FR2976119A1 - Procede de fabrication d'un dispositif d'imagerie a illumination face arriere, et dispositif correspondant - Google Patents
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Abstract
Dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière, et procédé de fabrication correspondant, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement diélectrique (ISO) comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium (OXS), une couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI) et une couche inférieure de dioxyde de silicium (OXI), et une couche de silicium (SIS) au dessus de l'empilement diélectrique et ayant une face avant (F1), ledit dispositif comprenant au moins une tranchée d'isolation (TIS) s'étendant depuis la face avant (F1) jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI).
Description
B11-1614FR 1 Procédé de fabrication d'un dispositif d'imagerie à illumination face arrière, et dispositif correspondant
L'invention concerne les dispositifs intégrés d'imagerie à illumination face arrière. Les dispositifs intégrés d'imagerie à illumination face arrière comprennent généralement des cellules de photo détection, ou photosites, disposées sur la face avant des substrats dans lesquels elles sont fabriquées, et des filtres optiques, par exemple des filtres colorés, sur la face arrière des substrats. Ainsi, la lumière atteint directement les cellules de photo détection après avoir traversé les filtres colorés, contrairement aux dispositifs intégrés à illumination face avant dans lesquels la lumière traverse les couches d'interconnexion des circuits intégrés (« BEOL : Back End Of Line » en langue anglaise) avant d'atteindre les cellules de photo détection. Ces dispositifs sont généralement réalisés au sein de plaques de silicium sur isolant (« Silicon On insulator : SOI » en langue anglaise). Les cellules de photo détection sont alors situées au sein d'une couche de silicium disposée au dessus d'une couche de dioxyde de silicium (SiO2) formant un oxyde enterré, plus connu sous l'acronyme anglo-saxon de « BOX : Buried Oxide ». Des filtres colorés sont disposés au voisinage de la couche de dioxyde de silicium, la plaque de silicium sur isolant ayant été amincie de manière à retirer le silicium situé sous l'oxyde enterré. Une couche de nitrure de silicium (Si3N4) peut être déposée sur l'oxyde enterré postérieurement à l'amincissement de la plaque de silicium sur isolant et préalablement à la formation des filtres colorés. Cette couche de nitrure de silicium permet de former, avec la couche de dioxyde de silicium de l'oxyde enterré, une couche antireflet permettant de maximiser l'absorption de la lumière pour les zones photosensibles des cellules de photo détection. Cela étant, la couche antireflet formée par l'oxyde enterré et la couche de nitrure de silicium n'est pas assez efficace pour les applications d'imagerie à illumination face arrière. En effet, l'épaisseur des oxydes enterrés, par exemple de l'ordre de 150 nanomètres, ne permet pas d'obtenir des couches antireflet suffisamment efficaces.
Par ailleurs, afin d'isoler les cellules de photo détection les unes par rapport aux autres, des tranchées d'isolation profondes sont réalisées. Ces tranchées d'isolation profondes comprennent un matériau diélectrique et s'étendent depuis la face avant du substrat dans lequel les composants sont réalisés jusque dans la couche d'oxyde enterré. Ces tranchées permettent également de former des guides d'ondes optiques aptes à guider la lumière depuis la face arrière jusqu'aux zones photosensibles des dispositifs d'imagerie, en limitant le phénomène bien connu de l'homme du métier sous le vocable anglo-saxon de « crosstalk ».
