FR3124309A1 - Capteur d’images à illumination face arrière et procédé de fabrication - Google Patents

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Abstract

Le capteur d’images intégré comprend, au sein d’un substrat ayant une face arrière (FAR) et contenant un premier matériau semiconducteur ayant un premier indice optique de réfraction, un ensemble de pixels, chaque pixel possédant une zone active photosensible. Chaque zone active photosensible est une zone à contraste d’indices comportant une matrice (50) formée du premier matériau semiconducteur et une structure périodique (5) noyée dans ladite matrice, s’étendant dans ladite matrice depuis ladite face arrière, ayant une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière, la valeur de la périodicité étant reliée à la longueur d’onde du signal optique et au premier indice de réfraction, possédant une pluralité d’éléments (51) formés d’un deuxième matériau optiquement transparent ayant un deuxième indice de réfraction inférieur au premier indice de réfraction et ayant une région, de préférence centrale, dépourvue d’au moins l’un de ces éléments. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Capteur d’images à illumination face arrière et procédé de fabrication
Des modes de mise en œuvre et de réalisation concernent les capteurs optiques à illumination face arrière (BSI : « Back Side Illumination »), et plus particulièrement l’amélioration de leur efficacité quantique, en particulier dans le domaine infrarouge.
Un capteur d’images intégré comprend au sein d’un substrat un ensemble de pixels associé à une électronique de commande et de traitement des signaux fournis par les pixels.
Un capteur d’images est dit du type à illumination face arrière lorsqu’il est destiné à être illuminé par un signal optique au travers de la face arrière du substrat.
L’efficacité quantique d’un pixel est définie par le rapport du nombre d’électrons générés sur le nombre de photons reçus lors de l’absorption du signal optique par le pixel.
Plus l’efficacité est importante, meilleure est la sensibilité du capteur et meilleur est le rapport signal sur bruit.
Il existe par conséquent un besoin pour améliorer l’efficacité quantique d’un capteur d’images intégré du type à illumination face arrière.
Il existe également un besoin d’apporter un gain en termes de diaphonie due au couplage optique entre pixels (signal optique parasite réfléchi ou diffracté d’un pixel vers ses voisins) et en termes de fonction de transfert de modulation, de façon à obtenir un meilleur contraste sur l’image.
A cet égard, selon un mode de réalisation, on va former chaque pixel avec une structure périodique photonique présentant une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière, cette structure photonique présentant, par exemple au niveau de sa région centrale, un défaut.
Ainsi, selon un aspect, il est proposé un capteur d’images intégré du type à illumination face arrière.
Ce capteur est destiné à être illuminé par un signal optique, par exemple mais non limitativement un signal dans le domaine de l’infrarouge ayant une longueur d’onde de 940 nm.
Le capteur comprend un substrat ayant une face arrière et contenant un premier matériau semiconducteur, par exemple du silicium, ayant un premier indice optique de réfraction.
Le capteur comprend un ensemble de pixels au sein du substrat.
Chaque pixel possède une zone active photosensible.
Chaque zone active photosensible est une zone à contraste d’indices comportant une matrice formée du premier matériau semiconducteur (par exemple le silicium) et une structure périodique, noyée dans ladite matrice, formée d’un deuxième matériau, par exemple du dioxyde de silicium, ayant un indice de réfraction inférieur à celui du premier matériau.
Cette structure périodique s’étend dans ladite matrice depuis la face arrière et a une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière.
Cette périodicité bidimensionnelle n’est pas nécessairement identique selon deux directions orthogonales du plan.
Cette structure périodique est dite cristal photonique car la valeur de la périodicité est reliée à la longueur d’onde du signal optique et au premier indice de réfraction, le premier matériau guidant la propagation du signal optique à travers la zone photosensible.
Ainsi, typiquement, cette valeur de périodicité est sensiblement égale au moins au rapport entre la longueur d’onde du signal optique et l’indice de réfraction du premier matériau. Cela étant, pour améliorer encore les performances cette valeur de périodicité peut être prise égale audit rapport augmenté de plusieurs dizaines de pourcents, par exemple 30%
Cette structure périodique possède une pluralité d’éléments, par exemple des barreaux, formés par le deuxième matériau, optiquement transparent c’est-à-dire non absorbant, et ayant un deuxième indice de réfraction inférieur au premier indice de réfraction.
