WO2023110412A1 - Capteur d'images visibles et infrarouges et procédé de fabrication d'un tel capteur - Google Patents

Capteur d'images visibles et infrarouges et procédé de fabrication d'un tel capteur Download PDF

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WO2023110412A1
WO2023110412A1 PCT/EP2022/083961 EP2022083961W WO2023110412A1 WO 2023110412 A1 WO2023110412 A1 WO 2023110412A1 EP 2022083961 W EP2022083961 W EP 2022083961W WO 2023110412 A1 WO2023110412 A1 WO 2023110412A1
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layer
active layer
active
infrared
visible
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PCT/EP2022/083961
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Sébastien Becker
Abdelkader Aliane
Jerôme VAILLANT
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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Definitions

  • TITLE Visible and infrared image sensor and process for manufacturing such a sensor
  • the present application relates to the field of image acquisition devices, and, more particularly, image acquisition devices adapted to acquire, simultaneously or successively, a visible image and an infrared image of a scene , for example for applications requiring the acquisition, simultaneously or successively, of a visible two-dimensional (2D) image of a scene and of a depth map of this same scene.
  • image acquisition devices adapted to acquire, simultaneously or successively, a visible image and an infrared image of a scene , for example for applications requiring the acquisition, simultaneously or successively, of a visible two-dimensional (2D) image of a scene and of a depth map of this same scene.
  • Patent applications US2019191067 and US2021305206 previously filed by the applicant, describe examples of devices comprising a superimposed visible image sensor and an infrared image sensor.
  • patent application FR2105161 filed on May 18, 2021 and entitled "Process for manufacturing an optoelectronic device” describes, in relation to its figures 10A to 10D, an example of a process for manufacturing a device comprising a visible detector and an infrared detector superimposed.
  • One embodiment provides visible and infrared image sensor, comprising:
  • a second active layer for detecting infrared radiation in which a plurality of infrared detection pixels are defined, in which the second active layer defines a vertical resonant cavity for said infrared radiation, the sensor further comprising, on the side of the face of the second active layer opposite the first active layer, an integrated control circuit superimposed on the first and second active layers.
  • the first active layer and the second active layer are separated by an interface layer.
  • the interface layer has a thickness of between 10 and 800 nm.
  • the interface layer is non-metallic.
  • the interface layer is made of silicon oxide.
  • the interface layer comprises alternating first regions made of a dielectric material and second regions made of a semiconductor or metallic material.
  • the first active layer is made of silicon.
  • the second active layer is made of an inorganic semiconductor material.
  • the second active layer is made of germanium or silicon.
  • the senor comprises a reflective layer, for example made of a doped semiconductor material, on the side of the face of the second active layer opposite the first active layer.
  • the infrared radiation is radiation with a wavelength of between 900 nm and 2 ⁇ m.
  • Another embodiment provides a method for manufacturing a visible and infrared image sensor, comprising the following steps: a) providing a first active layer for detecting visible radiation in which a plurality of visible detection pixels; b) fixing, by direct bonding, on the first active layer, a second active layer for detecting infrared radiation; and c) defining a plurality of infrared detection pixels in the second active layer, wherein the second active layer defines a vertical resonant cavity for said infrared radiation, the method further comprising, after step c), a transfer step and fixing a silicon layer, by direct bonding, on the second active layer, then forming MOS transistors in said silicon layer.
  • FIGS. 1A to 1K are cross-sectional views illustrating steps of an example of a method of manufacturing a visible and infrared image sensor
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the evolution of the reflection of infrared radiation as a function of the thickness of an interface layer in an example of a sensor of the type produced by the method of FIGS. IA to 1K ;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the evolution of the reflection of infrared radiation as a function of the thickness of an interface layer in another example of a sensor of the type produced by the method of FIGS. 1K;
  • Figure 4 is a sectional view illustrating an alternative embodiment of a visible and infrared image sensor. Description of embodiments
  • FIGS. 1A to 1K are cross-sectional views illustrating steps of an example of a method of manufacturing a visible and infrared image sensor.
  • FIG. 1A very schematically illustrates a first structure comprising an active visible detection layer 101, in which are defined a plurality of pixels VP for detecting visible radiation, for example arranged in a matrix arrangement.
  • Layer 101 is made of a semiconductor material, for example monocrystalline silicon.
  • the layer 101 is for example the upper semiconductor layer of a stack of the SOI (Silicon On Insulator) type.
  • the SOI stack comprises an electrically insulating layer 102, for example of silicon oxide, in contact, by its upper face, with the lower face of the layer 101, and a support layer 103, for example of silicon, in contact, by its upper face, with the lower face of the insulating layer 102.
  • the thickness of the active layer 101 is for example between 2 and 10 ⁇ m, for example of the order of 4 ⁇ m.
  • Each pixel VP comprises an active part formed in and on the active layer 101.
  • the active part comprises for example a photodiode (not detailed in the figure) and a read node SN formed on the side of the upper face of the layer 101.
  • the active part of each pixel VP further comprises for example a transfer gate TG, vertical or planar, making it possible to activate the transfer of the photo-generated electric charges from the photodiode to the read node SN.
  • the active part of each VP pixel may optionally include one or more transistors additional, not detailed.
  • the various elements constituting the active part of each pixel VP will not be detailed further, the embodiments described being compatible with all or most of the known structures of photo-detection pixels, for example with one or more transistors.
  • the active parts of the VP pixels are laterally separated from each other by trenches or insulation walls 105 extending vertically through the active layer 101, for example over the entire thickness of the layer. 101.
  • the trenches 105 are for example capacitive isolation trenches, for example of the CDTI (Capacitive Deep Trench Isolation) type, each comprising a core or central wall made of a material electrically conductive, for example doped polycrystalline silicon, and a side coating of an electrically insulating material, for example silicon oxide.
  • CDTI Capacitive Deep Trench Isolation
  • the trenches 105 are insulating trenches entirely filled with a dielectric material, for example silicon oxide, for example trenches of the DTI type (from the English "Deep Trench Isolation" - trenches deep insulation) .
  • the isolation trenches 105 are for example formed from the upper face of the active layer 101.
  • the active parts of the pixels VP are for example all identical, except for manufacturing dispersions.
  • the active layer 101 is coated with a passivation layer 107 of an electrically insulating material, for example silicon oxide.
  • the layer 107 extends for example continuously over the entire surface of the structure.
  • the layer 107 is for example made of contact, by its lower face, with the upper face of the active layer 101.
  • FIG. 1B illustrates a second structure comprising an active infrared detection layer 111.
  • layer 111 is placed on and in contact with the upper face of a support substrate 113.
  • the active layer 111 comprises a material that absorbs infrared radiation intended to be detected by the sensor, for example radiation emitted by an infrared source of an acquisition system comprising the visible and infrared image sensor, for example radiation with a wavelength of between 900 nm and 2 ⁇ m, for example radiation with a wavelength of around 940 nm or radiation with a wavelength of around 1.4 ⁇ m.
  • the active layer 111 is for example germanium.
  • the active layer 111 is for example formed by epitaxy on and in contact with the upper face of the support substrate 113.
  • the substrate 113 is for example made of silicon.
  • the active layer 111 is a single layer of an inorganic semiconductor material.
  • layer 111 can be formed by a stack of several semiconductor layers having different levels and/or types of doping.
  • the active layer 111 is coated with a passivation layer 115 of an electrically insulating material, for example the same material as the layer 107 ( Figure IA), for example silicon oxide.
  • the layer 115 extends for example continuously over the entire surface of the structure.
  • the layer 115 is for example in contact, by its lower face, with the upper face of the active layer 111.
  • FIG. IC illustrates the structure obtained at the end of a step of transferring and fixing the structure of FIG. IB onto the structure of FIG. IA, then of removing the substrate 113.
  • the structure of figure IB is fixed by direct bonding (also called molecular bonding) full plate of the lower face (in the orientation of figure IC, corresponding to the upper face in the orientation of figure IB) of the dielectric layer 115, on the upper side (in the orientation of Figure IC, corresponding to the upper side in the orientation of Figure IA) of layer 107.
  • direct bonding also called molecular bonding
  • the substrate 113 is then removed so as to expose the upper face (in the orientation of FIG. 1C) of the active infrared detection layer 111.
  • the active layer 111 extends continuously and with a substantially uniform thickness over the entire top surface of the underlying visible sensing structure.
  • FIG. 1D illustrates the structure obtained at the end of steps for forming infrared detectors respectively defining a plurality of infrared detection pixels IRP in the active layer 111, for example arranged in a matrix arrangement.