Lors de la fabrication de ces tranchées d'isolation, une étape de gravure est mise en oeuvre depuis la face avant. Cette gravure s'arrête dans la couche de dioxyde de silicium enterrée. En effet, lors de cette étape de gravure, formant une pluralité de cavités, toutes les cavités n'ont pas la même profondeur et une couche épaisse de dioxyde de silicium peut compenser cette non-uniformité de gravure. Cela étant, l'utilisation d'une couche épaisse de dioxyde de silicium, par exemple de l'ordre de 150 nanomètres, ne permet pas comme indiqué ci-avant d'obtenir une couche antireflet efficace. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé d'améliorer l'efficacité de la couche antireflet, tout en permettant l'intégration de tranchées d'isolation profondes. Selon un aspect, il est proposé un procédé de fabrication d'un dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière, comprenant : - une formation d'au moins une cavité dans un substrat comportant un empilement diélectrique comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium (SiO2), une couche intermédiaire de nitrure de silicium (Si3N4), et une couche inférieure de dioxyde de silicium (SiO2), et une couche de silicium au dessus de l'empilement diélectrique et ayant une face avant, ladite cavité s'étendant depuis ladite face avant jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium, - un remplissage de ladite au moins une cavité par un matériau diélectrique de manière à former une tranchée d'isolation.
En utilisant un substrat comportant préalablement à la formation de la tranchée d'isolation un empilement diélectrique comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium (SiO2), une couche intermédiaire de nitrure de silicium (Si3N4), et une couche inférieure de dioxyde de silicium (SiO2), on peut utiliser une couche supérieure de dioxyde de silicium ayant une faible épaisseur, par exemple de 5 à 7 nanomètres, pour obtenir une bonne couche antireflet avec la couche intermédiaire de nitrure de silicium, tout en arrêtant la gravure au sein d'une couche épaisse de nitrure de silicium, par exemple de 50 à 70 nanomètres. On obtient ainsi une couche antireflet efficace et des tranchées d'isolations débouchant dans l'empilement diélectrique. La couche inférieure de dioxyde de silicium permet notamment d'obtenir une bonne interface avec une couche de silicium sous-jacente, par exemple le reste du substrat en silicium d'une plaque SOI comportant un empilement diélectrique. L'empilement diélectrique formé par les trois couches est bien connu en soi de l'homme du métier sous l'acronyme anglaise « ONO : Oxide Nitride Oxide », et peut être incorporé au sein d'une plaque dans laquelle on formera les tranchées d'isolation.
Le procédé peut également comprendre de façon classique une formation de zones photosensibles du dispositif d'imagerie et une formation de composants dans la couche de silicium, au voisinage de la face avant. Bien entendu, la lumière traversera d'abord l'empilement diélectrique avant d'atteindre ces zones photosensibles.
L'empilement diélectrique est donc situé sensiblement au voisinage de la face arrière du dispositif d'imagerie. Avantageusement, on remplit ladite au moins une cavité avec du dioxyde de silicium. L'utilisation du dioxyde de silicium permet d'obtenir une bonne isolation électrique, et le changement d'indice de réfraction entre le silicium et le dioxyde de silicium permet de former un guide d'ondes optique. Le procédé peut comprendre : - une formation d'une pluralité de cavités dans le substrat s'étendant depuis ladite face avant jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium, - un remplissage desdites cavités par un matériau diélectrique de manière à former une pluralité de tranchées d'isolation, la pluralité de tranchées d'isolation formant une pluralité de zones isolées les unes par rapport aux autres au sein de la couche de silicium. Lors de la formation par gravure de la pluralité de cavités, la couche intermédiaire de nitrure de silicium est suffisamment épaisse (par exemple de l'ordre de 50 à 70 nanomètres) pour compenser une éventuelle non uniformité de gravure.
Le substrat peut comporter une couche inférieure de silicium, l'empilement diélectrique étant disposé entre ladite couche de silicium ayant la face avant et ladite couche inférieure de silicium, et le procédé peut comprendre un retrait de la couche inférieure de silicium, et un assemblage de filtres colorés au voisinage de la couche de dioxyde de silicium inférieure, lesdits filtres formant la face arrière du dispositif d'imagerie. Le retrait peut être mis en oeuvre lors d'une étape d'amincissement, par exemple par polissage mécano-chimique et par gravure chimique. Les tranchées d'isolations s'arrêtant dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium, le retrait n'atteint pas la partie la plus inférieure des tranchées. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière, comprenant un empilement diélectrique comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium, une couche intermédiaire de nitrure de silicium, et une couche inférieure de dioxyde de silicium, et une couche de silicium au dessus de l'empilement diélectrique et ayant une face avant, ledit dispositif comprenant au moins une tranchée d'isolation s'étendant depuis la face avant jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium.
