Brevet FR2669146A1 — publié le 19920515

CAPTEUR PHOTOSENSIBLE A PHOTODIODES, NOTAMMENT A PHOTODIODES DE FAIBLES DIMENSIONS, ET PROCEDE DE FABRICATION DIUN TEL CAPTEUR L'invention concerne les capteurs photosensibles du type comprenant au moins une ligne de photodiodes, formées sur un substrat semiconducteur. Elle a pour objet notamment ltamelioration de l'uniformité de réponse ainsi que la résolution, particulièrement dans le cas des photodiodes de faibles dimensions. Les dispositifs photosensibles sont de façon courante réalisés à l'aide d'une pluralité de photodiodes disposées par exemple en lignes et en colonnes pour constituer un capteur surfacique, ou disposées par exemple suivant une seule ligne pour former une barrette photosensible simple. La figure 1 représente un capteur photosensible classique du type semi-conducteur, par une vue en coupe le long d'une ligne de photodiodes. Pour simplifier la description, seulement deux photodiodes consécutives Dl, D2 sont représentées. Les photodiodes Dl, D2 sont constituées à partir d'un substrat semi-conducteur 2, par exemple du silicium ayant un premier type de conductivité, P par exemple. On obtient les photodiodes Dl, D2 en réalisant à intervalles réguliers dans le substrat 2, des implantations formant des zones Zl, Z2, ayant un type de conduction N afin d'être contraire à celui du substrat 2. Les photodiodes Dl, D2 sont séparées et isolées les unes des autres par des barrières électriquement isolantes bl, b2, b3, formées à l'aide Cl'un oxyde épais du type oxyde de silicium, de façon courante. De telles barrières en oxyde épais sont bien connues, notamment sous l'appellation "LOCOS". Chaque photodiode Dl, D2 correspond à un point élémentaire d'image ou pixel, et le pas PP des pixels est formé par la distance qui sépare les axes Ai, A2, A3 de deux barrières isolantes bl à b3 consécutives. La succession de photodiodes Dl, D2 et de barrières isolantes bl à b3 est recouverte d'une couche 5 appelée couche superficielle. Bien entendu la couche superficielle 5 doit absorber aussi peu que possible le rayonnement en photons Ph, lequel rayonnement éclaire l'ensemble de la surface, c'est-à-direles photodiodes et les barrières isolantes. La couche superficielle 5 a une épaisseur assez faible de l'ordre souvent de 1,us, de telle sorte qu'elle absorbe ou réfléchisse peu le rayonnement, quelle que soit la nature du matériau ou des matériaux qui la constitue.La couche superficielle 5 est souvent constituée par une couche d'oxyde (Si02 par exemple) formant une couche de passivation, mais, suivant le procédé de fabrication, elle peut aussi être constituée par plusieurs couches (non représentées) de natures différentes: par exemple oxyde et/ou nitrure de silicium pour former une couche de passivation > elle-même éventuellement recouverte d'une ou plusieurs couches d'adaptation d'indice de réfraction. Quand le pas PP du pixel devient petit (à partir par exemple de 12 à 15 ,ut), la longueur L des barrières isolantes bl, b2, b3 tend à devenir très importante par rapport au pas PP. Ceci a des répercussions fâcheuses sur certaines performances, notamment la Fonction de Transfert de Modulation (FTM) laquelle est représentative de la résolution du capteur. En effet, la longueur L des barrières isolantes bl à b3 augmentant, elle tend à devenir prépondérante par rapport à la taille des photodiodes D1, D2. Par suite une majorité de paires électrons/trous est engendrée par les photons Ph, entre les zones de collections constituées par les zones de charge d'espace des photodiodes D1, D2, c'est-à-dire engendrée sensiblement en regard des barrières isolantes bl à b3, et donc en dehors des zones d'influence directe des photodiodes Di, D2. Les charges ainsi engendrées migrent par effet de diffusion dans le substrat 2 et elles sont collectées pour finir par une photodiode Di, D2 qui peut être relativement éloignée du lieu où les charges furent engendrées. ll en résulte une forte diminution du contraste et une perte de résolution du capteur. La perte est maximum pour les courtes longueurs d'onde correspondant au spectre du bleu. Cette perte de contraste survenant pour les pixels de petites dimensions, peut être évitée si on remplace les barrières d'isolement bl à b3 en oxyde épais par un autre type de barrière, qui peut être réalisé avec une