FR3112242A1 - Isolation de photodiodes - Google Patents

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Alain Inard
Marios Barlas
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STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Abstract

Isolation de photodiodes La présente description concerne un dispositif optoélectronique comprenant au moins une photodiode, au moins une partie d'une zone active (14) de chaque photodiode étant séparée d'une photodiode voisine par un premier mur (18) comprenant un cœur conducteur et une gaine isolante et par un deuxième mur d'isolement optique (36). Figure pour l'abrégé : Fig. 1A

Description

Isolation de photodiodes
La présente description concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques et plus précisément les dispositifs optoélectroniques comprenant des photodiodes.
Les dispositifs optoélectroniques sont par exemple des dispositifs générant des images représentatives d'une scène. Les dispositifs optoélectroniques comprennent par exemple des pixels, chaque pixel comprenant au moins une photodiode. Chaque photodiode comprend une zone active, c’est-à-dire une zone générant des charges électriques lorsqu'elle reçoit des rayonnements. La quantité de charges générées, dépendante de la quantité d'illumination, c’est-à-dire de rayonnements, reçue et de la sensitivité du matériau, est représentative d'une portion de la scène.
Le fonctionnement d'une photodiode comprend deux phases, une première phase de génération de charges et une deuxième phase de lecture de la quantité de charges générées. Au cours de la première phase, les rayonnements reçus par la photodiode génèrent des charges qui sont stockées dans la zone active de la photodiode ou dans des zones mémoire. Au cours de la deuxième phase, les zones mémoire sont lues, c’est-à-dire que le dispositif génère une tension représentative de la quantité de charges dans les zones mémoire.
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs optoélectroniques connus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif optoélectronique comprenant au moins une photodiode, au moins une partie d'une zone active de chaque photodiode étant séparée d'une photodiode voisine par un premier mur comprenant un cœur conducteur et une gaine isolante et par un deuxième mur d'isolement optique.
Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant la formation d'au moins une photodiode, et la formation, dans une zone active de chaque photodiode, d'un premier mur conducteur et d'un deuxième mur d'isolement optique séparant au moins une partie de la zone active d'une photodiode voisine.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la formation simultanée de premières tranchées dans un substrat, par une première face du substrat, aux emplacements des premiers murs et de deuxièmes tranchées dans le substrat, par la première face du substrat, aux emplacements des deuxième murs.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le remplissage des premières et deuxièmes tranchées par les mêmes matériaux, lesdits matériaux étant les matériaux destinés à former l'un parmi les premiers et les deuxièmes murs.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend l'amincissement du substrat, par une deuxième face du substrat, opposée à la première face, de manière à découvrir une extrémité des premières ou deuxièmes tranchées, l'amincissement étant arrêté avant de découvrir des extrémités des tranchées dont les matériaux remplissent les tranchées.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le retrait d'au moins une partie des matériaux dans les tranchées découvertes et le remplissage desdites tranchées par le matériau dudit un parmi les premiers et deuxièmes murs.
Selon un mode de réalisation, les matériaux sont entièrement retirés à l'exception d'une couche externe en un matériau isolant électriquement.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes murs ont une hauteur inférieure à la hauteur des premiers murs.
Selon un mode de réalisation, les premiers murs ont une hauteur inférieure à la hauteur des deuxièmes murs.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes murs sont situés dans la zone active.
Selon un mode de réalisation, les premiers murs séparent la zone active d'une zone mémoire.
Selon un mode de réalisation, les premiers murs comprennent un cœur en un matériau conducteur ou semiconducteur et une couche externe en un matériau isolant électriquement.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes murs sont en des matériaux réfléchissant les rayonnements ayant une longueur d'onde dans la gamme de fonctionnement des photodiodes.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un élément de diffraction dans la zone active.
Selon un mode de réalisation, l'élément de diffraction est une boîte de résonance comprenant des premiers éléments s'étendant dans la zone active depuis la première face et des deuxièmes éléments s'étendant dans la zone active depuis la deuxième face.
Selon un mode de réalisation, les premiers éléments sont formés par le procédé de formation des deuxièmes murs.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1A représente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique ;
la figure 1B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 1A ;
la figure 2 représente une variante du mode de réalisation de la figure 1A ;
la figure 3A représente le résultat d'une étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1 ;
la figure 3B représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1 ;
la figure 3C représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1 ;
la figure 3D représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1 ;
la figure 4A représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique ;
la figure 4B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 4A ;
la figure 5A représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique ; et
la figure 5B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 5A.
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.
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 électriquement, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La figure 1A représente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique. La figure 1B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 1. Plus précisément, la figure 1B représente une vue selon le plan BB de la figure 1A et la figure 1A représente une vue selon le plan AA de la figure 1B.
Le dispositif comprend au moins un pixel 10, de préférence au moins deux pixels, dont un seul est représenté en figures 1A et 1B. De préférence, le dispositif comprend une pluralité de pixels agencés en matrice.
Le pixel 10 comprend une photodiode 12. La photodiode 12 comprend une zone active 14. La zone active est par exemple formée dans un substrat semiconducteur. La zone active est par exemple en silicium épitaxié. La zone active est par exemple formée sur une couche 15. La couche 15 est en un matériau ayant un indice optique inférieur à l'indice optique du matériau de la zone active. De préférence, la couche 15 est en un matériau isolant électriquement. La couche 15 reflète au moins partiellement les rayonnements atteignant l'interface entre la zone active 14 et la couche 15. Les rayonnements sont donc confinés dans la zone active.
