FR3116649A1 - Pixel à isolation optique enterrée - Google Patents
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Abstract
L’invention propose un capteur d’image comprenant une face de réception de lumière (Fa) et, dans un substrat (100), une région de conversion photoélectrique (PD) apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face de réception de lumière (Fa), une région de stockage (SN) apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique et un élément d’isolation optique de la région de stockage. L’élément d’isolation optique (60) est enterré dans le substrat entre la face de réception de lumière et la région de stockage.
Figure pour l’abrégé : Figure 4.
Description
Le domaine de l’invention est celui des capteurs d’images comprenant, dans un substrat semiconducteur, une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis une face de réception de lumière du substrat et une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique. L’invention porte plus particulièrement sur l’isolation optique de la région de stockage afin de minimiser sa sensibilité à la lumière parasite et d’en améliorer les performances. Elle trouve notamment application pour les capteurs d’images éclairés par la face arrière (BSI pour « Back Side Illumination »).
Certaines architectures de pixels pour l’imagerie comprennent une photodiode juxtaposée à une région de stockage de charges (ou point mémoire) destinée à stocker temporairement l’information en provenance de la photodiode. Cette région de stockage est une région sensible qui doit notamment être protégée de la lumière.
Dans un capteur dit à obturation globale (« global shutter » en anglais), c'est-à-dire dans lequel tous les pixels du capteur sont exposés simultanément, il faut maintenir l’information des pixels dans des points mémoires, en charge ou en tension, pendant le temps de lecture des pixels. En général, ce temps correspond au temps de lecture de la matrice de pixels, si cette dernière est totalement lue. Pendant ce temps, le point mémoire ne doit pas être perturbé par la lumière.
Dans un capteur de profondeur fonctionnant selon le principe du temps de vol indirect iTOF (pour « indirect Time Of Flight »), plusieurs points mémoires sont intégrés dans le pixel afin d’accumuler pendant le temps d’intégration les charges correspondantes à deux échantillons. Afin de remonter avec précision à l’information de profondeur, les deux échantillons intégrés dans deux capacités ne doivent pas être perturbés par la lumière arrivant en direct pendant les phases d’intégration et de lecture.
On a représenté sur la une vue en coupe d’un pixel formé dans un substrat 1 de silicium dopé P qui est éclairé par sa face arrière Fa. Le pixel comprend, dans le substrat 1, une région de conversion photoélectrique PD apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face arrière Fa et une région de stockage SN apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique. Le pixel comprend ainsi un dispositif permettant de transférer les charges de la région de conversion photoélectrique PD vers la région de stockage SN, par exemple sous la forme d’une grille de transfert GT.
La région de conversion photoélectrique PD comprend un caisson 2 dopé N et une couche 3 dopée P en surface du caisson 2. La région de stockage SN comprend une jonction p-n constituée par un puits 4 dopé P (Pwell) au sein duquel on trouve une couche fortement dopée N faisant office de nœud de lecture 5. Dans cet exemple de réalisation, le pixel est du type en tension et le stockage de la charge s’opère au sein d’une capacité CSNintégrée au circuit de lecture du pixel.
Comme on le constate de la , la jonction p-n de la région de stockage SN est susceptible de recevoir de la lumière depuis la face arrière. L’absorption de cette lumière conduit à une accumulation de charges parasites dans la zone de stockage. Ces charges parasites correspondent à un instant d’intégration postérieur à celui auquel les charges stockées dans la zone de stockage ont été intégrées par la photodiode. L’information mémorisée dans la zone de stockage est alors faussée par cet apport parasite supplémentaire, ce qui engendre du bruit et dégrade les performances du capteur d’image.
Afin de minimiser la lumière arrivant sur un point mémoire, et comme représenté sur la , il est possible de venir déposer un masque optique MO sur la face de réception de la lumière du pixel. Ce masque optique MO permet aux rayons lumineux entrants par l’intermédiaire d’une microlentille L dans le volume du pixel de ne pas atteindre le point mémoire PM, à tout le moins lorsque le masque n’est pas trop éloigné du point mémoire à protéger. Comme proposé par exemple dans les documents EP 3 016 141 A1 et US 2020/0013825 A1 et représenté schématiquement sur la , ce masque MO peut par ailleurs être associé à une tranchée d’isolation optique TO pratiquée entre la région de conversion photoélectrique et la région de stockage, cette tranchée TO s’étendant verticalement dans le substrat depuis la face arrière.
