Brevet FR3027731A1 — publié le 20160429

CAPTEUR D'IMAGE FACE AVANT A COURANT D'OBSCURITE REDUIT SUR SUBSTRAT SOI Domaine technique L'invention est relative aux capteurs d'image matriciels en technologie CMOS de type 5 « face avant » (ou front-side en anglais). Arrière-plan La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'un pixel de capteur d'image CMOS de type « face avant ». Dans cette figure et les suivantes, les différents éléments du pixel sont représentés avec des dimensions permettant de rendre les figures 10 intelligibles et ne sont pas représentés à l'échelle. Les niveaux de dopage des zones de type de conductivité P sont représentés par des nuances de gris d'autant plus sombres que les niveaux sont élevés. Le capteur d'image est formé dans une couche active 10, souvent de type de conductivité P, ayant un niveau de dopage noté P-. La couche 10 est formée sur un 15 substrat 12, souvent de type de conductivité P. Le niveau de dopage du substrat, noté P+, est généralement très supérieur au niveau de dopage de la couche active 10, typiquement 3 décades. La couche 10 peut avoir une épaisseur comprise entre 3 et 6 um, tandis que le substrat peut avoir une épaisseur de 780 um. Une zone enterrée 14 de type de conductivité N, à proximité de la face supérieure de la 20 couche 10, forme une photodiode avec la couche 10. Comme cela est représenté, la partie de la couche 10 au-dessus de la zone 14 peut avoir un niveau de dopage plus élevé que la couche 10 pour assurer une passivation de l'interface supérieure. La face supérieure de la couche 10 porte divers éléments servant à commander le pixel, notamment une grille de transfert TG. Ces éléments et autres pistes métalliques sont 25 noyés dans une couche de passivation 16. Le pixel est isolé latéralement de ses pixels voisins par des isolants en tranchées 18, généralement en oxyde de semi-conducteur, qui s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche active 10. Alternativement, l'isolation entre pixels peut-être réalisée par un sur-dopage (type P) par rapport à la couche 10, mais cette isolation est connue comme étant 30 moins efficace tant d'un point de vue électrique que d'un point de vue optique. L'écartement entre les tranchées 18 définit la taille des pixels. Dans le cas d'un capteur couleur, des filtres colorés 18 sont formés sur la couche 16 en correspondance avec les pixels. Les filtres 18 sont généralement surmontés de lentilles individuelles de collimation 20. En fonctionnement, pendant une phase d'intégration, les photons absorbés dans la couche active, zone 10 de la photodiode, génèrent des électrons qui viennent se stocker dans la zone 14 de la photodiode. A la fin de la phase d'intégration, la charge stockée est proportionnelle à la quantité de lumière reçue par la photodiode pendant toute la durée de la phase d'intégration. A l'issue de la phase d'intégration, la charge stockée est transférée au moyen de la grille de transfert TG vers les éléments de commande. Un problème récurrent de cette structure de pixel est que l'on peut observer la génération de porteurs dans la photodiode même en l'absence de lumière, ce qu'on appelle un courant d'obscurité. Le courant d'obscurité n'étant pas le même pour tous les pixels, ou entre deux phases d'intégration d'un même pixel. Ce phénomène produit un bruit visible dans les images saisies, il est particulièrement gênant dans des conditions de faible éclairement. Les origines du courant d'obscurité sont mal connues. Une origine identifiée est la présence d'imperfections ou d'impuretés dans le semi-conducteur et aux différentes interfaces entre la couche active, zone 10, et les matériaux isolants qui l'entourent. Le matériau semi-conducteur et le matériau isolant n'étant pas structurellement équivalents, il en résulte des défauts de « construction » aux interfaces. Tous ces défauts sont électriquement actifs. On peut neutraliser les défauts d'interface en dégénérant la partie semi-conductrice de l'interface silicium-isolant. La dégénérescence consiste à doper en excès la partie semiconductrice afin qu'elle présente les mêmes propriétés qu'un métal dans lequel les phénomènes de génération-recombinaison s'équilibrent naturellement. La dégénérescence parfaite est impossible aussi des défauts subsistent mais en moindre quantité. Dans le cas de la zone active 10 de type P, les électrons générés par les défauts d'interface diffusent vers la zone de stockage, zone 14. Ces électrons participent au courant d'obscurité de la photodiode. Pour limiter ce phénomène, on neutralise les interfaces pouvant présenter un mauvais état de surface, comme l'interface entre les tranchées d'isolant 18 et la couche 10. Comme cela est représenté, une couche de type P ayant un niveau de dopage plus élevé que la couche active 10 tapisse les tranchées 18. Le niveau de dopage peut être celui, P+, du substrat. Ainsi, les électrons générés pouvant diffuser vers la zone 14 sont moins nombreux. Malgré ces mesures, un courant d'obscurité subsiste dans les capteurs d'image de type « face avant ». Résumé On prévoit de façon générale un capteur d'image de type « face avant », comprenant un substrat en matériau semi-conducteur ; une couche active en matériau semi-conducteur ; une matrice de photodiodes réalisée dans la couche active ; et une couche d'isolant entre le substrat et la couche active. La couche d'isolant peut être une couche d'oxyde de silicium ayant une épaisseur choisie pour permettre la réflexion des photons du domaine du visible. Le capteur peut comprendre, entre la couche d'isolant et la couche active, une couche intermédiaire de même type de conductivité que la couche active, ayant un niveau de dopage supérieur à celui de la couche active. En fonctionnement, le substrat peut être polarisé à un potentiel inférieur à celui de la couche active. Le substrat et la couche isolante peuvent faire partie intégrante d'un substrat SOI. Le capteur peut comprendre une couche de passivation sur la couche active ; une matrice de filtres colorés sur la couche de passivation ; et une matrice de lentilles de 20 collimation sur la matrice de filtres. Un procédé de réalisation d'un capteur d'image de type « face avant » peut comprendre les étapes consistant à former sur un substrat SOI une couche active ; former une matrice de photodiodes dans la couche active ; et disposer une matrice de filtres colorés et de lentilles de collimation sur la couche active. 