Brevet FR3070792A1 — publié le 20190308

DETECTEUR PHOTOSENSIBLE A JONCTION 3D ET GRILLE AUTOALIGNEES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte au domaine de la photo-détection et de l'imagerie et concerne la mise en oeuvre d'un dispositif de photo-détection amélioré sur un substrat de type semi-conducteur sur isolant. Dans le domaine technique des dispositifs photosensibles, le document EP 2°587°539 présente un dispositif microélectronique formé d'un transistor réalisé sur un substrat de type semi-conducteur sur isolant dont la tension de seuil peut être modulée en fonction d'une quantité de photons reçue par une zone photosensible située dans la couche de support semi-conductrice du substrat. La zone photosensible est séparée de la zone de canal du transistor par l'intermédiaire de la couche isolante du substrat. La variation de tension de seuil du transistor est permise grâce à l'établissement d'un couplage capacitif entre la zone photosensible et la zone de canal du transistor. Ainsi, lorsqu'il n'y a pas de rayonnement lumineux à détecter, la tension de seuil du transistor est égale à une valeur Vti, tandis que lorsqu'un rayonnement lumineux est reçu, la tension de seuil du transistor est égale à une valeur Vt2 différente de Vti. Une telle variation de tension de seuil provient d'une accumulation de charges photo-générées à proximité de l'interface entre la couche de support et la couche isolante du substrat. Il se pose le problème d'améliorer la sensibilité de détection d'un tel type de dispositif microélectronique photosensible. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un mode de réalisation de la présente demande prévoit un dispositif photosensible comprenant un substrat semi-conducteur sur isolant sur lequel repose au moins un transistor, le substrat étant doté d'une couche semi-conductrice superficielle dans laquelle une zone de canal dudit transistor est agencée, d'une couche isolante 2 séparant la couche semi-conductrice superficielle d'une couche de support semiconductrice, la couche de support semi-conductrice comprenant une zone photosensible formée de régions dopées respectivement selon au moins un dopage d'un premier type, N ou P, et au moins un dopage d'un deuxième type, P ou N, de sorte à former au moins 5 une jonction, la couche isolante étant configurée de manière à permettre un couplage capacitif entre la zone photosensible et la zone de canal du transistor, les régions dopées formant la jonction étant agencées par rapport à une zone donnée de la couche de support située contre la couche isolante et en regard de la zone de canal du transistor, de sorte à concentrer des charges photo-générées dans la 10 couche de support dans des parties situées en regard des zones de source et de drain en direction de cette zone donnée. En particulier, la jonction peut être formée d'une superposition de régions dopées ayant un profil 3D ou non-planaire, réparties autour de ladite zone donnée en régions concentriques. 15 Selon un mode de réalisation, la zone photosensible comporte parmi lesdites régions dopées: - une première région dopée selon un dopage d'un premier type, N ou P, la première région dopée étant agencée contre la couche isolante et étant située et en regard de la zone de canal, 20 - une deuxième région dopée selon un dopage d'un deuxième type, P ou N, la deuxième région dopée étant disposée autour de la première région dopée et s'étendant contre la couche isolante et en regard des zones de source et de drain. On forme ainsi, une ou plusieurs jonctions ou portions de jonctions PN ou NP ou PIN ou NIP horizontales autrement dit parallèles au plan principal du substrat et 25 configurées de sorte à pouvoir ramener des charges photo-générées dans la couche de support en face des zones de source et de drain vers une zone donnée de la couche de support située quant à elle en face de la zone de canal. Cette meilleure concentration de charges photo-générées en regard du canal permet d'augmenter la sensibilité de détection du dispositif. 3 De préférence, la deuxième région dopée s'étend en outre sous la première région dopée, de sorte qu'en regard de la zone de canal, la première région dopée se situe entre la couche isolante et la deuxième région dopée. La zone photosensible comporte dans ce cas une jonction ou portion de jonction PN ou NP ou PIN 5 ou NIP à agencement vertical. Avantageusement, la zone de canal du transistor est agencée entièrement en regard de la première région dopée. Avantageusement, dans une section transversale de la couche de support, la première région dopée est entièrement entourée par ladite deuxième région 10 dopée. La zone donnée de la couche de support située en regard du canal est ainsi entièrement entourée d'une jonction