Le pixel 10 comprend, de plus, des zones mémoire 16. Les zones mémoire 16 permettent le stockage de charges durant la phase de génération de charges. Les zones mémoire sont par exemple des régions en matériau semiconducteur, par exemple en le même matériau que la zone active.
Dans l'exemple de la figure 1, le pixel représenté comprend quatre zones mémoire, divisées en deux ensembles de deux zones mémoire. Les deux ensembles sont situés au niveau de deux faces opposées de la zone active de la photodiode. Les deux ensembles de zones mémoire 16 sont donc séparés par la zone active 14. Chaque ensemble de zones mémoire comprend une première zone mémoire 16a. La première zone mémoire est la zone située la plus proche de la zone active 14. La première zone mémoire 16a de chaque ensemble est séparée de la zone active par un mur conducteur 18. Chaque mur conducteur comprend une ouverture 20. L'ouverture 20 est de préférence à une extrémité du mur 18. La zone active et la première zone mémoire sont donc en contact au niveau de l'ouverture 20. Chaque ensemble comprend une deuxième zone mémoire 16b. Chaque deuxième zone mémoire est séparée de la première zone mémoire du même ensemble par un mur conducteur 22, à l'exception d'une ouverture 24. L'ouverture 24 est de préférence à une extrémité du mur 22. La deuxième zone mémoire 16b et la première zone mémoire 16a sont donc en contact au niveau de l'ouverture 24.
Ainsi, lors de la phase de génération des charges, les charges sont générées dans la zone active et se déplacent dans les premières zones mémoire par les ouvertures 20 puis dans les deuxièmes zones mémoire, par les ouvertures 24.
Le dispositif comprend par exemple des éléments conducteurs 25 situés au-dessus des ouvertures 20. Les éléments 25 sont de préférence polarisés de manière à faciliter le mouvement des charges dans les zones mémoire durant la phase de génération des charges, et de manière à limiter le mouvement des charges dans les zones mémoire durant la phase de lecture.
A titre de variante, chaque pixel peut comprendre un nombre différent de zones mémoire, par exemple, une ou deux zones mémoires.
La zone active 14 et les zones mémoire 16 sont entourées au moins partiellement par un mur conducteur 26. Le mur conducteur 26 comprend par exemple des ouvertures non représentées. Par exemple, le mur 26 comprend une ouverture, de préférence une unique ouverture, dans chaque zone mémoire et dans la zone active.
Les murs conducteurs comprennent chacun par exemple un cœur conducteur ou semiconducteur, non représenté, par exemple en métal. Les cœurs des murs conducteurs sont par exemple en aluminium, en tungstène, en cuivre ou en silicium polycristallin. Les murs conducteurs comprennent de préférence une couche externe ou gaine, non représentée, en un matériau isolant électriquement, par exemple en oxyde de silicium. Le cœur conducteur de chaque mur est donc séparé du substrat, et plus particulièrement des zones mémoire et de la zone active, par la couche externe. Les murs conducteurs sont des structures capacitives enterrées ("Capacitive Deep Trench Insulation" – CDTI). Les murs conducteurs ont donc un effet similaire à celui d'une capacité enterrée.
L'interface entre les murs conducteurs et la zone active 14 est donc une interface entre la couche externe des murs, de préférence en oxyde de silicium, et la zone active, de préférence en silicium. L'indice optique de l'oxyde de silicium et du silicium sont différents. Les rayonnements présents dans la zone active sont ainsi partiellement reflétés. Les murs conducteurs isolent donc partiellement de manière optique la zone active des pixels voisins et des zones mémoire, si le pixel comprend des zones mémoire.
La couche externe étant en un matériau isolant électriquement, les murs conducteurs permettent en outre d'isoler électriquement la zone active des pixels voisins et des zones mémoire, si le pixel comprend des zones mémoire.
De préférence, les murs conducteurs s'étendent sur toute la hauteur de la zone active. Dans l'exemple de la figure 1B, les murs conducteurs s'étendent de la couche 15 à la face supérieure de la zone active, c’est-à-dire la face n'étant pas en contact avec la couche 15.
Comme les éléments conducteurs 25, les murs conducteurs sont de préférence reliés à une source de tension. Les murs sont polarisés de manière à former un champ électrique permettant de faire des zones 16 des zones mémoire et de faciliter le mouvement des charges dans les zones mémoire durant la phase de génération des charges, et de manière à limiter le mouvement des charges dans les zones mémoire durant la phase de lecture.
Le dispositif comprend par exemple des lentilles ou des couches de filtrage sur les photodiodes. Dans l'exemple de la figure 1B, chaque photodiode est située en regard d'une lentille 30 permettant de centrer les rayonnements lumineux provenant de la scène vers la zone active.
