Brevet FR3111019A1 — publié le 20211203

Capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection (MD) comportant une photodiode pincée (PPD) comportant au sein d’un substrat semiconducteur, une première région semiconductrice (RG1) ayant un premier type de conductivité située entre une deuxième région semiconductrice (RG2) ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier et une troisième région semiconductrice (RG3) ayant le deuxième type de conductivité, plus épaisse, moins dopée et située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région (RG2), et comportant du silicium et du germanium présentant au moins un premier gradient de concentration (GR1 ; GR10). Figure pour l’abrégé : Fig 1 Capteur optique intégré à photodiodes pincées Des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention concernent les capteurs optiques intégrés, notamment ceux comportant des photodiodes pincées connues par l’homme du métier sous la dénomination anglosaxonne « pinned photodiodes ». Durant ces dernières années, un nombre croissant d’applications telles que la reconnaissance faciale, la réalité virtuelle, et la sécurité active pour automobile exigent de plus en plus souvent des systèmes d’imagerie de haute performance à faible encombrement et à faible coût. A cet égard, des systèmes d’imagerie, basés sur l’utilisation des techniques de mesure indirecte par temps de vol communément désignées par l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon « iToF » (« indirect Time of Flight » en anglais) et bénéficiant d’une structure fortement intégrée et d’une performance précise et rapide, répondent particulièrement bien à ces attentes. Plus précisément, avec une excitation modulée périodique issue par exemple d’un laser, il est possible de mesurer indirectement la distance séparant un objet à mesurer et le système d’imagerie dit « iToF » via une mesure de déphasage du signal reçu après la réflexion sur l’objet par rapport au rayonnement émis et de prolonger une collecte de données du signal optique sur plusieurs cycles d’excitation et d’émission de façon à améliorer la précision de la mesure. Ce type de détecteur est particulièrement utilisé pour des applications utilisant des rayonnements dont la longueur d’onde se situe dans le proche infra-rouge (par exemple 0,94 micromètre). Et de telles applications, mises en œuvre notamment non seulement dans des capteurs temps de vol mais également dans des imageurs CMOS, sont de plus en plus nombreuses. Généralement les capteurs utilisés sont des capteurs intégrés à base de silicium. Or le silicium présente un faible pouvoir d’absorption dans l’infra-rouge et même dans le proche infra-rouge (0,94 micromètre par exemple). Par exemple un substrat de silicium de 1 micromètre d’épaisseur présente une absorption de 1,7% à 0, 94 micromètre de longueur d’onde. Ce pouvoir d’absorption est augmenté avec des épaisseurs plus importantes, par exemple de l’ordre de 6 micromètres, qui sont des épaisseurs typiques de photodiodes pincées de capteurs optiques intégrés. Mais les dispositifs silicium présentent une faible sensibilité dans le proche infra-rouge. Par exemple un substrat de silicium de 6 micromètres d’épaisseur présente une efficacité quantique de l’ordre de 7 à 8 % à 0, 94 micromètre de longueur d’onde. En outre avec de telles épaisseurs, la collecte des porteurs minoritaires dans la photodiode pincée est très lente, ce qui est préjudiciable. Il existe par conséquent un besoin d’améliorer les performances d’un capteur optique mettant en particulier en œuvre une ou plusieurs photodiodes pincées, tout particulièrement dans le domaine du proche infra-rouge, notamment en termes d’absorption et/ou de sensibilité et/ou de vitesse de collecte des porteurs minoritaires. L’inventeur a observé qu’il était possible de répondre à ce besoin en remplaçant le silicium par un matériau présentant en particulier une meilleure absorption infra-rouge tout en satisfaisant à des contraintes strictes telles que par exemple : -une compatibilité avec des composants microélectroniques situés sur la face avant d’un substrat (« Front-End ») ainsi qu’avec du silicium monocristallin, -une intégrabilité dans la partie active des dispositifs semiconducteurs (diodes et diodes pincées), -une génération suffisamment faible de porteurs minoritaires, -une défectuosité aussi faible que possible. Un tel matériau est alors avantageusement résistant à la température, présentant une bonne qualité