Par ailleurs, cette structure périodique possède une région par exemple une région centrale dépourvue d’au moins l’un de ces éléments.
Ainsi, de par la présence de ce défaut dans cette région par exemple centrale (absence d’au moins un élément à faible indice de réfraction et optiquement transparent), le rayonnement lumineux va être confiné dans un certain volume du pixel, par exemple au centre du pixel, et la structure périodique va ralentir sa propagation dans le premier matériau (le silicium par exemple).
Il va donc en résulter une absorption plus importante dans ce premier matériau et par conséquent un nombre d’électrons générés plus important pendant le temps d’intégration du pixel, conduisant à une amélioration de l’efficacité quantique.
La structure périodique présente, dans son plan de périodicité, par exemple un arrangement des éléments en nid d’abeilles.
Par ailleurs, il est particulièrement avantageux que dans le plan de périodicité, la densité cristalline de tous les éléments optiquement transparents occupe au moins 50% de la surface de la zone photosensible.
Ceci permet d’améliorer encore l’efficacité quantique.
Comme indiqué ci-avant, les éléments peuvent être des barreaux, ceux-ci pouvant avoir des sections de formes diverses dans le plan de périodicité (cercle, rectangle, étoile etc.).
Lorsque le premier matériau est du silicium et que la longueur d’onde du signal optique est égale à 940 nm, le pas entre les éléments optiquement transparents dans le plan de périodicité peut être de l’ordre de 400 nm, c’est-à-dire égal à 400 nm à +ou-30% près .
Le deuxième matériau, optiquement transparent, peut être par exemple du dioxyde de silicium
Chaque barreau peut avoir une section présentant un diamètre de l’ordre de 200 nm, c’est-à-dire 200 nm à +ou-25% près .
De façon à assurer une bonne collecte des charges générées vers les transistors de l’électronique de traitement, il est préférable que la structure s’étende dans ladite matrice jusqu’à un endroit situé à distance d’une face avant du substrat.
Par ailleurs, de façon à améliorer encore l’efficacité d’absorption dans le premier matériau, il est avantageux que le capteur comprenne en outre un miroir optique situé en regard de chaque zone photosensible, à l’opposé de la face arrière.
Lorsque l’ensemble de pixels présente un arrangement périodique ayant un pas N, il est avantageux pour améliorer encore le fonctionnement du capteur, que ce pas N soit proportionnel dans un rapport entier à une période de la structure périodique, c’est-à-dire soit égal à k fois une période de la structure périodique, k étant un entier.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’un capteur du type à illumination face arrière, destiné à être illuminé par un signal optique, comprenant une réalisation, au sein d’un substrat ayant une face arrière et contenant un premier matériau semiconducteur ayant un premier indice optique de réfraction, d’un ensemble de pixels comportant pour chaque pixel une réalisation d’une zone active photosensible.
Selon cet aspect du procédé, la réalisation de chaque zone active photosensible comprend une réalisation d’une structure périodique noyée dans une matrice formée du premier matériau semiconducteur, ladite structure périodique s’étendant dans ladite matrice depuis ladite face arrière, ayant une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière, la valeur de la périodicité étant reliée à la longueur d’onde du signal optique et au premier indice de réfraction, possédant une pluralité d’éléments formés d’un deuxième matériau optiquement transparent ayant un deuxième indice de réfraction inférieur au premier indice de réfraction et ayant une région, de préférence centrale, dépourvue d’au moins l’un de ces éléments.
Selon un mode de mise en œuvre, la réalisation de la structure périodique comprend une formation d’un masque sur ladite face arrière définissant les emplacements desdits éléments, une gravure de la matrice à travers ledit masque et un remplissage des orifices résultant de ladite gravure par le deuxième matériau.