  • the formation of the infrared detectors of the IRP pixels comprises for example one or more steps of implantation on the side of the upper face of the layer 111.
  • the infrared detectors of the device can be of different types depending on the type of infrared detection that is desired. realize.
  • infrared detectors are conventional photodiodes for measuring an infrared flux.
  • the infrared detectors are current-assisted photonic demodulators (CAPD - from the English “Current Assisted Photonic Demodulator”), for example of the type described in the article entitled “Design and Characterization of Current- Assisted Photonic Demodulators in 0.18-pm CMOS Technology” by Gian-Franco Dalla Betta et al., to measure modulation of an infrared signal in order to trace depth information, or any other type of photodetector.
  • CPD Current Assisted Photonic Demodulators
  • the different elements constituting the IRP infrared detection pixels will not be detailed further, the embodiments described being compatible with all or most of the known structures of infrared detection pixels.
  • the IRP infrared detection pixels are for example aligned with respect to the visible detection pixels VP
  • the pitch (center-to-center distance between two neighboring pixels) of the IRP pixel array may be different from the pitch of the VP pixel array.
  • the pitch of the IRP pixel array is equal to the twice (in the direction of the rows and in the direction of the columns) the pitch of the pixel array VP.
  • passivation layer 117 for example made of an electrically insulating material, for example silicon oxide.
  • Layer 117 is for example in contact, by its lower face, with the upper face of active layer 111.
  • passivation layer 117 comprises a stack, not detailed in the figure, comprising a layer of silicon, not shown, for example a few nanometers thick, for example from 1 to 25 nm thick, in contact, by its lower face, with the upper face of the active layer 111, and a dielectric layer, for example of oxide of silicon, in contact, by its lower face, with the upper face of the silicon layer.
  • layer 117 extends continuously over the entire upper surface of the structure.
  • Layer 117 is for example deposited before the step(s) of implanting doping elements to form the infrared detectors of the IRP pixels.
  • Figure IE illustrates the structure obtained after a step of depositing a layer 119 forming a reflector for the infrared radiation intended to be detected by the sensor, on the upper face of the passivation layer 117
  • the reflective layer 119 extends, for example, continuously and with a substantially uniform thickness over the entire upper surface of the structure.
  • Layer 119 is for example in contact, via its lower face, with the upper face of passivation layer 117.
  • Reflective layer 119 is preferably non-metallic.
  • the reflective layer 119 is made of a heavily doped semiconductor material, for example silicon having a concentration of N- or P-type doping elements greater than 10 20 atoms/cm 3 and a thickness of the order of 400nm or greater.
  • a layer of an electrically insulating material 121 is also deposited on the upper face of the reflective layer 119.
  • the layer 121 is for example in contact, by its lower face, with the upper face of the layer 119.
  • the layer 121 extends for example continuously and with a substantially uniform thickness over the entire upper surface of the structure.
  • FIG. 1F illustrates a step for fixing an SOI structure by direct bonding to the upper face of the structure of FIG. 1E.
  • the SOI structure comprises, in order, a support substrate 131, for example made of silicon, an electrically insulating layer 132, for example made of silicon oxide, on and in contact with a face of the support substrate 131, and a layer active semiconductor 133, for example in monocrystalline silicon, on and in contact with the face of the insulating layer 132 opposite the support substrate, namely its lower face in the orientation of the figure if.
  • the SOI structure further comprises a layer 135 of an electrically insulating material, for example the same material as the layer 121, coating the lower face of the active semiconductor layer 133.
  • the SOI structure is prepared in parallel then fixed to the structure of FIG. 1E by full-plate direct bonding of the lower face of layer 135 to the upper face of layer 121.
  • the SOI structure extends continuously over the entire upper surface of the structure
  • Figure IG illustrates the structure obtained after subsequent steps of removing the support substrate 131 and the insulating layer 132, then forming electronic components 140, for example MOS transistors, in and on the semiconductor layer 133.
  • the formation of the components 140 can comprise one or more steps of localized implantation of doping elements in the semiconductor layer 133.
  • the formation of the components 140 can further comprise steps of depositing and etching a layer of gate insulator and one or more MOS transistor gate conductive layers (not detailed in the figures).
  • the semiconductor layer 133 can be etched over its entire thickness around the components 140, so as to laterally isolate the components 140 from each other.
  • an insulating passivation layer 143 for example of silicon oxide, is deposited over the entire upper surface of the device, for example over a thickness greater than that of the components 140. step of planarization of the upper face of the insulating layer 143 can also be implemented.
  • the components 140 define an electronic circuit for controlling the sensor, for example a circuit of the CMOS type (from the English "Complementary Metal Oxide Semiconductor" - metal oxide complementary semiconductor)".
  • the method for producing the components 140 will not be described in more detail, such a method for producing electronic components in so-called sequential 3D technology being within the reach of those skilled in the art based on the indications of this description. .
  • FIG. 1H illustrates the structure obtained at the end of subsequent stages of forming conductive contact recovery vias, from the upper face of the structure of FIG. IG.
  • conductive contact recovery vias are formed on the various components of the sensor, and in particular on the contact regions necessary for the operation of the visible VP and infrared PIR pixels, and, possibly, on conductive regions of the isolation trenches 105 (in the case where these trenches are polarized capacitive isolation trenches).
  • an insulated conductor via 145a extending vertically through the layers 143, 135, 121, 119, 117, 111, 115 and 107 individually contacts the charge transfer gate TG of each visible pixel VP of the sensor.
  • each visible pixel VP of the sensor is also connected by a vertical via (not visible in the figure).
  • an insulated conductor via 145b extending vertically through layers 143, 135, 121, 119 and 117 individually contacts an active zone of a photosensitive detector of each PIR infrared pixel of the sensor.
  • one or more conductive vias 145c extending vertically through the insulating layer 143 come into contact with contact regions of the electronic component, for example gate, drain and/or source regions in the case of MOS transistors.
  • a contact common to all the photosensitive diodes of the PIR infrared pixels of the device can be made at the periphery of the device.
  • the common contact connects electronic components of the device to a doped layer (not detailed in the figure) of the active layer 111.
  • an individual cathode contact recovery via can be provided for each PIR infrared detection pixel of the device.
  • the contact on the capacitive isolation trenches 105 can be an individual contact located at the level of each pixel, or a collective contact, taken, for example, at the periphery of the pixel array.
  • FIG. II illustrates the structure obtained at the end of subsequent steps for forming an interconnection stack 150 on and in contact with the upper face of the structure of FIG. 1H.
  • the interconnection stack 150 comprises an alternation of insulating and conducting levels defining tracks and vias for interconnecting and routing the various components of the sensor.
  • FIG. IJ illustrates an optional step of transferring and fixing a second electronic control circuit, for example a CMOS circuit, on and in contact with the upper face of the structure of FIG. II.
  • a second electronic control circuit for example a CMOS circuit
  • the second electronic control circuit is for example similar to the first electronic electronic circuit.
  • the second electronic circuit is formed from an SOI structure comprising a substrate 161 coated with an insulating layer 162, itself coated with a semiconductor layer 163 in and on which components 165 are formed. , for example transistors
  • the second electronic device further comprises, on the side of the semiconductor layer opposite the substrate 161, an interconnection stack 167 having a connection face (lower face in the orientation of FIG. IJ) symmetrical with respect to the connection face (upper face in the orientation of FIG. IJ) of the interconnection stack 150 of the first electronic circuit.
  • the second electronic circuit is fixed and electrically connected to the first electronic device, for example by direct bonding of the lower face of the interconnection stack 167 to the upper face of the stack 150.
  • the bonding can be a bonding direct hybrid copper/oxide type .
  • the second electronic control circuit is made from a less expensive solid semiconductor substrate.
  • FIG. 1K illustrates the structure obtained at the end of a step of removing the support substrate 103 from the SOI structure used to form the visible detection structure (FIG. IA), then of forming optical elements, for example filtering elements and/or focusing elements, on the side of the light exposure face of the sensor, namely its upper face in the orientation of FIG. 1K (it will be noted that the orientation of the Figure 1K is reversed from the orientation of Figure IJ).
  • optical elements for example filtering elements and/or focusing elements
  • a color filter 181 adapted to allow only part of the visible spectrum to pass is formed above each visible pixel VP.
  • distinct visible pixels VP can be surmounted by distinct color filters 181 .
  • first visible pixels VP are surmounted by a filter 181 adapted to allow the majority of green light to pass
  • second visible pixels VP are surmounted by a filter 181 adapted to let through mainly red light
  • third visible pixels VP are surmounted by a filter 181 adapted to let through mostly blue light.