longueur très inférieure . La figure 2 est une vue en coupe semblable à celle de la figure 1, et représente une ligne de photodiodes D1, D2 séparées par des barrières isolantes Bi, B2, B3 formées chacune par implantation d'un matériau présentant un type de conductivité semblable à celui du substrat 2, c'est-à-dire P dans l'exemple; le matériau d'implantation est du Bore par exemple. Ces nouvelles barrières isolantes Bl à B3 peuvent être réalisées avec une longueur Li beaucoup plus faible (égale ou inférieure à 1 ,ut), et qui donc reste faible par rapport au pas PP du pixel ; alors que les barrières isolantes bi à b3 en oxyde épais, ne peuvent pas être réalisées avec une longueur L aussi faible que celle de ces nouvelles barrières B1 à B3. Ceci se traduit par une quasi suppression de la génération de paires électrons/trous entre les zones de collection. Il n'y a plus pratiquement de zone sans champ entre photodiodes, ce qui permet de collecter directement les porteurs, sans diffusion, pour les courtes longueurs d'ondes. Le partage des charges qui diffusent est aussi amélioré pour les longueurs d'onde plus élevées. ll est à noter d'autre part que les barrières isolantes bl à b3 en oxyde épais ont une épaisseur telle qu'elles sont en dépassement par rapport à la face supérieure du substrat, de telle sorte qu'elles provoquent des ondulations du plan de la couche superficielle 5. Dans le cas de la figure 2 au contraire ; les barrières isolantes B1 à B3 formées d'implantation, ne dépassent pas de la face supérieure du substrat 2 et la couche superficielle 5 apparaît plane. Avec les barrières isolantes B1 à B3 du type montré à la figure 2, le contraste du capteur photosensible est fortement amélioré pour le cas des pixels de petites dimensions, par rapport a l'isolement par oxyde épais. Cette technique d'isolation des photodiodes présente toutefois un inconvénient qui peut être majeur si le capteur est utilisé pour des éclairements à bandes spectres étroites, par exemple de l'ordre ou plus petit que 100 nm (100 9 mètre). Cet inconvénient réside dans la non uniformité de réponse des photodiodes (ou pixels) de la ligne ou surface photosensible du capteur, c'est-à-dire entre deux ou plusieurs pixels voisins ou non du même capteur photosensible. Il a été mesuré que la non uniformité de réponse pour deux pixels d'un même capteur, le long d'une même ligne de pixels par exemple, pouvait atteindre des valeurs très élevées, alors que les pixels ou photodiodes sont éclairés uniformément. La présente invention concerne une structure nouvelle de capteur photosensible à photodiodes permettant tout à la fois, notamment pour les pixels ou photodiodes de petites dimensions, d'avoir un bon contraste sans détérioration de l'uniformité de réponse entre pixels, quelle que soit la largeur de bande spectrale du rayonnement auquel sont exposés les pixels. Selon l'invention, un capteur photosensible comprenant au moins une ligne de photodiodes réalisées sur un substrat semi-conducteur dopé suivant un type de conduction donné, les photodiodes étant réalisées suivant un pas donné et étant séparées les unes des autres par une barrière isolante, chaque barrière isolante étant constituée par une implantation d'un matériau dopé suivant un même type de conduction que le substrat, les photodiodes et les barrières isolantes étant recouvertes d'une couche superficielle, est caractérisé en ce que ltépaisseur de la couche superficielle varie suivant un motif qui se répète suivant un pas égal ou inférieur au pas des photodiodes. Cette disposition permet notamment de rompre la planéité de la couche superficielle au niveau de chaque photodiode, c'est-à-dire d'introduire des reliefs dont les auteurs de l'invention ont constaté qu'ils permettent pratiquement de supprimer les problèmes liés à la réponse spectrale, et particulièrement les défauts de non uniformité de réponse des pixels. Les auteurs de l'invention pensent que l'introduction de reliefs au niveau de chaque pixel tend à produire des effets semblables à ceux provoqués par les barrières isolantes en oxyde épais avec lesquelles ces défauts n'étaient pas constatés. En effet, les auteurs de l'invention imputent les défauts de non uniformité de réponse en bandes spectrales étroites, à des phénomènes d'interférences à l'interfaceentre le substrat et la couche