La photodiode comprend un élément de diffraction 32. L'élément de diffraction 32 est situé dans la zone active. Plus précisément, la face supérieure de la zone active, c’est-à-dire la face la plus proche de la scène, comprend une tranchée remplie d'un matériau ayant un indice optique différent de celui de la zone active, par exemple remplie d'un matériau isolant électriquement. La forme de la tranchée et le matériau remplissant la tranchée sont choisis de telle manière que les rayonnements atteignant l'élément de diffraction 32 soient dirigés, comme représenté par les flèches 34, dans l'ensemble de la zone active. En particulier, des rayonnements peuvent être dirigés vers les murs 18, et donc vers les zones mémoire et vers les zones actives de photodiodes voisines. Des rayonnements peuvent ainsi être envoyés dans des régions de la zone active, par exemple des régions périphériques, par exemple des régions proches du mur 26, recevant peu de rayonnements. L'élément de diffraction permet donc d'augmenter l'intensité des rayonnements dans la zone active, les rayonnements se reflétant sur les murs conducteurs.
La tranchée a par exemple une forme de prisme triangulaire, et a donc une coupe triangulaire dans une vue en coupe dans un plan orthogonal aux plans des figures 1A et 1B. Autrement dit, la tranchée a par exemple uniquement deux faces en contact avec la zone active.
L'élément de diffraction 32 s'étend de préférence dans la zone active à partir de la face de la zone active la plus proche des lentilles 30. L'élément de diffraction s'étend de préférence sur une partie de la hauteur de la zone active, de préférence sur une hauteur inférieure à 25 % de la hauteur de la zone active.
Dans le plan de la figure 1A, c’est-à-dire en vue de dessus, les dimensions de l'élément de diffraction sont inférieures aux dimensions de la zone active.
Le pixel comprend, en outre, des murs 36 d'isolement optique. Dans l'exemple de la figure 1, chaque photodiode comprend deux murs 36. Les murs d'isolement optique sont de préférence situés dans la zone active de la photodiode. Chaque mur 36 est situé entre le centre de la zone active et les zones mémoire. Plus précisément, chaque mur 36 est situé entre l'élément de diffraction et un des murs 18. De préférence, chaque mur 36 est séparé de l'élément de diffraction par une région de la zone active 14, la distance entre chaque mur 36 et l'élément de diffraction étant de préférence d'au moins 150 nm. Chaque mur 36 s'étend le long d'au moins une partie d'un des murs 18. Chaque mur 36 est séparé du mur 18 le plus proche par une région 38 de la zone active. De préférence, la région 38 s'étend sur toute la longueur et la hauteur du mur 36 associé. Ainsi, chaque mur 36 n'est pas en contact avec les murs 18. La distance entre chaque mur 36 et le mur 18 le plus proche est de préférence égale à sensiblement 150 nm.
Les murs 36 s'étendent à partir de la face inférieure de la zone active, c’est-à-dire la face en contact avec la couche 15. Les murs 36 s'étendent vers la face supérieure de la zone active, de préférence de manière parallèle aux murs 18. De préférence, les extrémités des murs 36 les plus proches de la face supérieure de la zone active en sont séparées par une portion de la zone active. De préférence, ladite extrémité est séparée de la face supérieure de la zone active par une distance au moins égale à 0,2 µm. De préférence, les murs 36 s'étendent sur au moins 50 % de la hauteur des murs 18, de préférence entre 70 % et 90 % de la hauteur des murs 18. Les murs 18 s'étendant de préférence sur toute la hauteur de la zone active 14, les murs 36 s'étendent de préférence sur une hauteur comprise entre 70 % et 90 % de la hauteur de la zone active. Les murs 36 ont par exemple une hauteur sensiblement égale à 5,6 µm ou 5,7 µm, la zone active, et les murs 18, ayant par exemple une hauteur sensiblement égale à 6 µm.
A titre de variante, les murs 36 peuvent être situés du coté opposé du mur 18. Autrement dit, chaque mur 36 peut être séparé de l'élément de diffraction par un mur 18, et être séparé dudit mur 18 par la région 38.
Dans l'exemple de la figure 1, les murs 36 ne s'étendent pas en regard des ouvertures 20, de manière à permettre le mouvement des charges depuis la zone active vers les zones mémoire par les ouvertures 20.
Les murs 36 sont en un ou des matériaux permettant d'isoler optiquement la zone active des zones mémoire et des pixels voisins du pixel 10. Par exemple, les murs 36 sont en des matériaux opaques aux longueurs d'onde des rayonnements de fonctionnement des photodiodes. Autrement dit, les murs 36 sont opaques aux rayonnements pouvant entraîner la génération de charges dans les photodiodes. De préférence, les murs 36 sont en des matériaux réfléchissant les rayonnements ayant pour longueurs d'onde les longueurs d'onde de fonctionnement des photodiodes.
Les murs 36 sont par exemple formés en un matériau isolant, par exemple en oxyde de silicium ou en un matériau ayant une constante diélectrique élevée, autrement dit un matériau dit "high k". Dans le cas où le matériau est un matériau ayant une constante diélectrique élevée, et n'est pas l'oxyde de silicium, chaque mur peut comprendre une couche en un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium, entourant un cœur en un matériau ayant une constante diélectrique élevée.
A titre de variante, les murs 36 comprennent un cœur en un matériau isolant entouré d'une couche en un matériau semiconducteur, elle-même entourée d'une couche en un matériau isolant. Le matériau isolant est par exemple de l'oxyde de silicium et le matériau semiconducteur est par exemple du silicium polycristallin.