PN ou NP ou PIN ou NIP De préférence, une région intermédiaire faiblement dopée est disposée entre ladite première région dopée et ladite deuxième région dopée, de sorte à former une jonction de type PIN ou NIP. 15 Avantageusement, la première région dopée, la région intermédiaire et la deuxième région dopée forment une jonction de type PIN ou NIP et sont réparties de manière concentrique autour de la zone donnée de la couche de support située entièrement en regard de la zone de canal du transistor et contre la couche isolante. Pour améliorer davantage la sensibilité du dispositif, on peut prévoir 20 une première région avec une largeur prévue légèrement supérieure à la longueur de grille du transistor. La première région dopée peut être ainsi délimitée latéralement par des bords latéraux disposés en regard d'espaceurs isolants agencés contre la grille. Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de 25 réalisation de la zone photosensible à agencement non-planaire ou 3D des régions dopées. Un mode de réalisation du procédé de mise en oeuvre d'une zone photosensible pour un dispositif tel que décrit précédemment prévoit, à partir d'un substrat dans lequel la couche de support du substrat est dopée selon le dopage du deuxième type, Pou N, des étapes de : 4 - réalisation sur le substrat d'une grille sacrificielle et d'un masque autour de la grille sacrificielle, - retrait de la grille sacrificielle de sorte à former une ouverture entourée par le masque, 5 - implantation à travers l'ouverture, de sorte à doper selon le premier type de dopage N ou P, une portion de la couche de support disposée en regard de l'ouverture. La portion dopée a ainsi avantageusement des dimensions qui dépendent de celles de la grille sacrificielle. Ensuite, si l'on forme dans l'ouverture une 10 grille de remplacement, les dimensions de la portion dopée dépendent également de celle de la grille de remplacement. Ladite portion dopée correspond typiquement à la première région dopée du dispositif défini plus haut. Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de mise en oeuvre de la zone photosensible pour un dispositif photosensible tel que décrit précédemment à 15 partir d'un substrat dans lequel la couche de support du substrat est dopée selon le dopage du deuxième type, P ou N, le procédé comprenant les étapes de : - implantations inclinées, respectivement selon un angle al et un angle -a2 par rapport à un plan donné orthogonal au plan principal du substrat, de sorte à doper selon un dopage du premier type une première portion de la couche de support en regard 20 de la grille, - implantation parallèlement au plan donné de sorte à doper selon le dopage du deuxième type des deuxièmes portions de la couche de support de part et d'autre de la première portion. al et a2 sont des angles non-nuls et typiquement égaux. Un autre mode de réalisation du procédé de mise en oeuvre de la zone 25 photosensible dans lequel une grille de transistor est formée sur le substrat semi- conducteur sur isolant, la couche de support du substrat étant dopée selon le dopage du deuxième type, par exemple de type P, prévoit : - des premières implantations inclinées respectivement selon des angles al et -al par rapport à un plan donné orthogonal au plan principal du substrat, de 5 sorte à doper sous la grille une portion de la couche de support selon un dopage d'un premier type, par exemple de type N. - des deuxièmes implantations inclinées selon respectivement des angles a2, -2 tels que a2 REVENDICATIONS1. Dispositif photosensible comprenant un substrat semi-conducteur sur isolant sur lequel repose au moins un transistor (T1), le substrat étant doté d'une couche semi-conductrice superficielle (12) dans laquelle une zone de canal (14) dudit transistor est agencée, d'une couche isolante (11) séparant la couche semi-conductrice superficielle d'une couche de support (10) semi-conductrice, la couche de support (10) semi-conductrice comprenant une zone photosensible (20) formée de régions dopées (25, 27) respectivement selon au moins un dopage d'un premier type, N ou P, et au moins un dopage d'un deuxième type, Pou N, de sorte à former au moins une jonction, la couche isolante (11) étant configurée de manière à permettre un couplage capacitif entre la zone photosensible (20) et la zone de canal (14) du transistor, la zone photosensible (20) comportant parmi lesdites régions dopées (25, 27) : - une première région dopée (25) selon un dopage d'un premier type, la première région dopée étant agencée contre la couche isolante (11) et étant située et en regard de la zone (14) de canal, - une deuxième région dopée (27) selon un dopage d'un deuxième type, la deuxième région dopée (27) étant disposée autour de la première région dopée (25) et s'étendant contre la couche isolante (11) et en regard des zones de source et de drain. 