d’interface avec du silicium et avec des matériaux diélectriques tels que dioxyde de silicium et présentant d’une façon générale une bonne qualité (en particulier pas ou très peu de dislocations, pas ou très peu de contaminants). Une photodiode pincée comporte au sein d’un substrat semiconducteur, une première région semiconductrice, par exemple de type N, prise en sandwich entre deux régions semiconductrices par exemple une région surfacique de type P+ et une région plus épaisse et plus en profondeur de type P. Il est par exemple proposé d’incorporer dans la région de type P du germanium en une quantité pas trop importante de façon à améliorer les performances du capteur optique en particulier dans le domaine proche infra-rouge, notamment en termes d’absorption et de sensibilité, tout en minimisant le risque de formations de dislocations. Par ailleurs il est aussi proposé par exemple d’incorporer dans la région de type P du germanium présentant un gradient positif de concentration depuis le fond de la région P vers la région N, de façon à améliorer les performances du capteur optique en particulier dans le domaine proche infra-rouge, notamment en termes de rapidité de collecte des porteurs minoritaires. Dans les deux cas mentionnés ci-dessus (quantité pas trop importante, par exemple constante de germanium et gradient positif de concentration) le profil de concentration de germanium s’arrête de préférence dans le début de la zone désertée de la région P. Ainsi, selon un aspect, il est proposé un capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection comportant une photodiode pincée. La photodiode comporte au sein d’un substrat semiconducteur, une première région semiconductrice ayant un premier type de conductivité, par exemple le type de conductivité N, située entre une deuxième région semiconductrice ayant un deuxième type de conductivité, par exemple le type de conductivité P, opposé au premier et une troisième région semiconductrice ayant également le deuxième type de conductivité. Cette troisième région est plus épaisse que la deuxième région. Elle moins dopée que la deuxième région. Ainsi cette troisième région peut être dopée P tandis que la deuxième région peut être dopée P+. Cette troisième région est par ailleurs située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région. Cette troisième région comporte du silicium et du germanium, avantageusement en faible quantité ou pourcentage atomique, par exemple avec un pourcentage atomique compris entre 3 et 6, et présentant de préférence au moins un premier gradient de concentration. Le premier gradient de concentration est avantageusement un gradient positif, le pourcentage atomique du germanium croissant en direction de la première région. La présence de germanium permet d’améliorer le coefficient d’absorption du matériau semiconducteur. Par ailleurs la présence d’un gradient de concentration, avantageusement positif, permet de diminuer l’espace entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau semiconducteur et conduit à une inclinaison de la bande de conduction vers la surface de la photodiode, ce qui va conduire à l’obtention d’un champ électrique qui va accélérer le mouvement des porteurs minoritaires de la troisième région vers la première région. La durée de collecte des porteurs minoritaires est par conséquent réduite. Le pourcentage atomique du germanium croît de préférence de 0 à 6. Limiter le pourcentage atomique de germanium à 6 permet en outre de limiter le risque d’apparition de dislocations et d’une façon générale permet au module de détection de rester compatible avec les autres étapes de fabrication du capteur optique et des autres composants du circuit intégré incorporant le capteur optique. Par ailleurs cette croissance peut s’effectuer de toute manière possible, par exemple linéairement ou par palier (s). La troisième région comporte généralement une zone désertée (« depleted » en langue anglaise) et une zone non désertée dite neutre, la zone désertée étant au contact de la première région et située au-dessus de la zone non désertée, et le premier gradient de concentration est de préférence situé dans la zone non désertée. En outre il est également préférable que le germanium présente un deuxième gradient négatif de concentration dans la zone désertée. Ce gradient négatif de concentration de germanium crée en effet par ailleurs un champ électrique contraire à celui résultant de l’inclinaison de la bande de