Le masquage en face arrière s’avère ainsi efficace lorsque le pixel présente un pas de 3,6µm qui se traduit par une épaisseur du substrat de l’ordre de 3µm. Toutefois, le pas pixel est de plus en plus petit dans le cadre des technologies global-shutter et iTOF, typiquement inférieur à 1,5µm. On observe par ailleurs pour des applications de détection dans le proche infrarouge (par exemple à une longueur d’onde de 950nm) une faible efficacité quantique qui nécessite d’avoir recours à un substrat plus épais, typiquement une épaisseur de plus de 6µm. Comme représenté sur la , le masquage devient inefficace puisque des rayons lumineux sont alors susceptibles d’atteindre le point mémoire PM. L’ouverture en face arrière laissée par le masque, proche d’une longueur d’onde du proche infrarouge, engendre par ailleurs une forte diffraction qui se traduit par une augmentation de la diaphonie et de la sensibilité à la lumière parasite. Enfin, la tranchée d’isolation optique devient difficilement intégrable avec un pas pixel si petit et une épaisseur de substrat si importante.
L’invention a pour objectif de minimiser la capture de lumière parasite par un point mémoire d’un capteur d’image, notamment un capteur doté de pixels de petite géométrie.
A cet effet, l’invention propose un capteur d’image comprenant dans un substrat :
- une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis une face de réception de lumière du substrat,
- une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique, et
- un élément d’isolation optique de la région de stockage.
- une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis une face de réception de lumière du substrat,
- une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique, et
- un élément d’isolation optique de la région de stockage.
L’élément d’isolation optique est enterré dans le substrat entre la face de réception de lumière et la région de stockage et s’étend parallèlement à la face de réception de lumière.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce capteur d’image sont les suivants :
l’élément d’isolation optique est distant de 350nm à 1µm d’une face du substrat opposée à la face de réception de lumière ;
l’élément d’isolation optique est recouvert d’une zone de passivation ;
l’élément d’isolation optique est une cavité d’air agencée dans l’épaisseur du substrat ;
la cavité d’air présente une épaisseur telle que ladite cavité forme une couche quart d’onde pour une longueur d’onde du proche infrarouge ;
l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un ou plusieurs matériaux diélectriques ;
la cavité est remplie d’un multicouche de matériaux diélectriques ;
le multicouche comprend deux couches de SiO2 prenant en sandwich une couche de SiN ;
l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un matériau optiquement absorbant dans le proche infrarouge ;
le substrat présente un gradient de dopage.
l’élément d’isolation optique est distant de 350nm à 1µm d’une face du substrat opposée à la face de réception de lumière ;
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le multicouche comprend deux couches de SiO2 prenant en sandwich une couche de SiN ;
l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un matériau optiquement absorbant dans le proche infrarouge ;
le substrat présente un gradient de dopage.
L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un capteur d’image comprenant une face de réception de lumière, comprenant les étapes suivantes :
- report d’un premier substrat sur une face de collage d’un deuxième substrat dans laquelle est pratiquée une cavité, ledit report venant sceller la cavité,
- formation d’une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face de réception de lumière et une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique, ladite région de stockage étant agencée de manière à ce que la cavité scellée soit interposée entre la face de réception de lumière et la région de stockage formant ainsi un élément d’isolation optique de la région de stockage.
- report d’un premier substrat sur une face de collage d’un deuxième substrat dans laquelle est pratiquée une cavité, ledit report venant sceller la cavité,
- formation d’une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face de réception de lumière et une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique, ladite région de stockage étant agencée de manière à ce que la cavité scellée soit interposée entre la face de réception de lumière et la région de stockage formant ainsi un élément d’isolation optique de la région de stockage.
Ce procédé comprend, entre les étapes de report et de formation, une étape de retrait du premier substrat à l’exception d’une zone de scellement de la cavité.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce capteur d’image sont les suivants :
Il comprend, suite à l’étape de retrait et avant l’étape de formation, une étape de reprise d’épitaxie sur le deuxième substrat ;
Il comprend avant l’étape de report une étape d’implantation de dopants dans la cavité et de diffusion desdits dopants pour former une zone de passivation ;
Il comprend la formation d’un gradient de dopage entre le premier et le deuxième substrat.
