Brevet FR2969384A1 — publié le 20120622

CAPTEUR D'IMAGE A INTERMODULATION REDUITE La présente invention concerne un capteur d'image comprenant au moins deux photosites séparés par une région d'isolation et un procédé de fabrication de celui-ci. Les modules d'appareils photographiques comprennent typiquement une lentille, un filtre infrarouge, et un capteur d'image sous forme d'une microplaquette de semi-conducteur comprenant plusieurs photosites, un ou plusieurs photosites correspondant à un pixel d'une image capturée. Les photosites sont généralement agencées dans une matrice et peuvent comprendre par exemple des photodiodes, des photogates (portes photosensibles), ou des photoconducteurs. En général, une mosaïque de microlentilles pour converger des rayons de lumière incidente sur les photosites et une mosaïque de filtres colorés pour filtrer la lumière sont réparties au-dessus des photosites. Un capteur d'image utilise l'effet photoélectrique pour transformer les informations lumineuses en signal électrique. Un photon d'un rayon de lumière incidente pénètre dans le matériau du photosite, et si l'énergie du photon est supérieure ou égale à la bande d'énergie interdite du matériau, une paire électron-trou est générée. Le nombre d'électrons par photosite peut être lu comme un signal électronique et utilisé pour fournir des informations lumineuses pour l'image. Les photons ayant une courte longueur d'onde présentent une faible profondeur de pénétration, telle que 0,4 pm pour des longueurs d'onde de 450 nm (lumière bleue), et les photons ayant une longueur d'onde longue présentent une profondeur de pénétration plus importante, telle que 2,4 pm pour des longueurs d'onde de 600 nm (lumière rouge). Les performances d'un capteur d'image dépendent de nombreux facteurs, tels que le rendement quantique (le nombre d'électrons générés et lus par nombre de photons incidents), le courant d'obscurité (la quantité de courant généré même lorsque les photosites ne reçoivent pas de rayons de lumière incidente), et l'intermodulation (optique ou électrique). L'intermodulation optique entre des photosites se produit lorsque les photons d'un rayon de lumière incidente sont absorbés par un photosite différent de celui qui aurait dû les absorber. L'intermodulation électrique se produit lorsqu'un électron est généré dans un photosite et migre vers un autre photosite. Par conséquent, des régions d'isolation sont généralement prévues entre les photosites afin d'empêcher l'intermodulation optique et/ou électrique. La région d'isolation peut prendre la forme d'une isolation par tranchée profonde DTI (Deep Trench Isolation) dont la profondeur est aussi grande que possible en tenant compte de la distance de pénétration des photons présentant la plus grande longueur d'onde, et alignée avec la couche électriquement isolante de type liner. De cette manière, les électrons générés ne peuvent pas passer sous ou par la région d'isolation depuis un photosite vers l'autre, ce qui réduit l'intermodulation électrique. La tranchée profonde peut en outre être remplie d'un matériau optiquement isolant tel que l'oxyde afin de créer un "guide d'onde optique" réduisant l'intermodulation optique au moyen d'une réflexion interne totale des rayons de lumière, de telle sorte qu'ils restent dans un photosite. La figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'un capteur d'image conventionnel IS1 comprenant, de bas en haut, un substrat 10 comprenant deux photosites S1, S2, une couche isolante 70, une pile 80 de couches diélectriques 80-1 à 80-N, chaque couche comprenant des lignes électriquement conductrices 90-1 à 90-N pour extraire des informations électriques des photosites et les alimenter, des filtres colorés F1, F2, et des microlentilles L1, L2. La région d'isolation Il s'étend entre les photosites S1, S2, et comprend une tranchée profonde 15 faite dans le substrat 10. Le fond et les parois latérales de la tranchée 15 sont recouverts d'une fine couche isolant 20 de type liner, tel qu'un matériau diélectrique, et la tranchée 15 est remplie d'un isolant optique 40, tel qu'un oxyde. La figure 1 représente schématiquement trois rayons de lumière incidente R1, R2, R3. Le rayon de lumière R1 passe à travers le filtre F1, pénètre dans le photosite S1, et génère un électron El dans le photosite S1. Le rayon