Brevet FR2978612A1 — publié le 20130201

-1- PROCEDE DE REALISATION D'UNE TRANCHEE D'ISOLATION DANS UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR, ET STRUCTURE, EN PARTICULIER CAPTEUR D'IMAGE CMOS, OBTENUE PAR LEDIT PROCEDE Domaine technique L'invention se rapporte au domaine de la micro-électronique. Elle concerne plus précisément un perfectionnement lié aux tranchées d'isolation, telles que les tranchées d'isolation profondes communément désignées par l'homme du métier par l'acronyme anglo-saxon DTI (pour « Deep Trench Isolation »). Arrière plan de l'invention De façon générale, il est courant de prévoir des zones actives dans un substrat en vue de la réalisation de composants ou de circuits électriques. En outre, pour isoler électriquement une zone active d'une autre zone active voisine, il est également usuel de réaliser dans ce substrat des zones d'isolation de type tranchées d'isolation. Ces tranchées sont généralement des cavités gravées dans le substrat et remplies d'un matériau diélectrique, tel qu'un matériau composé d'oxyde, par exemple du dioxyde de silicium. Dans le cas particulier des capteurs d'images, ou photo-détecteurs, le substrat, généralement en silicium, comprend notamment une matrice de zones actives formant chacune un pixel, chaque zone active étant notamment apte à transformer les photons lumineux incidents reçus en des signaux électriques. Chaque zone active est généralement en regard d'un filtre apte à ne laisser passer que des photons d'une longueur d'onde particulière, définissant ainsi la couleur associée à la zone active correspondante. Le substrat comprend en outre des tranchées d'isolation qui séparent les zones actives entre elles pour éviter toute migration de charge d'une zone active vers une autre zone active voisine. Chaque tranchée d'isolation est notamment remplie d'un matériau diélectrique à base d'oxyde, par exemple du dioxyde de silicium. Cependant, l'existence d'imperfections à l'interface entre le substrat et la tranchée induit l'apparition de charges notamment en l'absence de toute source lumineuse, et donc la génération d'un courant parasite communément désigné par l'homme du métier par « Idark » ou courant d'obscurité. En fonction de son intensité, ce courant parasite peut 2978612 -2- être pris en compte par les circuits de traitement donnant alors de fausses informations quant à la lumière effectivement reçue par le capteur d'image. Pour réduire ces imperfections, il est possible, par un procédé de traitement de 5 surface, de modifier les surfaces internes de la tranchée avant son remplissage. Il est également possible de réaliser une implantation ionique de dopant de type p. Cependant, le procédé d'implantation ionique est complexe et permet difficilement d'obtenir une implantation homogène des dopants à l'interface substrat/tranchée. En outre, il est nécessaire de maitriser le procédé pour ne pas introduire trop de dopants au niveau du 10 substrat au risque de modifier les caractéristiques des zones actives. Exposé de l'invention Dans ce contexte, la présente invention a notamment pour but de proposer un nouveau procédé de réalisation de tranchée d'isolation, par exemple de tranchée 15 d'isolation de type DTI, permettant de réduire voire de supprimer le courant d'obscurité. A cet effet, selon un aspect de l'invention, il est prévu un procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation de type profonde dans un substrat, comprenant au moins : - la formation d'une cavité dans le substrat, en périphérie d'au moins une zone active du 20 substrat, ladite zone active formant un pixel d'un capteur d'image de type CMOS ; - le dépôt conforme d'une couche dite de passivation, sur les parois internes de la cavité, ladite couche étant composée d'un matériau isolant dopé au bore ; - le remplissage du volume restant dans la cavité avec un matériau diélectrique ; et - le recuit de la structure ainsi formée. 25 En pratique, la couche de passivation peut être en oxyde de silicium dopé au bore. Avantageusement, le matériau dopé bore comprend de 0.5 à 6% en masse de bore. 30 Dans un mode de réalisation, la couche barrière peut présenter une épaisseur inférieure ou égale à 300 nanomètres. Selon une variante de réalisation, le dépôt de la couche barrière peut être réalisé par un dépôt chimique en phase vapeur. 2978612 -3- Dans un mode d'exécution particulier, le dépôt est réalisé dans les conditions suivantes : - température : 400 à 550 °C ; - pression : 200 à 650 Torrs ; 5 - vitesse : 5 à 50 nm/min. Dans un mode de réalisation particulier, le recuit est réalisé dans les conditions suivantes : - température du recuit : 850 à 1050°C ; 10 - temps du recuit : 20 à 120 minutes. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une structure comprenant au moins une tranchée d'isolation de type profonde dans un substrat réalisée par exemple selon le procédé évoqué ci-avant, ladite tranchée étant en périphérie d'au moins une zone active 15 du substrat, ladite zone active formant un pixel d'un capteur d'image de type CMOS, la tranchée d'isolation comprenant une cavité remplie d'un matériau diélectrique, les parois internes de ladite cavité étant recouvertes d'une couche à base d'un matériau isolant dopé au bore. 20 Selon un autre aspect de l'invention, il est également prévu un capteur d'image de type CMOS comprenant au moins : - un substrat comprenant une matrice de zones actives et au moins une tranchée d'isolation réalisée par exemple selon le procédé évoqué ci-avant, chaque zone active étant apte à convertir un photon incident en un signal électrique, chaque tranchée 25 d'isolation séparant latéralement une zone active d'une autre zone active voisine ; et - une matrice de filtres, chaque filtre étant en regard d'une des zones actives et étant apte à sélectionner des photons d'une longueur d'onde prédéfinie. Brève description des dessins 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faire ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - les figures 1 à 3 sont des vues en coupe schématique d'une tranchée d'isolation selon un mode de réalisation ; et 35 - la figure 4 est une vue partielle en coupe d'une représentation schématique d'un capteur d'image selon un mode de réalisation. Description détaillée Le procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation dans un substrat comprend 5 notamment : - la formation (figure 1) d'une cavité 2 dans le substrat 1 ; - le dépôt conforme (figure 2) d'une couche 3 sur les parois internes de la cavité 2, cette couche 3 étant composée d'un matériau isolant dopé au bore ; - le remplissage (figure 3) du volume restant dans la cavité 2 avec un matériau 10 diélectrique 4 ; et - le recuit de la structure ainsi formée. Ainsi, au lieu de réaliser une implantation ionique complexe d'un dopant de type p à l'interface substrat/tranchée, on procède au dépôt conforme de la couche dite de 15 « passivation » 3 sur les parois internes de la cavité 2, puis au remplissage de cette cavité 2 avec le matériau diélectrique 4. Par « passivation », on entend que cette couche participe à la neutralisation des défauts qui se créent dans le substrat de silicium au moment de la gravure, ou qui sont naturellement présents dans le substrat. Un recuit permet ensuite à tout ou partie des atomes de bore contenus dans la couche barrière 3 de 20 diffuser et de combler tout ou partie des lacunes qui se seraient éventuellement formées dans le substrat 1. En effet, il s'avère que le simple dépôt du matériau dopé au bore dans la cavité par une technique de croissance telle que l'épitaxie, ne permet pas totalement d'induire le phénomène de passivation des lacunes par le bore. 25 La structure ainsi formée après recuit comprend donc une tranchée d'isolation 20 dans un substrat 1, cette tranchée étant formée d'une cavité 2 remplie d'un matériau diélectrique 4, et ses parois internes étant recouvertes d'une couche 3 en matériau dopé au bore. En d'autres termes, la couche 3 est interposée entre le substrat 1 et le matériau diélectrique 4. 30 Le substrat 1 peut notamment être en silicium, et le matériau diélectrique 4 peut être à base d'oxyde, par exemple du dioxyde de silicium. La profondeur maximale de la cavité 2 peut être supérieure ou égale à 6 microns, 35 notamment de l'ordre de 2 microns à 8 microns, par exemple sensiblement égale à 4 -4- microns. Le dépôt de la couche 3 peut notamment être réalisé par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour «chemical vapor deposition » en anglais). Par exemple un dépôt chimique en phase vapeur sous pression réduire (ou LPCVD pour « low-pressure chemical vapor deposition » en anglais), ou un dépôt chimique en phase vapeur sous pression sub-atmosphérique (ou SACVD pour « sub-atmospheric pressure chemical vapor deposition » en anglais), ou tout autre technique de dépôt adapté pour le remplissage de la cavité avec le matériau dopé au bore. Le matériau dopé au bore est de préférence de l'oxyde de silicium dopé au bore ou BSG (pour « borosilicate glass » en anglais), comprenant notamment entre 0.5 et 6% en masse de bore-. L'épaisseur de cette