Il comprend, suite à l’étape de retrait et avant l’étape de formation, une étape de reprise d’épitaxie sur le deuxième substrat ;
Il comprend avant l’étape de report une étape d’implantation de dopants dans la cavité et de diffusion desdits dopants pour former une zone de passivation ;
Il comprend la formation d’un gradient de dopage entre le premier et le deuxième substrat.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
L’invention porte sur un capteur d’image typiquement doté d’une pluralité de pixels agencés dans et sur un même substrat semiconducteur, par exemple selon un agencement matriciel. Le capteur d’image comprend une face de réception de lumière, qui peut être la face arrière du substrat.
La représente un exemple d’un pixel 100 d’un tel capteur d’image réalisé dans et sur un substrat 10 de silicium dopé P qui est éclairé par sa face arrière Fa. Le pixel peut être isolé des pixels voisins par des tranchées d’isolation TI, par exemple des tranchées d’isolation profonde capacitives (CDTI pour « Capacitive Deep Trench Isolation » en anglais).
Le pixel 100 comprend, dans le substrat 10, une région de conversion photoélectrique PD apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face arrière Fa du substrat 10 et une région de stockage SN apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique. Le pixel comprend par ailleurs un dispositif permettant de transférer des charges de la région de conversion photoélectrique PD vers la région de stockage, par exemple sous la forme d’une grille de transfert GT.
La région de stockage SN est constituée d’au moins une jonction p-n. Le pixel peut être du type en tension avec un stockage de la charge qui s’opère au sein d’une capacité intégrée au circuit de lecture du pixel, le stockage et la lecture de la charge s’opérant ainsi dans une même région. Alternativement, comme c’est le cas dans les documents EP 3 016 141 A1 et US 2020/0013825 A1 mentionnés précédemment, le pixel peut être du type en charge avec un stockage de la charge qui s’opère au sein d’une capacité intermédiaire entre la région de conversion photoélectrique et la région de lecture, la région de stockage formant ainsi une région intermédiaire entre la région de conversion photoélectrique et la région de lecture.
La région de conversion photoélectrique PD comprend un caisson 20 dopé N et une couche 30 dopée P en surface du caisson 20. La région de stockage SN comprend une jonction p-n constitué par un puits 40 dopé P (Pwell) au sein duquel on trouve une couche fortement dopée N faisant office de nœud de lecture 50. Dans cet exemple de réalisation, le pixel est du type en tension et le stockage de la charge s’opère au sein d’une capacité CSNintégrée au circuit de lecture du pixel.
Le pixel 100 selon l’invention comprend par ailleurs dans le substrat un élément 60 d’isolation optique de la région de stockage SN qui s’étend parallèlement à la face arrière. Cet élément d’isolation optique 60 est plus particulièrement enterré dans le substrat 10 entre la face de réception de lumière Fa et la région de stockage SN.
Il fait ainsi barrage à la lumière pour éviter qu’elle n’atteigne la région de stockage et y génère des charges parasites. Il prend typiquement la forme d’une barrière horizontale parallèle à la face arrière Fa et qui est agencée sous la région de stockage SN dans une direction allant de la face avant vers la face arrière.
Cette barrière peut être distante d’au moins 3µm, de préférence d’au moins 5µm, de la face arrière Fa. Considérant une épaisseur de substrat 10 de 6µm, la barrière est de préférence distante d’au moins 5,5µm de la face arrière Fa.
La région de stockage SN présente typiquement une épaisseur de l’ordre de 200 à 300 nm. De manière à ce que la barrière ne vienne pas impacter les zones dopées formant la région de stockage, celle-ci est de préférence distante de 350nm à 1µm de la face avant du substrat opposée à la face arrière Fa, par exemple à 400nm. Par ailleurs, la barrière vient de préférence recouvrir complétement la région de stockage en tenant compte des effets d’alignement, un dépassement de 100nm restant acceptable.
On notera ici que le pixel peut comporter plusieurs jonctions en lien avec une pluralité de régions de stockage qui nécessitent d’être protégées de la lumière parasite. L’empreinte de l’élément d’isolation optique enterré pourra être adaptée en conséquence pour assurer cette protection. Alternativement, le pixel pourra comprendre une pluralité d’éléments d’isolation optique enterrés.
L’élément d’isolation optique enterré 30 prend typiquement la forme d’une cavité formée dans l’épaisseur du substrat 1 et qui est laissée à l’air ou remplie d’un ou plusieurs matériaux. Dans une réalisation possible, la cavité n’est pas remplie par un ou plusieurs métaux. L’isolation optique de la zone de stockage réalisée au moyen de cet élément peut agir en réflexion de la lumière et/ou en absorption de celle-ci.