de lumière R2 passe également à travers le filtre F1 et génère un électron E2 dans le photosite S1, qui reste dans le photosite S1 en raison de la tranchée profonde 15. Le rayon de lumière R3 passe par le filtre F2, mais présente un angle incident tel qu'au lieu de générer un électron directement dans le photosite S2, il se reflète sur le guide d'onde optique formé entre le substrat 10 et l'isolant 40. Le rayon de lumière R3 retourne vers le photosite S2, où il génère un électron E3. Les pièges d'interfaciaux sont généralement présents au niveau des couches atomiques les plus proches de l'interface entre la tranchée 15 et le substrat 10. Ces pièges sont causés par la découpe du réseau cristallin du substrat 10 pour former la tranchée 15. Ces pièges peuvent se lier grâce à des porteurs générés (électrons et trous). Etant donnée la profondeur de la tranchée profonde 15, l'interface est plus importante, il y a donc un plus grand nombre de pièges, augmentant ainsi le courant d'obscurité. Il peut par conséquent être souhaité de prévoir un capteur d'image présentant une intermodulation optique et électrique réduite, et un courant d'obscurité réduit. Des modes de réalisation de l'invention concernent un capteur d'image comprenant un substrat de semi-conducteur, au moins deux photosites dans le substrat, une région d'isolation entre les photosites, comprenant une première tranchée recouverte par une fine couche électriquement isolante et remplie d'un matériau électriquement conducteur, le matériau conducteur comprenant une seconde tranchée au moins partiellement remplie d'un matériau optiquement isolant. Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre un contact connecté au matériau conducteur pour 15 appliquer une tension au matériau conducteur. Selon un mode de réalisation, le substrat de semi-conducteur présente un premier indice de réfraction, le matériau conducteur présente un second indice de réfraction, le matériau optiquement isolant présente un 20 troisième indice de réfraction, et le premier indice est supérieur au second indice, et le second indice est supérieur au troisième indice. Selon un mode de réalisation, les premier et second indices de réfraction sont supérieurs à 3, et le 25 troisième indice de réfraction est inférieur à 2. Selon un mode de réalisation, la tranchée présente une profondeur d'au moins 2 microns. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du matériau conducteur entourant la seconde tranchée est 30 sensiblement uniforme. Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre un filtre et une microlentille au-dessus de chaque photosite. Des modes de réalisation de l'invention concernent 35 également un procédé de fabrication d'un capteur d'image, comprenant des étapes consistant à former au moins deux photosites dans un substrat de semi-conducteur, former une première tranchée entre les photosites, former un fine couche électriquement isolante au moins sur les parois latérales de la première tranchée, et déposer un matériau électriquement conducteur dans la première tranchée, le procédé comprenant en outre les étapes consistant à former une seconde tranchée dans le matériau conducteur, et remplir la seconde tranchée d'un matériau optiquement isolant. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend également les étapes consistant à déposer une couche diélectrique, et former un contact dans la couche diélectrique, permettant d'appliquer une tension au matériau conducteur. Selon un mode de réalisation, le matériau conducteur est déposé en utilisant un processus de dépôt uniforme pour obtenir la seconde tranchée sans graver le matériau conducteur. Des modes de réalisation de l'invention concernent également un dispositif comprenant un capteur d'image selon l'invention, et des moyens électriques couplés au capteur d'image. Des modes de réalisations de la présente invention seront maintenant décrits à titre non limitatif, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - La figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe d'une partie d'un capteur d'image conventionnel, - Les figures 2A à 2G illustrent des étapes d'un 30 processus de fabrication d'un capteur d'image selon le premier mode de réalisation de l'invention, - La figure 3 est une vue de dessus du capteur d'image, - La figure 4 illustre un