Brevet FR3057396A1 — publié le 20180413

SUBSTRAT POUR CAPTEUR D'IMAGE DE TYPE FACE AVANT ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL SUBSTRAT DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un substrat pour capteur d'image de type « face avant », un capteur d'image incorporant un tel substrat, et un procédé de fabrication d'un tel substrat. ETAT DE LA TECHNIQUE Le document US 2016/0118431 décrit un capteur d'image de type « face avant » (« front-side imager », selon la terminologie anglo-saxonne). Comme illustré sur la figure 1, ledit capteur comprend un substrat de type semi- conducteur sur isolant (SOI, acronyme du terme anglo-saxon « Semiconductor-On- Insulator ») comprenant, de sa face arrière vers sa face avant, un substrat support 1 de silicium dopé P+, une couche 2 d'oxyde de silicium, et une couche 3 dite couche active de silicium dopé P-, dans laquelle est défini un réseau matriciel de photodiodes définissant chacune un pixel. Par convention, un dopage P- correspond à une concentration en dopants de type P (par exemple, du bore) de l'ordre de 1014 à quelques 1015 at/cm3. Un dopage P+ correspond à une concentration en dopants de type P de l'ordre de quelques 1015 à 1019 at/cm3. Le choix d'un substrat support dopé de type P+ vise à minimiser la migration d'électrons du substrat support vers la couche active, qui est susceptible d'être à l'origine d'un courant d'obscurité correspondant à la génération de porteurs dans les photodiodes même en l'absence de lumière. Par ailleurs, le substrat support peut être polarisé à un potentiel électrique inférieur à celui de la couche active, en vue de provoquer une accumulation de porteurs majoritaires de la couche active à l'interface entre la couche active 3 et la couche d'oxyde de silicium 2. La couche d'oxyde de silicium 2 est destinée à isoler électriquement la couche active 3 du substrat 1, en vue d'éviter le passage d'électrons du substrat support vers la couche active. Toutefois, la mise en oeuvre d'un substrat dopé P+ sur une ligne de fabrication industrielle de substrats SOI est problématique. 3057396 2 En effet, on constate, dans certains postes de fabrication, par exemple lors des étapes de nettoyage ou de traitement thermique, une diffusion du bore hors du substrat support et une dispersion dans l'environnement de la ligne de fabrication. Or, la ligne de fabrication n'est généralement pas dédiée à un type unique de substrats 5 SOI, et peut notamment être amenée à traiter des substrats non ou faiblement dopés. Cependant, le bore diffusé dans l'environnement vient contaminer lesdits substrats et cette diffusion ne permet pas un contrôle précis de leur niveau de dopage, ce qui peut affecter leurs propriétés électriques. 10 EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est de remédier au problème susmentionné et de proposer un substrat pour capteur d'image de type « face avant » qui permette de minimiser le courant d'obscurité sans engendrer de problèmes de contamination sur la ligne de fabrication dudit substrat. 15 A cet effet, l'invention propose un substrat pour un capteur d'image de type face avant, comprenant successivement un substrat support semi-conducteur dopé de type P-, une couche électriquement isolante et une couche semi-conductrice dite couche active, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le substrat support (1) et la couche électriquement isolante, une couche épitaxiale semi-conductrice dopée de type P+. 20 Par « face avant » on entend dans le présent texte la face du capteur d'image destinée à être exposée à un rayonnement lumineux. Dans le cas où le substrat support comprendrait un empilement de différents matériaux, on entend par « matériau du substrat support » le matériau situé sur la face avant de celui-ci, de sorte que la croissance de la couche épitaxiale soit effectuée avec le même paramètre de 25 maille (ou suffisamment proche de celui-ci) que celui du substrat sous-jacent. Selon un mode de réalisation, la couche épitaxiale est formée du même matériau semiconducteur que le substrat support. Dans une forme d'exécution particulière, le substrat support et la couche épitaxiale sont en silicium. 30 Selon un mode de réalisation, la couche active est en silicium. De manière avantageuse, l'épaisseur de la couche électriquement isolante est comprise entre 10 et 50 nm. De préférence, l'épaisseur de la couche épitaxiale est comprise entre 0,1 et 3 pm. 3057396 3 L'invention concerne également un capteur d'image face avant comprenant un substrat tel que décrit ci-dessus et un réseau matriciel de photodiodes dans la couche active dudit substrat. Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat pour un 5 capteur d'image de type face avant, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat support semi-conducteur dopé de type P- ; - croissance épitaxiale, sur le substrat support, d'une couche semi-conductrice dopée de type P+, - fourniture d'un substrat donneur comprenant une couche superficielle de matériau 10 semi-conducteur ; - collage de la couche épitaxiale sur ladite couche de matériau semi-conducteur, une couche électriquement isolante étant située à l'interface de collage ; - amincissement du substrat donneur de manière à transférer sur le substrat support une couche active semi-conductrice. 15 Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend une étape de formation d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter ladite couche superficielle, l'amincissement du substrat donneur comprenant un détachement selon ladite zone de fragilisation. Dans une forme d'exécution, la formation de la zone de fragilisation comprend une 20 implantation d'espèces atomiques dans le substrat donneur. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la formation, autour de la couche épitaxiale, d'une couche formant barrière à la diffusion de dopants. DESCRIPTION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un substrat SOI pour capteur d'image face avant tel que décrit dans le document US 2016/0118431 ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un substrat conforme à un mode de réalisation de 30 l'invention ; - les figures 3A à 3C illustrent différentes étapes du procédé de fabrication d'un substrat selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe d'un pixel d'un capteur d'image de type « face avant » comprenant un substrat selon un mode de réalisation de l'invention ; 3057396 4 - la figure 5 illustre des simulations de la concentration en atomes de bore dans un substrat selon un mode de réalisation de l'invention, avant l'application d'un traitement thermique (courbe a) et après l'application de deux traitements thermiques usuels (courbes b et c). 5 Pour des raisons de lisibilité des figures, les différentes couches ne sont pas nécessairement représentées à l'échelle. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 2 illustre un substrat pour un capteur d'image de type face avant selon un 10 mode de réalisation de l'invention. Ledit substrat comprend successivement, de sa face arrière vers sa face avant, un substrat support 1 semi-conducteur dopé de type P-, une couche semi-conductrice 4 dopée de type P+, une couche électriquement isolante 2 et une couche 3 semi-conductrice dite couche active. 15 La couche 3 est destinée à recevoir un réseau matriciel de photodiodes (non représenté) permettant la capture d'images. De manière avantageuse mais non limitative, ladite couche 3 peut être en silicium. Par ailleurs, ladite couche peut être légèrement dopée. Le substrat support 1 est généralement obtenu par découpe d'un lingot monocristallin dopé P-. De manière avantageuse, le substrat 1 est en silicium. 20 La couche semi-conductrice 4 dopée de type P+ est formée sur le substrat support 1 par épitaxie. Afin de minimiser la défectivité de la couche 4, le paramètre de maille de la couche 4 est proche du paramètre de maille du substrat support 1. Ainsi, la couche épitaxiale est avantageusement dans le même matériau que le substrat 1 (par exemple, en silicium dopé P+ si le substrat support est en silicium dopé P-) ou dans autre un matériau (par 25 exemple en SiGe dopé P+ si le substrat support 1 est en silicium dopé P-). Naturellement, ces exemples de matériaux ne sont pas limitatifs. L'épaisseur de la couche épitaxiale 4 est avantageusement comprise entre 0,1 et 3 pm, de préférence entre 0,1 et 1 pm. La couche 2 intercalée entre la couche épitaxiale 4 et la couche active procure une 30 isolation électrique entre lesdites couches. Selon un mode de réalisation préféré, ladite couche 2 est en oxyde de silicium, mais tout autre matériau diélectrique pourrait convenir. L'épaisseur de la couche électriquement isolante 2 est avantageusement comprise entre 10 et 50 nm. Ainsi, comme on le verra, il est possible de polariser électriquement la couche dopée P+ à une tension inférieure à celle de la couche active 3, afin de provoquer 3057396 5 une