Ainsi, les rayonnements, en particulier les rayonnements dirigés vers les zones mémoire par l'élément de diffraction, ne peuvent atteindre ni les zones mémoire ni les photodiodes voisines. Les rayonnements atteignant la photodiode génèrent donc des charges dans cette photodiode. Les rayonnements atteignant les régions 38 de la zone active de la photodiode ne sont pas dirigés par l'élément de diffraction, et ne sont donc, généralement, pas dirigées vers les zones mémoire et les pixels voisins. De plus, les régions 38 non protégées par les murs 36 constituent une faible partie du volume de la zone active, de préférence moins de 18 %, de préférence moins de 15 % du volume de la zone active.
On aurait pu former des pixels ne comprenant pas les murs 36. Cependant, les murs conducteurs ne reflètent que partiellement les rayonnements, et une partie des rayonnements serait dirigée hors de la zone active et éventuellement dans les photodiodes voisines. Ces rayonnements ne seraient alors pas pris en compte dans la valeur du pixel et généreraient du bruit dans les pixels voisins et dans les zones mémoire, si le pixel comprend des zones mémoire.
On aurait pu penser former des murs remplaçant les murs 18 et ayant les caractéristiques des murs 18 et 36, c’est-à-dire un mur étant conducteur, c’est-à-dire permettant la génération d'un champ électrique, et étant isolant optiquement. Cependant, aucun matériau n'est capable d'isoler optiquement aussi bien que le mur 18 tout en permettant la génération du champ électrique.
La figure 2 représente une variante du mode de réalisation de la figure 1A. Plus précisément, la figure 2 représente un dispositif similaire au dispositif de la figure 1A et de la figure 1B. Le dispositif de la figure 2 comprend tous les éléments du dispositif des figures 1A et 1B, comme décrit précédemment. Le dispositif de la figure 2 diffère du dispositif des figures 1A et 1B par la forme des murs d'isolement optique.
En figure 2, les murs 36 sont reliés par un mur 40 d'isolement optique. Le mur 40 s'étend d'un mur 36 à l'autre. Le mur 40 est donc en contact, par une première extrémité, avec un mur 36 et, par une deuxième extrémité, avec l'autre mur 36. Dans l'exemple de la figure 2, la première extrémité du mur 40 est en contact avec une extrémité d'un mur 36, ici la plus proche des ouvertures 20, et la deuxième extrémité du mur 40 est en contact avec une extrémité de l'autre mur 36, ici l'extrémité la plus proche des ouvertures 20. Les murs 36 et 40 forment ainsi un mur en forme de U. L'élément de diffraction 32 est ainsi situé à l'intérieur de la forme en U.
A titre de variante, le mur 40 peut être relié aux autres extrémités des murs 36, c’est-à-dire les extrémités les plus éloignées des ouvertures 20.
Le mur 40 a de préférence la même hauteur que les murs 36.
Le mur 40 est en les mêmes matériaux que les murs 36. Le mur 40 est donc en un matériau de préférence réfléchissant les longueurs d'onde de fonctionnement des photodiodes.
A titre de variante, les murs peuvent avoir une forme différente. Par exemple, le mur 40 peut comprendre une ouverture. Par exemple, le mur 40 peut être situé au même emplacement que dans l'exemple de la figure 2, mais les dimensions des murs 36 et 40 peuvent être telles que les murs ne sont pas en contact. Les murs 36 et 40 forment alors un U ayant des ouvertures aux niveaux de ses angles. Les charges peuvent alors se déplacer dans les ouvertures formées entre les extrémités des murs 36 et 40.
Par exemple, un ou plusieurs autres murs d'isolement optique, ayant les mêmes caractéristiques que les murs 36 et 40, peuvent être formés dans la zone active de la photodiode.
La partie centrale de la zone active, c'est-à-dire la partie comprenant l'élément de diffraction, constitue la majeure partie de la zone active, par exemple plus de 60 % de la zone active, et n'est pas entièrement entourée par le mur isolant, de manière à permettre le mouvement des charges.
Les figures 3A à 3D représentent des résultats d'étapes successives d'un procédé de fabrication du dispositif des figures 1A et 1B ou du dispositif de la figure 2. Les figures 3A à 3D représentent des vues en coupe selon le plan BB de la figure 1A.
Les figures 3A à 3D ne représentent pas la formation de tout le pixel. En particulier, les figures 3A à 3D ne représentent pas certaines étapes de formation de la photodiode, par exemple les étapes de dopage, et ne représentent pas les étapes de formation de vias conducteurs et de métallisations, permettant le transfert de données. La fabrication des éléments non décrits peut être effectuée par des moyens connus et pouvant être déduits par la personne du métier.
De plus, les figures 3A à 3D représentent uniquement certains murs, les murs 18 et 36. Les autres murs conducteurs 18 et 26 sont par exemple formés de la même manière que les murs 18 représentés. Les autres murs 40 d'isolement optique sont formés de la même manière que les murs 36.
La figure 3A représente le résultat d'une étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1.