superficielle, et dans la couche superficielle elle-même si cette dernière est constituée de plusieurs couches : si la ou les couches formant la couche superficelle ne sont pas parfaitement adaptées en indice de réfraction et en épaisseur, la réponse spectrale de chaque pixel présente des oscillations semblables à celles montrées à la figure 3. La figure 3 montre une première et une seconde courbe de réponse 10, 11 qui illustrent la réponse R en fonction de la longueur d'onde, pour respectivement un pixel Pi et un pixel Px appartenant à un même capteur photosensible, c'est-à-dire servant à constituer une même surface photosensible, par exemple dans une même ligne. Les deux courbes de réponse 10, li montrent une succession de maximums et de minimums fortement prononcés. Dans exemple, pour le pixel Pi les maximums sont situés à environ 450 nm, 550 nm, 650 nm, 750 nm ; et pour le pixel Px les maximums sont décalés de telle sorte qu'ils correspondent sensiblement aux minimums du pixel Pi. Les auteurs de l'invention pensent que sur une certaine distance formée entre deux pixels d'un même capteur, l'épaisseur de la couche superficielle varie, et engendre un décalage des oscillations, par exemple le long d'une ligne de pixel. En conséquence, si le capteur photosensible fonctionne avec des bandes spectrales étroites, la non uniformité de réponse liée au déplacement des oscillations le long de ligne devient très pénalisante, et peut atteindre des valeurs très élevées (+ 30%). L'invention concerne également un procédé permettant, de façon simple et efficace, de former des reliefs dans la couche superficielle. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certains de ses modes de réalisation, description faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 déjà décrite représente, par une vue en coupe, un capteur photosensible de l'art antérieur, du type à barrières isolantes à oxyde épais - la figure 2 déjà décrite, représente par une vue en coupe, un capteur photosensible de l'art antérieur, du type à barrières isolantes formées par implantation - la figure 3 déjà décrite, illustre la réponse en fonction de la longueur d'onde, de deux pixels d'un même capteur photosensible de l'art antérieur, du type montré à la figure 2 - la figure 4 montre principalement une forme de réalisation préférée, d'un capteur photosensible suivant l'invention - les figures Sa et 5b illustrent une première méthode de réalisation du capteur de l'invention; - les figures 6a à 6c illustrent une seconde méthode de réalisation du capteur de l'invention. La figure 4 montre un capteur photosensible 15 du type à photodiodes, suivant l'invention. Le capteur 15 peut être du type à barrette, c'est-à-dire avec une seule ligne d'éléments photosensibles, ou du type à deux dimensions (lignes et colonnes) c'est-à-dire surfacique. La figure 4 est une vue en coupe semblable à la vue de la figure 2, et montre le capteur 15 de l'invention suivant une ligne de photodiodes. Pour simplifier la description, la ligne de photodiodes est limitée à six photodiodes D1 à D6. Le capteur photosensible 15 est d'un type voisin de celui montré à la figure 2, en ce qu'il comporte des barrières isolantes B1 à B7 formées par implantation. Comme les exemples des figures 1 et 2, les photodiodes D1 à D6 sont constituées sur un substrat 2. Le substrat 2 est un semi-conducteur, dopé de type P par exemple, dans lequel les photodiodes D1 à D6 sont réalisées par implantation de matériau ayant un type de conduction opposé à celui du substrat, c'est-à-dire N dans l'exemple. Les photodiodes D1 à D6 sont séparées et isolées électriquement les unes des autres, par des barrières isolantes Bi à B7, formées chacune par implantation d'un matériau présentant un type de conductivité identique à celui du substrat 2. Les barrières isolantes B1 à B7 et les photodiodes D1 à D6 sont recouvertes par une couche superficielle 16, qui de façon en elle-même classique, peut être formée par une ou plusieurs couches, comme il a été déjà expliqué dans le préambule. Chaque photodiode D1 à D6 correspond à un point élémentaire d'image ou pixel, et le pas des pixels le long d'une ligne correspond à une longueur L1 formée entre les axes 20 de deux barrières isolantes B1 à B7 consécutives. Suivant une caractéristique de l'invention, entre le substrat 2 et la