  • the color filters are adapted to let through the infrared light intended to be detected by the infrared pixels PIR.
  • the color filters are for example made of colored resin.
  • a microlens adapted to focus the incident light in a photosensitive zone of the underlying pixel VP is also formed above each visible pixel VP.
  • this step can be replaced by a step of fixing a substrate serving as a support handle on the upper face of the interconnect stack 150 (in the orientation of FIG. 1J).
  • the starting SOI structure 103-102-101 can be replaced by a solid semiconductor substrate, for example made of silicon.
  • a step of thinning the substrate, via its upper face (in the orientation of FIG. 1K), is then provided before the steps of depositing the optical elements.
  • the active infrared detection layer 111, the lower reflective layer 119, and the upper interface layer constituted by the stacking of the layers 107 and 115 define a resonant cavity for the infrared radiation intended to be detected by the sensor.
  • the thickness of the active layer 111 and the thickness of the upper interface layer 107-115 are chosen so as to maximize the absorption of the radiation of interest in the active layer 111.
  • reflector is meant here a layer or a stack of layers having, at the considered infrared wavelength, a reflection coefficient greater than 80%, for example greater than 50%, for example greater than 20%.
  • the choice of thicknesses can be made by using usual photonic simulation tools.
  • the thickness of the active layer 111 is fixed at a desired value, preferably less than 1 ⁇ m, for example between 200 and 500 ⁇ m, then the thickness parameter of the layer d is varied. upper oxide 107-115 until an absorption peak is obtained.
  • the thickness of the oxide layer 107-115 (sum of the thicknesses of the layers 107 and 115) is for example between 10 nm and 800 nm, for example between 100 and 500 nm.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the evolution of the reflection R of the device, that is to say the proportion of the incident radiation not absorbed and not transmitted (it being understood that, in practice, the transmission is almost - zero, for example less than 10% or even less than 5%) by the stack comprising the resonant cavity (on the ordinate, unitless - between 0 and 1), as a function of the thickness Th of the silicon oxide interface layer 107-115 separating the active visible detection layer 101 from the active photosensitive detection layer 111 (abscissa, nm).
  • the diagram in FIG. 2 is drawn for a sensor in which the active infrared detection layer 111 is a layer of germanium 350 nm thick, and for an infrared wavelength of interest of 1.4 pm. It is observed that the stack has an absorption peak (corresponding to a minimum of reflection), of the order of 95%, for a thickness of the interface layer 107-115 of silicon oxide of the order of 434 nm.
  • the transmission through the complete stack being very close to zero, and the absorption in the upper silicon layer (visible sensor) also being very close to zero for the wavelength considered, the absorption is essentially carried out in the resonant cavity.
  • Layer 111 can be made of any other semiconductor material suitable for converting infrared radiation into electrical charges, for example silicon.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the evolution of the reflection coefficient R of the resonant cavity (on the ordinate), as a function of the thickness Th of the interface layer 107-115, in the case where the active infrared detection layer 111 is made of silicon.
  • the diagram of FIG. 3 is drawn for an active layer of infrared detection 111 with a thickness equal to 200 nm, and for an infrared wavelength of interest of 940 nm. It is observed that the resonant cavity has a peak absorption (corresponding to a minimum of reflection), the order of 90%, for a thickness of the interface layer 107-115 of silicon oxide of the order of 358 nm. Again, the transmission through the complete stack being very close to zero and the absorption in the upper silicon layer (visible sensor) being relatively low, for example of the order of 20%, the major part of the absorption is carried out in the resonant cavity
  • An advantage of the proposed sensor is that it comprises a superimposed visible detection stage and an infrared detection stage, the infrared detection stage having very good quantum efficiency, without compromising on the resolution and the size of the pixels of the visible detection stage.
  • the active infrared detection layer 111 is relatively thin, for example of thickness less than the wavelength of the infrared radiation to be detected, for example with a thickness of less than 1 ⁇ m.
  • the distance between the active visible detection region 101 and the active infrared detection region 111 is relatively small. , for example between 10 and 800 nm, for example between 100 and 500 nm.
  • the conductive contact recovery vias passing through layer 111 can have relatively small lateral dimensions. This makes it possible to increase the photon collection surface in the PIR infrared pixels.
  • the relatively small thickness of the detection layer 111 also makes it possible to reduce the dark current in the pixels of the infrared sensor.
  • the relatively small thickness of the detection layer 111 also makes it possible to reduce the transit time of the charge carriers in the detection layer, which improves the response time of the infrared detectors.
  • the relatively small thickness of the layer 111 makes it possible to reduce the manufacturing cost of the sensor.
  • the embodiments described are not limited to the examples of materials mentioned above (germanium and silicon) for producing the active infrared detection layer 111. More generally, any semiconductor material exhibiting absorption in the infrared range of interest can be used, for example:
  • Group IV semiconductors such as silicon (Si), germanium (Ge) or a germanium-tin alloy (GeSn), or an alloy comprising one or more of these materials;
  • III-V family such as for example an indium-gallium-arsenic alloy (InGaAs);
  • quantum dots for example colloidal, for example based on lead sulphide (PbS), lead selenide (PbSe), indium antimonide (InSb) or indium arsenide antimonide (InAsSb); Or
  • the active infrared detection layer 111 is inorganic, the reflective layer 119 is non-metallic, and the interface layer 107-115 separating the active visible detection layer 101 from the active infrared detection layer 111 is non-metallic.
  • This allows the structure to support a relatively high thermal budget when producing the transistors 140 of the first control circuit (FIG. IG). This makes it possible in particular to produce MOS transistors having good electrical performance.
  • the reflective layer 119 and/or the interface layer between the active visible detection layer 101 and the active infrared detection layer 111 contain metal.
  • the transistors 140 of the first circuit control (FIG. IG) can be carried out with a limited thermal budget, for example by means of a so-called low-temperature process, comprising only steps implemented at temperatures below 500° C.
  • the reflective layer 119 comprises aluminum, copper or titanium.
  • the direct dielectric-dielectric bonding of the SOI stack on the structure of FIG. 1F can be replaced by a direct full-plate metal-metal bonding, the reflective layer 119 then being formed by stacking the two metal bonding layers.
  • the upper interface layer between the active layers 101 and 111 comprises titanium.
  • the reflective layer 119 can be a Bragg mirror consisting of alternating semiconductor layers or dielectric layers of different refractive indices, for example alternating layers of silicon (Si) and layers of silicon oxide (SiO2) or silicon nitride (SiN), or an alternation of layers of silicon oxide (SiCy) and layers of silicon nitride (SiN), or an alternation of layers of silicon (SiCy) and hafnium oxide (HfCy) layers, or any other pair of materials adapted according to the targeted infrared wavelength.
  • the reflective layer 119 can be a Bragg mirror consisting of an alternation of epitaxial layers of III-V materials, for example an alternation of layers of aluminum arsenide (AlAs) and layers of gallium arsenide (GaAs).
  • AlAs aluminum arsenide
  • GaAs gallium arsenide
  • the sensor of FIG. 4 differs from the sensor of FIG. 1K mainly in that, in the sensor of FIG. 4, the interface layer 107-115 between the active layer of visible detection 101 and the active layer of infrared detection 111 is replaced by a structured interface layer 201.
  • the structured interface layer 201 comprises an alternation, for example periodic, of first regions 201a made of a dielectric material, and second regions 201b made of a semiconductor or metallic material.
  • the first regions 201a and the second regions 201b each have an upper face in contact with the lower face of the active visible detection layer 101 and a lower face in contact with the upper face of the layer active infrared detection 111.
  • the first regions are for example made of silicon oxide.
  • the second regions are for example in germanium or in metal, for example in titanium.
  • the repetition period of the first regions 201a and of the second regions 201b is preferably less, in the direction of the rows and in the direction of the columns, than the inter-pixel pitch of the matrix of visible pixels VP of the sensor.
  • the repetition period of the first and second regions 201a and 201b is at least twice smaller and preferably at least four times smaller than the repetition pitch of the visible pixels VP of the sensor.
  • the lateral dimensions of the first regions 201a and of the second regions 201b are less than 1 ⁇ m, preferably less than 500 nm.
  • the lateral dimensions as well as the pitch or the repetition period of the first and second regions 201a, 201b of the layer 21 are defined, for example by means of optical simulation tools, so as to obtain a compromise between the absorption of infrared radiation in the active layer 111 which must be as high as possible, the absorption of infrared radiation in the active layer 101 which must be as low as possible, and the absorption of visible radiation in the active layer 101, which should be as high as possible.