Au cours de cette étape, des tranchées 42 et 44 sont formées dans un substrat 46. La profondeur des tranchées 42 est sensiblement la même pour toutes les tranchées 42. La profondeur des tranchées 44 est sensiblement la même pour toutes les tranchées 44. La profondeur des tranchées 44 est inférieure à la profondeur des tranchées 42. Le substrat 46 est de préférence en le matériau de formation de la zone active des photodiodes. Le substrat 46 est de préférence en silicium. Le substrat 46 a par exemple fait l'objet d'étapes de dopage, qui ne seront pas décrites en détail, de manière à former la photodiode.
Les tranchées 42 correspondent aux murs conducteurs et les tranchées 44 correspondent aux murs d'isolement optique. Ainsi, les tranchées 42 représentées sont situées aux emplacements des murs conducteurs 18. Des tranchées 42 non représentées sont situées aux emplacements des murs 22 et 26. Les tranchées 44 représentées sont situées aux emplacements des murs 36. D'autres tranchées 44 peuvent être formées aux emplacements d'autres murs d'isolement optique.
L'étape de formation des tranchées comprend la formation d'un masque 47 sur une face 48 du substrat. Le masque est par exemple en nitrure de silicium. Le masque comprend des ouvertures au niveau des tranchées 42 et 44. Les ouvertures correspondant aux tranchées 42 et 44 ont des dimensions différentes. Plus précisément, la largeur, c’est-à-dire la dimension la plus faible de chaque ouverture, des ouvertures correspondant aux tranchées 42 est plus grande que la largeur des ouvertures correspondant aux tranchées 44. Ainsi, pour une même longueur d'ouverture, l'aire de l'ouverture est supérieure dans les ouvertures correspondant aux tranchées 42 à celle dans les ouvertures correspondant aux tranchées 44. De préférence, les ouvertures correspondant aux tranchées 44 ont sensiblement la même largeur. De même, les ouvertures correspondant aux tranchées 42 ont sensiblement la même largeur.
Les tranchées 42 et 44 sont ensuite gravées, à travers les ouvertures du masque 47. Les tranchées 42 et 44 sont gravées pendant une même étape de gravure, de préférence durant une unique étape de gravure. La gravure est donc effectuée durant une même durée dans les tranchées 42 et 44.
La vitesse de gravure dans le substrat dépend de la taille des ouvertures, et en particulier de la largeur, c’est-à-dire la dimension la plus petite. Plus la surface de gravure, c’est-à-dire l'aire de l'ouverture, est faible, plus la gravure est lente. Ainsi, pour une même durée de gravure, les tranchées 42 et 44 ont des profondeurs différentes. Plus précisément, les tranchées 44 sont plus profondes que les tranchées 42. Les tranchées 42 ont sensiblement une même profondeur. Les tranchées 44 ont sensiblement une même profondeur.
Les dimensions des ouvertures du masque 47, correspondant sensiblement aux dimensions de l'ouverture des tranchées, sont choisies de telle manière que la différence de profondeur entre les tranchées 42 et 44 soit suffisante pour qu'il soit possible d'amincir de manière plane le substrat 46 par la face 50, opposée à la face 48, et atteindre le fond de la cavité 42, sans atteindre le fond des tranchées 44. Les dimensions des ouvertures du masque peuvent donc dépendre des technologies de gravure utilisées. De préférence, la différence de profondeur entre les tranchées 42 et 44 est comprise entre 200 nm et 800 nm, de préférence sensiblement égale à 350 nm. Les tranchées 42 ont par exemple une profondeur comprise entre 5,2 µm et 5,8 µm. Les tranchées 44 ont par exemple une profondeur comprise entre 70 % et 90 % de la profondeur des tranchées 42.
On aurait pu choisir de graver les tranchées 42 indépendamment des tranchées 44, par exemple avec des masques différents et durant des étapes différentes de fabrication. Cependant, il est préférable que les murs 18 soient aussi proches que possible des murs 36, et la formation indépendante des tranchées entraînerait des problèmes d'alignement des tranchées.
La figure 3B représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1.
Au cours de cette étape, les tranchées 42 et 44 sont remplies, de préférence simultanément, par le ou les matériaux des murs 36.
Le substrat est ensuite retourné, de manière à pouvoir atteindre la face 50. Des étapes non représentées sont effectuées, par exemple pour la fabrication d'autres composants. Le substrat 46 est ensuite aminci de manière plane, c’est-à-dire que chaque portion de la face 50 est amincie de sensiblement la même épaisseur. Le substrat 46 est aminci jusqu'à atteindre le fond de la tranchée 42. Le substrat est aminci de manière à ne pas atteindre le mur 36. L'amincissement n'atteint donc pas le fond des tranchées 44. L'amincissement est ainsi arrêté entre le fond des tranchées 42 et le fond des tranchées 44. Le fond des tranchées 44 est ainsi séparé, par une portion de substrat, de la face découverte à l’issue de l'amincissement.
La figure 3C représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1.
Au cours de cette étape, les tranchées 42 sont vidées, de préférence sur au moins la hauteur de la zone active de la photodiode, par exemple au moins sur toute la hauteur du substrat.
Les tranchées 44 n'ayant pas été découvertes lors de l'amincissement, le matériau des murs 36 situés dans les tranchées 44 n'est pas retiré.
La figure 3D représente le résultat d'une autre étape de fabrication du mode de réalisation de la figure 1.