face supérieure 17 de la couche superficielle 16, la distance, c'est-à-dire dans l'exemple l'épaisseur de la couche superficielle 16, varie suivant un motif qui se répète au moins une fois pour chaque photodiode D1 à D6. Dans l'exemple non limitatif décrit, la couche superficielle 16 comporte une alternance d'épaisseurs faibles E1, et d'épaisseurs fortes E2. En fait, dans la longueur L1 formant le pas des pixels, la couche superficielle 16 doit comporter une ou plusieurs variations d'épaisseur comprises entre l'épaisseur faible El et l'épaisseur forte E2. Les auteurs de l'invention pensent qu'avec au moins une telle variation d'épaisseur El, E2, de la couche superficielle 16, par longueur Li ou pas de pixel, on crée des oscillations à de multiples fréquences spatiales, du fait des interférences dans la couche superficielle 16 ou entre cette dernière et le substrat 2 ; et que ces multiples oscillations provoquent un effet de lissage des courbes de réponse des pixels, effet de lissage qui tend à conférer une réponse spectrale du même type que celle qui est obtenue quand on utilise des barrières isolantes en oxyde épais type "LOCOS " . Une amélioration importante de l'uniformité de réponse (dans le cas des spectres étroits), a été constatée dans des cas où la différence entre l'épaisseur forte E2 et l'épaisseur faible El était égale ou supérieure à 0,5 ,um (E2-El). Ainsi, notamment dans le cas d'une couche superficielle 16 en Si02, il a été constaté une forte amélioration pour une épaisseur faible El et une épaisseur forte E2 respectivement de l'ordre de 0,5 Cun et 1 lun, avec de préférence (mais non obligatoirement), une variation sensiblement progressive entre ces deux épaisseurs. En fait, une amélioration est obtenue avec une très faible variation d'épaisseur E2-E1, et une amélioration significative est constatée dans la plupart des cas quand la variation d'épaisseur E2-E1 est égale ou supérieure à environ 20% de l'épaisseur forte E2. Dans exemple principalement montré à la figure 4, les épaisseurs faibles El sont centrées sur les barrières isolantes et les épaisseurs fortes E2 sont situées au dessus des photodiodes D1, D6 ; mais l'effet recherché, à savoir l'effet de lissage précédemment mentionné, peut être obtenu avec des positions différentes de ces épaisseurs El, E2 : par exemple, l'épaisseur forte E2 peut être centrée sur une barrière isolante et l'épaisseur faible El sur une photodiode D1 à D6, comme illustré partiellement en traits pointillés sur la figure 4, au dessus des deux photodiodes D1, D2 où l'épaisseur forte est repérée E2' et l'épaisseur faible est repérée El'. Suivant une caractéristique de l'invention, les épaisseur fortes E2 sont sensiblement centrées sur les photodiodes D1 à D6, afin de constituer des lentilles 26 optiques, qui chacune ont un effet de focalisation sur le centre de la photodiode correspondante. Ceci est illustré au niveau de la cinquième photodiode D5, où l'on représente un flux de photons Ph qui se propagent en direction de la photodiode D5, et qui, après avoir pénétré dans la couche superficielle 16, convergent vers un axe 22 de la photodiode D5. Cet effet de focalisation assuré par la couche superficielle 16 pour chacun des pixels, c'est-à-dire pour chacune des photodiodes, tend à améliorer la résolution du capteur 15 à toutes les longueurs d'onde du signal photonique incident, en plus de ce que les variations d'épaisseurs El, E2 de la couche superficielle permettent d'améliorer l'uniformité de réponse en bandes spectrales étroites. Les figures 5a et 5b montrent, à titre d'exemple non limitatif, deux étapes d'un procédé simple permettant de réaliser les variations d'épaisseur de la couche superficielle 16. La figure Sa représente une étape de fabrication, dans laquelle les barrières isolantes B1 à B7 et les photodiodes D1 à D6 sont recouvertes d'une couche superficielle 16 uniforme, c'est-à-dire d'épaisseur E sensiblement constante de l'ordre de 1 pin par exemple. La couche superficielle 16 est formée par exemple par un oxyde de silicium. La figure 5b représente une étape dans laquelle la couche superficielle 16 est gravée à 50 % de son épaisseur, en vis-à-vis des barrières isolantes B1 à B7. On réalise ainsi des rainures 25 qui permettent de constituer une succession de creux 25 et de sommets 26 à flancs raides dans la