accumulation de porteurs majoritaires de la couche active à l'interface entre la couche active 3 et la couche d'oxyde de silicium 2. Par opposition au substrat connu illustré sur la figure 1, dans lequel la partie située à l'arrière de la couche d'oxyde de silicium est entièrement dopée P+, l'invention propose une 5 structure formée de deux couches présentant des niveaux de dopage différents, à savoir la couche 4 dopée P+, qui présente une épaisseur limitée, immédiatement à l'arrière de la couche électriquement isolante 2, et le substrat support 1, qui est sensiblement plus épais que la couche 4, à l'arrière de ladite couche 4. Cette structure en deux parties permet d'éviter - ou tout au moins de minimiser - le 10 phénomène de contamination mentionné en préambule dû à une diffusion des espèces dopantes hors du substrat. En effet, la surface exposée (c'est-à-dire en contact avec l'environnement du substrat) du matériau dopé P+ est sensiblement réduite dans la configuration de l'invention par rapport à la configuration de l'invention. A titre d'exemple : 15 - pour un substrat support dopé P+ de 30 cm de diamètre, 775 pm d'épaisseur et un chanfrein de 1 mm de largeur (correspondant à un substrat selon l'état de la technique), la surface exposée est égale à la somme de la surface de la face arrière du substrat, de la surface latérale du substrat et de la surface du chanfrein, soit : n * 15 2 + 2 * n * 15 * 0,0775 + n * (152 - 14,92) = 724 cm2 20 - pour une couche épitaxiale dopée P+ de 1 pm d'épaisseur formée sur un substrat dopé P- de 30 cm de diamètre et présentant un chanfrein de 1 mm de largeur (correspondant à un mode de réalisation de l'invention), la surface exposée est égale à la somme de la surface latérale de ladite couche et de la surface du chanfrein, soit : 2* n * 15 * 0,0001 + n * (152-14.92) = 9 cm2 25 On rappelle que les substrats n'étant pas parfaitement cylindriques mais présentant un chanfrein périphérique, la fabrication d'un substrat SOI par transfert de couche (par exemple par le procédé Smart CutTM décrit plus bas) se traduit par un report d'une couche d'un substrat donneur sur la partie centrale du substrat receveur à l'exclusion du chanfrein de celui-ci. En d'autres termes, le substrat receveur n'est pas recouvert par la couche transférée 30 dans la région du chanfrein. Pour éviter de complexifier les figures, le chanfrein n'est pas représenté sur celles-ci. Dans l'exemple exposé plus haut, la surface du matériau P+ exposée est donc près de 80 à 100 fois inférieure dans le substrat selon l'invention que dans le substrat connu. 3057396 6 Il en résulte que les espèces dopantes contenues dans la couche épitaxiale 4 sont susceptibles d'engendrer une contamination beaucoup plus faible qu'un substrat support massif. Selon un mode de réalisation non illustré, il serait possible de limiter encore la diffusion 5 des espèces dopantes vers l'extérieur du substrat en formant une couche barrière autour de la couche épitaxiale dopée P+. Une telle couche barrière peut être notamment formée du même matériau que la couche 1 ou d'un matériau présentant un paramètre de maille équivalent à celui de la couche 4 mais sans dopage. Toutefois, la formation d'une telle couche barrière nécessite des étapes de fabrication additionnelles qui augmentent la durée 10 et la complexité du procédé de fabrication (par exemple étape de lithographie et gravure au niveau du bord, incluant ou non la zone du chanfrein). On va maintenant décrire, en référence aux figures 3A à 3C, un procédé de fabrication d'un substrat pour capteur d'image de type face avant selon l'invention, utilisant notamment le procédé Smart CutTM bien connu. 15 En référence à la figure 3A, on fournit le substrat support 1 dopé P-, et on fait croître par épitaxie la couche 4 dopée P+ jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée. On forme ainsi une structure receveuse en vue du transfert de la couche active. L'épaisseur de la couche 4 dépend du niveau de dopage de celle-ci : plus le niveau de dopage est élevé (jusqu'à 1019 at/cm3), plus on aura intérêt à maintenir cette couche à une faible épaisseur pour éviter une 20 trop forte dissémination des espèces dopantes hors du substrat. La couche barrière mentionnée auparavant peut contribuer à pouvoir maintenir une épaisseur prédéterminée de la couche 4 dépendant du niveau de dopage envisagé ainsi que des traitements thermiques envisagés ultérieurement. Par ailleurs, en référence à la figure 3B, on fournit un substrat donneur 30 comprenant 25 une couche superficielle 31 de matériau semi-conducteur destiné à former la couche active 3 du substrat SOI. La couche superficielle est avantageusement délimitée par une zone de fragilisation 32. Selon un mode de réalisation, la zone de fragilisation 32 est formée par implantation d'espèces atomiques, telles que de l'hydrogène et/ou de l'hélium par exemple. De manière alternative, la zone de fragilisation peut être une zone poreuse. 