capteur d'image fabriqué selon un second mode de réalisation de l'invention, et - La figure 5 illustre un dispositif comprenant un capteur d'image selon l'invention. Les figures 2A à 2G sont des vues en coupe illustrant schématiquement différentes étapes de fabrication d'un capteur d'image IS2. Sur la figure 2A, le capteur d'image IS2 comprend un substrat 10 recouvert par une couche de masque 11. La couche de masque peut être un "masque dur" recouvert d'une couche de réserve (non illustrée). Le substrat 10 comprend des photosites S1, S2 fabriqués lors des précédentes étapes de traitement. Le substrat présente un premier indice de réfraction, par exemple approximativement 4 pour le siliciure. Une ouverture 12 a été pratiquée dans la couche de masque 11, entre les photosites S1, S2. Le motif de l'ouverture 12 a été, effectué par exemple au moyen d'étapes conventionnelles de photolithographie d'exposition, de développement, et de gravure. Lors des étapes illustrées sur la figure 2B, une tranchée 15 est gravée dans le substrat 10 à travers l'ouverture 12. La tranchée 15 est de préférence une tranchée profonde, avec une profondeur d'au moins 2 pm. Un processus "RIE" (gravure ionique réactive) peut être utilisé avec un réactif de gravure anisotrope afin d'obtenir une tranchée dont les parois latérales sont aussi verticales que possible. Afin de simplifier les figures, seule une tranchée est illustrée sur les figures 2A à 2F, même si d'autres tranchées peuvent être réalisées de l'autre côté des photosites S1, S2. Une fine couche électriquement isolante 20 est ensuite formée sur les parois latérales et le fond de la tranchée 15. La couche 20 empêche les électrons de se diffuser en dehors des photosites. La couche 20 est formée en utilisant un processus uniforme, de telle sorte que son épaisseur soit sensiblement uniforme. La couche 20 peut être un matériau diélectrique, du dioxyde de silicium SiO2, de l'oxyde nitrique NO, de l'oxyde de silicium SiO, un oxyde de plasma haute densité (HDP), un diélectrique SOD (Spin On 'Dielectric, diélectrique de type Spin-On), ou tout autre matériau adapté, et peut être formée par croissance thermique ou déposée. La couche 20 présente une épaisseur d'environ 10 nm. Lors des étapes illustrées sur la figure 2C, un processus de dépôt uniforme est utilisé pour déposer un matériau électriquement conducteur 30 dans la tranchée 15 et sur le dessus du capteur d'image. Le matériau conducteur 30 peut être du siliciure polycristallin, un matériau conducteur dopé (N ou P) contenant du siliciure, du siliciure polycristallin non dopé, du silicium- germanium, ou un siliciure polycristallin non dopé qui est déposé puis dopé. Le matériau conducteur 30 présente un second indice de réfraction, par exemple 3,5 pour le silicium polycristallin. Le matériau conducteur 30 est déposé par dépôt chimique en phase vapeur "CVD", et présente une-épaisseur d'environ 40 nm sur chaque paroi latérale et le fond de la tranchée 15. Le processus de dépôt est tel que le matériau conducteur 30 ne remplit que partiellement la tranchée 15, de telle sorte qu'une seconde tranchée 35 est formée dans le matériau conducteur 30. Alternativement, la tranchée 15 peut être complètement remplie par le matériau conducteur 30, puis la tranchée 35 peut être formée par gravure du matériau conducteur 30. Lors des étapes illustrées sur la figure 2D, un matériau optiquement conducteur 40 est déposé dans la tranchée 35 et sur le dessus du capteur d'image. L'isolant optique 40 peut être du dioxyde de silicium SiO2, de l'oxyde nitrique NO, de l'oxyde de silicium SiO, un oxyde de plasma haute densité (HDP), un diélectrique SOD, ou tout autre matériau adapté, et peut être formé par croissance thermique ou déposé. L'isolant optique 40 présente un troisième indice de réfraction, par exemple 1,5 pour le dioxyde de silicium. L'isolant optique 40 présente une épaisseur d'environ 40 nm dans la tranchée 35. Lors des étapes illustrées sur la figure 2E, l'isolant optique 40, le matériau conducteur 30, et la couche de masque 11 sont retirés jusqu'au dessus du substrat 10. Cela peut être réalisé en une ou plusieurs étapes, par exemple une première étape de polissage mécano-chimique (CMP) de l'isolant optique 40 et du matériau conducteur 30, suivie d'une gravure de la couche de masque 11. Alternativement l'isolant