  • the regions 201a and 201b may have different lateral dimensions and a different repetition pitch with respect to the visible pixels VP of different colors.
  • the interface layer between the active layers 101 and 111 comprises a structured layer identical or similar to the layer 201 described in relation with FIG. 4, and a non-metallic layer, for example a homogeneous dielectric layer, superimposed on the structured layer.
  • the interface layer may include:
  • a homogeneous dielectric layer in contact, via its lower face, with the upper face of the structured layer 201 and in contact, via its upper face, with the lower fee of the active visible detection layer 101;
  • the active infrared detection layer 111 extends continuously and with a substantially uniform thickness over substantially the entire surface of the sensor.
  • the sensor comprises isolation trenches extending vertically through at least part of the thickness of the active layer 111 and laterally delimiting in the active layer 111 islands or mesas forming the pixels PIR infrared detection of the sensor.
  • the isolation trenches can extend over the entire thickness of the active layer 111, thus delimiting separate islands of active layer 111, corresponding respectively to the various infrared detection pixels IRP of the sensor.
  • the isolation trenches extend over only part of the thickness of the active layer 111, and delimit active layer mesas 111 corresponding respectively to the various infrared detection pixels IRP of the sensor.
  • each IRP pixel is completely surrounded and separated from the other pixels by isolation trenches.
  • the isolation trenches form a grid laterally separating the IRP pixels of the device from each other.
  • the isolation trenches are for example formed by localized etching of the active layer 111 after the transfer step of FIG. IC.
  • a passivation layer can then be deposited on the sides of the trenches, then the trenches can be filled with a filling dielectric material, before the implementation of the following steps and in particular before the steps of forming the circuit(s). integrated sensor control.

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Abstract

La présente description concerne un capteur d'images visibles et infrarouges, comprenant : - une première couche active (101) de détection d'un rayonnement visible, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection visible (VP); et - superposée, à la première couche active (101), une deuxième couche active (111) de détection d'un rayonnement infrarouge, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection infrarouge (IRP), dans lequel la deuxième couche active (111) définit une cavité résonante verticale pour ledit rayonnement infrarouge, le capteur comprenant en outre, du côté de la face de la deuxième couche active (111) opposée à la première couche active (101), un circuit intégré de contrôle (140, 150, 160) superposé aux première (101) et deuxième (111) couches actives.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Capteur d'images visibles et inf arouges et procédé de fabrication d'un tel capteur
La présente demande est basée sur, et revendique la priorité de, la demande de brevet français FR2113457 déposée le 16 décembre 2022 et ayant pour titre " Capteur d'images visibles et infrarouges et procédé de fabrication d'un tel capteur", qui est considérée comme faisant partie intégrante de la présente description dans les limites prévues par la loi.
Domaine technique
[0001] La présente demande concerne le domaine des dispositifs d'acquisition d'images, et, plus particulièrement, des dispositifs d'acquisition d'images adaptés à acquérir, simultanément ou successivement, une image visible et une image infrarouge d'une scène, par exemple pour des applications nécessitant l'acquisition, simultanément ou successivement, d'une image bidimensionnelle (2D) visible d'une scène et d'une carte de profondeur de cette même scène.
Technique antérieure
[0002] Les demandes de brevet US2019191067 et US2021305206, précédemment déposées par le demandeur, décrivent des exemples de dispositifs comportant un capteur d'images visibles et un capteur d'images infrarouges superposés. Par ailleurs, la demande de brevet FR2105161 déposée le 18 mai 2021 et intitulée "Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique" décrit, en relation avec ses figures 10A à 10D, un exemple d'un procédé de fabrication d'un dispositif comportant un détecteur visible et un détecteur infrarouge superposés .
[0003] Il serait souhaitable d'améliorer au moins en partie certains aspects des capteurs d'images visibles et infrarouges connus, ainsi que des procédés connus pour réaliser de tels capteurs.
Résumé de l'invention
[0004] Un mode de réalisation prévoit Capteur d'images visibles et infrarouges, comprenant :
- une première couche active de détection d'un rayonnement visible, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection visible ; et
- superposée, à la première couche active, une deuxième couche active de détection d'un rayonnement infrarouge, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection infrarouge, dans lequel la deuxième couche active définit une cavité résonante verticale pour ledit rayonnement infrarouge, le capteur comprenant en outre, du côté de la face de la deuxième couche active opposée à la première couche active, un circuit intégré de contrôle superposé aux première et deuxième couches actives.
[0005] Selon un mode de réalisation, la première couche active et la deuxième couche active sont séparées par une couche d'interface.
[0006] Selon un mode de réalisation, la couche d'interface présente une épaisseur comprise entre 10 et 800 nm.
[0007] Selon un mode de réalisation, la couche d'interface est non métallique.
[0008] Selon un mode de réalisation, la couche d'interface est en oxyde de silicium.
[0009] Selon un mode de réalisation, la couche d'interface comprend une alternance de premières régions en un matériau diélectrique et de deuxièmes régions en un matériau semiconducteur ou métallique. [0010] Selon un mode de réalisation, la première couche active est en silicium.
[0011] Selon un mode de réalisation, la deuxième couche active est en un matériau semiconducteur inorganique.
[0012] Selon un mode de réalisation, la deuxième couche active est en germanium ou en silicium.
[0013] Selon un mode de réalisation, le capteur comprend une couche réflectrice, par exemple en un matériau semiconducteur dopé, du côté de la face de la deuxième couche active opposée à la première couche active.
[0014] Selon un mode de réalisation, le rayonnement infrarouge est un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 900 nm et 2 pm.
[0015] Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'images visibles et infrarouges, comprenant les étapes suivantes : a) prévoir une première couche active de détection d'un rayonnement visible dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection visible ; b) fixer, par collage direct, sur la première couche active, une deuxième couche active de détection d'un rayonnement infrarouge ; et c) définir une pluralité de pixels de détection infrarouge dans la deuxième couche active, dans lequel la deuxième couche active définit une cavité résonante verticale pour ledit rayonnement infrarouge, le procédé comprenant en outre, après l'étape c) , une étape de report et de fixation d'une couche de silicium, par collage direct, sur la deuxième couche active, puis de formation de transistors MOS dans ladite couche de silicium.
Brève description des dessins [0016] 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 :
[0017] [Fig. IA] ;
[0018] [Fig. IB] ;
[0019] [Fig. IC] ;
[0020] [Fig. 1D] ;
[0021] [Fig. 1E] ;
[0022] [Fig. 1F] ;
[0023] [Fig. IG] ;
[0024] [Fig. 1H] ;
[0025] [Fig. II] ;
[0026] [Fig. U] ;
[0027] [Fig. 1K] ;
[0028] les figures IA à 1K sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images visibles et infrarouges ;
[0029] la figure 2 est un diagramme illustrant l'évolution de la réflexion d'un rayonnement infrarouge en fonction de l'épaisseur d'une couche d'interface dans un exemple de capteur du type réalisé par le procédé des figures IA à 1K ;
[0030] la figure 3 est un diagramme illustrant l'évolution de la réflexion d'un rayonnement infrarouge en fonction de l'épaisseur d'une couche d'interface dans un autre exemple de capteur du type réalisé par le procédé des figures IA à 1K ; et
[0031] La figure 4 est une vue en coupe illustrant une variante de réalisation d'un capteur d'images visibles et infrarouges . Description des modes de réalisation
[0032] 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.
[0033] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des photodiodes et des circuits de commande des pixels de détection visible et infrarouge n'a pas été détaillée, la réalisation de ces éléments étant à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description.
[0034] 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 électriques, 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.
[0035] 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. [0036] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0037] Les figures IA à 1K sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images visibles et infrarouges.
[0038] La figure IA illustre de façon très schématique une première structure comportant une couche active de détection visible 101, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels VP de détection d'un rayonnement visible, par exemple disposés selon un agencement matriciel. La couche 101 est en un matériau semiconducteur, par exemple du silicium monocristallin. La couche 101 est par exemple la couche semiconductrice supérieure d'un empilement de type SOI (de l'anglais "Silicon On Insulator" - silicium sur isolant) . Dans cet exemple, l'empilement SOI comprend une couche électriquement isolante 102, par exemple en oxyde de silicium, en contact, par sa face supérieure, avec la face inférieure de la couche 101, et une couche support 103, par exemple en silicium, en contact, par sa face supérieure, avec la face inférieure de la couche isolante 102. L'épaisseur de la couche active 101 est par exemple comprise entre 2 et 10 pm, par exemple de l'ordre de 4 pm.
