Brevet FR2934084A1 — publié le 20100122

PIXEL D'IMAGEUR EN TECHNOLOGIE FACE ARRIERE ET CAPTEUR D'IMAGE ASSOCIE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un pixel d'imageur en technologie de type face arrière et un capteur d'image associé. Un domaine d'application de l'invention est le domaine de l'imagerie. D'un point de vue technologique, l'invention s'applique à la technologie CMOS (CMOS pour � COMPLEMENTARY METAL-OXIDE SEMICONDUCTOR �) et à la technologie à silicium amorphe hydrogéné. A l'heure actuelle, la réalisation de capteurs d'image est basée soit sur la technologie CCD (CCD pour � Charge Coupled Device �), soit sur la technologie CMOS. La technologie CMOS est toutefois privilégiée, du fait que les lignes de fabrication CMOS sont plus répandues que les lignes de fabrication CCD. La conversion des photons en paires électrons-trous est à la base du fonctionnement des capteurs d'image. De façon générale, l'acquisition numérique d'une image est réalisée par la projection d'une image sur un circuit imageur, qui provoque la conversion en chaque point de l'image du flux lumineux en charges électriques, ces charges étant périodiquement mesurées par un circuit électronique et la valeur de cette mesure convertie en données numériques. La cellule élémentaire de conversion d'un capteur d'image est le pixel. Alors que les pixels occupent une surface de plus en plus 2 réduite, avec un pas sensiblement inférieur à 2pm, l'épaisseur de matériau qui est nécessaire pour absorber les photons ne varie pas, car elle dépend de la longueur d'onde de la lumière absorbée et du matériau qui absorbe tel que, par exemple, le silicium cristallin noté cSi. Ainsi, pour absorber 90% du rayonnement à une longueur d'onde de 625nm (couleur rouge), il faut une épaisseur de environ 7,5pm de silicium cristallin cSi. Cette forte épaisseur pose un problème de diaphonie (� crosstalk � en langue anglaise) car elle est importante comparée à la largeur du pixel. La diaphonie peut être optique, c'est-à-dire qu'un rayonnement lumineux qui entre dans le pixel de façon non perpendiculaire à la surface peut se retrouver absorbé dans un pixel voisin du fait de l'angle d'incidence. La diaphonie peut également être électronique, c'est-à-dire qu'un électron photogénéré dans une zone du pixel peut être collecté par un pixel voisin. Pour limiter les effets de la diaphonie, le rendement de conversion des grandes longueurs d'ondes qui demandent une épaisseur de matériau importante pour être absorbées est sacrifié en diminuant l'épaisseur active de photogénération au moyen de dopages profonds qui favorisent la recombinaison ou au moyen d'une couche d'isolant enterré à la profondeur désirée. Cette couche d'isolant est utilisée avec bénéfice dans une architecture de type face arrière ("back-side" en langue anglaise) qui, par l'absence de piste d'interconnexion sur la face d'entrée du flux lumineux, permet avantageusement un grand angle pour l'accès au 3 silicium par les rayons lumineux. Ces grands angles sont nécessaires pour augmenter le nombre de photons arrivant sur le capteur et pour obtenir la résolution spatiale compatible avec des pixels de taille limitée. En contrepartie, ces grands angles augmentent la diaphonie optique. Une technique complémentaire pour limiter la diaphonie électronique est de créer des champs électriques faibles en réalisant des gradients de dopage favorisant le parcours des électrons photogénérés vers la zone de collection du pixel situé au plus près du lieu de photogénération. Toutes ces techniques de l'art antérieur assurent un compromis médiocre entre la diaphonie et la 15 sensibilité des pixels. L'invention ne présente pas cet inconvénient. Exposé de l'invention 20 En effet, l'invention concerne un pixel d'imageur en technologie de type face arrière qui comprend une couche d'absorption en silicium cristallin dans laquelle est formée au moins une électrode collectrice de porteurs sur laquelle est appliqué un 25 premier potentiel, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre : ù une couche d'absorption en silicium amorphe fixée sur une face de la couche de silicium cristallin et dans laquelle est formée une diode, et 30 ù une électrode transparente fixée sur la couche d'absorption en silicium amorphe et sur laquelle est 4 appliquée un second potentiel, la différence de potentiel entre le second potentiel et le premier potentiel conduisant à une polarisation inverse de la diode. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la couche d'absorption en silicium amorphe a une épaisseur inférieure à 50nm. Cette caractéristique permet aux porteurs créés par effet photoélectrique dans la zone de silicium amorphe d'atteindre la couche de silicium cristallin par diffusion. Avantageusement, la couche de silicium cristallin comporte, à proximité de la couche d'absorption en silicium amorphe, une zone de silicium cristallin dont le dopage diffère de celui du reste de la couche de silicium cristallin. Préférentiellement, la zone de silicium cristallin est située au contact de la couche de silicium amorphe. Avantageusement, la zone de silicium cristallin est située à une distance de la couche de silicium amorphe inférieure à 100 nm. Une telle zone de silicium cristallin dopée avec un dopage différent de celui de la couche de silicium cristallin présente l'avantage considérable de permettre d'ajuster les propriétés électroniques de l'hétérostructure. Plus précisément, elle permet de diminuer le courant de fuite résiduel dû au champ électrique créé par la différence de potentiel sans augmenter sensiblement la recombinaison des porteurs. Avantageusement, la couche de silicium amorphe comporte, à proximité de la couche d'absorption en silicium cristallin, et additionnellement à la diode, une zone de silicium amorphe dont le dopage est 5 modifié par rapport au reste de la couche de silicium amorphe. Préférentiellement, la zone de silicium amorphe est située au contact de la couche de silicium cristallin. Avantageusement, la zone de silicium amorphe est située à une distance de la couche de silicium cristallin inférieure à 10 nm. Une telle zone de silicium amorphe dopée avec un dopage modifié présente l'avantage considérable de permettre d'ajuster les propriétés électroniques de l'hétérostructure. Plus précisément, elle permet de diminuer le courant de fuite résiduel dû au champ électrique créé par la différence de potentiel AV sans augmenter sensiblement la recombinaison des porteurs. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la différence de potentiel est ajustée de façon que des porteurs créés par effet photoélectrique dans la zone de silicium amorphe atteignent la couche de silicium cristallin par conduction sous l'effet du champ électrique associé à la différence de potentiel. Pour des pixels d'imageur ayant des épaisseurs de semi-conducteur identiques, un pixel d'imageur de l'invention permet une absorption de photons beaucoup plus importante qu'un pixel d'imageur 6 de l'art antérieur. La détection des images s'en trouve très sensiblement améliorée. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : - La figure 1 représente un premier exemple de pixel d'imageur de l'invention ; - La figure 2 représente un deuxième exemple de pixel d'imageur de l'invention ; - La figure 3 représente un troisième exemple de pixel d'imageur de l'invention ; - La figure 4 représente un quatrième exemple de pixel d'imageur de l'invention ; - La figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un imageur en technologie de type face arrière selon l'art antérieur ; - La figure 6 représente une vue en coupe transversale d'un premier exemple d'imageur en technologie de type face arrière selon l'invention ; - La figure 7 représente une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple d'imageur en technologie de type face arrière selon l'invention ; - La figure 8 représente une vue en coupe transversale d'un troisième exemple d'imageur en technologie de type face arrière selon l'invention ; - La figure 9 représente une vue en coupe transversale d'un quatrième exemple d'imageur en technologie de type face arrière selon l'invention ; 7 Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 représente un premier exemple de pixel d'imageur de l'invention. Le pixel comprend un support 1, une couche de report 2, une couche PMD 3 (PMD pour � Physical Media