Au cours de cette étape, les tranchées 42, vidées du matériau des murs 36, sont remplies du matériau des murs conducteurs 18.
Dans le cas où les matériaux remplissant les tranchées comprennent une couche externe en un matériau isolant, par exemple en oxyde de silicium, cette couche externe peut ne pas être retirée. Cette couche est alors conservée et devient partie des murs conducteurs.
Cette étape peut aussi comprendre la formation d'autres éléments du dispositif, par exemple la formation de l'élément de diffraction 32. L'élément de diffraction a alors de préférence une forme de parallélogramme.
L'étape de la figure 3A et le remplissage des tranchées décrit en relation avec la figure 3B font partie des étapes du procédé dit "back end of line" (BEOL). Le reste de l'étape de la figure 3B et les étapes des figures 3C et 3D font partie des étapes dites "front end of line" (FEOL). Ainsi, bien que les tranchées 42 et 44 soient formées durant une même étape, le remplissage des murs 36 est effectué durant les étapes de BEOL et le remplissage des murs 18 est effectué durant les étapes de FEOL.
On aurait pu choisir de former directement les murs 36 et 18, c’est-à-dire remplir directement les tranchées avec les matériaux correspondant aux murs 36 et 18 sans remplir les tranchées 42 avec le matériau des murs 36. Cependant, il n'est pas possible de former les murs 18 durant les étapes de BEOL. En effet, il n'est pas possible d'intégrer du métal durant les étapes de FEOL, le budget thermique des étapes du FEOL étant trop élevé. De plus, l'intégration de métal entraînerait des risques de contamination croisée du substrat.
La figure 4A représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique. La figure 4B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 4A. Plus précisément, la figure 4B représente une vue selon le plan BB de la figure 4A et la figure 4A représente une vue selon le plan AA de la figure 4B.
Le dispositif 50 est identique au dispositif de la figure 1, à l'exception de l'élément de diffraction qui est remplacé par une pluralité d'éléments de diffraction 52. Les éléments de diffraction sont, comme l'élément 32 de la figure 1, situés dans la zone active, entre les murs 36. La forme et les emplacements des éléments de diffraction sont choisis de telle manière que les éléments de diffraction forment un réseau de résonance ou boite de résonance.
Chaque élément de diffraction 52 a, dans l'exemple des figures 4A et 4B, une forme de parallélogramme. A titre de variante, les éléments de diffraction 52, formés durant les étapes de BEOL, peuvent avoir une autre forme, par exemple une forme de prisme triangulaire.
Les éléments de diffraction 52 s'étendent de préférence dans la direction allant d'un mur 36 à l'autre mur 36. Autrement dit, la direction principale des éléments de diffraction 52 est de préférence la direction allant d'un mur 36 à l'autre mur 36. Par direction principale des éléments de diffraction, on entend la direction correspondant à la dimension la plus élevée parmi les dimensions autres que la profondeur, c’est-à-dire les dimensions dans la vue de dessus (figure 4A).
Le dispositif 50 comprend deux types d'éléments de diffraction, des éléments supérieurs 52s et des éléments inférieurs 52i. Les éléments inférieurs 52i sont de préférence parallèles les uns aux autres. Les éléments supérieurs 52s sont de préférence parallèles les uns aux autres. De préférence, les éléments inférieurs sont parallèles aux éléments supérieurs.
Les éléments inférieurs 52i, dont deux sont représentés en figures 4A et 4B, sont par exemple en le matériau des murs 36. Les éléments inférieurs 52i s'étendent à partir de la face inférieure de la zone active. Les éléments inférieurs 52i s'étendent de préférence à partir du même niveau que l'extrémité inférieure des murs 36. Les éléments inférieurs 52i s'étendent de préférence sur une hauteur inférieure à la hauteur de la zone active, de préférence inférieure à la hauteur des murs 36.
Les éléments inférieurs sont de préférence formés avec les murs 36. Par exemple, durant l'étape de la figure 3A, des troisièmes tranchées sont formées dans le substrat, de préférence par des ouvertures dans le même masque 47. Les troisièmes tranchées sont ensuite remplies par le matériau des murs 36. Les ouvertures correspondant aux troisièmes tranchées sont déterminées de telle manière que les troisièmes tranchées puissent être formées durant la même étape de gravure que les tranchées 42 et 44. Les éléments 52 ayant de préférence une hauteur inférieure aux murs 36, les ouvertures des troisièmes tranchées ont de préférence une surface inférieure aux ouvertures correspondant aux tranchées 44, par exemple une largeur inférieure.
Les éléments supérieurs 52s, dont un est représenté en figures 4A et 4B, sont par exemple en le matériau des murs 18. Les éléments supérieurs 52s s'étendent à partir de la face supérieure de la zone active. Les éléments supérieurs 52s s'étendent de préférence à partir du même niveau que l'extrémité supérieure des murs 36. Les éléments supérieurs 52s s'étendent de préférence sur une hauteur inférieure à la hauteur de la zone active, de préférence inférieure à la hauteur des murs 36. De préférence, les éléments supérieurs 52s ont une même hauteur que les éléments inférieurs. De préférence, la hauteur des éléments supérieurs et inférieurs est inférieure à la moitié de la hauteur de la zone active. L'extrémité supérieure des éléments inférieurs n'atteint donc pas l'extrémité inférieure des éléments supérieurs. Les éléments de diffraction ont par exemple une hauteur inférieure à 280 nm. Les éléments 52s sont de préférence formés durant l'étape de la figure 3D, de préférence après la formation des murs 18.