conduction. En plaçant le gradient négatif de germanium dans la zone désertée, celui-ci devient négligeable par rapport au champ électrique créé par la diode elle-même. Par exemple le pourcentage atomique de germanium peut décroître de 6 à 0 dans la zone désertée. La décroissance du pourcentage atomique de germanium selon le deuxième gradient peut être progressive ou bien abrupte (deuxième gradient « infini ») quoiqu’adoucie en pratique par les phénomènes d’inter-diffusion des atomes de germanium et de silicium. Selon un autre aspect, il est proposé un capteur optique intégré, comprenant au moins une photodiode pincée comportant au sein d’un substrat semiconducteur, une première région semiconductrice ayant un premier type de conductivité située entre une deuxième région semiconductrice ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier et une troisième région semiconductrice ayant le deuxième type de conductivité, plus épaisse, moins dopée et située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région, et comportant du silicium et du germanium ayant un pourcentage atomique inférieur ou égal à 6, par exemple compris entre 3 et 6. En effet comme indiqué ci-avant, indépendamment de la présence d’un gradient de concentration de germanium, la présence de germanium en faible quantité permet d’améliorer le coefficient d’absorption tout en minimisant le risque d’apparition de dislocations et d’une façon générale permet au module de détection de rester compatible avec les autres étapes de fabrication du capteur optique et des autres composants du circuit intégré incorporant le capteur optique. Selon un mode de réalisation, la zone non désertée comporte du germanium ayant un pourcentage atomique constant. Ce pourcentage atomique constant de germanium est par exemple compris entre 4 et 5. La troisième région peut contenir contient un alliage de silicium germanium, obtenu par exemple dans le cas d’un gradient par une rampe sur les concentrations de dopants (germane) dans un réacteur d’épitaxie, ou bien une alternance de couches de silicium et de couches de silicium-germanium. Comme indiqué ci-avant, le premier type de conductivité peut être le type N et le deuxième type de conductivité peut être le type P, mais l’inverse est possible aussi. Selon un mode de réalisation, le substrat peut être un substrat du type silicium sur isolant, comportant une couche isolante enterrée, connue par l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon BOX (« Burried Oxyde »), surmontée par un film semiconducteur, ce film semiconducteur contenant ladite photodiode pincée. Le capteur peut comporter plusieurs modules de détection arrangés en lignes ou en matrice par exemple. Selon un autre aspect, il est proposé un système d’imagerie, par exemple une caméra, comportant au moins un capteur tel que défini ci-avant. Selon un autre aspect, il est proposé un appareil électronique, par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire, comportant au moins un système d’imagerie tel que défini ci-avant. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’une photodiode pincée intégrée, par exemple dans le cadre d’une fabrication d’un capteur optique intégré incorporant de telles photodiodes, comprenant une réalisation au sein d’un substrat semiconducteur, de première, deuxième et troisième régions semiconductrices, la première région semiconductrice ayant un premier type de conductivité, par exemple le type de conductivité N, et étant située entre la deuxième région semiconductrice ayant un deuxième type de conductivité, par exemple le type de conductivité P, opposé au premier et la troisième région semiconductrice ayant également le deuxième type de conductivité, plus épaisse et moins dopée que la deuxième région et située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région. Selon une variante de cet aspect, la réalisation de la troisième région comprend une formation d’un matériau comportant du silicium et du germanium, avantageusement en faible quantité ou pourcentage atomique, par exemple avec un pourcentage atomique compris entre 3 et 6, et présentant de préférence au moins un premier gradient de concentration. Selon une autre variante de cet aspect, la réalisation de la troisième région comprend une formation d’un matériau comportant du silicium et du germanium ayant un pourcentage atomique inférieur ou égal à 6, par exemple compris entre 3 et 6. Quelle que soit la variante, la formation dudit matériau peut comprendre une épitaxie de silicium-germanium ou bien des épitaxies successives de silicium et de silicium-germanium. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en œuvre, et des dessins annexés sur lesquels : , , , , et illustrent schématiquement des modes de réalisation de l’invention. Sur la partie droite de la , la référence MD désigne globalement un module de détection comportant une photodiode pincée PPD située au sein d’un substrat semiconducteur qui est ici un substrat de type silicium sur isolant (SOI : « Silicon On Insulator »). Le module MD est intégré au sein d’un circuit intégré IC. Le substrat de type SOI comporte un film semiconducteur 1 situé au-dessus d’une couche isolante enterrée BX, elle-même située au-dessus d’un substrat porteur 3. L’épaisseur Ep du film semiconducteur 1 peut être compris entre 3 et 6 micromètres environ et est dans cet exemple de l’ordre de 6 micromètres. La photodiode PPD est une photodiode enterrée formée par une double jonction, ici une double jonction P+NP. Elle est ici électriquement isolée du reste du film semiconducteur 1 par des tranchées d’isolation profondes 4. Plus précisément la photodiode PPD comporte au sein du film semiconducteur 1, une première région semiconductrice RG1 ayant le type de conductivité N située entre une deuxième région semiconductrice RG2, ou implant de pincement, ayant le type de conductivité P et une troisième région semiconductrice RG3 ayant le type de conductivité P. La première région RG1 peut avantageusement être formée dans le centre du module et ne pas s’étendre jusqu’aux tranchées d’isolation profondes 4. La deuxième région RG2 a une épaisseur e2 de l’ordre de 0,07 micromètres. Elle est dopée P+ avec une concentration de dopants de l’ordre de 10 20 atomes/cm 3 . Cet implant de pincement permet de réduire fortement le courant d’obscurité du module de détection MD. La première région RG1 a une épaisseur e1 de l’ordre de 0,3 micromètre. Elle est dopée N avec une concentration de dopants de l’ordre de 210 17 atomes/cm 3 . La troisième région RG3 a une épaisseur e3 de l’ordre de 6 micromètres. Elle est moins dopée et située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région RG2. Elle est dopée P avec une concentration de dopants comprise dans la gamme 10 14 -10 15 atomes/cm 3 . Cette troisième région RG3 peut être très faiblement dopée sur plus de 90% de son épaisseur mais peut comporter une couche P plus fortement dopée (10 17 -10 18 atomes/cm 3 ) de type P à sa base c’est-à-dire ici sur la couche isolante enterrée BX. La troisième région RG3 comporte une zone désertée (« depleted ») Z30 au contact de la première région RG1, et une zone non désertée Z31 sous la zone désertée Z30. La zone désertée Z30 a une épaisseur e30 de l’ordre de 2-3 micromètres dont le dopage correspond à la superposition du dopage P de la zone non désertée Z31 (dans la gamme 10 14 -10 15 atomes/cm 3 ) avec la « queue » du dopage N de la deuxième région RG2. La zone non désertée Z31 a une épaisseur e31 de l’ordre de 3 à 4 micromètres et comme indiqué ci-avant une concentration de dopants de l’ordre de 10 14 -10 15 atomes/cm 3 . Le module MD comporte par ailleurs au-dessus de la face supérieur FS du film semiconducteur 1, une partie 2 incluant le circuit de traitement (de structure classique et connue en soi) de la photodiode permettant notamment la collecte des porteurs minoritaires accumulés dans la première région N, ainsi que la région d’interconnexion connue par l’homme du métier sous l’acronyme anglosaxon BEOL (« Back End Of Lines »). Comme illustré sur la partie gauche de la , la troisième région RG3 comporte du silicium et du germanium pouvant présenter différents profils de concentrations. Ainsi selon un premier mode de réalisation, la concentration de germanium peut présenter le profil PRF correspondant à une concentration constante de germanium, préférentiellement dans la zone non désertée Z31. A titre d’exemple le pourcentage atomique de germanium est de l’ordre de 4 à 5 sur toute l’épaisseur de la zone non désertée Z31, puis décroît de façon abrupte à 0. Cette présence de germanium en faible quantité, typiquement avec un pourcentage atomique de germanium inférieur à 6 dans la troisième région RG3, permet notamment d’améliorer le coefficient d’absorption tout en minimisant le risque d’apparition de dislocations. Cela étant, la troisième région RG3 peut comporter du silicium et du germanium présentant avantageusement un premier gradient