Dans un exemple de réalisation, l’élément d’isolation optique 60 est ainsi une cavité d’air agencée dans l’épaisseur du substrat 10. Dans un autre exemple de réalisation, l’élément d’isolation optique 30 est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un ou plusieurs matériaux diélectriques (oxyde, nitrure). La cavité peut par exemple être remplie d’un multicouche de matériaux diélectriques, comme par exemple un multicouche comprenant une couche de SiN prise en sandwich par deux couches de SiO2.
L’épaisseur de la cavité d’air ou l’épaisseur de la ou des couches de matériaux remplissant la cavité peut être optimisée pour maximiser la réflexion de la lumière à une longueur d’onde donnée, typiquement à une longueur d’onde du proche infrarouge, par exemple à 940nm. La cavité d’air peut ainsi présenter une épaisseur telle que ladite cavité forme une couche quart d’onde pour une longueur d’onde du proche infrarouge, par exemple une épaisseur de 235nm pour maximiser la réflexion à 940nm. Dans le même objectif, une couche diélectrique dans la cavité peut elle aussi venir former une couche quart d’onde, avec par exemple une épaisseur de 120nm pour une couche de SiO2 ou une épaisseur de 170nm pour une couche de SiN pour maximiser la réflexion à 940nm.
Dans un autre exemple de réalisation, l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un matériau optiquement absorbant dans une gamme de longueurs d’ondes d’intérêt, par exemple dans le proche infrarouge. Le matériau optiquement absorbant est par exemple du germanium.
Outre qu’elle permet de s’affranchir du masque en face arrière MO et de la tranchée d’isolation optique latérale TO tout en assurant un masquage efficace y compris pour les pixels les plus petits, l’isolation optique proposée par l’invention présente également l’avantage d’augmenter le volume utile d’absorption dans la région de conversion photoélectrique PD. On a ainsi représenté sur la un masquage classique d’un point mémoire PM au moyen du masque en face arrière MO et de la tranchée d’isolation optique latérale TO. A titre de comparaison, on a représenté sur la le masquage d’un point mémoire conformément à l’invention avec l’élément d’isolation optique enterré 60. On constate que le volume utile à la capture des photons, délimité par des pointillés sur ces figures 5 et 6, est plus important avec l’invention. Il en découle une augmentation du rapport signal à bruit, d’autant plus utile pour les applications dans le proche infrarouge (850-940nm) où l’efficacité quantique des imageurs est faible. L’isolation optique préconisée par l’invention s’avère également avantageuse pour le positionnement de la microlentille (centrée) et s’accompagne en outre d’une plus grande ouverture en entrée de pixel qui se traduit par une réduction de la diffraction et de la diaphonie.
Des simulations optiques 1D ont été réalisées pour vérifier l’intérêt de l’élément optique enterré de l’invention dans un pixel disposant d’une épaisseur de 6µm de Si et un élément optique enterré sous 5,5µm de Si. On a représenté sur la le taux de transmission T de la lumière jusqu’à la région de stockage en fonction de la longueur d’onde λ (en nm). Sur cette figure :
- la courbe Cref représente le taux de transmission en l’absence de l’élément d’isolation optique de l’invention (i.e. à travers 6 µm de Si) ;
- la courbe Cair représente le taux de transmission à travers une cavité d’air de 235nm d’épaisseur ;
- la courbe Cd1 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie de SiO2 de 120 nm d’épaisseur ;
- la courbe Cd2 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) ;
- la courbe Cd3 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) / SiO2 (170 nm d’épaisseur) ;
- la courbe Cd4 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) / SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur).
- la courbe Cref représente le taux de transmission en l’absence de l’élément d’isolation optique de l’invention (i.e. à travers 6 µm de Si) ;
- la courbe Cair représente le taux de transmission à travers une cavité d’air de 235nm d’épaisseur ;
- la courbe Cd1 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie de SiO2 de 120 nm d’épaisseur ;
- la courbe Cd2 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) ;
- la courbe Cd3 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) / SiO2 (170 nm d’épaisseur) ;
- la courbe Cd4 représente le taux de transmission à travers une cavité remplie d’un multicouche SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur) / SiO2 (170 nm d’épaisseur) / SiN (120nm d’épaisseur).
Ces simulations montrent une absorption dans le silicium dans le domaine du visible (typiquement pour une longueur d’onde inférieure à 700nm) suffisamment forte pour que la lumière ne parvienne pas jusqu’à l’élément d’isolation optique. Elles montrent également une importante transmission dans le silicium dans le domaine du proche infrarouge (courbe Cref) tandis que l’élément d’isolation optique selon l’invention permet, dans le proche infrarouge, de réduire de 40 à 60% le flux lumineux atteignant la région de stockage. Ces simulations montrent que le remplissage oxyde est peu performant (courbe Cd1) et qu’il est préférable de constituer une cavité vide (air) ou remplie d’un multicouche.
