en contact avec la couche 118 est une portion de couche conductrice 104, la personne du métier est mesure d'adapter le procédé décrit au cas où cet élément conducteur est un via 108.
Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation, modes de mise en oeuvre et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la personne du métier est en mesure de choisir le ou les matériaux du film 500 en fonction de l'application visée, et/ou de déterminer, pour un film 500 donné, la valeur maximale de l'épaisseur H1 à partir de laquelle des délaminations et/ou des fissures peuvent se former dans le film 500. Par ailleurs, la personne du métier est en mesure de réaliser les masques de photolithographie permettant de réaliser des masques de gravure pour la mise en œuvre des étapes de gravure décrites précédemment.

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d'un pixel (2) comprenant les étapes successives suivantes :
    déposer une première couche d'électrode (118) sur une face exposée (110) d'une structure d'interconnexion (102) d'un circuit intégré, et en contact avec un élément conducteur (104) de la structure qui affleure ladite face exposée (110) ;
    déposer une couche isolante (200) ;
    graver une ouverture (300) traversant la couche isolante (200) jusqu'à la première couche d'électrode ;
    déposer une deuxième couche d'électrode (400) sur et en contact avec la première couche d'électrode (118) et la couche isolante (200) ;
    retirer par gravure une partie de la deuxième couche d'électrode (400) reposant sur la couche isolante (200) ; et
    déposer un film (500) configuré pour convertir des photons en paires électron-trou lorsqu'un rayonnement à une longueur d'onde de fonctionnement du pixel (2) atteint le pixel.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, avant le dépôt de la couche isolante (200), le procédé comprend une gravure jusqu'à ladite face (110) en laissant en place une partie de la première couche (118) recouvrant entièrement l'élément conducteur (104).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une partie de la première couche d'électrode (118) exposée par la gravure de l'ouverture (300) et les parois latérales de l'ouverture (300) sont entièrement recouvertes par la deuxième couche d'électrode (400).
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le film (500) est déposé de manière qu'une face exposée (502) du film (500) soit plane.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape suivante de formation d'une électrode (504) sur ledit film (500), ladite électrode (504) étant en un ou plusieurs matériaux transparents à ladite longueur d'onde.
  6. Pixel (2) comprenant :
    une première couche d'électrode (118) reposant sur et en contact avec une face (110) d'une structure d'interconnexion (102) d'un circuit intégré du pixel (2) et recouvrant un élément conducteur (104) de ladite structure (102) qui affleure ladite face (110) ;
    une couche isolante (200) comprenant une ouverture (300) traversante jusqu'à la première couche d'électrode (118) ;
    une deuxième couche d'électrode (400) reposant sur et en contact avec la première couche d'électrode (118) au fond de l'ouverture (300) et sur et en contact avec les parois latérales de ladite ouverture (300) ; et
    un film (500) configuré pour convertir des photons en paires électron-trou lorsqu'un rayonnement à une longueur d'onde de fonctionnement du pixel (2) atteint le pixel (2), ledit film (500) remplissant l'ouverture (300) et recouvrant la deuxième couche d'électrode (400) et la couche isolante (200).
  7. Pixel selon la revendication 6, obtenu par une mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou pixel selon la revendication 6 ou 7, dans lequel ledit film (500) comprend des boîtes quantiques colloïdales.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 8 ou pixel selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l'épaisseur (h) de la couche isolante (200) moins l'épaisseur (tA) de la première couche d'électrode (118) est égale à la moitié de ladite longueur d'onde dans le matériau du film (500).
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 8 et 9 ou pixel selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel ladite longueur d'onde du rayonnement est comprise entre 750 nm et 3000 nm, par exemple égale à 940 nm.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 8 à 10 ou pixel selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel la première couche d'électrode (118) comprend une couche barrière de diffusion sur et en contact avec l'élément conducteur (104).
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 8 à 11 ou pixel selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel la deuxième couche d'électrode (400) comprend une couche d'extraction de charges configurée pour être en contact avec ledit film (500).
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 9 à 12 ou pixel selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel :
    la deuxième couche d'électrode (400) est moins épaisse, par exemple dix fois moins épaisse, que la couche isolante (200) ; et/ou
    le film (500) est plus épais, par exemple au moins deux fois plus épais, que la couche isolante (200)
  14. Pixel selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, comprenant une électrode (504) reposant sur le film (500), ladite électrode (504) étant en un matériau transparent à la longueur d'onde du rayonnement.
  15. Capteur de lumière comprenant au moins un pixel (2) selon l'une quelconque des revendications 7 à 15.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004001853A2 (fr) * 2002-06-25 2003-12-31 Commissariat A L'energie Atomique Imageur
EP1677364A1 (fr) * 2004-12-30 2006-07-05 St Microelectronics S.A. Capteur de lumière situé au-dessus d'un circuit intégré
WO2015188146A2 (fr) * 2014-06-05 2015-12-10 Edward Hartley Sargent Capteurs et systèmes pour la capture de scènes et d'événements dans l'espace et dans le temps

Patent Citations (3)

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Non-Patent Citations (1)

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Title
KRAMER ET AL.: "Efficient Spray-Coated Colloidal Quantum Dot Solar Cells", ADV. MATER., vol. 27, pages 116 - 121

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