Le nombre et la forme des éléments de diffraction 52 sont choisis de manière à former un réseau de résonance. La présence d'un réseau de résonance permet d'améliorer les performances de la photodiode. Ainsi, les éléments de diffraction sont de préférence agencés en lignes et ont des directions principales de préférence parallèles et distinctes. De préférence, chaque élément inférieur est séparé de l'élément inférieur voisin par une même distance. De préférence, chaque élément supérieur est séparé de l'élément supérieur voisin par une même distance, par exemple égale à la distance séparant deux éléments inférieurs.
La figure 5A représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un dispositif optoélectronique 60. La figure 5B représente une vue en coupe du mode de réalisation de la figure 5A.
Le dispositif électronique 60 est identique au mode de réalisation des figures 1A et 1B, à l'exception des murs 18, 22, 26 et 36 qui sont respectivement remplacés, dans le mode de réalisation des figures 5A et 5B, par des murs 62, 64, 66 et 68.
Les murs 62, 64 et 66 sont des murs conducteurs, comme décrit précédemment, et sont constitués de la même manière que les murs 18, 22 et 26, c’est-à-dire sont en les même matériaux que les murs 18, 22 et 26, ces matériaux étant agencés de la même manière. Ainsi, les murs 62, 64 et 66 comprennent de préférence un cœur conducteur ou semiconducteur séparé du substrat semiconducteur par une ou plusieurs couches isolantes.
De plus, les murs 62, 64 et 66 effectuent les mêmes fonctions que les murs 18, 22 et 26. Ainsi, les murs 62, 64 et 66 sont des structures capacitives enterrées, dont le cœur conducteur peut être polarisé de manière à générer un champ électrique. De plus, au moins un des matériaux des murs 62, 64 et 66 a un indice optique différent de l'indice optique du matériau de la zone active permettant de réfléchir partiellement les rayonnements dans la zone active.
Le matériau du mur 68 est le même matériau que le mur 36. Ainsi, les murs 68 sont en un ou des matériaux permettant d'isoler optiquement la zone active des zones mémoire et des pixels voisins du pixel 10. Par exemple, les murs 68 sont en des matériaux opaques aux longueurs d'onde des rayonnements de fonctionnement des photodiodes. Autrement dit, les murs 68 sont opaques aux rayonnements pouvant entraîner la génération de charges dans les photodiodes. De préférence, les murs 68 sont en des matériaux réfléchissant les rayonnements ayant pour longueurs d'onde les longueurs d'onde de fonctionnement des photodiodes.
Dans le mode de réalisation des figures 5A et 5B, de préférence, les murs d'isolement optique 68, comme les murs conducteurs 18 des figures 1A et 1B, s'étendent sur toute la hauteur de la zone active. Dans l'exemple des figures 5A et 5B, les murs 68 s'étendent de la couche 15 à la face supérieure de la zone active, c’est-à-dire la face opposée à la face en contact avec la couche 15.
Les murs conducteurs 62, 64, 66, comme les murs 36 des figures 1A et 1B, s'étendent à partir de la face inférieure de la zone active, c’est-à-dire la face en contact avec la couche 15. Les murs 62, 64, 66 s'étendent vers la face supérieure de la zone active, de préférence de manière parallèle aux murs 68. De préférence, les extrémités des murs 62, 64, 66 les plus proches de la face supérieure de la zone active en sont séparées par une portion de la zone active. De préférence, ladite extrémité est séparée de la face supérieure de la zone active par une distance au moins égale à 0,2 µm. De préférence, les murs 62, 64, 66 s'étendent sur au moins 50 % de la hauteur des murs 68, de préférence entre 70 % et 90 % de la hauteur des murs 68. Les murs 68 s'étendant de préférence sur toute la hauteur de la zone active 14, les murs 62, 64, 66 s'étendent de préférence sur une hauteur comprise entre 70 % et 90 % de la hauteur de la zone active. Les murs 62, 64, 66 ont par exemple une hauteur sensiblement égale à 5,6 µm ou 5,7 µm, la zone active, et les murs 68, ayant par exemple une hauteur sensiblement égale à 6 µm.
De plus, la largeur des murs 68, c’est-à-dire la dimension la plus petite en vue de dessus, est inférieure à la largeur des murs 62, 64 et 66.
Le procédé de fabrication du dispositif 60 comprend des étapes similaires aux étapes des figures 3A à 3D. Le procédé de fabrication du dispositif 60 diffère des figures 3A à 3D en ce que, dans l'étape correspondant à la figure 3A, des premières ouvertures dans le masque en regard des emplacements des murs 68 ont des dimensions différentes de deuxièmes ouvertures dans le masque en regard des emplacements des murs 62, 64, 66.
Plus précisément, les largeurs, la largeur correspondant à la dimension la plus faible de chaque ouverture, des premières ouvertures sont plus grandes que les largeurs des deuxièmes ouvertures. Ainsi, pour une même longueur d'ouverture, l'aire de l'ouverture est supérieure dans les premières ouvertures à celle dans les deuxièmes ouvertures.