[0039] Chaque pixel VP comprend une partie active formée dans et sur la couche active 101. La partie active comprend par exemple une photodiode (non détaillée sur la figure) et un noeud de lecture SN formés du côté de la face supérieure de la couche 101. La partie active de chaque pixel VP comprend par exemple en outre une grille de transfert TG, verticale ou planaire, permettant d'activer le transfert des charges électriques photo-générées de la photodiode vers le noeud de lecture SN. La partie active de chaque pixel VP peut éventuellement comprendre un ou plusieurs transistors supplémentaires, non détaillés. Les différents élément constituant la partie active de chaque pixel VP ne seront pas détaillés davantage, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des structures connues de pixels de photo-détection, par exemple à un ou plusieurs transistors .
[0040] Dans cet exemple, les parties actives des pixels VP sont séparées latéralement les unes des autres par des tranchées ou murs d'isolation 105 s'étendant verticalement à travers la couche active 101, par exemple sur toute l'épaisseur de la couche 101. Les tranchées 105 sont par exemple des tranchées d'isolation capacitives, par exemple de type CDTI (de l'anglais "Capacitive Deep Trench Isolation" - tranchées profondes d'isolation capacitives) , comprenant chacune un cœur ou paroi centrale en un matériau électriquement conducteur, par exemple du silicium polycristallin dopé, et un revêtement latéral en un matériau électriquement isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. A titre d'exemple, les tranchées 105, sont des tranchées isolantes entièrement remplies d'un matériau diélectrique, par exemple de l'oxyde de silicium, par exemple des tranchées de type DTI (de l'anglais "Deep Trench Isolation" - tranchées d'isolation profondes) . Les tranchées d'isolation 105 sont par exemple formées à partir de la face supérieure de la couche active 101. Les parties actives des pixels VP sont par exemple toutes identiques, aux dispersions de fabrication près.
[0041] Dans l'exemple représenté, la couche active 101 est revêtue par une couche de passivation 107 en un matériau électriquement isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. La couche 107 s'étend par exemple de façon continue sur toute la surface de la structure. La couche 107 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche active 101.
[0042] La figure IB illustre une deuxième structure comportant une couche active de détection infrarouge 111. Dans cet exemple, la couche 111 est disposée sur et en contact avec la face supérieure d'un substrat de support 113.
[0043] La couche active 111 comprend un matériau absorbant le rayonnement infrarouge destiné à être détecté par le capteur, par exemple un rayonnement émis par une source infrarouge d'un système d'acquisition comprenant le capteur d'images visibles et infrarouges, par exemple un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 900 nm et 2 pm, par exemple un rayonnement de longueur d'onde de l'ordre de 940 nm ou un rayonnement de longueur d'onde de l'ordre de 1,4 pm.
[0044] La couche active 111 est par exemple en germanium. La couche active 111 est par exemple formée par épitaxie sur et en contact avec la face supérieure du substrat de support 113. Le substrat 113 est par exemple en silicium. Dans cet exemple, la couche active 111 est une couche unique d'un matériau semiconducteur inorganique. A titre de variante, selon le type de détecteur infrarouge que l'on souhaite réaliser, la couche 111 peut être constituée par un empilement de plusieurs couches semiconductrices présentant des niveaux et/ou types de dopage différents.
[0045] Dans l'exemple représenté, la couche active 111 est revêtue par une couche de passivation 115 en un matériau électriquement isolant, par exemple le même matériau que la couche 107 (figure IA) , par exemple de l'oxyde de silicium. La couche 115 s'étend par exemple de façon continue sur toute la surface de la structure. La couche 115 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche active 111. [0046] La figure IC illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de report et de fixation de la structure de la figure IB sur la structure de la figure IA, puis de retrait du substrat 113. Dans cet exemple, la structure de la figure IB est fixée par collage direct (aussi appelé collage moléculaire) pleine plaque de la face inférieure (dans l'orientation de la figure IC, correspondant à la face supérieure dans l'orientation de la figure IB) de la couche diélectrique 115, sur la face supérieure (dans l'orientation de la figure IC, correspondant à la face supérieure dans l'orientation de la figure IA) de la couche 107.
[0047] Le substrat 113 est ensuite retiré de façon à exposer la face supérieure (dans l'orientation de la figure IC) de la couche active de détection infrarouge 111. A ce stade, la couche active 111 s'étend de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la surface supérieure de la structure de détection visible sous-jacente.
[0048] La figure 1D illustre la structure obtenue à l'issue d'étapes de formation de détecteurs infrarouge définissant respectivement une pluralité de pixels de détection infrarouge IRP dans la couche active 111, par exemple disposés selon un agencement matriciel. La formation des détecteurs infrarouge des pixels IRP comprend par exemple une ou plusieurs étapes d' implantation du côté de la face supérieure de la couche 111. Les détecteurs infrarouges du dispositif peuvent être de différents types selon le type de détection infrarouge que l'on souhaite réaliser. A titre d'exemple, les détecteurs infrarouges sont des photodiodes classiques pour mesurer un flux infrarouge. A titre de variante, les détecteurs infrarouges sont des démodulateurs photoniques assistés en courant (CAPD - de l'anglais "Current Assisted Photonic Demodulator") , par exemple du type décrit dans l'article intitulé "Design and Characterization of Current- Assisted Photonic Demodulators in 0.18-pm CMOS Technology" de Gian-Franco Dalla Betta et al., pour mesurer une modulation d'un signal infrarouge afin de remonter à une information de profondeur, ou tout autre type de photodétecteur. Les différents élément constituant les pixels de détection infrarouge IRP ne seront pas détaillés davantage, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des structures connues de pixels de détection infrarouge. Les pixels de détection infrarouge IRP sont par exemple alignés par rapport aux pixels de détection visible VP sous-jacents. Le pas (distance centre à centre entre deux pixels voisins) de la matrice de pixels IRP peut être différent du pas de la matrice de pixels VP. A titre d'exemple le pas de la matrice de pixels IRP est égal au double (dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes) du pas de la matrice de pixels VP.
[0049] Dans cet exemple, la face supérieure de la couche active 111 est recouverte par une couche de passivation 117, par exemple en un matériau électriquement isolant, par exemple en oxyde de silicium. La couche 117 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche active 111. A titre de variante, la couche de passivation 117 comprend un empilement, non détaillé sur la figure, comprenant une couche de silicium, non représentée, par exemple de quelques nanomètres d'épaisseur, par exemple de 1 à 25 nm d'épaisseur, en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche active 111, et une couche diélectrique, par exemple en oxyde de silicium, en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche de silicium. A titre d'exemple, la couche 117 s'étend de façon continue sur toute la surface supérieure de la structure. La couche 117 est par exemple déposée avant la ou les étapes d'implantation d'éléments dopants pour former les détecteurs à infrarouge des pixels IRP. [0050] La figure IE illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de dépôt d'une couche 119 formant un réflecteur pour le rayonnement infrarouge destiné à être détecté par le capteur, sur la face supérieure de la couche de passivation 117. La couche réflectrice 119 s'étend par exemple de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la surface supérieure de la structure. La couche 119 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche de passivation 117. La couche réflectrice 119 est de préférence non métallique. A titre d'exemple, la couche réflectrice 119 est en un matériau semiconducteur fortement dopé, par exemple du silicium présentant une concentration en éléments dopants de type N ou P supérieure à 1020 atomes/cm3 et d'épaisseur de l'ordre de 400 nm ou supérieure.
[0051] Dans cet exemple, une couche en un matériau électriquement isolant 121, par exemple de l'oxyde de silicium, est en outre déposée sur la face supérieure de la couche réflectrice 119. La couche 121 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 119. La couche 121 s'étend par exemple de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la surface supérieure de la structure.