optique 40 et le matériau conducteur 30 peuvent s'étendre légèrement au-dessus de la surface supérieure du substrat 10. La tranchée 15 comprend ainsi la couche 20, le matériau conducteur 30, et la seconde tranchée 35 dans le matériau conducteur 30 remplie par l'isolant optique 40. Une couche diélectrique pré-métal "PMD" 50 est ensuite déposée sur la surface supérieure du capteur d'image IS2, et un orifice 55 est pratiqué dans la couche 50, au-dessus du matériau conducteur 30. L'orifice 55 peut être formé par gravure après une étape de photolithographie. Lors des étapes illustrées sur la figure 2F, un contact électrique 60 est formé dans l'orifice 55. Le contact 60 est en contact avec le matériau conducteur 30 dans la tranchée 15. Lors de l'utilisation du capteur, il sera possible d'utiliser le contact 60 pour polariser le matériau conducteur 30 en positif ou négatif, selon le type de photosite, et la quantité de polarisation peut être ajustée pour créer une région d'accumulation autour des parois latérales de la tranchée 15. De cette manière, les pièges interfaciaux à l'interface entre le substrat 10 et la tranchée 15 peuvent être passivés, et le courant d'obscurité est ainsi réduit. Lors des étapes illustrées sur la figure 2G, le capteur d'image IS2 est soumis à d'autres étapes de traitement. Une pile 80 de couches diélectriques 80-1 à 80-N est formée sur la surface du capteur d'image, chaque couche diélectrique comprenant une ou plusieurs lignes conductrices 90-1 à 90-N. Des filtres colorés F1, F2 sont formés sur les photosites, puis des microlentilles L1, L2 sont formées au-dessus des filtres colorés. La région d'isolation I1' faite selon l'invention s'étend entre les photosites S1, S2 et comprend la première tranchée profonde 15 dont le fond et les parois latérales sont recouverts de la fine couche 20 et qui est remplie d'un matériau conducteur 30. La région d'isolation I1' comprend en outre la seconde tranchée 35 dans le matériau conducteur 30, remplie du matériau optiquement isolant 40. La région d'isolation I1' réduit l'intermodulation optique grâce à un guide d'onde optique formé par les différences d'indices de réfraction entre le substrat 10, le matériau conducteur 30, et l'isolant optique 40. La couche 20 est généralement trop fine pour influencer les propriétés optiques des régions d'isolation. Une réflexion interne totale se produit lorsqu'un rayon de lumière frappe une interface entre deux matériaux à un angle inférieur à un angle critique, l'angle d'incidence en-dessous duquel la réflexion interne totale apparaît. Selon l'épaisseur et l'indice de réfraction du matériau de l'autre côté de l'interface, la lumière ne traverse pas et est entièrement réfléchie. Tel que décrit ci-dessus, le substrat 10 présente un premier indice de réfraction, par exemple 4, le matériau conducteur 30 présente un second indice de réfraction, par exemple 3,5, et l'isolant optique 40 présente un présente un troisième indice de réfraction, par exemple 1,5. Ces indices peuvent être choisis de telle sorte que le premier indice est supérieur au second indice, et le second indice est supérieur au troisième indice. Selon un mode de réalisation de l'invention, les contacts 60 sont prévus pour polariser le matériau conducteur 30 lors de l'utilisation du capteur d'image. Une des lignes conductrices, par exemple la ligne 90-1, est en contact électrique avec le contact 60 pour appliquer une tension électrique au matériau conducteur 30 de la région d'isolation Il' afin de passiver les pièges interfaciaux à proximité des parois latérales de la tranchée 15. En appliquant une tension au matériau conducteur, il est possible de créer une région d'accumulation le long des parois latérales et du fond de la tranchée 15. Le matériau conducteur peut être polarisé en positif ou négatif, et la quantité de polarisation peut varier en fonction des matériaux utilisés et de la structure du photosite. La polarisation des parois latérales en utilisant le contact 60 produit un champ électrique, de telle sorte que tout électron généré à proximité de l'interface entre le substrat 10 et la tranchée 15 retourne vers le photosite en raison du champ électrique, au lieu d'être piégé par les pièges interfaciaux à cette interface. La figure 3 est une vue de dessus d'un capteur d'image