couche 16 d'oxyde. Ces creux et sommets 25, 26 à flancs raides sont ensuite en quelque sorte lissés par une opération entraînant un fluage de ltoxyde, par chauffage par exemple ; ceci confère à la couche superficielle 16 des ondulations, c'est-à-dire la forme qu'elle comporte à la figure 4 avec une épaisseur faible El et une épaisseur forte E2, dans une longueur Li correspondant aux pas des pixels. On remarque que ceci permet de conférer aux sommets 26 un profil convexe particulièrement apte à remplir la fonction de lentille. Les figures 6a à 6c illustrent trois étapes d'un autre procédé permettant de réaliser les lentilles 26 dans la couche superficielle 16. La figure 6a représente les barrières isolantes B1 à B7 couvertes d'une couche 30 en oxyde de silicium par exemple, ayant une épaisseur E' de l'ordre 0,5 pin. La figure 6b montre que la couche 30 a été gravée afin de constituer des rainures 25' dans toute l'épaisseur E', en vis-à-vis des barrières isolantes B1 à B7. La figure 6c illustre une étape suivante dans laquelle on dépose sur la couche 30 une couche 31 en oxyde de silicium par exemple, dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,5 ,um, de manière à remplir partiellement les rainures 25'. La forme de la couche superficielle 16 comportant des épaisseurs El, E2 formant des lentilles 26 comme montré à la figure 4, est ensuite obtenue par fluage, comme dans le procédé décrit précédemment. Il est à noter que l'un ou l'autre des procédés décrits, peuvent s'appliquer également dans le cas où les épaisseurs faibles et fortes El, E2 sont disposées autrement qu'en vis-à-vis respectivement des barrières isolantes B1 à B7 et des photodiodes D1 à D6. REVENDICATIONS 1. Capteur photosensible comprenant au moins une ligne de photodiodes (D1 à D6) formées suivant un pas (L1) donné sur un substrat semi-conducteur (2), le substrat (2) étant dopé suivant un type de conduction donné, deux photodiodes (D1 à D6) consécutives étant séparées par une barrière isolante (B1 à B7), chaque barrière isolante étant constituée par une implantation d'un matériau dopé suivant un même type de conduction que le substrat (2), les photodiodes (D1 à D6) et les barrières isolantes (B1 à B7) étant recouvertes d'une couche superficielle (16), caractérisé en ce que l'épaisseur (El, E2) de la couche superficielle varie entre une épaisseur faible (El) et une épaisseur forte (E2) selon un motif qui est répété suivant un pas égal ou inférieur au pas (lui) des photodiodes (D1 à D6). 2. Capteur photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence (E2-E1) entre l'épaisseur forte (E2) et l'épaisseur faible (El) est égale ou supérieure à environ 20 % de l'épaisseur forte (E2). 3. Capteur photosensible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les épaisseurs faibles et fortes (El, E2) se succèdent de manière à constituer une succession de creux (25) et de sommets (26), à raison d'un creux (25) et d'un sommet (26) dans la longueur (L1) d'un pas des photodiodes. 4. Capteur photosensible selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque creux (25) est centré sensiblement sur une barrière isolante (B1 à B7), et en ce que chaque sommet (26) est centré sensiblement sur une photodiode (D1 à D6). 5. Capteur photosensible suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les sommets (26) ont un profil convexe. 6. Procédé de réalisation d'une couche superficielle (16) dans un capteur photosensible suivant l'une des revendications 1 à 5, consistant à former une première couche (30) sur des photodiodes (D1 à D6) et des barrières isolantes (B1 à B7), est caractérisé en ce qu'il consiste à graver localement ladite première couche (30) afin d'y réaliser des rainures (25), puis à réaliser un fluage de la première couche. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que chaque rainure (25) est réalisée en vis-à-vis d'une barrière isolante (Bl à B7). 8. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les rainures (25) avec une profondeur largement inférieure à l'épaisseur (E') de la première couche superficielle. 9. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les rainures (25) avec une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur (E') de la première couche (30), puis à déposer une couche additionnelle (31) sur l'ensemble de la première couche (30).