Brevet FR3139941A1 — publié le 20240322

Formation de tranchées dans un substrat La présente description concerne un procédé comprenant les étapes suivantes : a) prévoir une structure comportant un substrat (11) semiconducteur, et, du côté d’une première face (11B) du substrat, au moins une première tranchée (15) remplie d’un matériau isolant, s’étendant verticalement dans le substrat ; b) former, par gravure anisotrope depuis une deuxième face (11T) du substrat semiconducteur opposée à la première face (11B), au moins une deuxième tranchée (13) s’étendant verticalement dans le substrat et débouchant sur ladite au moins une première tranchée (15) ; et c) élargir ladite au moins une deuxième tranchée (13) par gravure isotrope. Figure pour l’abrégé : Fig. 2B Formation de tranchées dans un substrat La présente description concerne, de façon générale, le domaine des dispositifs électroniques et, plus précisément, les procédés de formation de tranchées dans un substrat. De nombreux procédés de fabrication de dispositifs électroniques comprennent au moins une étape de formation d’une ou plusieurs tranchées dans un substrat. Dans l’exemple d’un procédé de fabrication d’un capteur d’images comportant une matrice de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur, des tranchées d’isolation remplies d’un matériau diélectrique peuvent être réalisées entre les pixels pour isoler électriquement et/ou optiquement chaque pixel par rapport aux pixels voisins. Il existe un besoin d’améliorer les procédés actuels de formation de tranchées dans un substrat. Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des procédés connus de formation de tranchées dans un substrat. Pour cela, un mode de réalisation prévoit un procédé comprenant les étapes suivantes : a) prévoir une structure comportant un substrat semiconducteur, et, du côté d’une première face du substrat, au moins une première tranchée remplie d’un matériau isolant, s’étendant verticalement dans le substrat ; b) former, par gravure anisotrope depuis une deuxième face du substrat semiconducteur opposée à la première face, au moins une deuxième tranchée s’étendant verticalement dans le substrat et débouchant sur ladite au moins une première tranchée ; et c) élargir ladite au moins une deuxième tranchée par gravure isotrope. Selon un mode de réalisation, la gravure de l’étape a) est une gravure ionique réactive. Selon un mode de réalisation, la gravure de l’étape b) est une gravure chimique. Selon un mode de réalisation, la gravure de l’étape b) est une gravure en phase gazeuse ou liquide. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l’étape c), une étape d) de remplissage de ladite au moins une deuxième tranchée. Selon un mode de réalisation, à l’étape d), des flancs et un fond de ladite au moins une deuxième tranchée sont revêtus d’au moins une couche de passivation. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une couche de passivation est revêtue d’au moins une couche diélectrique réfléchissante. Selon un mode de réalisation, à l’étape d), ladite au moins une deuxième tranchée est en outre comblée par un ou plusieurs métaux. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une deuxième tranchée est destinée à isoler un pixel d’un capteur d’images par rapport à des pixels voisins. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une deuxième tranchée présente, à l’issue de l’étape b), un rapport de forme de l’ordre de trente. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une deuxième tranchée présente, à l’issue de l’étape c), un rapport de forme de l’ordre de dix. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d’autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la est une vue en coupe, schématique et partielle, représentant un exemple de structure comprenant un substrat dans lequel sont formées des tranchées ; et la , la et la sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes successives d’un procédé de formation de tranchées dans un substrat selon un mode de réalisation. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les applications dans lesquelles peut être prévue une structure comprenant au moins une tranchée formée dans un substrat n’ont pas été détaillées, les modes de réalisation et variantes décrits étant compatibles avec les applications usuelles mettant en œuvre des structures comprenant une ou plusieurs tranchées formées dans un substrat. Sauf précision contraire, lorsque l’on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l’on fait référence à deux éléments reliés (en anglais « coupled ») entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l’intermédiaire d’un ou plusieurs autres éléments. Dans la description qui suit, lorsque l’on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes « avant », « arrière », « haut », « bas », « gauche », « droite », etc., ou