de concentration GR1 (ou GR10) et un deuxième gradient de concentration GR2 (ouGR20). Les gradients GR1, GR2, GR10 et GR20 sont des exemples possibles mais non limitatifs. Le premier gradient de concentration GR1 ou GR10 est un gradient positif, le pourcentage atomique du germanium croissant en direction de la première région RG1. Pour ce qui est du gradient GR1, le pourcentage atomique du germanium croît de 0 à 6 depuis le bas de la zone non désertée Z31 jusqu’à la limite avec la zone désertée Z30. Pour ce qui est du gradient GR10, le pourcentage atomique du germanium croît par exemple de 3 à 6 depuis le bas de la zone non désertée Z31 jusqu’à la limite avec la zone désertée Z30. Le deuxième gradient de concentration de germanium GR2 ou GR20 est un gradient négatif situé dans la zone désertée Z30. Plus précisément le pourcentage atomique de germanium décroît de 6 à 0 dans la zone désertée Z30. En variante ce deuxième gradient pourrait être « infini » ce qui correspond à une transition abrupte, ici de 6 vers 0. Cela étant en pratique cette transition abrupte est adoucie par les phénomènes d’inter-diffusion des atomes de germanium et de silicium. La présence du gradient de concentration GR1 ou GR10 permet de diminuer l’espace entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau semiconducteur et conduit à une inclinaison de la bande de conduction vers la surface de la photodiode, ce qui va conduire à l’obtention d’un champ électrique qui va accélérer le mouvement des porteurs minoritaires de la troisième région vers la première région et diminuer par conséquent la durée de collecte des porteurs minoritaires. Cependant le deuxième gradient de concentration de germanium crée un champ électrique contraire à celui du premier gradient. En plaçant ce deuxième gradient négatif de germanium GR2 ou GR20 dans la zone désertée Z30, celui-ci devient négligeable par rapport au champ électrique créé par la diode elle-même. Par conséquent la durée de collecte des porteurs minoritaires n’en sera pas négativement affectée. Par ailleurs là encore la présence de germanium en faible quantité, par exemple avec un pourcentage atomique moyen compris entre 3 et 6, permet d’améliorer le coefficient d’absorption tout en minimisant le risque d’apparition de dislocations. Le mode de réalisation de la prévoyant la présence de gradients de concentrations de germanium, permet donc d’obtenir un module de détection rapide avec un coefficient d’absorption amélioré et un risque réduit de dislocations. Alors que dans le mode de réalisation de la , la troisième région RG3 est formée d’un alliage homogène de silicium-germanium, elle peut être formée, comme illustré sur la , d’une alternance de couches de silicium 11 et de couches de silicium-germanium 10. Le pourcentage en volume du germanium pour chacune de ces couches 11 est choisi de sorte que le pourcentage atomique final de germanium dans la région RG3, suive les gradients envisagés. Un mode de mise en œuvre d’un procédé de fabrication du module MD de la va maintenant être décrit. Dans le cas d’un substrat de type SOI, on procède au-dessus de la couche enterrée BX (et le cas échéant de la fine couche de silicium plus fortement dopée formant la base de la troisième région RG3), à une épitaxie de façon à former la troisième région RG3 formée de silicium et de germanium. Une épitaxie de silicium-germanium est une étape bien connue de l’homme du métier. A titre d’exemple, l’épitaxie SiGe peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (acronyme anglais CVD) en utilisant une chimie dichlorosilane + germane + hydrogène à 900-950°C et à pression réduite (10-60 Torr). De faibles pressions partielles de diborane (B 2 H 6 ) peuvent aussi être ajoutées pour obtenir le dopage P. De façon à obtenir les gradients de concentrations souhaités pour le germanium, on peut régler dans le réacteur d’épitaxie les quantités de germane de façon à ce qu’elles suivent des rampes. On poursuit ensuite l’épitaxie SiGe par une autre épitaxie, cette fois-ci uniquement de silicium, classique et connue en soi, de façon à former après implantation ionique localisée de dopants de type N la première région RG1, puis après implantation localisée de dopants de type P, la deuxième région RG2 dopée P+. A titre d’exemple, les conditions de cette autre épitaxie sont sensiblement les mêmes que celles utilisées pour l’épitaxie SiGe, éventuellement avec une température augmentée de 50 à 100°C. Il convient de noter que ces 