Brevet FR2910713A1 — publié le 20080627

PHOTODIODE VERROUILLEE A GRANDE CAPACITE DE STOCKAGE, PAR EXEMPLE POUR UN CAPTEUR D'IMAGE, PROCEDE DE REALISATION ASSOCIE, ET CAPTEUR D'IMAGE COMPRENANT UNE TELLE DIODE L'invention concerne une photodiode et un procédé de réalisation associé. La photodiode est formée dans une région d'un premier type à l'intérieur d'une région d'un deuxième type d'un substrat semi-conducteur. Le premier type est par exemple un type N et le deuxième type est par exemple un type P, ou l'inverse. L'invention est notamment intéressante, mais pas uniquement, pour la réalisation de capteurs d'image tel qu'un capteur CCD (Charge Coupled Device) ou un capteur CMOS. Sur la figure 1 est représenté un capteur d'image connu notamment du document Dl (US 2006/0103747). Le capteur comprend une photodiode 101, un transistor de transfert ayant une grille de transfert 150, un noeud flottant 107, et un moyen 103, 109, 111, 113 de lecture du noeud flottant. La photodiode 101 comprend une région d'accumulation 110 (nommée "shallow region" dans Dl) de type N-, dans une région de type P- 120 d'un substrat ou directement sur un substrat P-, et une région de verrouillage 160 (nommée "pinning layer" dans Dl) très peu profonde de type P+ et située au dessus de la région d'accumulation. Les régions 110 et 160 sont limitées d'un côté par une région d'isolement 130 et de l'autre côté dans un plan vertical passant par un flanc 140 de la grille 150. L'interface entre la région 160 et la région 110 forme une première jonction PN et l'interface entre la région 110 et le substrat forme une deuxième jonction PN. Le fonctionnement d'une telle diode comprend une phase d'accumulation et une phase de transfert. Lors de la phase d'accumulation, un potentiel de masse est 2910713 2 appliqué sur la région P 120 (ou le substrat) et sur la région P+ 160 et un potentiel Vd de polarisation inverse est appliqué à la région N- 110 ; lorsque des photons viennent frapper une surface supérieure 118 de la diode, 5 des paires electrons - trous sont générés dans la diode, plus précisément dans les régions 160, 110, 112, 120, et les électrons sont ici stokés dans la région N 110. Lors de la phase de transfert, la grille 150 du transistor de transfert est rendue passante et les électrons générés 10 par photoémission sont transférés vers le noeud flottant 107 dont le contenu peut être ensuite lu par le moyen de lecture. Les profondeurs des régions 110, 160, et les concentrations en dopant N, P de ces régions sont 15 choisies de sorte que, lorsque le transfert de charges est complet, la grille du transistor de transfert étant passante, (le potentiel Vp est appliqué sur la région N 110), les zones de charge d'espace des deux diodes se rencontrent. Ainsi, lors de la phase d'accumulation, la 20 grille du transistor de transfert étant bloquée, aucun porteur majoritaire ne peut être extrait de la région 110. Une telle diode est dite verrouillée (pinned diode en anglais) ou complètement déplétée. 25 Un problème d'une diode selon la figure 1 est sa capacité de stockage limitée. Le document Dl propose d'augmenter la capacité de stockage d'une telle diode en réalisant la région N- par implantation de deux dopants de type N ayant des 30 coefficients de diffusion différents et des densités de concentration différentes (figure 2 de Dl), la zone d'implantation du premier dopant 112 entourant la zone d'implantation du deuxième dopant 114. 2910713 3 L'invention vise également à augmenter la capacité de stockage d'une diode connue en proposant une solution alternative à la solution de Dl. Pour cela, l'invention propose une photodiode 5 formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220) d'un substrat semi-conducteur. La dite région du premier type comprend une première zone (212) comprenant un dopant du premier type à une première concentration (Cl) et ayant une première 10 profondeur (Pl). Selon l'invention, la dite région du premier type (210) comprend également une deuxième zone (214) adjacente à la première zone (212), comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration (C2) 15 supérieure à la première