Selon un mode de mise en œuvre, la gravure de la matrice s’arrête à distance d’une face avant du substrat.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau est du silicium et le deuxième matériau est du dioxyde de silicium.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une réalisation d’un miroir optique en regard des zones photosensibles des pixels, à l’opposé de la face arrière.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de mise en œuvre et de réalisation nullement limitative, et des dessins annexés sur lesquels :
et
illustrent schématiquement des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention.
Sur la , la référence CPT désigne un capteur d’images intégré comportant, illustré de façon très schématique, un substrat 1, par exemple en silicium, ayant une face arrière FAR et une face avant FAV.
La face arrière FAR est destinée à être illuminée par un signal optique SL, par exemple un signal infrarouge, généralement par l’intermédiaire de dispositifs optiques, tels que des lentilles, des filtres colorés ou non, des moyens de polarisation, sans que ces exemples ne soient limitatifs.
Le capteur comprend au sein du substrat 1, un ensemble de pixels PXAR.
L’ensemble de pixels présente ici un arrangement périodique ayant un pas N entre les pixels PX.
Le capteur d’images CPT comporte sur la face avant du substrat 1, une partie d’interconnexion 2, communément désignée par l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon BEOL (Back End Of Line).
Cette partie 2 comprend typiquement des pistes métalliques et des vias permettant d’assurer l’interconnexion entre les différents éléments du capteur, notamment les pixels, et les transistors d’une électronique de commande et de traitement des signaux émis par les pixels, cette électronique de commande n’étant pas représentée ici à des fins de simplification.
Cela étant, cette électronique de commande a une structure classique et connue en soi.
La illustre schématiquement une vue en coupe d’un pixel PX de l’ensemble de pixels PXAR.
Le pixel PX comporte une zone photosensible à contraste d’indices comportant une matrice 50 formée d’un premier matériau semiconducteur, typiquement le silicium du substrat.
Cette zone photosensible à contraste d’indices comporte par ailleurs une structure périodique 5 noyée dans la matrice 50 et comportant une pluralité d’éléments 51 formée d’un deuxième matériau optiquement transparent (non absorbant), par exemple du dioxyde de silicium.
Cette zone photosensible est dite à contraste d’indices car l’indice optique de réfraction du premier matériau (le silicium) est différent de l’indice de réfraction du deuxième matériau (le dioxyde de silicium).
L’indice de réfraction du premier matériau formant la matrice 50 a un indice de réfraction qui est supérieur à l’indice de réfraction du deuxième matériau optiquement transparent.
A titre d’exemple l’indice de réfraction du silicium est voisin de 3,4 et l’indice de réfraction du dioxyde de silicium est voisin de 1,46.
Comme on le voit schématiquement sur la , les éléments 51 de la structure périodique 5 s’étendent depuis la face arrière FAR du substrat sur une profondeur inférieure à celle du substrat.
En d’autres termes, les éléments 51, typiquement des barreaux, s’arrêtent à distance d de la face avant FAV du substrat. Cette distance d est par exemple de l’ordre de 1 à 2 microns.
Sur la face arrière FAR de la zone photosensible est disposé un dispositif optique 4, par exemple ici une lentille.
La partie d’interconnexion 2 comporte, outre les pistes métalliques 20, un miroir métallique optique 3 disposé en regard de la zone photosensible du pixel et plus précisément en regard de la face avant FAV.
Ce miroir métallique est avantageusement formé par le métal d’un niveau de métal de cette partie d’interconnexion.
Comme illustré sur la qui est une vue en coupe selon la ligne III-III de la , la structure périodique 5 présente une périodicité bidimensionnelle dans un plan, qui est le plan de la , et qui est un plan parallèle à la face arrière FAR.
La structure périodique présente dans son plan de périodicité un arrangement des éléments 51 en nid d’abeille et possède ici une région centrale 500 présentant un défaut, c’est-à-dire dépourvue d’au moins l’un des éléments 51.
En d’autres termes, la région centrale 500 comporte le premier matériau, ici le silicium.
Comme illustré schématiquement sur la , la valeur de la périodicité est reliée à la longueur d’onde du signal optique SL et au premier indice de réfraction du premier matériau (ici le silicium).
La périodicité dans une direction du plan peut différer ou non de celle dans l’autre direction orthogonale, comme dans le cas de la structure en nid d’abeilles, afin d’augmenter la densité du deuxième matériau.