2. Dispositif photosensible selon la revendication 1, la deuxième région dopée (27) s'étendant en outre sous la première région dopée (25), de sorte qu'en regard de la zone (14) de canal, la première région dopée (25) se situe entre la couche isolante (11) et la deuxième région dopée (27). 3. Dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la zone de canal (14) du transistor est agencée entièrement en regard de la première région dopée (25). 21 4. Dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, dans une section transversale de la couche de support (10), la première région dopée (25) est entièrement entourée par ladite deuxième région dopée (27). 5 5. Dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une région intermédiaire (29) faiblement dopée est disposée entre ladite première région dopée et ladite deuxième région dopée. 10 6. Dispositif photosensible selon la revendication 5, dans lequel la première région dopée (25), la région intermédiaire (29) et la deuxième région dopée (27) forment une jonction de type PIN ou NIP et sont réparties de manière concentrique autour d'une zone donnée (24) de la couche de support située entièrement en regard de la zone de canal du transistor et contre la couche isolante. 15 7. Dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le transistor est muni d'une grille, la première région dopée étant délimitée latéralement par des bords latéraux disposés en regard d'espaceurs isolants agencés contre la grille. 20 8. Procédé de réalisation de la zone photosensible (20) d'un dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche de support (10) du substrat est dopée selon le dopage du deuxième type, le procédé comprenant des étapes de : 25 - réalisation sur le substrat d'une grille sacrificielle (58) et d'une couche d'encapsulation (61) autour de la grille sacrificielle, - retrait de la grille sacrificielle (58) de sorte à former une ouverture (63) entourée par la couche d'encapsulation (61), 22 - implantation à travers l'ouverture (63), de sorte à doper selon le premier type de dopage, une portion de la couche de support disposée en regard de l'ouverture (63). 9. Procédé de réalisation de la zone photosensible (20) d'un 5 dispositif photosensible selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une grille (18) de transistor est formée sur le substrat semi-conducteur sur isolant, la couche de support (10) du substrat étant dopée selon le dopage du deuxième type, le procédé comprenant les étapes de : - implantations inclinées, respectivement selon un angle al et un angle 10 -a2 par rapport à un plan donné (P) orthogonal au plan principal du substrat, de sorte à doper selon un dopage du premier type une première portion (64) de la couche de support en regard de la grille, - implantation parallèlement au plan donné (P) de sorte à doper selon le dopage du deuxième type des deuxièmes portions (65) de la couche de support de part 15 et d'autre de la première portion (64). 10. Procédé de réalisation d'une zone photosensible (20) d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une grille (18) de transistor est formée sur le substrat semi-conducteur sur isolant, la couche de support (10) du substrat 20 étant dopée selon le dopage du deuxième type, le procédé comprenant : - des premières implantations inclinées respectivement selon des angles al et -al par rapport à un plan donné (P) orthogonal au plan principal du substrat, de sorte à doper sous la grille une portion de la couche de support selon un dopage d'un premier type, 25 - des deuxièmes implantations inclinées selon respectivement des angles a2, -a2 tels que a2 11. Procédé de réalisation d'une zone photosensible (20) d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, la couche de support (10) du substrat étant dopée selon le dopage du deuxième type, le procédé comprenant les étapes de : - implantation de sorte à doper une sous-couche supérieure (10a) de la 5 couche de support selon un dopage du premier type, puis - formation d'une grille (18), puis, - implantation de part et d'autre de la grille, de sorte à doper selon le dopage du deuxième type des portions (79) de la couche de support situées de part et d'autre d'une portion centrale (70) agencée en regard de la grille. 'o 12. Procédé de réalisation d'une zone photosensible (20) d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel après implantation des portions (79) on forme une couche masquage (81) contre des flancs de la grille, puis on réalise au moins une nouvelle implantation de part et d'autre de la grille de sorte à 15 augmenter le dopage du deuxième type de certaines parties (83) desdites portions (79).