concentration (Cl) et ayant une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (Pi). Dans la région du premier type, l'augmentation locale de la concentration en dopant dans la deuxième 20 zone par rapport à la concentration dans la première zone (deuxième concentration supérieure à la première concentration) permet d'augmenter la capacité de stockage de la diode. La limitation de la profondeur de la deuxième zone par rapport à la profondeur de la première 25 zone permet de fixer la valeur du potentiel de polarisation inverse de la diode à une valeur appropriée pour que, en cours de fonctionnement, la diode soit complètement verrouillée à la fin d'un transfert de charge, et pendant la phase d'accumulation. 30 L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une photodiode dans un substrat semi-conducteur, la dite diode étant formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220). Le procédé comprenant notamment une première étape de formation de la région du premier type (210) par ajout d'un dopant du premier type à une 2910713 4 première concentration (Cl) sur une longueur initiale (L) et sur une première profondeur (P1) de la région du deuxième type (220). Le procédé selon l'invention comprend également une 5 deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration (Cl) sur une deuxième longueur (L2) inférieure à la longueur initiale (L) et sur une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1). Cette deuxième étape permet d'augmenter la capacité de 10 stockage de la diode. Le procédé selon l'invention comprend également une troisième étape de pincement de la région du premier type (N) sur la deuxième longueur (L2) à la deuxième profondeur (P2). Cette troisième étape permet d'ajuster 15 le potentiel de polarisation inverse de la diode à une valeur appropriée pour que, en fonctionnement, la diode soit complètement verrouillée à la fin du transfert de charges. L'invention concerne enfin un capteur d'image 20 comprenant une photodiode telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de 25 réalisation d'une photodiode selon l'invention et d'un procédé associé. La description est à lire en relation au dessin annexé dans lequel : • la figure 1, déjà décrite, est une coupe selon un plan (X, Z) d'un capteur d'image comprenant une 30 photodiode connue, • la figure 2 est une coupe selon le plan (X, Z) d'une photodiode selon l'invention. Les axes X, Y, Z sont définis tels que : 35 • la surface supérieure du substrat définit le plan (X, Y), la largeur des différentes zones du substrat étant 2910713 5 définie selon l'axe des Y et la longueur des différentes zones étant définie selon la direction X, • l'axe Z s'étend perpendiculairement à la surface supérieure du substrat, depuis la surface supérieure du 5 substrat en direction de la surface inférieure du substrat, la profondeur des différentes zones du substrat étant définie selon l'axe Z positivement vers le bas, • sur les figures, l'axe X s'étend horizontalement de 10 gauche à droite, l'axe Y s'étend perpendiculairement vers l'arrière et l'axe Z s'étend verticalement vers le bas. De même qu'une photodiode connue (figure 1), une 15 photodiode selon l'invention est formée (figure 2) d'une région 210 d'un premier type à l'intérieur d'une région 220 d'un deuxième type d'un substrat semi-conducteur. La région 220 est en pratique le substrat lui-même (cas de la figure 2), ou bien un caisson du deuxième type dans (par exemple de type STI pour Shallow Trench Isolation) implantée dans le substrat, et d'un deuxième côté 30 approximativement par un plan vertical défini par un flanc 240 d'une grille 250, qui est la grille d'un transistor de transfert. Egalement, la photodiode comprend une région 260 du deuxième type P, de très faible épaisseur et s'étendant au dessus de la région 35 210, en surface du substrat. 