30 La couche superficielle 31 du substrat donneur comprend avantageusement une couche électriquement isolante destinée à former la couche isolante enterrée 2 du substrat SOI. Cette couche électriquement isolante 2 peut être un oxyde du matériau de la couche 31. Eventuellement, une telle couche électriquement isolante peut être présente sur la couche épitaxiale 4 de la structure receveuse, ou encore à la fois sur le substrat donneur et la 35 structure receveuse. 3057396 7 En référence à la figure 3C, on procède au collage du substrat donneur sur la structure receveuse, la(les) couche(s) électriquement isolante(s) étant à l'interface de collage. La Demanderesse a vérifié que, bien que la formation de la couche épitaxiale sur le substrat support soit susceptible d'induire une déformation de la planéité de la structure 5 receveuse, la qualité du collage entre le substrat donneur et la structure receveuse reste convenable. On procède ensuite à un amincissement du substrat donneur 30 de manière à transférer sur le substrat support 1 la couche semi-conductrice superficielle 31. Selon le procédé Smart CutTM, cet amincissement comprend un détachement du substrat donneur 30 10 selon la zone de fragilisation 32. Après d'éventuelles étapes de finition, par exemple de recuit, de polissage et/ou de nettoyage, on obtient le substrat illustré sur la figure 2. Selon une variante (non représentée), le substrat donneur ne comprend pas de zone de fragilisation et le transfert de la couche superficielle sur le substrat donneur est réalisé par un enlèvement de matière au moyen d'un polissage du substrat donneur par la face opposée 15 à l'interface de collage. La figure 4 illustre une partie d'un capteur d'image de type face avant comprenant un substrat conforme à l'invention. Seule une partie du capteur correspondant à un pixel est représentée sur cette figure, ledit pixel étant isolé électriquement des autres pixels formés dans la couche active 3 par des tranchées d'isolation 7. 20 Une région 33 dopée N- est formée sous la surface de la face avant de la couche active 3. Cette région dopée N- forme avec la couche active 3 dopée P- une photodiode. Une région 34 formée entre la région 33 et la face avant de la couche 3 présente avantageusement un niveau de dopage N supérieur à celui de la région 33 afin de passiver l'interface. Une couche de passivation 6 est formée sur la couche active 3 et peut encapsuler des éléments 25 permettant de contrôler électriquement ledit pixel. Eventuellement, d'autres couches, tels que des filtres, peuvent être formées sur la couche de passivation 6, mais elles ne sont pas représentées sur la figure 4. La structure du capteur d'image en tant que tel et son procédé de fabrication sont connus de l'homme du métier et ne seront donc pas décrits en détail ici. 30 Lorsque la couche électriquement isolante 2 est suffisamment mince (de l'ordre de 10 à 50 nm), elle joue alors le rôle de l'élément diélectrique d'un condensateur formé des couches 3 et 4. Lors du fonctionnement du capteur d'image, la couche active 3 est polarisée à un potentiel électrique qui correspond généralement à la masse. On peut avantageusement polariser la couche épitaxiale dopée P+ à un potentiel V4 inférieur au potentiel de la couche 35 active 3, V4 étant donc négatif. Selon le même principe que celui expliqué dans le document 3057396 8 US 2016/0118431, l'application du potentiel négatif V4 induit l'accumulation, à l'interface entre la couche électriquement isolante 2 et la couche active 3, de porteurs majoritaires (trous) de la couche 3. Cette accumulation de charges crée un potentiel électrique V3 positif dans la couche 3 à l'interface avec la couche électriquement isolante 2. Le condensateur est 5 donc soumis à une différence de potentiel V3-V4. Le potentiel V4 à appliquer dépend de l'épaisseur de la couche électriquement isolante 2. La figure 5 illustre des simulations de la concentration en atomes de bore dans un