Dependent �), une couche de silicium cristallin 4, une couche de silicium amorphe 5, une électrode transparente 6, une électrode de collecte de porteurs 7 et, éventuellement, une couche de passivation 8 qui recouvre l'électrode transparente 6. Une diode est formée dans la couche de silicium amorphe 5. La couche de silicium amorphe 5 comprend ainsi, par exemple, une couche de silicium amorphe intrinsèque 5a et une couche de silicium amorphe dopée P+ 5b. Pour une couche de silicium cristallin 4 dont l'épaisseur est comprise, par exemple, entre lpm et 5pm, l'épaisseur de la couche 5a est comprise, par exemple, entre 5nm et 500nm et l'épaisseur de la couche 5b entre, par exemple, 5nm et 50nm. Un premier potentiel V1 est appliqué à l'électrode collectrice 7 et un second potentiel V2 à l'électrode transparente 6. La différence de potentiel AV (AV = V2-V1) polarise la diode en inverse, créant ainsi, dans le silicium amorphe, une zone dépourvue de porteurs libres. La présence de cette zone dépourvue de porteurs libres, communément appelée zone déplétée (� depletion zone � en langue anglaise), a pour but d'éviter les recombinaisons dans le silicium amorphe. La différence de potentiel AV est, par exemple, égale à -2V. Pour une amplitude suffisante de la différence de 8 potentiel AV, les électrons photogénérés dans la zone de silicium amorphe 5 peuvent alors atteindre la couche de silicium cristallin 4 sous l'action du champ électrique associé à la différence de potentiel AV. Une fois la couche de silicium cristallin atteinte, les électrons photogénérés atteignent l'électrode collectrice de porteurs 7 sous l'action du champ électrique associé à la différence de potentiel AV pour une première partie de leur trajet et par diffusion pour le reste de leur trajet. Une différence de potentiel AV plus importante rallonge la partie du trajet qui est effectuée sous l'action du champ électrique. Il est à noter que la couche d'absorption en silicium amorphe 5 et la couche de silicium cristallin 4 forment une structure qui doit permettre aux électrons photogénérés dans la couche de silicium amorphe 5 d'atteindre l'électrode collectrice de porteurs 7. Une telle structure présente une bande de conduction. De façon connue, la � bande de conduction � d'un semi-conducteur est la bande d'énergie dans laquelle circulent les électrons libres. La bande de conduction de la structure de l'invention est en conséquence choisie pour qu'il n'y ait pas de barrière de potentiel empêchant les porteurs photogénérés de rejoindre le silicium cristallin. De façon connue en soi, ce choix de la bande de conduction dépend du matériau semi-conducteur (silicium amorphe ou cristallin), du dopage du semi-conducteur ainsi que de la tension appliquée au semi-conducteur. 9 La couche de report 2, par exemple une couche de TEOS (TEOS pour � Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate �) permet de fixer, de façon connue en soi, la couche de PMD 3 sur le support 1. Egalement de façon connue en soi, l'électrode de collecte des porteurs 7 formée dans la couche de silicium cristallin 4 est connectée à un circuit de lecture de signal (non représenté sur la figure). Selon l'exemple décrit ci-dessus, les porteurs photogénérés qui sont collectés par l'électrode 7 sont des électrons. L'invention concerne toutefois d'autres modes de réalisation dans lesquels ce sont les trous photogénérés qui sont collectés par l'électrode 7. Ces autres modes de réalisation ne sont pas détaillés dans la présente description, car l'homme du métier qui connaît un mode de réalisation de l'invention dans lequel les porteurs collectés sont des électrons sait transposer, sans difficulté particulière, l'invention à des modes de réalisation où ce sont des trous qui sont collectés. La figure 2 représente un deuxième exemple de pixel d'imageur de l'invention. Selon ce deuxième exemple, la couche de silicium amorphe 5 a une épaisseur suffisamment faible pour que les porteurs qui y sont créés atteignent par diffusion l'électrode collectrice 7. La différence de potentiel AV qui crée la zone déplétée dans le silicium amorphe ne participe pas ici à une conduction des porteurs vers l'électrode. L'épaisseur de