[0052] La figure 1F illustre une étape de fixation d'une structure SOI par collage direct sur la face supérieure de la structure de la figure 1E. La structure SOI comprend, dans l'ordre, un substrat de support 131, par exemple en silicium, une couche électriquement isolante 132, par exemple en oxyde de silicium, sur et en contact avec une face du substrat de support 131, et une couche semiconductrice active 133, par exemple en silicium monocristallin, sur et en contact avec la face de la couche isolante 132 opposée au substrat de support, à savoir sa face inférieure dans l'orientation de la figure IF. Dans l'exemple représenté, la structure SOI comprend en outre une couche 135 en un matériau électriquement isolant, par exemple le même matériau que la couche 121, revêtant la face inférieure de la couche semiconductrice active 133. La structure SOI est préparée en parallèle puis fixée sur la structure de la figure 1E par collage direct pleine plaque de la face inférieure de la couche 135 sur la face supérieure de la couche 121. Dans cet exemple, la structure SOI s'étend de façon continue sur toute la surface supérieure de la structure
[0053] La figure IG illustre la structure obtenue à l'issue d'étapes ultérieures de retrait du substrat de support 131 et de la couche isolante 132, puis de formation de composants électroniques 140, par exemple des transistors MOS, dans et sur la couche semiconductrice 133. La formation des composants 140 peut comprendre une ou plusieurs étapes d'implantation localisée d'éléments dopants dans la couche semiconductrice 133. La formation des composants 140 peut en outre comprendre des étapes de dépôt et de gravure d'une couche d'isolant de grille et d'une ou plusieurs couches conductrices de grille de transistors MOS (non détaillées sur les figures) . L
[0054] A titre d'exemple, la couche semiconductrice 133 peut être gravée sur toute son épaisseur autour des composants 140, de façon à isoler latéralement les composants 140 les uns des autres. Dans l'exemple représenté, après la formation des composants 140, une couche isolante de passivation 143, par exemple en oxyde de silicium, est déposée sur toute la surface supérieure du dispositif, par exemple sur une épaisseur supérieure à celle des composants 140. Une étape de planarisation de la face supérieure de la couche isolante 143 peut en outre être mise en oeuvre. Les composants 140 définissent un circuit électronique de contrôle du capteur, par exemple un circuit de type CMOS (de l'anglais "Complementary Metal Oxide Semiconductor" - métal oxyde semiconducteur complémentaire)". Le procédé de réalisation des composants 140 ne sera pas décrit plus en détail, un tel procédé de réalisation de composants électroniques en technologie dite 3D séquentielle étant à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description .
[0055] La figure 1H illustre la structure obtenue à l'issue d'étapes ultérieures de formation de vias conducteurs de reprise de contact, à partir de la face supérieure de la structure de la figure IG. Lors de cette étape, on vient former des vias conducteurs de reprise de contact sur les différents composants du capteur, et en particulier sur les régions de contact nécessaires au fonctionnement des pixels visible VP et infrarouge IRP, et, éventuellement, sur des régions conductrices des tranchées d'isolation 105 (dans le cas où ces tranchées sont des tranchées d'isolation capacitives polarisées) . Dans l'exemple représenté, un via conducteur isolé 145a s'étendant verticalement à travers les couches 143, 135, 121, 119, 117, 111, 115 et 107 vient contacter individuellement la grille de transfert des charges TG de chaque pixel visible VP du capteur. Le noeud de lecture SN de chaque pixel visible VP du capteur est également connecté par un via vertical (non visible sur la figure) . De plus, un via conducteur isolé 145b s'étendant verticalement à travers les couches 143, 135, 121, 119 et 117 vient contacter individuellement une zone active d'un détecteur photosensible de chaque pixel infrarouge IRP du capteur. En outre, pour chaque composant électronique 140, un ou plusieurs vias conducteurs 145c s'étendant verticalement à travers la couche isolante 143 viennent contacter des régions de contact du composant électronique, par exemple des régions de grille, de drain et/ou de source dans le cas de transistors MOS. [0056] A titre d'exemple, un contact commun à toutes les diodes photosensibles des pixels infrarouge IRP du dispositif peut être réalisé en périphérie du dispositif. A titre d'exemple, le contact commun relie des composants électroniques du dispositif à une couche dopée (non détaillée sur la figure) de la couche active 111.
[0057] A titre de variante, non représentée, un via de reprise de contact de cathode individuel peut être prévu pour chaque pixel de détection infrarouge IRP du dispositif.
[0058] Le contact sur les tranchées d'isolation capacitives 105 peut être un contact individuel localisé au niveau de chaque pixel, ou un contact collectif, pris, par exemple, en périphérie de la matrice de pixels.
[0059] La figure II illustre la structure obtenue à l'issue d'étapes ultérieures de formation d'un empilement d'interconnexion 150 sur et en contact avec la face supérieure de la structure de la figure 1H. L'empilement d'interconnexion 150 comprend une alternance de niveaux isolants et conducteurs définissant des pistes et vias d'interconnexion et de routage des différents composants du capteur.
[0060] La figure IJ illustre une étape optionnelle de report et de fixation d'un deuxième circuit électronique de contrôle, par exemple un circuit CMOS, sur et en contact avec la face supérieure de la structure de la figure II.
[0061] Le deuxième circuit électronique de contrôle est par exemple similaire au premier circuit électronique électronique. Dans l'exemple représenté, le deuxième circuit électronique est formé à partir d'une structure SOI comportant un substrat 161 revêtu d'une couche isolante 162, elle-même revêtue d'une couche semiconductrice 163 dans et sur laquelle sont formés des composants 165, par exemple des transistors
MOS. Le deuxième dispositif électronique comprend en outre, du côté de la couche semiconductrice opposée au substrat 161, un empilement d'interconnexion 167 ayant une face de connexion (face inférieure dans l'orientation de la figure IJ) symétrique par rapport à la face de connexion (face supérieure dans l'orientation de la figure IJ) de l'empilement d'interconnexion 150 du premier circuit électronique.
[0062] Le deuxième circuit électronique est fixé et connecté électriquement au premier dispositif électronique, par exemple par collage direct de la face inférieure de l'empilement d'interconnexion 167 sur la face supérieure de l'empilement 150. Le collage peut être un collage direct hybride de type cuivre/oxyde .
[0063] A titre de variante, plutôt que d'utiliser une structure SOI, le deuxième circuit électronique de contrôle est réalisé à partir d'un substrat semiconducteur massif, moins onéreux.
[0064] La figure 1K illustre la structure obtenue à l'issue d'une étape de retrait du substrat de support 103 de la structure SOI utilisée pour former la structure de détection visible (figure IA) , puis de formation d'éléments optiques, par exemple des éléments de filtrage et/ou des éléments de focalisation, du côté de la face d'exposition à la lumière du capteur, à savoir sa face supérieure dans l'orientation de la figure 1K (on notera que l'orientation de la figure 1K est inversée par rapport à l'orientation de la figure IJ) .
[0065] Dans cet exemple, on vient former, au-dessus de chaque pixel visible VP, un filtre couleur 181 adapté à laisser passer une partie seulement du spectre visible. A titre d'exemple, des pixels visibles VP distincts peuvent être surmontés de filtres couleur 181 distincts. Par exemple, des premier pixels visibles VP sont surmontés d'un filtre 181 adapté à laisser passer majoritairement de la lumière verte, des deuxièmes pixels visibles VP sont surmontés d'un filtre 181 adapté à laisser passer majoritairement de la lumière rouge, et des troisièmes pixels visibles VP sont surmontés d'un filtre 181 adapté à laisser passer ma oritairement de la lumière bleue. Les filtres couleurs sont adaptés à laisser passer la lumière infrarouge destinée à être détectée par les pixels infrarouge IRP. Les filtres couleur sont par exemple réalisés en résine colorée.
[0066] Dans cet exemple, on vient en outre former, au-dessus de chaque pixel visible VP, une microlentille adaptée à focaliser la lumière incidente dans une zone photosensible du pixel VP sous-jacent.
[0067] Dans le cas où l'étape de report d'un deuxième circuit électronique de contrôle (figure IJ) serait omise, cette étape peut être remplacée par une étape de fixation d'un substrat servant de poignée de support sur la face supérieure de l'empilement d'interconnexion 150 (dans l'orientation de la figure IJ) .
[0068] On notera par ailleurs que, à titre de variante, la structure SOI de départ 103-102-101 peut être remplacée par un substrat semiconducteur massif, par exemple en silicium. Une étape d'amincissement du substrat, par sa face supérieure (dans l'orientation de la figure 1K) , est alors prévue avant les étapes de dépôt des élément optiques.
[0069] Selon un aspect des modes de réalisation décrits, la couche active de détection infrarouge 111, la couche réflectrice inférieure 119, et la couche d'interface supérieure constituée par l'empilement des couches 107 et 115, définissent une cavité résonante pour le rayonnement infrarouge destiné à être détecté par le capteur.
[0070] Pour cela, l'épaisseur de la couche active 111 et l'épaisseur de la couche d'interface supérieure 107-115 sont choisies de façon à maximiser l'absorption du rayonnement d'intérêt dans la couche active 111.