Ainsi, le dispositif ne comporte pas de tranchées d'isolation s'étendant jusqu'à une couche de dioxyde de silicium, mais jusque dans une couche de nitrure de silicium. L'épaisseur de ladite couche supérieure de dioxyde de silicium peut être comprise entre 5 et 7 nanomètres. L'épaisseur de ladite couche intermédiaire de nitrure de silicium peut être comprise entre 50 et 70 nanomètres. Ladite au moins une tranchée d'isolation peut comprendre du dioxyde de silicium.
Le dispositif peut comprendre une pluralité de tranchées d'isolation s'étendant depuis la face avant jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium, la pluralité de tranchées d'isolation formant une pluralité de zones isolées les unes par rapport aux autres au sein de la couche de silicium.
Le dispositif peut comprendre en outre au voisinage de la couche de dioxyde de silicium inférieure des filtres colorés, lesdits filtres formant la face arrière du dispositif d'imagerie. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 5 illustrent schématiquement différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé et un mode de réalisation d'un dispositif intégré d'imagerie par illumination face arrière selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une plaque semi-conductrice SUB. Le plaque semi-conductrice SUB est un substrat SOI comprenant une couche supérieure de silicium SIS, une région isolante enterrée ISO et une couche inférieure de silicium SII.
La couche supérieure de silicium SIS comporte une face avant Fl destinée par exemple à recevoir sur et/ou au voisinage de cette face avant F1 les cellules de photo détection (photodiodes et transistors). La face avant F1 est également la face avant de la plaque SUB. La couche supérieure de silicium SIS peut être obtenue après une étape d'épitaxie sur une couche plus fine de silicium. L'épaisseur finale de la couche supérieure de silicium SIS peut être par exemple de l'ordre de trois micromètres. La couche inférieure de silicium SII est épaisse, par exemple de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres. La région isolante ISO de la plaque SUB comprend un empilement diélectrique comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium OXS (par exemple de l'ordre de 5 à 7 nanomètres), une couche intermédiaire de nitrure de silicium NI (par exemple de l'ordre de 50 à 70 nanomètres et une couche inférieure de dioxyde de silicium OXI (par exemple de l'ordre de 100 nanomètres). L'empilement diélectrique forme ici un empilement « ONO ». Une telle plaque SUB est aisément réalisable par des techniques classiques en microélectronique. Elle peut aussi être obtenue par exemple auprès de la société SOITEC. Sur la figure 2, on a représenté la plaque SUB après une étape de gravure pour former des cavités CV. Les cavités CV s'étendent depuis la face avant F1 de la couche de silicium supérieure SIS jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium NI. Les cavités CV traversent toute l'épaisseur de la couche supérieure de silicium SIS, la couche de dioxyde de silicium supérieure OXS, et débouchent dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium NI. Afin d'obtenir des cavités ayant une faible largeur (de l'ordre de la centaine de nanomètres) et une forte profondeur (de l'ordre de trois micromètres), on pourra utiliser par exemple une gravure par plasma pulsé classique et connue. Ce type de gravure permet notamment d'évacuer les charges qui s'accumulent dans les régions isolantes, par exemple lorsque la région isolante ISO est atteinte. Les gravures par plasma pulsé comprennent un certain nombre d'étapes de gravure, et le nombre d'étapes de gravure détermine la profondeur de la gravure. On peut également arrêter la gravure au moyen d'une détection chimique, détectant par exemple l'attaque de nitrure de silicium (Si3N4).