couche 3 est de préférence inférieure à 300 nm, notamment de l'ordre de 10 nm à 200 nm, par exemple sensiblement voisine de 40 nm. Le dépôt CVD de la couche 3 en BSG peut être réalisé dans les conditions suivantes : - température : 400 à 550 °C ; - pression : 200 à 650 Torrs ; - vitesse : 5 à 50 nm/min ; - précurseur : TEOS (pour « Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate »), ou TMB (pour « Triméthyl Borate »), ou ozone, ou oxygène, ou eau, avec éventuellement un additif tel que HMDS (pour Hexaméthyledisilazane) ou HMDSO (pour Héxaméthyldisiloxane)-. Le remplissage de la cavité 2 de matériau diélectrique 4 peut également être réalisé par un dépôt CVD, et peut notamment être réalisé dans les conditions suivantes : - température : 500 à 550 °C ; - pression : 500 à 650 Torrs ; - vitesse : 2 à 20 nm/min ; - précurseur : TEOS, ou TMB, ou ozone, ou oxygène, ou eau, avec éventuellement un additif tel que HMDS ou HMDSO. Le recuit peut notamment être réalisé dans les conditions suivantes : - température du recuit : 850 à 1050°C ; 35 - temps du recuit : 20 à 120 minutes ; -5- - précurseur : gaz inerte ou oxygène. La réalisation d'une telle tranchée d'isolation est notamment bénéfique dans le cas des capteurs d'image. Un tel capteur d'image est illustré en figure 4 et comprend notamment une matrice de zones actives 10 réalisée dans le substrat 1. Chaque zone active 10 est notamment apte à convertir un photon incident X, en un signal électrique, et chaque zone active 10 est séparée latéralement d'une autre zone active 10 voisine par une tranchée d'isolation 20 telle que décrite précédemment. En outre, chaque zone active 10 est en regard d'un filtre 5 apte ne laisser passer que des photons d'une longueur d'onde particulière. On observe notamment que pour un tel capteur d'image, le courant d'obscurité (Idark) est divisé par un facteur de l'ordre de quatre par rapport au courant d'obscurité d'un capteur d'image intégrant des tranchées d'isolation classiques. -6-15 REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation (20) de type profonde dans un substrat (1), comprenant au moins : - la formation d'une cavité (2) dans le substrat (1), en périphérie d'au moins une zone active du substrat, ladite zone active formant un pixel d'un capteur d'image de type CMOS ; - le dépôt conforme d'une couche (3) sur les parois internes de la cavité (2), ladite couche (3) étant composée d'un matériau isolant dopé au bore ; - le remplissage du volume restant dans la cavité (2) avec un matériau diélectrique ; et - le recuit de la structure ainsi formée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche (3) est en oxyde de silicium dopé au bore. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le matériau dopé bore comprend de 0.5 à 6% en masse de bore. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche barrière (3) 20 présente une épaisseur inférieure ou égale à 300 nanomètres. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le dépôt de la couche barrière est réalisé par un dépôt chimique en phase vapeur. 25 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le dépôt est réalisé dans les conditions suivantes : - température : 400 à 550 °C ; - pression : 200 à 650 Torrs ; - vitesse : 5 à 50 nm/min. 30 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le recuit est réalisé dans les conditions suivantes : - température du recuit : 850 à 1050°C ; - temps du recuit : 20 à 120 minutes. 35 2978612 -8- 8. Structure comprenant au moins une tranchée d'isolation (20) de type profonde dans un substrat (1) réalisée selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 7, ladite tranchée étant en périphérie d'au moins une zone active du substrat, ladite zone active formant un pixel d'un capteur d'image de type CMOS, la tranchée d'isolation (20) 5 comprenant une cavité (2) remplie d'un matériau diélectrique, les parois internes de ladite cavité (2) étant recouvertes d'une couche (3) à base d'un matériau dopé bore. 9. Capteur d'image de type CMOS comprenant au moins : - un substrat (1) comprenant une matrice de zones actives (10) et au moins une tranchée 10 d'isolation (20) réalisée selon l'une des revendications 1 à 7, chaque zone active (10) étant apte à convertir un photon incident en un signal électrique, chaque tranchée d'isolation (20) séparant latéralement une zone active d'une autre zone active voisine ; et - une matrice de filtres (5), chaque filtre (5) étant en regard d'une des zones actives (10) et étant apte à sélectionner des photons d'une longueur d'onde prédéfinie. 15