Plus précisément, le pas entre les éléments 51 dans le plan de périodicité est ici de l’ordre de 400 nm (côté d’un triangle équilatéral reliant les centres de trois barreaux 51), à +ou- 30% près, pour une longueur d’onde du signal optique SL égale à 940 nm correspondant à l’infrarouge.
De façon à améliorer encore le fonctionnement du capteur, le pas d’espacement N des pixels PX est avantageusement proportionnel dans un rapport entier au pas entre les éléments 51.
Par ailleurs, le diamètre des barreaux 51 est de l’ordre de 200 nm à +ou- 25% près et la densité cristalline des sections de tous les barreaux occupe au moins 50% de la surface de la zone photosensible, et par exemple 50%.
Le défaut, de préférence central, de la structure périodique (absence d’au moins un barreau dans la région 500 de préférence centrale) forme un guide d’onde pour le rayonnement lumineux SL et la structure périodique entourant ce guide d’onde va ralentir la vitesse de propagation du signal lumineux dans le silicium et augmenter par conséquent le temps d’absorption et par conséquent l’efficacité quantique du pixel.
On peut ainsi obtenir une augmentation de 25% de l’énergie quantique par rapport à un pixel ne présentant pas de structure périodique avec un défaut dans la zone photosensible.
En fonctionnement, le signal lumineux illumine la face arrière du capteur, pénètre la région centrale 500 de la zone photosensible après avoir traversé la lentille 4 et se propage dans le guide d’onde mentionné ci-avant pour venir se réfléchir sur le miroir métallique 3 et repartir dans le guide d’onde. Ce retour dans le guide d’onde augmente encore la durée d’absorption dans le silicium et augmente donc par conséquent encore l’énergie quantique du pixel. La qualité de la réflexion vers le même pixel de par la présence du guide d’onde (et non diffractée vers les pixels voisins) apporte aussi un gain en termes de diaphonie et de fonction de transfert de modulation.
On se réfère maintenant plus particulièrement aux figures 5 à 8 pour illustrer un mode de mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un tel pixel.
Bien entendu, tous les pixels sont réalisés simultanément mais les figures 5 à 8 n’illustrent les étapes que pour un pixel.
Sur la , on fournit un substrat comportant une zone épitaxiée 50 (la matrice) de silicium ayant par exemple une hauteur de 6 à 9 microns.
La face avant de la zone photosensible (face avant de la matrice 50) FAV supporte la partie d’interconnexion 2 incorporant le miroir métallique 3.
On forme sur la face arrière de la matrice 50, un masque 7, par exemple un masque de résine, dont les orifices délimitent les emplacements des futurs barreaux de dioxyde de silicium.
Puis, comme illustré sur la , on procède, à travers les orifices du masque 7, à une gravure classique et connue en soi, du silicium de la matrice 50 et l’on remplit les orifices ainsi formés par du dioxyde de silicium de façon à former les barreaux 51.
On notera ici, comme indiqué ci-avant, qu’il est particulièrement avantageux que les extrémités des barreaux 51, et que par conséquent les extrémités des orifices résultant de la gravure, soient situées à la distance d non nulle (par exemple de l’ordre de 1 à 2 microns) de la face avant de la matrice 50, et ce de façon à favoriser une bonne collecte des électrons générés par l’absorption du signal lumineux dans le silicium.
Puis, comme illustré schématiquement sur la , on procède à un retrait du masque 7, à un polissage de la face arrière et à une fixation de la lentille 4 sur la face arrière du pixel de façon à former le pixel illustré sur la .
L’invention n’est pas limitée aux modes de mise en œuvre et de réalisation qui ont été décrits mais en embrasse toutes les variantes.
Ainsi, même si la région de la structure périodique présentant le défaut est de préférence la région centrale, notamment pour des raisons de fabrication, cette région pourrait ne pas être centrale.
Par ailleurs d’autres premiers matériaux sont possibles, comme par exemple du germanium ou un alliage de silicium/germanium.
D’autres deuxièmes matériaux sont possibles, comme par exemple du nitrure de silicium ou un diélectrique à forte constante diélectrique, connu par l’homme du métier sous la dénomination « high K ».