Comme décrit précédemment, la vitesse de gravure dans le substrat dépend de la taille des ouvertures, et en particulier de la largeur, c’est-à-dire la dimension la plus petite. Plus la surface de gravure, c’est-à-dire l'aire de l'ouverture, est faible, plus la gravure est lente. Ainsi, pour une même durée de gravure, les tranchées correspondant aux murs 68 ont des profondeurs différentes des tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66. Plus précisément, les tranchées correspondant aux murs 68 sont plus profondes que les tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66.
Les dimensions des ouvertures du masque, correspondant sensiblement aux dimensions de l'ouverture des tranchées, sont choisies de telle manière que la différence de profondeur entre les tranchées correspondant aux murs 68 et les tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66 soit suffisante pour qu'il soit possible d'amincir de manière plane le substrat 46 par la face 50, opposée à la face 48, et atteindre le fond de la cavité correspondant aux murs 68, sans atteindre le fond des tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66. Les dimensions des ouvertures du masque peuvent donc dépendre des technologies de gravure utilisées. De préférence, la différence de profondeur entre les tranchées correspondant aux murs 68 et les tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66 est comprise entre 200 nm et 800 nm, de préférence sensiblement égale à 350 nm. Les tranchées correspondant aux murs 68 ont par exemple une profondeur comprise entre 5,2 µm et 5,8 µm. Les tranchées correspondant aux murs 62, 64, 66 ont par exemple une profondeur comprise entre 70 % et 90 % de la hauteur des tranchées 42.
L'étape correspondant à l'étape de la figure 3B diffère de celle-ci en ce que les tranchées sont remplies par les matériaux des murs 62, 64, 66, c’est-à-dire les matériaux des murs conducteurs.
L'étape correspondant à l'étape de la figure 3C diffère de celle-ci en ce que les matériaux des murs 62, 64, 66 sont retirés des tranchées correspondant aux murs 68 par l'extrémité de chaque mur ayant été découverte. Les tranchées correspondant aux murs 68 sont ensuite remplies par les matériaux des murs 68.
Le mode de réalisation des figures 5A et 5B et le mode de réalisation des figures 4A et 4B peuvent être combinés aisément par la personne du métier.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier.
Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (17)

  1. Dispositif optoélectronique comprenant au moins une photodiode, au moins une partie d'une zone active (14) de chaque photodiode étant séparée d'une photodiode voisine par un premier mur (18, 62) comprenant un cœur conducteur et une gaine isolante et par un deuxième mur d'isolement optique (36, 68).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deuxièmes murs (36, 68) ont une hauteur inférieure à la hauteur des premiers murs (18, 62).
  3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premiers murs (36, 68) ont une hauteur inférieure à la hauteur des deuxièmes murs (18, 62).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les deuxièmes murs (36, 68) sont situés dans la zone active (14).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premiers murs (18, 62) séparent la zone active (14) d'une zone mémoire (16).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les premiers murs (18, 62) comprennent un cœur en un matériau conducteur ou semiconducteur et une couche externe en un matériau isolant électriquement.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les deuxièmes murs (36, 68) sont en des matériaux réfléchissant les rayonnements ayant une longueur d'onde dans la gamme de fonctionnement de la ou des photodiodes.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le dispositif comprenant un élément de diffraction (32) dans la zone active.
  9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'élément de diffraction est une boîte de résonance comprenant des premiers éléments (52i) s'étendant dans la zone active depuis la première face et des deuxièmes éléments (52s) s'étendant dans la zone active depuis la deuxième face.
  10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les premiers éléments (52i) sont formés par le procédé de formation des deuxièmes murs (36, 68).
  11. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant la formation d'au moins une photodiode, et la formation, dans une zone active (14) de chaque photodiode, d'un premier mur conducteur (18, 62) et d'un deuxième mur d'isolement optique (36, 68) séparant au moins une partie de la zone active d'une photodiode voisine.
  12. Procédé selon la revendication 11 appliqué à la fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
  13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, le procédé comprenant la formation simultanée de premières tranchées (42) dans un substrat (46), par une première face (48) du substrat, aux emplacements des premiers murs (18, 62) et de deuxièmes tranchées (44) dans le substrat, par la première face du substrat, aux emplacements des deuxième murs (36, 68).
  14. Procédé selon la revendication 13, comprenant le remplissage des premières (42) et deuxièmes (44) tranchées par les mêmes matériaux, lesdits matériaux étant les matériaux destinés à former l'un parmi les premiers (18, 62) et les deuxièmes murs (36, 68).
  15. Procédé selon la revendication 14, comprenant l'amincissement du substrat (46), par une deuxième face (50) du substrat, opposée à la première face, de manière à découvrir une extrémité des premières ou deuxièmes tranchées (42), l'amincissement étant arrêté avant de découvrir des extrémités des tranchées (44) dont les matériaux remplissent les tranchées.
  16. Procédé selon la revendication 15, comprenant le retrait d'au moins une partie des matériaux dans les tranchées (42) découvertes et le remplissage desdites tranchées par le matériau dudit un parmi les premiers et deuxièmes murs (36, 68).
  17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel les matériaux sont entièrement retirés à l'exception d'une couche externe en un matériau isolant électriquement.
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