IS2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le capteur d'image IS2 est illustré comme comprenant six photosites, S1 à S6, mais peut s'étendre dans le plan du capteur d'image. Sur la figure 3, chaque photosite est complètement entouré par les régions d'isolation. En particulier, deux photosites sont séparés par la couche 20, le matériau conducteur 30, l'isolant optique 40, le matériau conducteur 30, et la couche 20. Dans d'autres modes de réalisation, la couche 20 n'est pas déposée ni formée sur le fond de la tranchée 15. Elle peut être déposée sur le fond puis retirée, par exemple lors d'un processus d'amincissement, ou peut être déposée seulement sur les parois latérales, par exemple en utilisant un masque de dépôt sur le fond de la tranchée qui est retiré après le dépôt de la couche 20. De la même façon, le matériau conducteur 30 peut être constitué de deux parties complètement séparées par l'isolant optique 40. Dans ce cas, deux contacts 60 par région d'isolation peuvent être prévus de chaque côté de l'isolant optique 40, chaque contact 60 étant en contact avec une des parties de matériau conducteur. La figure 4 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un capteur d'image IS3 selon l'invention. Le capteur d'image IS3 diffère du capteur d'image IS2 en ce que les filtres colorés F1, F2, F3 et les microlentilles L1, L2, L3 sont agencés sur le dos du substrat 10, qui est ensuite retourné pour faire face à la lumière incidente. La tranchée 15 s'étend entièrement à travers le substrat 10 et la couche 20 s'étend sur les deux parois latérales de la tranchée. L'isolant optique 40 s'étend entièrement à travers la tranchée 15, et le matériau conducteur 30 dans la tranchée est séparé en deux parties 30-1 et 30-2. Un contact 60-1 est formé sur le matériau conducteur 30-1, et un contact 60-2 est formé sur le matériau conducteur 30-2. De cette manière, la pile 80 de couches diélectriques 80-1 à 80-N et les interconnections métalliques 90-1 à 90-N ne bloquent pas et ne dévient pas la lumière pour l'empêcher d'atteindre les photosites, ce qui peut augmenter significativement la sensibilité du capteur d'image, en particulier pour des tailles de photosites de plus en plus petites. Pour fabriquer de tels capteurs d'images, le substrat 10 peut être "aminci" après certaines étapes de traitement à approximativement 2-20 pm, selon l'application. Si le substrat est trop épais, les photons seront absorbés dans le substrat trop loin des photosites, augmentant ainsi l'intermodulation électrique. Au contraire, si le substrat est trop fin, des longueurs d'ondes plus longues traverseront le substrat et ne seront pas absorbées, diminuant ainsi le rendement quantique. Les régions d'isolation peuvent par conséquent s'étendre entièrement à travers le substrat, selon la profondeur des tranchées et l'ampleur de l'amincissement effectué sur le substrat. Après l'amincissement, les filtres colorés et les microlentilles sont déposés sur le dos du substrat. Une couche antireflet peut être déposée entre le substrat et les filtres colorés afin de réduire les réflexions. Des modes de réalisation de l'invention concernent également un dispositif DV comprenant un capteur d'image selon l'invention, tel qu'illustré sur la figure 5. Le dispositif DV comprend un capteur d'image IS2, IS3, un microprocesseur MP, une mémoire MEM, et une entrée/sortie I0. Ces éléments sont interconnectés par un bus BS. Un tel dispositif peut être un appareil photo, un système de vision industrielle, un appareil photo de téléphone portable, un système de surveillance, un système de stabilisation d'image, un détecteur de mouvement, des capteurs d'image haut-de-gamme utilisés dans un DSLR (appareil photographique reflex numérique), des caméras vidéo, des applications infrarouge, des applications spatiales, etc. Les matériaux utilisés et les dimensions (par exemple, la profondeur de la tranchée doit être d'environ 8 pm pour les applications infrarouge) du capteur d'image peuvent être adaptés en conséquence. Dans d'autres modes de réalisation, si un matériau conducteur 30 dopé, tel qu'un siliciure polycristallin dopé, est déposé ou formé dans la tranchée, une étape de recuit peut ensuite être effectuée afin de "diffuser" les dopants dans la surface du substrat à proximité des parois latérales pour passiver les pièges interfaciaux. Il