25 Le procédé peut comprendre l'étape consistant à former une couche intermédiaire sur la couche isolante, de même type de conductivité que la couche active et ayant un niveau de dopage supérieur à celui de la couche active. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, représente une vue en coupe schématique d'un pixel de capteur d'image CMOS de type « face avant » ; - la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation de pixel à courant d'obscurité réduit ; et - la figure 3 représente une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation de pixel à courant d'obscurité réduit. Description de modes de réalisation L'inventeur a étudié l'hypothèse qu'une source d'électron contribuant au courant d'obscurité dans un capteur d'image de type « face avant » pouvait aussi provenir du substrat. En effet, bien que le substrat soit dopé P, c'est-à-dire que les porteurs positifs sont majoritaires, il subsiste toujours des électrons selon la relation NpN. = ni2, où Np et Nn sont les nombres de porteurs positifs et négatifs respectivement, et n, est la concentration intrinsèque du matériau semi-conducteur à une température donnée. Ces porteurs négatifs ou électrons pourraient dans certaines conditions migrer du substrat vers la couche active, même si le niveau de dopage P de la couche active est plus faible que celui du substrat. Selon cette hypothèse, la contribution du substrat au courant d'obscurité pourrait être supprimée en isolant électriquement la couche active du substrat. L'isolation substrat-zone active peut être mise en oeuvre en réalisant le capteur d'image sur un substrat de type SOI (de l'anglais « Silicon On Insulator »). La figure 2 illustre un pixel de capteur d'image ainsi réalisé. Ce pixel peut être identique en tout point à celui de la figure 1, sauf que le substrat est un substrat de type SOI comprenant une zone massive 22-1 en silicium de type P, surmontée d'une couche d'oxyde de silicium 22-2. La couche d'oxyde 22-2 peut avoir une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm. En 30 restreignant la plage d'épaisseur à 100-200 nm, cette couche se comporte alors comme un miroir pour les photons dont la longueur d'onde se situe autour du spectre du visible. Les photons incidents ainsi réfléchis vers la couche active contribuent à la charge de la photodiode. Il en résulte une augmentation de la sensibilité du pixel. La figure 3 illustre une variante du pixel de la figure 2. La couche 22-2 est utilisée 5 comme le diélectrique d'un condensateur. Le substrat 22-1 est polarisé à un potentiel V1 inférieur au potentiel de la zone active 10 qui est généralement à la masse. Le potentiel V1 appliqué est donc négatif Dans ce cas, l'interface zone active 10-oxyde réagit au potentiel V1 par l'accumulation des porteurs majoritaires de la zone active 10 à l'interface. Le potentiel induit par l'accumulation de charge positive à l'interface zone 10 active 10-oxyde sera appelé par la suite V2 et la différence de potentiel aux bornes du condensateur sera alors V2-V1. Le potentiel V1 à appliquer dépend de l'épaisseur de la couche 22-2, donc en fait de la valeur du condensateur. Typiquement des valeurs V2-V1 de 0,2 à 0,4 volt peuvent être utilisées pour une épaisseur de 20 nm et des valeurs de 1,5 à 3 volt pour une épaisseur 15 de 150 nm. La couche 24 de la figure 2 et la configuration en condensateur de la figure 3 sont optionnelles. Ces solutions servent à améliorer les résultats obtenus grâce à la couche isolante 22-2 sans polarisation V1 appliquée. L'inventeur a observé que la couche isolante 22-2 utilisée sans ces options permet déjà de réduire de façon notable l'effet du 20 substrat sur le courant d'obscurité. REVENDICATIONS1. Capteur d'image de type « face avant », comprenant : - un substrat (22-1) en matériau semi-conducteur ; - une couche active (10) en matériau semi-conducteur ; et - une matrice de photodiodes (14, 18) réalisée dans la couche active ; caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'isolant (22-2) entre le substrat (22-1) et la couche active (10). 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la couche d'isolant (22-2) est une couche d'oxyde de silicium ayant une épaisseur choisie pour permettre la réflexion 10 des photons du domaine du visible. 3. Capteur selon la revendication 1, comprenant, entre la couche d'isolant (22-2) et la couche active (10), une couche intermédiaire (24) de même type de conductivité que la couche active, ayant un niveau de dopage supérieur à celui de la couche active. 15 4. Capteur selon la revendication 1, dans lequel, en fonctionnement, le substrat est polarisé à un potentiel (V1) inférieur à celui (V2) de la couche active. 5. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le substrat et la couche isolante font partie intégrante d'un substrat SOI. 6. Capteur selon la revendication 1, comprenant : 20 - une couche de passivation (16) sur la couche active ; - une matrice de filtres colorés (18) sur la couche de passivation ; et - une matrice de lentilles de collimation (20) sur la matrice de filtres. 7. Procédé de réalisation d'un capteur d'image de type « face avant », comprenant les étapes suivantes : 25 - former sur un substrat SOI une couche active (10) ; - former une matrice de photodiodes (14, 18) dans la couche active ; et- disposer une matrice (18, 20) de filtres colorés et de lentilles de collimation sur la couche active. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant l'étape suivante : - former une couche intermédiaire (24) sur la couche isolante, de même type de conductivité que la couche active et ayant un niveau de dopage supérieur à celui de la couche active. 9. Procédé selon la revendication 7, comprenant l'étape suivante : - polariser le substrat à un potentiel (V1) inférieur à celui (V2) de la couche active.