20 substrat du premier type. les régions 210, 220 sont premier type est le type type P. Mais l'inverse est De même que pour 25 direction X parallèle à substrat, la région 210 délimitée d'un premier côté Dans l'exemple de la figure faiblement dopées. De plus, N et le deuxième type est bien sûr possible. une diode connue, selon la une surface supérieure du a une longueur totale L, par une région isolante 230 un 2, le le 2910713 6 La région 210 comprend une lere zone 212 comprenant un dopant du premier type N à une première concentration Cl et ayant une première profondeur Pl. Selon l'invention, la région 2:L0 comprend également 5 une deuxième zone 214 adjacente à la première zone 212, comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration C2 supérieure à la première concentration Cl et ayant une deuxième profondeur P2 inférieure à la première profondeur Pi. 10 La gère zone 212 s'étend sur une première longueur L1. La deuxième zone 214 s'étend sur une deuxième longueur L2. La longueur totale L de la diode est égale à L1 + L2. L2 est par exemple de l'ordre de 0.2 à 4 fois la première longueur L1 ou, dit autrement, L2 est de l'ordre 15 de 20 à 80 % de la longueur totale L de la diode, et L1 est de l'ordre de 80 à 20 % de la longueur totale L. Dans l'exemple de la figure 2, L2 est sensiblement égale à la première longueur L1. Dans l'exemple de la figure 2, la première longueur 20 L1 est délimitée d'un côté par la deuxième zone 214 et d'un autre côté par le plan vertical défini par le flanc 240 de la grille 250, et la deuxième longueur L2 est délimitée par d'un côté la région isolante 230 et de l'autre côté par la première zone 212. Dans la diode, la 25 première zone 212 est ainsi localisée du côté de la grille de transfert 250, entre la deuxième zone 214 et le plan passant par le flanc 240 de la grille 250. Mais l'inverse est également possible : la deuxième zone 214, moins profonde et plus fortement dopée que la première 30 zone 212, peut ainsi dans un autre exemple être située entre la première zone 212 et le plan vertical défini par le flanc 240 de la grille 250. Dans la 1ere zone 212, la première concentration Cl en dopant de type N est de l'ordre de 2 à 10.1012 cm-2. 35 Dans la deuxième zone 214, la deuxième concentration C2 2910713 7 en dopant de type N est de l'ordre de 0.5 à 3 fois la concentration Cl, soit C2 de l'ordre de 4 à 20.1012 cm-2. La région 220 du deuxième type comprend une 5 troisième zone 222 adjacente à la lère zone et s'étendant sous la deuxième zone 214 sur une troisième profondeur P3, et comprenant un dopant du deuxième type (P+ dans l'exemple) à une troisième concentration C3. La profondeur P3 est choisie par exemple supérieure à Pl - 10 P2, mais P3 peut également être choisie égale ou inférieure à P1-P2. La région 220 comprend également une 4ème zone 224, qui est en pratique la partie non modifiée du substrat ou de la region 220 initiale. La région 224 s'étend ainsi 15 sous la 3ème zone 222, sous la lère zone 212, et à côté de la zone 212 sous la grille 250. La région 224 comprend un dopant du deuxième type (P- dans l'exemple) à une quatrième concentration C4, faible, de l'ordre de 0.01 à 1 fois la 3ème concentration C3. 20 Par rapport à une diode antérieure selon la figure 1, dans une diode selon l'invention, la région 210 a été modifiée de la manière suivante : • la concentration en dopant du premier type N est 25 renforcée dans la zone 214 par rapport à la concentration dans la zone 212 : C2 > Cl • la profondeur a été limitée dans la zone 214 par rapport à la profondeur dans la zone 212 (la région 210 est dite pincée dans la zone 212) : P2 Cl. 2910713 11 Toutes les étapes d'ajout de dopant peuvent être réalisées selon des techniques connues, comme par exemple la technique de diffusion ou la technique d'implantation ionique de dopants. 5 La deuxième étape et la troisième étape nécessitent une étape préalable de pose d'un masque 280 de résine protectrice, recouvrant partiellement la région du premier type définie lors de la première étape sur la première longueur L1 à compter de la grille 250. Ce 10 masque protège ainsi la zone 212 lors de la deuxième étape et de la troisième étape, et définit la longueur L2 des zones 214 et 224 modifiées lors de la deuxième étape et de la troisième étape. Le masque 280 est enlevé après réalisation de la deuxième étape et de la troisième 15 étape. Le procédé peut être complété par des étapes complémentaires connues de réalisation