sera également compris que les régions d'isolation de la présente invention peuvent être formées autour de certains photosites uniquement, par exemple tous les autres photosites, ou uniquement les photosites d'un certain filtre coloré, comme souhaité. Le terme "substrat" doit être compris comme incluant le siliciure, le siliciure sur isolant (SOI), la technologie du siliciure sur saphir (SOS), des semi- conducteurs dopés et non dopés, des couches épitaxiales de silicium supportées par une base de semi-conducteur, du silicium germanium, du germanium, de l'arséniure de gallium, ou d'autres structures de semi-conducteur. De plus, le terme "photosite" désigne une cellule primaire d'élément d'image présentant une surface active et contenant un dispositif photoélectrique et d'autres dispositifs, par exemple des transistors, pour convertir les radiations électromagnétiques en un signal électrique. Par souci de simplicité, les exemples de modes de réalisation décrits ici sont expliqués en référence à un capteur d'image CMOS. Cependant, il doit être noté que l'invention n'est pas limitée aux capteurs d'image CMOS et peut être utilisée dans tout dispositif adapté, par exemple, un capteur d'image CCD (dispositif à couplage de charge). REVENDICATIONS1. Capteur d'image (IS2, IS3) comprenant : - un substrat de semi-conducteur (10), - au moins deux photosites (Si, S2) dans le substrat, - une région d'isolation (I1') entre les photosites, comprenant une première tranchée (15) recouverte par une fine couche électriquement isolante (20, 20-1, 20-2) et remplie d'un matériau électriquement conducteur (30, 30- 1, 30-2), le matériau conducteur (30, 30-1, 30-2) comprenant une seconde tranchée (35) au moins partiellement remplie d'un matériau optiquement isolant (40). 2. Capteur d'image selon la revendication 1, comprenant en outre un contact (60, 60-1, 60-2) connecté au matériau conducteur (30, 30-1, 30-2) pour appliquer une tension au matériau conducteur. 3. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel : - le substrat de semi-conducteur (10) présente un premier indice de réfraction, - le matériau conducteur (30, 30-1, 30-2) présente un 25 second indice de réfraction, - le matériau optiquement isolant (40) présente un troisième indice de réfraction, et - le premier indice est supérieur au second indice, et le second indice est supérieur au troisième indice. 30 4. Capteur d'image selon la revendication 3, dans lequel les premier et second indices de réfraction sont supérieurs à 3, et le troisième indice de réfraction est inférieur à 2. 14 35 5. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la tranchée(15) présente une profondeur d'au moins 2 microns. 6. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'épaisseur du matériau conducteur (30, 30-1, 30-2) entourant la seconde tranchée est sensiblement uniforme. 7. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un filtre (F1, F2) et une microlentille (L1, L2) au-dessus de chaque photosite (Si, S2). 8. Procédé de fabrication d'un capteur d'image (IS2), comprenant des étapes consistant à : - former au moins deux photosites (Si, S2) dans un substrat de semi-conducteur (10), - former une première tranchée (15) entre les photosites, - former un fine couche électriquement isolante (20, 20-1, 20-2) au moins sur les parois latérales de la première tranchée, et - déposer un matériau électriquement conducteur (30, 30-1, 30-2) dans la première tranchée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : - former une seconde tranchée (35) dans le matériau conducteur (30, 30-1, 30-2), et - remplir la seconde tranchée (35) d'un matériau 30 optiquement isolant (40). 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant également les étapes consistant à : - déposer une couche diélectrique (50), et - former un contact (60, 60-1, 60-2) dans la couche diélectrique, permettant d'appliquer une tension au matériau conducteur (30, 30-1, 30-2). 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel le matériau conducteur (30, 30-1, 30-2) est déposé en utilisant un processus de dépôt uniforme pour obtenir la seconde tranchée (35) sans graver le matériau conducteur. i0 11. Dispositif comprenant : - un capteur d'image (IS2) selon l'une des revendications 1 à 7, et - des moyens électriques (MP, MEM, I0) couplés au capteur 15 d'image.