relative, tels que les termes « dessus », « dessous », « supérieur », « inférieur », etc., ou à des qualificatifs d’orientation, tels que les termes « horizontal », « vertical », etc., il est fait référence, sauf précision contraire, à l’orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions « environ », « approximativement », « sensiblement », et « de l’ordre de » signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La est une vue en coupe, schématique et partielle, représentant un exemple de structure 10 comprenant un substrat 11 dans lequel sont formées des tranchées 13. Le substrat 11 est par exemple une plaquette ou un morceau de plaquette en un matériau semiconducteur, par exemple le silicium. À titre de variante, le substrat 11 peut comprendre au moins une couche en un matériau semiconducteur formée, par exemple par épitaxie, sur et en contact avec une face supérieure d’un support non représenté en . Le substrat 11 présente par exemple une épaisseur Tsub de l’ordre de 6 µm. Dans l’exemple représenté, les tranchées 13 s’étendent verticalement dans l’épaisseur du substrat 11 depuis une face 11T du substrat 11 (la face supérieure du substrat 11, dans l’orientation de la ). Dans cet exemple, les tranchées 13 s’interrompent dans l’épaisseur du substrat 11 et ne débouchent pas sur une autre face 11B du substrat 11 (la face inférieure du substrat 11, dans l’orientation de la ), opposée à la face 11T. En d’autres termes, chaque tranchée 13 présente une profondeur, correspondant à une dimension de la tranchée mesurée selon une direction orthogonale à la face 11T du substrat 11, strictement inférieure à l’épaisseur Tsub du substrat 11. Les faces 11B et 11T du substrat 11 sont par exemple sensiblement parallèles entre elles. Dans l’exemple représenté, les tranchées 13 présentent des flancs sensiblement orthogonaux à la face 11T du substrat 11. Chaque tranchée 13 présente une largeur W1, correspondant à une dimension de la tranchée mesurée selon une direction latérale parallèle à la face 11T du substrat 11, par exemple égale à environ 200 nm. Dans cet exemple, chaque tranchée 13 présente un rapport de forme (« aspect ratio » - AR, en anglais) de l’ordre de trente. Dans la présente description, l’expression « rapport de forme » désigne un rapport entre la profondeur et la largeur d’une tranchée. De manière générale, chaque tranchée 13 présente un rapport de forme compris par exemple entre dix et quatre-vingts. Dans l’exemple illustré en , les tranchées 13 sont intégralement remplies d’au moins un matériau affleurant la face 11T du substrat 11. En , le remplissage des tranchées 13 n’a pas été détaillé et est symbolisé par des blocs hachurés. Selon un exemple de réalisation, la structure 10 fait partie d’un capteur d’images comprenant une matrice de pixels formés dans et sur le substrat 11, chaque pixel comportant par exemple plus précisément une zone photosensible formée dans le substrat 11 et bordée latéralement par les tranchées 13. À titre d’exemple, les tranchées 13 sont des tranchées d’isolation profondes (« Deep Trench Isolation » - DTI, en anglais) formant, en vue de dessus, un quadrillage délimitant les zones photosensibles des pixels du capteur d’images intégrant la structure 10. Les tranchées 13 permettent par exemple d’isoler électriquement et optiquement chaque pixel par rapport aux pixels voisins. Dans l’exemple représenté, la structure 10 comporte en outre d’autres tranchées 15 s’étendant verticalement dans l’épaisseur du substrat 11 depuis la face 11B du substrat 11. Les tranchées 15 s’interrompent dans l’épaisseur du substrat 11 et ne débouchent pas sur la face 11T du substrat 11. En d’autres termes, chaque tranchée 15 présente une profondeur Dsti, correspondant à une dimension de la tranchée mesurée selon une direction orthogonale à la face 11B du substrat 11, strictement inférieure à l’épaisseur Tsub du substrat 11, par exemple égale à environ 350 nm. Dans l’exemple illustré en , les tranchées 15 présentent une section de forme évasée. En d’autres termes, les tranchées 15 présentent des flancs obliques par rapport à la face 11B du substrat 11. Les tranchées 15 présentent plus précisément une largeur plus importante au voisinage de la face 11B du substrat 11 qu’au voisinage de leur fond, c’est-à-dire au voisinage des tranchées 13. Le fond de chaque tranchée 15 présente par exemple une largeur Wsti égale à environ 500 nm. Dans l’exemple représenté, les tranchées 15 sont intégralement remplies d’un matériau électriquement isolant, par exemple le dioxyde de silicium, affleurant la face 11B du substrat 11. À titre d’exemple, les tranchées 15 sont des tranchées d’isolation peu profondes (« Shallow Trench Isolation » - STI, en anglais). Dans l’exemple illustré, chaque tranchée 13 est située à l’aplomb de l’une des tranchées 15 et le fond de chaque tranchée 