Les cavités CV peuvent avoir des profondeurs différentes. Sur la figure 2, les cavités CV ont des profondeurs qui différent d'une distance d. La distance d peut être de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Ainsi, la couche supérieure de dioxyde de silicium OXS (d'une épaisseur de l'ordre de 5 à 7 nanomètres) est trop fine pour être la couche dans laquelle débouchent les cavités CV. La couche intermédiaire de nitrure de silicium NI (d'une épaisseur de l'ordre de 50 à 70 nanomètres) est suffisamment épaisse pour que les cavités CV débouchent dans cette couche malgré la non-uniformité de profondeur d. On peut ensuite remplir les cavités CV (figure 3). Les cavités CV sont remplies, par exemple avec du dioxyde de silicium, de manière à former des tranchées d'isolation TIS. On pourra également remplir les cavités CV avec un autre matériau diélectrique ayant un indice de réfraction permettant la formation de guides d'ondes. Les tranchées d'isolation TIS sont remplies au cours d'une étape classique et connue de dépôt chimique en phase vapeur, par exemple sous une pression sous-atmosphérique. Une étape de planarisation par exemple par polissage mécano chimique peut être mise en oeuvre sur la face avant du substrat, de manière à éliminer tout résidu de dioxyde de silicium déposé sur la couche supérieure de silicium SIS. On obtient ainsi une face avant F1 comportant du silicium ou du dioxyde de silicium à l'emplacement des tranchées d'isolation TIS.
Les tranchées d'isolation TIS délimitent des zones ZI isolées électriquement au sein de la couche supérieure de silicium SIS. Par ailleurs, la lumière entrant dans ces zones ZI depuis l'empilement diélectrique ISO est confinée dans ces zones ZI grâce au changement d'indice de réfraction entre le silicium et le dioxyde de silicium présent dans les tranchées. Au sein des zones ZI, on peut former des cellules de photo détection (figure 4) comprenant de manière classique des zones de collection de charges PS, des zones actives de transistors ZA (par exemple des régions de source ou de drain). Les zones isolées ZI sont photosensibles, les photons absorbés au sein de ces zones ZI créent des paires électron/trous, les électrons sont collectés dans la zone de collection de charge PS, et on peut évacuer les trous par un contact formé sur la face avant F1 non représenté ici. On peut former de manière classique un réseau d'interconnexion ITX au dessus de la face avant Fl du substrat SUB. Afin de faciliter l'illumination des zones photosensibles correspondant aux zones isolées ZI depuis la face arrière du dispositif d'imagerie, on peut retirer la couche inférieure de silicium SII (figure 5), de façon à obtenir un substrat comportant la couche de silicium supérieure SIS et l'empilement ISO. La couche inférieure peut être retirée par polissage mécano chimique et par des étapes de gravure chimique sélectives dans lesquelles seul le silicium est gravé. Lors de ces étapes d'amincissement, une plaque formant une poignée rigide PR, par exemple une plaque de silicium ayant une épaisseur de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres, peut être assemblée contre le réseau d'interconnexion ITX. La couche inférieure de dioxyde de silicium OXI est ensuite exposée. On peut recouvrir la couche inférieure de dioxyde de silicium OXI par un ensemble de filtres optiques FOl, FO2, FO3, FO4 et FO5, par exemple des filtres colorés. Les filtres optiques peuvent être disposés de manière classique pour former un motif de Bayer. Sur la figure 5, les filtres FOl peuvent être des filtres ne laissant passer que le rayonnement correspondant à la couleur rouge, et les filtres FO2 peuvent être des filtres ne laissant passer que le rayonnement correspondant à la couleur verte. Ces filtres sont disposés respectivement en regard des zones isolées ZI. Les filtres FOl-FO5 ont une face arrière F2 qui est la face arrière du dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière obtenu. Un rayon lumineux traversant un filtre optique, par exemple un filtre optique FOl est confiné dans la zone isolé ZI, grâce aux tranchées d'isolation TIS, et est absorbé dans la zone photosensible correspondant à la zone isolée ZI afin de collecter des électrons dans la zone de collection de charges PS. Par ailleurs, grâce l'empilement « ONO », formé par la couche supérieure de dioxyde de silicium OXS dont l'épaisseur est faible, la couche intermédiaire de nitrure de silicium NI, et la couche inférieure de dioxyde de silicium OXI, on obtient une couche antireflet efficace. On obtient, après retrait de la poignée PR, un dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière F2, comprenant un empilement diélectrique ISO comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium OXS, une couche intermédiaire de nitrure de silicium NI et une couche inférieure de dioxyde de silicium OXI, et une couche de silicium au dessus de l'empilement diélectrique ayant une face avant F1, et une pluralité de tranchées d'isolation TIS s'étendant depuis la face avant Fl jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium NI, la pluralité de tranchées d'isolation formant une pluralité de zones isolées les unes par rapport aux autres au sein de la couche de silicium SIS. Le dispositif d'imagerie comprend au voisinage de la couche de dioxyde de silicium inférieure des filtres colorés F01-FO5, lesdits filtres formant la face arrière du dispositif d'imagerie, c'est-à-dire la face illuminée lors de l'utilisation du dispositif. Selon un aspect, on obtient une amélioration de l'efficacité de la couche antireflet, au sein d'un dispositif comportant des tranchées d'isolation profondes.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière, caractérisé en ce qu'il comprend : - une formation d'au moins une cavité (CV) dans un substrat (SIS, ISO) comportant un empilement diélectrique (ISO) comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium (OXS), une couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI) et une couche inférieure de dioxyde de silicium (OXI), et une couche de silicium (SIS) au dessus de l'empilement diélectrique et ayant une face avant (F 1), ladite cavité s'étendant depuis ladite face avant (Fl) jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI), - un remplissage de ladite au moins une cavité par un matériau diélectrique de manière à former une tranchée d'isolation (TIS).
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on remplit ladite au moins une cavité (CV) avec du dioxyde de silicium.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant : - une formation d'une pluralité de cavités (CV) dans le substrat (SIS, ISO) s'étendant depuis ladite face (F1) avant jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI), - un remplissage desdites cavités par un matériau diélectrique de manière à former une pluralité de tranchées d'isolation (TIS), la pluralité de tranchées d'isolation formant une pluralité de zones (ZI) isolées les unes par rapport aux autres au sein de la couche de silicium (SIS).
- 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat comporte une couche inférieure de silicium (SII), l'empilement diélectrique (ISO) étant disposé entre ladite couche de silicium (SIS) ayant la face avant et ladite couche inférieure de silicium (SII), ledit procédé comprenant un retrait de la couche inférieure de silicium (SII), et un assemblage de filtres colorés (FOl, F02) au voisinage de la couche de dioxyde de siliciuminférieure, lesdits filtres formant la face arrière (F2) du dispositif d'imagerie.
- 5. Dispositif intégré d'imagerie à illumination face arrière, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement diélectrique (ISO) comportant une couche supérieure de dioxyde de silicium (OXS), une couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI) et une couche inférieure de dioxyde de silicium (OXI), et une couche de silicium (SIS) au dessus de l'empilement diélectrique et ayant une face avant (F1), ledit dispositif comprenant au moins une tranchée d'isolation (TIS) s'étendant depuis la face avant (Fl) jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI).
- 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'épaisseur de ladite couche supérieure de dioxyde de silicium (OXS) est comprise entre 5 et 7 nanomètres.
- 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'épaisseur de ladite couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI) est comprise entre 50 et 70 nanomètres.
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel ladite au moins une tranchée d'isolation (TIS) comprend du dioxyde de silicium.
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, comprenant une pluralité de tranchées d'isolation (TIS) s'étendant depuis la face avant (Fl) jusque dans la couche intermédiaire de nitrure de silicium (NI), la pluralité de tranchées d'isolation (TIS) formant une pluralité de zones (ZI) isolées les unes par rapport aux autres au sein de la couche de silicium (SIS).
- 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre au voisinage de la couche de dioxyde de silicium inférieure (OXI) des filtres colorés (FOI, FO2), lesdits filtres formant la face arrière (F2) du dispositif d'imagerie.
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