d'espaceurs sur les flancs de la grille 250, la réalisation de contacts métalliques, etc, nécessaires à la finition de la diode, 20 ou d'un capteur incluant la diode selon l'invention. Ainsi, par rapport à un procédé antérieur, le procédé selon l'invention comprend quatre étapes complémentaires la pose du masque de résine 280, l'augmentation locale de la concentration dans la région 25 214, le pincement de la zone 210 et l'enlèvement du masque. REVENDICATIONS 1. Photodiode formée d'une région d'un premier type (210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (220) d'un substrat semi-conducteur, la dite région du premier type comprenant une première zone (212) comprenant un dopant du premier type à une première concentration (Cl) et ayant une première profondeur (Pi), la photodiode étant caractérisée en ce que la dite région du premier type (210) comprend également une deuxième zone (214) adjacente à la première zone (212), comprenant le dopant du premier type à une deuxième concentration (C2) supérieure à la première concentration (Cl) et ayant une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1). 2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle la première zone (212) s'étend sur une première longueur (L1) et dans laquelle la deuxième zone (214) s'étend sur une deuxième :Longueur (L2) de l'ordre de 0.2 à 4 fois la première longueur (Li). 3. Photodiode selon la revendication 2, dans laquelle la première longueur (L1) est sensiblement égale à la première longueur (L2). 4. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième concentration (C2) est de l'ordre de 0.5 à 3 fois la première concentration (Cl). 5. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 4, 30 dans laquelle la région du deuxième type (220) comprend : • une troisième zone (222) adjacente à la première zone (212) et s'étendant sous la deuxième zone (214) sur une 2910713 13 troisième profondeur (P3), et comprenant un dopant du deuxième type. 6. Photodiode selon l'une des revendications 5 précédentes, dans laquelle le premier type est un type N et dans laquelle le deuxième type est un type P. 7. Procédé de réalisation d'une photodiode dans un 10 substrat semi-conducteur, la dite diode étant formée d'une région d'un premier type (N, 210) à l'intérieur d'une région d'un deuxième type (P, 220), le procédé comprenant notamment une première étape de formation de la région du premier type (210) par ajout d'un dopant du 15 premier type à une première concentration (Cl) sur une longueur initiale (L) et sur une première profondeur (P1) de la région du deuxième type (220), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend également une deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration 20 (Cl) sur une deuxième longueur (L2) inférieure à la longueur initiale (L) et sur une deuxième profondeur (P2) inférieure à la première profondeur (P1). 8. Procédé selon la :revendication 7, dans lequel la 25 deuxième étape d'augmentation locale de la première concentration (Cl) est réalisée par ajout d'un dopant du premier type (N). 9. Procédé selon l'une des revendications 7 à 8, comprenant également une troisième étape de pincement de la région du premier type (N) sur la deuxième longueur (L2) à la deuxième profondeur (P2). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel 35 la troisième étape de pincement de la région du premier type (N) est réalisée par ajout d'un dopant du deuxième 2910713 14 type sur la deuxième longueur (L2) et sur une troisième profondeur (P3) s'étendant en dessous de la deuxième profondeur (P2). 5 11. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 10, dans lequel un ajout de dopant est réalisé par implantation ionique du dit dopant. 12. Capteur d'image comprenant une photodiode selon 10 l'une des revendications 1 à 6 et une grille (250) de transfert, et dans lequel la première zone (212) est située entre la deuxième zone (214) et la grille (250). 13. Capteur d'image comprenant une photodiode selon 15 l'une des revendications 1 à 6 et une grille (250) de transfert, et dans lequel la deuxième zone (214) est située entre la première zone (212) et la grille (250).