[0071] De façon inattendue, les inventeurs ont constaté qu'il est possible d'obtenir une très bonne cavité résonante y compris lorsque la couche d'interface supérieure entre la couche active de détection infrarouge 111 et la couche active de détection visible 101 en silicium ne comporte pas de réflecteur. Par réflecteur, on entend ici une couche ou un empilement de couches présentant, à la longueur d'onde infrarouge considérée, un coefficient de réflexion supérieur à 80%, par exemple supérieur à 50%, par exemple supérieur à 20% .
[0072] Le choix des épaisseurs peut être réalisé en utilisant des outils habituels de simulation photonique. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche active 111 est fixée à une valeur souhaitée, de préférence inférieure à 1 pm, par exemple comprise entre 200 et 500 pm, puis on fait varier le paramètre d'épaisseur de la couche d'oxyde supérieure 107-115 jusqu'à obtenir un pic d'absorption.
[0073] En pratique, les inventeurs ont constaté qu'une telle cavité résonante permet d'obtenir une absorption du rayonnement infrarouge d'intérêt supérieure à 80 %, par exemple de l'ordre de 90% ou plus, dans la couche active 111.
[0074] L'épaisseur de la couche d'oxyde 107-115 (somme des épaisseurs des couches 107 et 115) est par exemple comprise entre 10 nm et 800 nm, par exemple entre 100 et 500 nm.
[0075] La figure 2 est un diagramme illustrant l'évolution de la réflexion R du dispositif, c'est-à-dire de la proportion du rayonnement incident non absorbé et non transmis (étant entendu que, en pratique, la transmission est quasi-nulle, par exemple inférieure à 10% voire inférieure à 5%) par l'empilement comprenant la cavité résonante (en ordonnée, sans unité - entre 0 et 1) , en fonction de l'épaisseur Th de la couche d'interface en oxyde de silicium 107-115 séparant la couche active de détection visible 101 de la couche active de détection photosensible 111 (en abscisse, en nm) .
[0076] Le diagramme de la figure 2 est tracé pour un capteur dans lequel la couche active de détection infrarouge 111 est une couche de germanium de 350 nm d'épaisseur, et pour une longueur d'onde infrarouge d'intérêt de 1,4 pm. On observe que l'empilement présente un pic d'absorption (correspondant à un minium de réflexion) , de l'ordre de 95 %, pour une épaisseur de la couche d'interface 107-115 en oxyde de silicium de l'ordre de 434 nm. La transmission à travers l'empilement complet étant très proche de zéro, et l'absorption dans la couche de silicium supérieure (capteur visible) étant également très proche de zéro pour la longueur d'onde considérée, l'absorption est essentiellement réalisée dans la cavité résonante.
[0077] Les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple particulier d'une couche active de détection infrarouge 111 en germanium. La couche 111 peut être en tout autre matériau semiconducteur adapté à convertir un rayonnement infrarouge en charges électriques, par exemple du silicium.
[0078] La figure 3 est un diagramme illustrant l'évolution, du coefficient de réflexion R de la cavité résonnante (en ordonnée) , en fonction de l'épaisseur Th de la couche d'interface 107-115, dans le cas où la couche active de détection infrarouge 111 est en silicium.
[0079] Le diagramme de la figure 3 est tracé pour une couche active de détection infrarouge 111 d'épaisseur égale à 200 nm, et pour une longueur d'onde infrarouge d'intérêt de 940 nm On observe que la cavité résonante présente un pic d'absorption (correspondant à un minium de réflexion) , de l'ordre de 90 %, pour une épaisseur de la couche d'interface 107-115 en oxyde de silicium de l'ordre de 358 nm. Là encore, la transmission à travers l'empilement complet étant très proche de zéro et l'absorption dans la couche de silicium supérieure (capteur visible) étant relativement faible, par exemple de l'ordre de 20%, la majeure partie de l'absorption est réalisée dans la cavité résonante
[0080] Un avantage du capteur proposé est qu'il comprend un étage de détection visible et un étage de détection infrarouge superposés, l'étage de détection infrarouge présentant un très bon rendement quantique, sans compromis sur la résolution et la dimension des pixels de l'étage de détection visible.
[0081] Un autre avantage est que, du fait de l'utilisation d'une cavité résonante, la couche active de détection infrarouge 111 est relativement mince, par exemple d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde du rayonnement infrarouge à détecter, par exemple d'épaisseur inférieure à 1 pm. En outre, la distance entre la région active de détection visible 101 et la région active de détection infrarouge 111 (c'est-à-dire l'épaisseur de la couche d'interface séparant la couche 101 de la couche 111) est relativement faible, par exemple comprise entre 10 et 800 nm, par exemple entre 100 et 500 nm. Il en résulte que les vias conducteurs de reprise de contact traversant la couche 111 peuvent avoir des dimensions latérales relativement faibles. Ceci permet d'augmenter la surface de collecte des photons dans les pixels infrarouge IRP. L'épaisseur relativement faible de la couche de détection 111 permet en outre de réduire le courant d'obscurité dans les pixels du capteur infrarouge. L'épaisseur relativement faible de la couche de détection 111 permet également de réduire le temps de transit des porteurs de charges dans la couche de détection, ce qui améliore le temps de réponse des détecteurs infrarouge. En outre, l'épaisseur relativement faible de la couche 111 permet de réduire le coût de fabrication du capteur.
[0082] Les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux mentionnés ci-dessus (germanium et silicium) pour la réalisation de la couche active de détection infrarouge 111. Plus généralement, tout matériau semiconducteur présentant une absorption dans la gamme infrarouge d'intérêt peut être utilisé, par exemple :
- des semiconducteurs du groupe IV, comme par exemple le silicium (Si) , le germanium (Ge) ou un alliage germanium- étain (GeSn) , ou un alliage comprenant un ou plusieurs de ces matériaux ;
- des semiconducteurs de la famille des III-V, comme par exemple un alliage indium-gallium-arsenic (InGaAs) ;
- des matériaux à base de boîtes quantiques, par exemple colloïdales, par exemple à base de sulfure de plomb (PbS) , de séléniure de plomb (PbSe) , d ' antimoniure d'indium (InSb) ou d ' antimoniure arséniure d'indium (InAsSb) ; ou
- des matériaux semiconducteurs organiques ou pérovskites.
[0083] De façon préférentielle, la couche active de détection infrarouge 111 est inorganique, la couche réflectrice 119 est non métallique, et la couche d'interface 107-115 séparant la couche active de détection visible 101 de la couche active de détection infrarouge 111 est non métallique. Ceci permet à la structure de supporter un budget thermique relativement élevé lors de la réalisation des transistors 140 du premier circuit de contrôle (figure IG) . Ceci permet notamment de réaliser des transistors MOS présentant de bonnes performances électriques .
[0084] En variante, la couche réflectrice 119 et/ou la couche d'interface entre la couche active de détection visible 101 et la couche active de détection infrarouge 111 contiennent du métal. Dans ce cas, les transistors 140 du premier circuit de contrôle (figure IG) peuvent être réalisés avec un budget thermique limité, par exemple au moyen d'un procédé dit basse température, comportant uniquement des étapes mises en oeuvre à des températures inférieures à 500°C. A titre d'exemple, la couche réflectrice 119 comprend de l'aluminium, du cuivre ou du titane. A titre d'exemple, à l'étape de la figure 1F, le collage direct diélectrique-diélectrique de l'empilement SOI sur la structure de la figure 1F peut être remplacé par un collage direct métal-métal pleine plaque, la couche réflectrice 119 étant alors constituée par l'empilement des deux couches métalliques de collage. A titre d'exemple, la couche d'interface supérieure entre les couches actives 101 et 111 comprend du titane.
[0085] A titre de variante, la couche réflectrice 119 peut être un miroir de Bragg constitué par une alternances de couches semiconductrices ou de couches diélectriques d'indices de réfraction différents, par exemple une alternance de couches de silicium (Si) et de couches d'oxyde de silicium (SiO2) ou de nitrure de silicium (SiN) , ou une alternance de couches d'oxyde de silicium (SiCy) et de couches de nitrure de silicium (SiN) , ou une alternance de couches d'oxyde de silicium (SiCy) et de couches oxyde d'hafnium (HfCy) , ou tout autre couple de matériaux adaptés en fonction de la longueur d'onde infrarouge visée.