2 épitaxies souvent réalisées à la même étape peuvent être réalisées dans la même opération d’épitaxie, et donc dans le même réacteur d’épitaxie et avec la même recette, et donc souvent sans refroidissement de la plaque entre les 2 types de dépôts. En ce qui concerne la réalisation de la troisième région illustrée sur la , on procède cette fois-ci à des épitaxies successives de silicium et de silicium-germanium, de façon à obtenir l’empilement des couches 11 et 10. Le pourcentage en volume du germanium pour chacune de ces épitaxies est choisi de sorte que le pourcentage final moyen de germanium en volume soit compris entre 3 et 6 et suive le cas échéant les gradients de concentration envisagés. Puis quelle que soit la variante utilisée, on poursuit la réalisation par la formation des tranchées profondes et de tranchées peu profondes ainsi que la formation classique des autres composants du module de détection. Il serait également possible, au lieu d’effectuer ces épitaxies pleine plaque, de réaliser une première épitaxie de silicium pleine plaque pour former le film de silicium 1, puis de graver le film semiconducteur localement dans la zone de réalisation du module de détection (correspondant au pixel), et de procéder ensuite aux épitaxies SiGe, Si et aux implantations mentionnées ci-avant, puis aux réalisations des tranchées d’isolation et des divers composants électroniques du module MD. Par ailleurs tout ce qui vient d’être décrit pour un substrat de type SOI, s’applique pour un substrat massif. Comme illustré sur la , le capteur optique intégré SNS peut comporter plusieurs modules de détection MD1-MDn arrangés par exemple en lignes ou en matrice. Comme illustré sur la , le capteur SNS peut être incorporé au sein d’un système d’imagerie CM, par exemple une caméra qui elle-même peut être incorporée au sein d’un appareil électronique APP ( ) par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire. Capteur optique intégré, comprenant au moins un module de détection (MD) comportant une photodiode pincée (PPD) comportant au sein d’un substrat semiconducteur, une première région semiconductrice (RG1) ayant un premier type de conductivité située entre une deuxième région semiconductrice (RG2) ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier et une troisième région semiconductrice (RG3) ayant le deuxième type de conductivité, plus épaisse, moins dopée et située plus en profondeur dans le substrat que la deuxième région (RG2), et comportant du silicium et du germanium présentant au moins un premier gradient de concentration (GR1 ; GR10). Capteur selon la revendication 1, dans lequel le premier gradient de concentration (GR1 ; GR10) est un gradient positif, le pourcentage atomique du germanium croissant en direction de la première région (RG1). Capteur selon la revendication 2, dans lequel le pourcentage atomique du germanium croît de 0 à 6. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la troisième région (RG3) comporte une zone désertée (Z30) et une zone non désertée (Z31), la zone désertée étant au contact de la première région (RG1) et située au-dessus de la zone non désertée, et le premier gradient de concentration est situé dans la zone non désertée (Z31). Capteur selon la revendication 4, dans lequel le germanium présente un deuxième gradient négatif de concentration (RG2 ; RG20) dans la zone désertée (Z30). Capteur selon les revendications 3 et 5, dans lequel le pourcentage atomique de germanium décroît de 6 à 0 dans la zone désertée (Z30). Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la troisième région (RG3) contient un alliage de silicium germanium. Capteur selon la revendication 7, dans lequel la troisième région (RG3) contient une alternance de couches de silicium (11) et de couches de silicium-germanium (10). Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. Capteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le substrat est un substrat du type silicium sur isolant, comportant une couche isolante enterrée (BX) surmontée par un film semiconducteur (1), ce film semiconducteur contenant ladite photodiode pincée (PPD). Capteur selon l’une des revendications précédentes, comportant plusieurs modules de détection (MDi). Système d’imagerie, comportant au moins un capteur (SNS) selon l’une des revendications 1 à 11. Appareil électronique, par exemple du type tablette ou téléphone mobile cellulaire, comportant au moins un système d’imagerie (CM) selon la revendication 12.