13 débouche sur le fond de la tranchée 15 sous-jacente. Le ou les matériaux de remplissage de chaque tranchée 13 sont situés sur et en contact avec le ou les matériaux de remplissage de la tranchée 15 sous-jacente. Dans l’exemple de réalisation où la structure 10 fait partie d’un capteur d’images comprenant une matrice de pixels formés dans et sur le substrat 11, les tranchées 15 font par exemple partie d’un circuit de lecture, non détaillé en , des pixels du capteur. À titre d’exemple, le circuit de lecture comprend des transistors de lecture et une structure d’interconnexion formés dans et sur le substrat 11, du côté de la face 11B du substrat 11. Dans cet exemple, le capteur d’images intégrant la structure 10 est dit à éclairement par la face arrière (« backside illumination » - BSI, en anglais), c’est-à-dire que les pixels du capteur sont illuminés depuis la face 11T du substrat 11 opposée à la face 11B du côté de laquelle sont formées la structure d’interconnexion et les tranchées 15. Selon un exemple de réalisation, les tranchées 13 sont formées par photolithographie puis gravure depuis la face 11T du substrat 11 après des étapes de formation et de remplissage des tranchées 15 dans le substrat 11 depuis la face 11B. Dans cet exemple, le matériau de remplissage des tranchées 15 fait office de couche d’arrêt de gravure lors de la formation des tranchées 13. En pratique, les tranchées 13 peuvent pénétrer légèrement dans l’épaisseur du matériau de remplissage des tranchées 15, par exemple sur une épaisseur comprise entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. Dans l’exemple illustré en les tranchées 13 sont alignées par rapport aux tranchées 15. Toutefois des défauts d’alignement pouvant aller jusqu’à environ 150 nm peuvent provoquer un décalage des tranchées 13 par rapport aux tranchées 15. En outre, la vitesse de gravure des tranchées 13 peut ne pas être uniforme le long d’une même tranchée. Par ailleurs, la vitesse de gravure des tranchées 13 peut dépendre de la densité des tranchées (nombre de tranchées par unité de surface) et peut en outre varier selon l’emplacement des tranchées par rapport au substrat 11, la vitesse de gravure pouvant par exemple être plus importante à proximité du ou des bords du substrat 11 qu’en son centre, ou inversement. La vitesse de gravure des tranchées 13 peut par ailleurs être plus importante aux intersections des tranchées 13. Certaines parties du fond d’une ou plusieurs des tranchées 13 peuvent ainsi atteindre plus rapidement le matériau de remplissage des tranchées 15 que d’autres parties du fond de cette ou de ces tranchées lors de la gravure. Il est par exemple souhaitable de former des tranchées 13 présentant une largeur W1 la plus faible possible afin d’optimiser l’espace disponible pour les photodiodes et les transistors des pixels du capteur d’images. La largeur W1 dépend de l’épaisseur Tsub du substrat 11 et est fonction de performances d’un réacteur de gravure mettant en œuvre le procédé de gravure des tranchées 13. Afin d’éviter tout risque d’endommagement d’éléments situés du côté de la face 11B du substrat 11, par exemple le circuit de lecture, lors de l’étape de gravure des tranchées 13, la largeur Wsti est adaptée pour compenser un possible désalignement, par exemple de l’ordre de 150 nm, entre les tranchées 13 et 15. Cela permet de garantir que le fond de chaque tranchée 13 ne débouche que sur l’une des tranchées 15 et d’éviter que les tranchées 13 ne débouchent, même partiellement, sur la face 11B du substrat 11. Pour une largeur W1 égale à environ 200 nm, la largeur Wsti sera par exemple choisie égale à environ 500 nm (W1 + 2 x 150 nm). Un inconvénient de la structure 10 tient au fait que les tranchées 13 présentent un rapport de forme élevé. Cela induit des problèmes de remplissage des tranchées 13. Plus précisément, le nombre et l’épaisseur des couches utilisées pour remplir les tranchées 13, ainsi que les techniques de dépôt mises en œuvre, sont limités en raison de la faible largeur W1 des tranchées 13. Pour pallier ce problème, une solution pourrait consister à diminuer le rapport de forme des tranchées 13. Cela nécessiterait toutefois d’augmenter la largeur W1 des tranchées 13, ce qui n’est pas souhaitable car il en résulterait des contraintes indésirables en matière de dimensionnement des pixels du capteur, par exemple du fait d’une nécessité d’augmenter la largeur Wsti des tranchées 15, pour éviter que les tranchées 13 ne débouchent, même partiellement, sur la face 11B du substrat 11, ce qui aurait pour conséquence de diminuer l’espace disponible pour les photodiodes et les transistors des pixels. À titre d’exemple, un élargissement des tranchées 15 impacterait négativement les performances des pixels en induisant une réduction de la taille des transistors de lecture du côté de la face 11B du substrat (augmentation du bruit) ou une réduction de la taille de la diode photosensible du pixel et donc de la charge à saturation du pixel (réduction du signal) ou nécessiterait, à résolution et performance équivalentes, une augmentation de la taille des pixels induisant un surcoût pour l’utilisateur. La , la et la sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes successives d’un procédé de formation de tranchées dans un substrat selon un mode de réalisation. La illustre plus précisément une structure 20 analogue à la structure 10 précédemment décrite en relation avec la . La structure 20 de la diffère de la structure 10 de la en ce que, dans la structure 20 de la , les tranchées 13 ne sont pas remplies. Selon un mode de réalisation, la structure 20 de la est obtenue à l’issue des étapes successives suivantes : a) prévoir une structure comportant le substrat semiconducteur 11, et, du côté de la face 11B du substrat, les tranchées 15 remplies d’un matériau isolant et s’étendant verticalement dans le substrat 11 ; et b) former, par gravure anisotrope depuis la face 11T du substrat 11, les tranchées 13 s ’ étendant verticalement dans le substrat 11 et débouchant sur les tranchées 15. Dans la présente description, l’expression « gravure anisotrope » désigne une technique de gravure présentant une vitesse de gravure beaucoup plus importante, par exemple mille fois plus importante, dans certaines directions de l’espace que dans d’autres. Plus précisément, dans l’exemple représenté, la vitesse de gravure est plus importante dans une direction perpendiculaire à la face 11T du substrat 11 que dans des directions parallèles à la face 11T du substrat 11. À titre d’exemple, la vitesse de gravure dans des directions parallèles à la face 11T du substrat 11 est très inférieure, par exemple mille fois inférieure, à celle dans des directions orthogonales à la face 11T, voire sensiblement nulle. Les flancs des tranchées 13 sont donc, lors de l’étape de gravure anisotrope, gravés à une vitesse inférieure à la vitesse de gravure du fond des tranchées 13. Dans l’exemple illustré en , la structure 20 comprend deux tranchées 13 débouchant chacune sur une tranchée 15 sous-jacente. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, la personne du métier étant capable de prévoir un nombre quelconque de tranchées 13 débouchant chacune sur une tranchée 15 sous-jacente. À titre d’exemple, les tranchées 13 sont formées par photolithographie puis gravure ionique réactive (« Reactive-Ion Etching » - RIE, en anglais), par exemple plus précisément par gravure ionique réactive profonde (« Deep Reactive-Ion Etching » - DRIE, en anglais). La illustre une structure 30 obtenue après mise en œuvre d’une étape de gravure isotrope visant à élargir les tranchées 13 de la structure 20 de la . Dans la présente description, l’expression « gravure isotrope » désigne une technique de gravure présentant une vitesse de gravure sensiblement identique quelle que soit la direction de l’espace considérée. Plus précisément, dans l’exemple représenté, la vitesse de gravure le long de la direction perpendiculaire à la face 11T du substrat 11 est sensiblement égale à la vitesse de gravure le long des directions parallèles à la face 11T du substrat 11. Les flancs et le fond des tranchées 13 sont donc, lors de l’étape de gravure isotrope, gravés sensiblement à la même vitesse. À titre d’exemple, la gravure isotrope est une gravure chimique, par exemple plus précisément une gravure en phase gazeuse comprenant des radicaux fluor. La gravure isotrope mise en œuvre est sélective par rapport au dioxyde de silicium ou par rapport à tout autre matériau de remplissage des tranchées 15. À titre de variante, la gravure chimique peut être une gravure en phase liquide. Dans l’exemple illustré en , les tranchées 13 présentent, après gravure isotrope, une largeur W2 strictement supérieure à la largeur W1 obtenue après l’étape de gravure anisotrope précédemment décrite en relation avec la . À titre d’exemple, la largeur W2 est égale à environ 600 nm. Dans un exemple où l’épaisseur Tsub du substrat 11 est égale à environ 6 µm, le rapport de forme des tranchées 13 est, après gravure isotrope, de l’ordre de dix. De manière plus générale, le rapport de forme des tranchées 13 est, après gravure isotrope, compris par exemple entre cinq et soixante. La illustre plus précisément une structure 40 obtenue après mise en œuvre d’une ou plusieurs étapes de remplissage des tranchées 13 de la structure 30 de la . En , le remplissage des tranchées 13 n’a pas été détaillé et est symbolisé par des blocs hachurés. À titre d’exemple, les flancs et le fond de chaque tranchée 13 peuvent être revêtus d’une couche de passivation, par exemple une couche en un matériau diélectrique, par exemple un matériau diélectrique chargé présentant des charges fixes, destinée à