[0086] Dans le cas où la couche active de détection infrarouge 111 est en un matériau semiconducteur de type III- V, la couche réflectrice 119 peut être un miroir de Bragg constitué par une alternance de couches épitaxiées de matériaux III-V, par exemple une alternance de couches d'arséniure d'aluminium (AlAs) et de couches d'arséniure de gallium (GaAs) . [0087] La figure 4 est une vue en coupe illustrant une variante d'un capteur d'images visibles et infrarouges selon un mode de réalisation.
[0088] Le capteur de la figure 4 diffère du capteur de la figure 1K principalement en ce que, dans le capteur de la figure 4, la couche d'interface 107-115 entre la couche active de détection visible 101 et la couche active de détection infrarouge 111 est remplacée par une couche d'interface structurée 201. La couche d'interface structurée 201 comprend une alternance, par exemple périodique, de premières régions 201a en un matériau diélectrique, et de deuxièmes régions 201b en un matériau semiconducteur ou métallique.
[0089] Dans l'exemple représenté, les premières régions 201a et les deuxièmes régions 201b ont chacune une face supérieure en contact avec la face inférieure de la couche active de détection visible 101 et une face inférieure en contact avec la face supérieure de la couche active de détection infrarouge 111.
[0090] Les premières régions sont par exemple en oxyde de silicium. Les deuxièmes régions sont par exemple en germanium ou en métal, par exemple en titane.
[0091] La période de répétition des premières régions 201a et des deuxièmes régions 201b est de préférence inférieure, dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes, au pas inter-pixels de la matrice de pixels visibles VP du capteur. A titre d'exemple, la période de répétition des premières et deuxième régions 201a et 201b est au moins deux fois plus petite et de préférence au moins quatre fois plus petite que le pas de répétition des pixels visibles VP du capteur. A titre d'exemple, les dimensions latérales des premières régions 201a et des deuxièmes régions 201b sont comprises inférieures à 1 pm, de préférence inférieures à 500 nm . [0092] Les dimensions latérales ainsi que le pas ou la période de répétition des premières et deuxièmes régions 201a, 201b de la couche 21 sont définis, par exemple au moyen d'outils de simulation optique, de façon à obtenir un compromis entre l'absorption du rayonnement infrarouge dans la couche active 111 qui doit être la plus élevée possible, l'absorption du rayonnement infrarouge dans la couche active 101 qui doit être la plus faible possible, et l'absorption du rayonnement visible dans la couche active 101, qui doit être la plus élevée possible.
[0093] Pour cela, les régions 201a et 201b pourront présenter des dimensions latérales différentes et un pas de répétition différent en vis à vis des pixels visibles VP de couleurs différentes .
[0094] A titre de variante, non représentée, la couche d'interface entre les couches actives 101 et 111 comprend une couche structurée identique ou similaire à la couche 201 décrite en relation avec la figure 4, et une couche non métallique, par exemple une couche homogène diélectrique, superposée à la couche structurée. A titre d'exemple, la couche d' interface peut comprendre :
- une couche diélectrique homogène en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche structurée 201 et en contact, par sa face supérieure, avec la fee inférieure de la couche active de détection visible 101 ; et/ou
- une couche diélectrique homogène en contact, par sa face supérieure, avec la face inférieure de la couche structurée 201 et en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche active de détection infrarouge 111.
[0095] 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. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux, de dimensions, et de gammes de longueurs d'ondes mentionnés dans la présente description.
[0096] Par ailleurs, on a décrit ci-dessus des exemples de réalisation dans lesquels la couche active de détection infrarouge 111 s'étend de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur sensiblement toute la surface du capteur .
[0097] A titre de variante, le capteur comprend des tranchées d'isolation s'étendant verticalement à travers au moins une partie de l'épaisseur de la couche active 111 et délimitant latéralement dans la couche active 111 des îlots ou mésas formant les pixels de détection infrarouge IRP du capteur. Les tranchées d'isolation peuvent s'étendre sur toute l'épaisseur de la couche active 111, délimitant ainsi des îlots disjoints de couche active 111, correspondant respectivement aux différents pixels de détection infrarouge IRP du capteur. A titre de variante, les tranchées d'isolation s'étendent sur une partie seulement de l'épaisseur de la couche active 111, et délimitent des mésas de couche active 111 correspondant respectivement aux différents pixels de détection infrarouge IRP du capteur.
[0098] A titre d'exemple, en vue de dessus, chaque pixel IRP est entièrement entouré et séparé des autres pixels par des tranchées d'isolation. A titre d'exemple, en vue de dessus, les tranchées d' isolation forment une grille séparant latéralement les uns des autres les pixels IRP du dispositif.
[0099] Dans l'exemple décrit en relation avec les figures IA à 1K, les tranchées d' isolation sont par exemple formées par gravure localisée de la couche active 111 après l'étape de report de la figure IC. [ 0100 ] Une couche de passivation peut ensuite être déposée sur les flancs des tranchées , pui s les tranchées peuvent être comblées avec un matériau diélectrique de remplissage , avant la mise en oeuvre des étapes suivantes et notamment avant les étapes de formation du ou des circuits intégrés de contrôle du capteur .

Claims

REVENDICATIONS Capteur d'images visibles et infrarouges, comprenant : une première couche active (101) de détection d'un rayonnement visible, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection visible (VP) ; et superposée, à la première couche active (101) , une deuxième couche active (111) de détection d'un rayonnement infrarouge, dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection infrarouge (IRP) , dans lequel la deuxième couche active (111) définit une cavité résonante verticale pour ledit rayonnement infrarouge, le capteur comprenant en outre, du côté de la face de la deuxième couche active (111) opposée à la première couche active (101) , un circuit intégré de contrôle (140, 150, 160) superposé aux première (101) et deuxième (111) couches actives , dans lequel la première couche active (101) et la deuxième couche active (111) sont séparées par une couche d'interface (107, 115 ; 201) , la couche d'interface (107, 115 ; 201) étant en contact, par une première face, avec la première couche active (101) et, par une deuxième face, avec la deuxième couche active (111) , dans lequel : a) la couche d'interface est non-métallique, ou b) la couche d'interface comprend une couche structurée comprenant une alternance de premières régions (201a) en un matériau diélectrique et de deuxièmes régions (201b) en un matériau semiconducteur ou métallique. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la couche d'interface (107, 115 ; 201) présente une épaisseur comprise entre 10 et 800 nm. Capteur selon la revendication 1 ou 2 dans son alternative a) , dans lequel la couche d'interface (107, 115) est en oxyde de silicium. Capteur selon la revendication 1 ou 2 dans son alternative b) , dans lequel la couche d'interface comprend en outre une couche homogène, par exemple diélectrique, superposée à la couche structurée (201) . Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première couche active (101) est en silicium Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième couche active (111) est en un matériau semiconducteur inorganique. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième couche active (111) est en germanium ou en silicium. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une couche réflectrice (119) , par exemple en un matériau semiconducteur dopé, du côté de la face de la deuxième couche active (111) opposée à la première couche active ( 101 ) . Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit rayonnement infrarouge est un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 900 nm et 2 pm. . Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, comprenant des tranchées d'isolation s'étendant verticalement à travers au moins une partie de l'épaisseur de la deuxième couche active (111) et délimitant latéralement dans la deuxième couche active (111) des îlots ou mésas formant les pixels de détection infrarouge (IRP) . Procédé de fabrication d'un capteur d'images visibles et infrarouges, comprenant les étapes suivantes : a) prévoir une première couche active (101) de détection d'un rayonnement visible dans laquelle sont définis une pluralité de pixels de détection visible (VP) ; b) fixer, par collage direct, sur la première couche active (101) , une deuxième couche active (111) de détection d'un rayonnement infrarouge ; et c) définir une pluralité de pixels de détection infrarouge (IRP) dans la deuxième couche active (111) , dans lequel la deuxième couche active (111) définit une cavité résonante verticale pour ledit rayonnement infrarouge, le procédé comprenant en outre, après l'étape c) , une étape de report et de fixation d'une couche de silicium (133) , par collage direct, sur la deuxième couche active (111) , puis de formation de transistors MOS (140) dans ladite couche de silicium (133) , dans lequel la première couche active (101) et la deuxième couche active (111) sont séparées par une couche d'interface (107, 115 ; 201) , la couche d'interface (107, 115 ; 201) étant en contact, par une première face, avec la première couche active (101) et, par une deuxième face, avec la deuxième couche active (111) , dans lequel : a) la couche d'interface est non-métallique, ou b) la couche d'interface comprend une couche structurée comprenant une alternance de premières régions (201a) en un matériau diélectrique et de deuxièmes régions (201b) en un matériau semiconducteur ou métallique.
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