la couche 5 est alors sensiblement comprise, par exemple, entre 2nm et 10nm pour une 10 épaisseur de couche de silicium cristallin 4 comprise entre lpm et 5pm. Selon une variante telle que représentée à la figure 3, la couche de silicium cristallin 4 est dopée P, par exemple. La couche de silicium cristallin 4 comporte, au voisinage de la couche d'absorption 5a, une zone de silicium cristallin 9 dont le dopage diffère de celui de la couche 4, par exemple un dopage de type N. L'épaisseur de cette zone 9 est par exemple égale à 100 nm. Plus précisément, la zone 9 est située au contact de la couche de silicium amorphe 5a, comme représentée sur la figure 3. Selon une variante, la zone 9 est située à une distance de la couche 5a. La distance entre la couche 5a et la zone 9 est inférieure à 100 nm. La formation d'une telle zone de silicium cristallin 9 est destinée à permettre d'ajuster les propriétés électroniques de l'hétérostructure. En particulier, elle permet de diminuer le courant de fuite résiduel dû au champ électrique créé par la différence de potentiel AV sans augmenter sensiblement la recombinaison des porteurs. Selon une variante telle que représentée à la figure 4, la couche de silicium amorphe 5a est intrinsèque, par exemple. La couche de silicium amorphe 5a comporte, au voisinage de la couche d'absorption 4, une zone de silicium amorphe 10 dont le dopage diffère de celui de la couche 5a, par exemple un dopage de type N. L'épaisseur de cette zone 10 est par exemple égale à 10 nm. 11 Plus précisément, la zone 10 est située au contact de la couche de silicium cristallin 4, comme représentée à la figure 4. Il est à noter que si la couche de silicium cristallin comporte une zone 9, la zone 10 est alors située au contact de la zone 9. Selon une variante, la zone 10 est située à une distance de la couche 4. La distance entre la couche 4 et la zone 10 est inférieure à 10 nm. La formation d'une telle zone de silicium amorphe 10 est destiné à permettre d'ajuster les propriétés électroniques de l'hétérostructure. En particulier, elle permet de diminuer le courant de fuite résiduel dû au champ électrique créé par la différence de potentiel AV sans augmenter sensiblement la recombinaison des porteurs. Un capteur d'image de type face arrière (� backside �) de l'art connu est représenté en figure 5. Le capteur d'image comprend un support 1, une couche de report 2, une couche PMD 3 dans laquelle sont intégrées des métallisations ml, m2, une couche de silicium cristallin 4 dans laquelle sont formées des électrodes conductrices 7 électriquement reliées aux métallisations ml et m2, une couche de passivation 8 placée au-dessus de la couche de silicium cristallin 4, des filtres colorés FC rouge R, vert V et bleu B placés au-dessus de la couche de passivation 8, une couche de planarisation P qui recouvre les filtres colorés et des micro-lentilles ML qui recouvrent la couche de planarisation P. Concrètement, un procédé de fabrication de capteur d'image selon l'invention comprend, jusqu'à l'étape de passivation de surface non 12 incluse, une succession d'étapes conforme à celles connues pour la fabrication d'un capteur d'image de type � back-side � de l'art antérieur. La figure 6 représente un capteur d'image de l'invention constitué d'un ensemble de pixels tels que ceux représentés en figure 1. Au-delà de la succession d'étapes connues mentionnée précédemment, le procédé de fabrication de capteur d'image de l'invention comprend les étapes suivantes : - dépôt de la couche de silicium amorphe 5 avec formation de diodes dans la couche de silicium amorphe (comme cela a été mentionné précédemment, une diode peut être formée par association d'une première zone intrinsèque I (5a) et d'une deuxième zone dopée P+ (5b) ; Il est également possible de former une diode par une première zone dopée N, une deuxième zone intrinsèque I, et une troisième zone dopée P) ; - dépôt d'une électrode transparente 6 sur la couche de silicium amorphe 5 ; - dépôt d'une couche de passivation 8 sur l'électrode transparente 6 ; - dépôt de filtres colorés FC : R, V, B sur la couche de passivation 8 ; - dépôt d'une couche de planarisation P sur les filtres colorés R, V, B ; - dépôt de micro-lentilles ML sur la couche de passivation P. La figure 7 représente un premier perfectionnement du capteur d'image représenté en figure 6. Selon ce premier perfectionnement, une variation de dopage latérale est réalisée dans 13 l'épaisseur de la couche de silicium amorphe 5. La variation de dopage latérale peut être effectuée dans toute l'épaisseur de la couche de silicium amorphe ou seulement dans l'épaisseur de la zone intrinsèque de la couche de silicium amorphe. Par � variation de dopage latérale �, il faut entendre que le dopage varie en liaison avec les filtres de couleur : un premier dopage dl est effectué sous les filtres colorés rouge R, un deuxième dopage d2 est effectué sous les filtres colorés vert V et un troisième dopage d3 est effectué sous les filtres colorés bleu B. A titre d'exemple non limitatif, le dopage est un dopage au carbone ou au germanium. Avantageusement, ce dopage modifie la faculté d'absorption de la lumière par le silicium amorphe, ce qui favorise les longueurs d'ondes sélectionnées par les filtres colorés et défavorise les autres longueurs d'ondes, augmentant ainsi la sélectivité des filtres colorés. La figure 8 représente un deuxième perfectionnement du capteur d'image représenté en figure 6. Selon ce deuxième perfectionnement, l'électrode transparente 6 n'est pas formée d'un seul bloc mais de trois blocs d'électrode distincts répartis en liaison avec les filtres colorés. Un premier bloc d'électrode est associé au filtre coloré rouge R, un deuxième bloc d'électrode est associé au filtre coloré vert V et un troisième bloc d'électrode est associé au filtre coloré bleu B. Des potentiels différents peuvent alors être appliqués sur les différentes blocs d'électrodes. Il s'en suit avantageusement un effet de 14 sélectivité spectrale qui renforce l'effet du filtre coloré. La figure 9 représente une vue en coupe transversale d'un capteur d'image selon un troisième perfectionnement de l'invention. Selon le troisième perfectionnement de l'invention, il n'y a pas de couche de silicium amorphe sous les filtres colorés bleu B alors que cette couche est présente, comme décrit précédemment, sous les filtres colorés vert V et rouge R. Seule la couche de passivation 8 sépare alors les filtres colorés bleu B de la couche de silicium cristallin 4. Une telle structure permet avantageusement de bénéficier de l'absorption de silicium cristallin la plus faible, absorption suffisante pour les faibles longueurs d'ondes mais insuffisante pour les longueurs d'ondes élevées, ce qui favorise en conséquence la détection du bleu comparativement à la détection du vert et du rouge. Les différents capteurs d'image de l'invention fonctionnent avantageusement avec une réflexion maximale sur la structure inférieure qui, pour les épaisseurs faibles accessibles grâce au silicium amorphe aSi, peut alors être optimisée en épaisseur ou en indice pour chaque pixel, favorisant ainsi l'absorption selon la couleur détectée par le pixel. REVENDICATIONS1. Pixel d'imageur en technologie de type face arrière qui comprend une couche d'absorption en silicium cristallin (4) dans laquelle est formée au moins une électrode collectrice de porteurs (7) sur laquelle est appliqué un premier potentiel, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre : ù une couche d'absorption en silicium amorphe (5) fixée sur une face de la couche de silicium cristallin (4) et dans laquelle est formée une diode (5a, 5b), et ù une électrode transparente (6) fixée sur la couche d'absorption en silicium amorphe (5) et sur laquelle est appliquée un second potentiel, la différence de potentiel entre le second potentiel et le premier potentiel conduisant à une polarisation inverse de la diode. 2. Pixel d'imageur selon la revendication 1, dans lequel la couche d'absorption en silicium amorphe (5) a une épaisseur telle que des porteurs créés par effet photoélectrique dans la zone de silicium amorphe atteignent la couche de silicium cristallin (4) par diffusion. 3. Pixel d'imageur selon la revendication 1, dans lequel la différence de potentiel est ajustée de façon que des porteurs créés par effet photoélectrique dans la zone de silicium amorphe atteignent la couche de silicium cristallin (4) par 16 conduction sous l'effet d'un champ électrique associé à la différence de potentiel. 4. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la diode est formée par une première zone de silicium amorphe intrinsèque (5a) au contact de la couche de silicium cristallin (4) et une deuxième zone de silicium amorphe dopée P+ (5b) au-dessus de la première zone (5a). 5. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la diode est formée par une première zone de silicium amorphe dopée N au contact de la couche de silicium cristallin (4), une deuxième zone de silicium amorphe intrinsèque au dessus de la première zone et une troisième zone de silicium amorphe dopée P+ au dessus de la deuxième zone. 6. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d'absorption en silicium cristallin (4) comporte, à proximité de la couche d'absorption en silicium amorphe (5a), une zone de silicium cristallin (9) ayant un dopage qui diffère du dopage du reste de la couche d'absorption en silicium cristallin (4). 7. Pixel d'imageur selon la revendication 6, dans lequel la zone de silicium cristallin (9) est située au contact de la couche d'absorption en silicium amorphe (5a). 17 8. Pixel d'imageur selon la revendication 6, dans lequel la zone de silicium cristallin (9) est située à une distance de la couche d'absorption en silicium amorphe (5a) inférieure à 100 nm. 9. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d'absorption en silicium amorphe (5a) comporte, à proximité de la couche d'absorption en silicium cristallin (4), une zone de silicium amorphe (10) ayant un dopage qui diffère d'un dopage du reste de la couche d'absorption en silicium amorphe (5a). 10. Pixel d'imageur selon la revendication 9, dans lequel la zone de silicium amorphe (10) est située au contact de la couche d'absorption en silicium cristallin (4). 11. Pixel d'imageur selon la revendication 9, dans lequel la zone de silicium amorphe (10) est située à une distance de la couche d'absorption en silicium cristallin (4) inférieure à 10 nm. 12. Pixel d'imageur selon les revendications 6 et 9, dans lequel la zone de silicium cristallin (9) est au contact de la zone de silicium amorphe (10). 30 13. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel une couche de 20 25 18 passivation transparente (8) est fixée sur l'électrode transparente (6). 14. Pixel d'imageur selon la revendication 13, dans lequel un filtre coloré (R, V, B) est placé sur la couche de passivation transparente (8). 15. Pixel d'imageur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel un filtre coloré (R, V, B) est placé sur l'électrode transparente (6). 16. Capteur d'image comprenant une pluralité de pixels d'imageur selon la revendication 14 et/ou selon la revendication 15, les filtres colorés des différents pixels d'imageur étant des filtres rouge (R), des filtres vert (V) ou des filtres bleu (B), dans lequel la couche de silicium amorphe (5) des différents pixels est différemment dopée selon que le filtre coloré est un filtre rouge, un filtre vert ou un filtre bleu. 17. Capteur d'image comprenant une pluralité de pixels d'imageur selon la revendication 14 et/ou selon la revendication 15, les filtres colorés des différents pixels d'imageur étant des filtres rouge (R), des filtres vert (V) ou des filtres bleu (B), dans lequel les électrodes transparentes des pixels d'imageur ayant une même couleur de filtre coloré sont électriquement reliées entre elles et électriquement isolées des électrodes transparentes des pixels 19 d'imageur ayant une couleur de filtre coloré différente. 18. Capteur d'image comprenant une pluralité de pixels d'imageur ayant des filtres colorés de couleur rouge, de couleur verte et de couleur bleu, dans lequel les pixels d'imageur ayant des filtres colorés de couleur rouge et les pixels d'imageur ayant des filtres colorés de couleur verte sont des pixels selon la revendication 14 ou selon la revendication 15, les pixels d'imageur de couleur bleu étant dépourvus de couche de silicium amorphe, un filtre coloré de couleur bleu n'étant séparé de la couche de silicium cristallin (4) que par la seule couche de passivation (8).15