On décrit dans ce qui suit différentes variantes d’un procédé de fabrication d’un capteur d’image selon l’invention.
En référence à la , ce procédé débute par une étape de fourniture d’un premier substrat 110 et d’un deuxième substrat 120, par exemple des substrats de silicium. En référence à la , ce procédé se poursuit par une étape (E1) de formation, par exemple par photolithogravure, d’une cavité 60 sur une face dite de collage 130 du deuxième substrat et, le cas échéant, de remplissage de cette cavité.
Le procédé comprend ensuite une étape (E2) de report du premier substrat 110 sur la face de collage 130 du deuxième substrat 120 dans laquelle est pratiquée la cavité, ledit report venant sceller la cavité. Ce report peut s’opérer par collage moléculaire silicium sur silicium, sans contrainte de positionnement précis. Ce report peut être précédé d’une étape d’implantation de dopants dans la cavité et de diffusion desdits dopants pour former une zone de passivation 70 représentée sur la qui, en venant passiver les bords de la cavité, permet de minimiser le courant d’obscurité.
Il est ensuite procédé lors d’une étape (E3) à l’amincissement du premier substrat pour n’en conserver qu’une couche mince 140 d’épaisseur typiquement inférieure à 2µm.
Dans une première variante de réalisation, le procédé se poursuit directement avec le procédé CMOS de formation des pixels du capteur d’image. Ce procédé comprend ainsi la formation d’une région de conversion photoélectrique apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis une face de réception de lumière et une région de stockage apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique. La région de stockage est agencée de manière à ce que la cavité scellée 60 soit interposée entre une face de réception de lumière (en l’occurrence la face arrière du deuxième substrat, opposée à la face de collage) et la région de stockage, la cavité scellée formant ainsi un élément d’isolation optique de la région de stockage.
Dans le cadre de cette première variante, un certain nombre d’imperfections sont susceptibles de se produire au niveau de l’interface du collage entre le premier substrat aminci et le deuxième substrat, comme par exemple une légère courbure des bandes au niveau du silicium qui pourrait contrarier la collection des porteurs par la photodiode.
Comme représenté sur la , un moyen de remédier dans une certaine mesure à cette éventuelle problématique consiste à jouer sur les dopages des substrats silicium afin de créer un gradient de potentiel favorable à la collection des porteurs. Un gradient de dopage peut ainsi être réalisé de part et d’autre de l’interface de collage en prévoyant un niveau de dopage P3 du premier substrat reporté plus faible que le niveau de dopage P2 du deuxième substrat dans laquelle la cavité est réalisée. Il est également possible de réaliser un gradient de dopage dans le deuxième substrat avec un niveau de dopage P1 du côté de la face arrière telle que P1<P2<P3. On relèvera que la création de ce gradient de dopage perpendiculaire à un plan interceptant l’élément d’isolation optique n’est pas exclusive de la première variante mais peut également être réalisé dans le cadre des variantes décrites ci-après.
Dans une deuxième et une troisième variante, suite à l’étape d’amincissement (E3) le procédé se poursuit avec une étape (E4) de retrait, par exemple par photolithogravure, de la couche mince 140 issue de l’amincissement du premier substrat à l’exception d’une zone de scellement 80 de la cavité 60. L’interface de collage entre les premier et deuxième substrats est ainsi supprimée ce qui permet de ne pas être pénalisé par les imperfections de celle-ci.
Dans la deuxième variante, le procédé se poursuit directement après l’étape (E4) avec le procédé CMOS de formation des pixels du capteur d’image. Comme représenté sur la , dans ce cas la grille de transfert GT de la région de conversion photoélectrique vers la région de stockage est à cheval sur le deuxième substrat 120 et sur la zone de scellement 80 de la cavité 60 reportée sur le deuxième substrat.
Dans cette deuxième variante, une partie de l’interface de collage subsiste sous la grille. Il est possible de venir créer un champ électrique plus important pour faciliter le passage des charges vers la région de stockage en jouant localement sur les potentiels et dopages.