empêcher que des charges photogénérées dans les zones photosensibles des pixels ne soient piégées à l’interface entre les tranchées 13 et le substrat 11, ce qui conduirait à une perte de signal. La couche de passivation est par ailleurs destinée à éviter la formation spontanée de paires électron-trou à l’interface entre les tranchées 13 et le substrat 11, ces paires étant susceptibles de produire un courant d’obscurité perturbant le signal de mesure. La couche de passivation permet par exemple en outre d’isoler électriquement chaque pixel par rapport aux pixels voisins, afin d’éviter que des charges photogénérées dans une zone photosensible d’un pixel ne puissent transiter jusqu’à une zone photosensible d’un pixel adjacent. À titre d’exemple, la couche de passivation est en un matériau présentant une constante diélectrique supérieure à celle du dioxyde de silicium, par exemple un oxyde d’hafnium dopé à l’aluminium (Al:HfO 2 ). La couche de passivation des tranchées 13 peut en outre être revêtue d’une couche ou d’un empilement de couches diélectriques destiné à réfléchir, en direction des zones photosensibles des pixels, la lumière incidente éclairant le capteur depuis la face 11T du substrat 11. Cela permet par exemple d’isoler optiquement chaque pixel par rapport aux pixels voisins et d’obtenir un rendement de photoconversion accru. À titre d’exemple, dans le cas d’un empilement, les couches situées au voisinage des flancs des tranchées 13 peuvent présenter un indice de réfraction supérieur à celui des couches situées au voisinage d’une région centrale des tranchées 13. La région centrale de chaque tranchée 13 est par exemple remplie d’air. À titre de variante, la région centrale de chaque tranchée 13 peut être comblée par un ou plusieurs métaux, par exemple choisis parmi le tungstène, l’aluminium et le cuivre, ou alliages métalliques. Un avantage du procédé décrit ci-dessus en relation avec les figures 2A à 2C tient au fait qu’il permet d’obtenir des tranchées 13 plus larges que celles de la structure 10 de la . Cela offre davantage de possibilités en termes de remplissage des tranchées 13 tout en évitant que les tranchées 13 ne débouchent, même partiellement, sur la face 11B du substrat 11. En outre, les tranchées obtenues selon ce procédé permettent avantageusement d’atteindre un rendement quantique supérieur à celui obtenu par les tranchées de la , ainsi qu’une diaphotie (ou crosstalk optique) plus faible. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples particuliers de matériaux et de dimensions mentionnés dans la présente description. Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. Procédé de formation de tranchées (13, 15) dans un substrat (11) semiconducteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) prévoir une structure (20) comportant le substrat (11) semiconducteur, et, du côté d’une première face (11B) du substrat, au moins une première tranchée (15) remplie d’un matériau isolant, s’étendant verticalement dans le substrat ; b) former, par gravure anisotrope depuis une deuxième face (11T) du substrat semiconducteur opposée à la première face (11B), au moins une deuxième tranchée (13) s’étendant verticalement dans le substrat et débouchant sur ladite au moins une première tranchée (15) ; et c) élargir ladite au moins une deuxième tranchée (13) par gravure isotrope. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la gravure de l’étape b) est une gravure ionique réactive. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la gravure de l’étape b) est une gravure chimique. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la gravure de l’étape b) est une gravure en phase gazeuse ou liquide. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre, après l’étape c), une étape d) de remplissage de ladite au moins une deuxième tranchée (13). Procédé selon la revendication 5, dans lequel, à l’étape d), des flancs et un fond de ladite au moins une deuxième tranchée (13) sont revêtus d’au moins une couche de passivation. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite au moins une couche de passivation est revêtue d’au moins une couche diélectrique réfléchissante. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel, à l’étape d), ladite au moins une deuxième tranchée (13) est en outre comblée par un ou plusieurs métaux. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ladite au moins une deuxième tranchée (13) est destinée à isoler un pixel d’un capteur d’images par rapport à des pixels voisins. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ladite au moins une deuxième tranchée (13) présente, à l’issue de l’étape b), un rapport de forme de l’ordre de trente. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ladite au moins une deuxième tranchée (13) présente, à l’issue de l’étape c), un rapport de forme de l’ordre de dix.