substrat selon un mode de réalisation de l'invention, avant l'application d'un traitement thermique (courbe a) et après l'application de deux traitements thermiques usuels dans le 10 cadre de la fabrication d'un capteur d'image (courbes b et c). L'axe des abscisses indique la profondeur (en pm) dans le substrat SOI, l'origine correspondant à la face avant de la couche active (les repères 1 à 4 correspondent à ceux des figures 2 à 3C). L'axe des ordonnées indique la concentration (en atomes/cm3) en atomes de bore. 15 La courbe a présente une forme de créneau qui montre que la forte concentration en bore est limitée à la couche épitaxiale 4. Les courbes b et c correspondent au même substrat SOI que celui de la courbe a, mais après l'application de deux traitements thermiques différents, celui de la courbe c représentant un budget thermique plus important que celui de la courbe b. Ces deux courbes 20 montrent une légère diffusion des atomes de bore de la couche 4 vers le substrat support 1 sous-jacent, mais qui reste limitée. Par conséquent, le niveau de dopage de la couche épitaxiale, et son effet sur la réduction du courant d'obscurité, sont préservés. Une couche barrière additionnelle de type telle que mentionnée auparavant peut se situer entre le substrat support 1 et la couche épitaxiale 4 pour éviter une diffusion telle que 25 mentionnée ci-dessus. Un autre mode de réalisation peut comporter une couche épitaxiale 4 ayant un gradient prédéterminé de dopage, ce dopage augmentant vers la face avant en contact avec la couche électriquement isolante 2. Sous l'influence d'un traitement thermique, la diffusion à l'intérieur de la couche 4 ayant ce gradient permet de maintenir un dopage moyen suffisant 30 pour l'application visée. REFERENCES US 2016/0118431 REVENDICATIONS1. Substrat pour un capteur d'image de type face avant, comprenant successivement un substrat support (1) semi-conducteur dopé de type P-, une couche électriquement isolante (2) et une couche (3) semi-conductrice dite couche active, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le substrat support (1) et la couche électriquement isolante (2), une couche épitaxiale (4) semi-conductrice dopée de type P+. 2. Substrat selon la revendication 1, dans lequel la couche épitaxiale (4) est formée du même matériau semi-conducteur que le substrat support (1). 3. Substrat selon la revendication 2, dans lequel le substrat support (1) et la couche épitaxiale (4) sont en silicium. 4. Substrat selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche active (3) est en silicium. 5. Substrat selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'épaisseur de la couche électriquement isolante (2) est comprise entre 10 et 50 nm. 6. Substrat selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'épaisseur de la couche épitaxiale (4) est comprise entre 0,1 et 3 pm. 7. Capteur d'image de type face avant, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat selon l'une des revendications 1 à 6 et un réseau matriciel de photodiodes dans la couche active (3) dudit substrat. 8. Procédé de fabrication d'un substrat pour un capteur d'image de type face avant, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat support (1) semi-conducteur dopé de type P- ; - croissance épitaxiale, sur le substrat support (1), d'une couche (4) semi-conductrice dopée de type P+, - fourniture d'un substrat donneur (30) comprenant une couche superficielle (31) de matériau semi-conducteur ; 3057396 10 - collage de la couche épitaxiale (4) sur ladite couche (31) de matériau semiconducteur, une couche électriquement isolante (2) étant située à l'interface de collage ; - amincissement du substrat donneur (30) de manière à transférer sur le substrat 5 support (1) une couche active (3) semi-conductrice. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant une étape de formation d'une zone de fragilisation (32) dans le substrat donneur (30) de sorte à délimiter ladite couche superficielle (31) et dans lequel l'amincissement du substrat donneur (30) comprend un 10 détachement selon ladite zone de fragilisation (32). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la formation de la zone de fragilisation (32) comprend une implantation d'espèces atomiques dans le substrat donneur (30). 15 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, comprenant en outre la formation, autour de la couche épitaxiale (4), d'une couche formant barrière à la diffusion de dopants.