De plus, d’autres longueurs d’onde (dans le domaine du visible ou non) du signal optique SL sont possibles moyennant un ajustement des dimensions de la structure périodique.

Claims (18)

  1. Capteur d’images intégré du type à illumination face arrière, destiné à être illuminé par un signal optique et comprenant, au sein d’un substrat ayant une face arrière (FAR) et contenant un premier matériau semiconducteur ayant un premier indice optique de réfraction, un ensemble de pixels, chaque pixel possédant une zone active photosensible, dans lequel chaque zone active photosensible est une zone à contraste d’indices comportant une matrice (50) formée du premier matériau semiconducteur et une structure périodique (5) noyée dans ladite matrice, s’étendant dans ladite matrice depuis ladite face arrière, ayant une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière, la valeur de la périodicité étant reliée à la longueur d’onde du signal optique et au premier indice de réfraction, possédant une pluralité d’éléments (51) formés d’un deuxième matériau optiquement transparent ayant un deuxième indice de réfraction inférieur au premier indice de réfraction et ayant une région (500)dépourvue d’au moins l’un de ces éléments.
  2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel ladite région (500) est une région centrale.
  3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure périodique (5) présente dans son plan de périodicité un arrangement des éléments en nid d’abeille.
  4. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, dans le plan de périodicité, la densité cristalline de tous les éléments (51) occupe au moins 50% de la surface de la zone photosensible.
  5. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les éléments (51) sont des barreaux.
  6. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau est du silicium.
  7. Capteur selon la revendication 5, dans lequel la longueur d’onde du signal optique est égale à 940 nm, et le pas entre les éléments dans le plan de périodicité est de l’ordre de 400nm
  8. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau est du dioxyde de silicium.
  9. Capteur selon les revendications 7 et 8, dans lequel chaque barreau (51) a une section présentant un diamètre de l’ordre de 200nm.
  10. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la structure (5) s’étend dans ladite matrice jusqu’à un endroit situé à distance (d) d’une face avant du substrat.
  11. Capteur selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un miroir optique (3) situé en regard de chaque zone photosensible à l’opposé de la face arrière.
  12. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble de pixels présente un arrangement périodique ayant un pas (N) proportionnel dans un rapport entier à une période de la structure périodique (5).
  13. Procédé de fabrication d’un capteur d’images intégré du type à illumination face arrière, destiné à être illuminé par un signal optique, comprenant, au sein d’un substrat ayant une face arrière et contenant un premier matériau semiconducteur ayant un premier indice optique de réfraction, une réalisation d’un ensemble de pixels comportant pour chaque pixel une réalisation d’une zone active photosensible, dans lequel la réalisation de chaque zone active photosensible comprend une réalisation d’une structure périodique (5) noyée dans une matrice formée du premier matériau semiconducteur, ladite structure périodique s’étendant dans ladite matrice depuis ladite face arrière, ayant une périodicité bidimensionnelle dans un plan parallèle à la face arrière, la valeur de la périodicité étant reliée à la longueur d’onde du signal optique et au premier indice de réfraction, possédant une pluralité d’éléments formés d’un deuxième matériau optiquement transparent ayant un deuxième indice de réfraction inférieur au premier indice de réfraction et ayant une région (500) dépourvue d’au moins l’un de ces éléments.
  14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel ladite région (500) est une région centrale.
  15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la réalisation de la structure périodique (5) comprend une formation d’un masque sur ladite face arrière définissant les emplacements desdits éléments, une gravure de la matrice à travers ledit masque et un remplissage des orifices résultant de ladite gravure par le deuxième matériau.
  16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la gravure de la matrice (50) s’arrête à distance (d) d’une face avant (FAV) du substrat.
  17. Procédé selon l’une des revendications 13 à 16, dans lequel le premier matériau est du silicium et le deuxième matériau est du dioxyde de silicium.
  18. Procédé selon l’une des revendications 13 à 17, comprenant en outre une réalisation d’un miroir optique (3) en regard des zones photosensibles des pixels, à l’opposé de la face arrière (FAR).
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