Dans la troisième variante, le procédé se poursuit après l’étape (E4) par une étape (E5) permettant de mettre à plat le substrat, cette étape comprenant une reprise d’épitaxie et une élimination d’une surépaisseur présente au niveau de la zone de scellement. Cette étape (E5) se poursuit avec le process CMOS de formation des pixels du capteur d’image. Dans ce cas la grille de transfert peut être plane.
L’invention s’étend aux pixels utilisant les technologies d’empilement 3D pour lesquels la détection est réalisée sur un premier substrat et la lecture est réalisée sur un second substrat. Dans un tel cas de figure, le point mémoire peut être en partie positionné sur le second substrat, notamment afin de minimiser la taille du point mémoire à protéger de la lumière sur le premier substrat tout en disposant d’une capacité de stockage dont la valeur peut être ajustée sur le second substrat. La partie du point mémoire située sur le second substrat peut être masquée classiquement par exemple par un écran métallique. La partie du point mémoire qui subsiste sur le premier substrat est constituée par la jonction p-n qui peut être protégée de la lumière par l’élément d’isolation optique enterré proposé par l’invention.
Claims (15)
- Capteur d’image comprenant dans un substrat (100) une région de conversion photoélectrique (PD) apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis une face de réception de lumière (Fa) du substrat, une région de stockage (SN) apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique et un élément d’isolation optique de la région de stockage,
caractérisé en ce que l’élément d’isolation optique (60) est enterré dans le substrat entre la face de réception de lumière (Fa) et la région de stockage (SN) et s’étend parallèlement à la face de réception de lumière. - Capteur d’image selon la revendication 1, dans lequel l’élément d’isolation optique (60) est distant de 350nm à 1µm d’une face du substrat opposée à la face de réception de lumière.
- Capteur d’image selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel l’élément d’isolation optique (60) est recouvert d’une zone de passivation (70).
- Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément d’isolation optique est une cavité d’air agencée dans l’épaisseur du substrat.
- Capteur d’image selon la revendication 4, dans lequel la cavité d’air présente une épaisseur telle que ladite cavité forme une couche quart d’onde pour une longueur d’onde du proche infrarouge.
- Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un ou plusieurs matériaux diélectriques.
- Capteur d’image selon la revendication 6, dans lequel la cavité est remplie d’un multicouche de matériaux diélectriques.
- Capteur d’image selon la revendication 7, dans lequel le multicouche comprend deux couches de SiO2 prenant en sandwich une couche de SiN.
- Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément d’isolation optique est une cavité agencée dans l’épaisseur du substrat qui est remplie d’un matériau optiquement absorbant dans le proche infrarouge.
- Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat présente un gradient de dopage.
- Procédé de fabrication d’un capteur d’image comprenant une face de réception de
lumière (Fa), comprenant les étapes suivantes :
report (E2) d’un premier substrat (110) sur une face de collage (130) d’un deuxième substrat (120) dans laquelle est pratiquée une cavité (60), ledit report venant sceller la cavité,
formation d’une région de conversion photoélectrique (PD) apte à convertir en une charge une lumière reçue depuis la face de réception de lumière et une région de stockage (SN) apte à stocker une charge transférée depuis la région de conversion photoélectrique, ladite région de stockage étant agencée de manière à ce que la cavité scellée soit interposée entre la face de réception de lumière et la région de stockage formant ainsi un élément d’isolation optique de la région de stockage. - Procédé selon la revendication 11, comprenant, entre les étapes de report et de formation, une étape de retrait (E4) du premier substrat à l’exception d’une zone de scellement (80) de la cavité.
- Procédé selon la revendication 12, comprenant, suite à l’étape de retrait (E4) et avant l’étape de formation, une étape (E5) de reprise d’épitaxie sur le deuxième substrat.
- Procédé selon la revendication 11, comprenant avant l’étape de report une étape d’implantation de dopants dans la cavité et de diffusion desdits dopants pour former une zone de passivation (70).
- Procédé selon la revendication 11, comprenant la formation d’un gradient de dopage entre le premier et le deuxième substrat.
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|---|---|---|---|---|
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| EP3432358A1 (fr) * | 2016-03-15 | 2019-01-23 | Sony Corporation | Élément imageur à semi-conducteurs et dispositif électronique |
| US20200013825A1 (en) | 2017-03-22 | 2020-01-09 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Imaging device and electronic device |
| US20200204753A1 (en) * | 2017-05-24 | 2020-06-25 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Solid-state imaging device and electronic device |
| WO2019240207A1 (fr) * | 2018-06-15 | 2019-12-19 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Dispositif d'imagerie et son procédé de fabrication, et appareil électronique |
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