FR3159703A1 - Dispositif optoélectronique - Google Patents

Dispositif optoélectronique

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FR3159703A1
FR3159703A1 FR2401885A FR2401885A FR3159703A1 FR 3159703 A1 FR3159703 A1 FR 3159703A1 FR 2401885 A FR2401885 A FR 2401885A FR 2401885 A FR2401885 A FR 2401885A FR 3159703 A1 FR3159703 A1 FR 3159703A1
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FR
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face
semiconductor substrate
substrate
zone
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FR2401885A
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Raul Andres Bianchi
Dominique Golanski
Pierre TOURON
Sara Pellegrini
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STMicroelectronics International NV Switzerland
STMicroelectronics International NV
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STMicroelectronics International NV Switzerland
STMicroelectronics International NV
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Abstract

Dispositif optoélectronique La présente description concerne un dispositif optoélectronique (10) comprenant une pluralité de diodes à avalanche (12) formées dans un substrat (14), chaque diode comprenant dans le substrat : a. une première région (22) dopée d'un premier type de conductivité, affleurant une première face du substrat, et b. une deuxième région (24) dopée d'un deuxième type de conductivité, la deuxième région s'étendant de la première région jusqu'à une deuxième face du substrat, dans lequel la deuxième région comprend : - une première zone affleurant la deuxième face du substrat, - une deuxième zone en contact avec la première région, et dans lequel le dispositif comprend, du côté de la deuxième face du substrat, une électrode commune comprenant un élément métallique en contact avec au moins une partie des flancs des premières zones des diodes, et dans lequel la première zone est plus fortement dopée que la deuxième zone. Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif optoélectronique
La présente description concerne de façon générale les dispositifs optoélectroniques et plus particulièrement les dispositifs optoélectroniques comportant une pluralité de pixels comprenant chacun une diode à avalanche à photon unique, aussi appelée SPAD, de l'anglais "Single Photon Avalanche Diode".
Une photodiode SPAD est essentiellement constituée par une jonction PN polarisée en inverse à une tension supérieure à son seuil d'avalanche. Lorsqu'aucune charge électrique n'est présente dans la zone de déplétion ou zone de charge d'espace de la jonction PN, la photodiode est dans un état pseudo-stable, non conducteur. Lorsqu'une charge électrique photogénérée est injectée dans la zone de déplétion, si la vitesse de déplacement de cette charge dans la zone de déplétion est suffisamment élevée, c'est-à-dire si le champ électrique dans la zone de déplétion est suffisamment intense, la photodiode est susceptible d'entrer en avalanche. Un seul photon est ainsi capable de générer un signal électrique mesurable, et ce avec un temps de réponse très court. Les photodiodes SPAD permettent de détecter des rayonnements de très faible intensité lumineuse et sont notamment utilisées pour la détection de photons uniques et le comptage de photons.
On s'intéresse ici à la réalisation d'un capteur d'images comportant une pluralité de pixels comportant chacun une photodiode SPAD.
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs comportant des SPAD connus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif optoélectronique comprenant une pluralité de diodes à avalanche formées dans un substrat semiconducteur, chaque diode comprenant dans le substrat :
une première région dopée d'un premier type de conductivité, affleurant une première face du substrat semiconducteur, et
une deuxième région dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, la deuxième région s'étendant dans le substrat semiconducteur de la première région jusqu'à une deuxième face du substrat semiconducteur, opposée à la première face du substrat semiconducteur,
dans lequel la deuxième région comprend :
- une première zone affleurant la deuxième face du substrat semiconducteur,
- une deuxième zone en contact avec la première région, et
- une troisième zone s'étendant entre la première et la deuxième zone,
dans lequel le dispositif comprend, du côté de la deuxième face du substrat, une électrode commune comprenant un élément métallique en contact avec au moins une partie des flancs des premières zones des diodes,
et dans lequel la première zone est plus fortement dopée que la deuxième zone de la deuxième région.
Selon un mode de réalisation, l'élément métallique est en aluminium.
Selon un mode de réalisation, l'élément métallique est formé dans le prolongement de tranchées d'isolation séparant les diodes à avalanche les unes des autres.
Selon un mode de réalisation, les tranchées d'isolation comportent un coeur électriquement conducteur entouré d'une gaine électriquement isolante.
Selon un mode de réalisation, les tranchées d'isolation sont toutes prolongées par l'élément métallique.
Selon un mode de réalisation, seulement une partie des tranchées d'isolation est prolongée par l'élément métallique.
Selon un mode de réalisation, l'élément métallique est continu.
Selon un mode de réalisation, l'élément métallique comprend plusieurs parties disjointes.
Selon un mode de réalisation, les différentes parties de l’élément métallique sont connectées électriquement les unes aux autres par des éléments conducteurs.
Selon un mode de réalisation, les éléments conducteurs sont opaques.
Un autre mode de réalisation prévoit un capteur à mesure de temps de vol comprenant le dispositif optoélectronique décrit ci-avant.
Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique comprenant une pluralité de diodes à avalanche formées dans un substrat semiconducteur, chaque diode comprenant dans le substrat :
une première région dopée d'un premier type de conductivité, affleurant une première face du substrat semiconducteur, et
une deuxième région dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, la deuxième région s'étendant dans le substrat semiconducteur de la première région jusqu'à une deuxième face du substrat semiconducteur, opposée à la première face du substrat semiconducteur,
dans lequel la deuxième région comprend :
- une première zone affleurant la deuxième face du substrat semiconducteur,
- une deuxième zone en contact avec la première région, et
- une troisième zone s'étendant entre la première et la deuxième zone,
le procédé comprenant la formation, du côté de la deuxième face du substrat, d'une électrode commune comprenant un élément métallique en contact avec au moins une partie des flancs des premières zones des diodes,
et dans lequel la première zone est plus fortement dopée que la deuxième zone de la deuxième région.
Selon un mode de réalisation, la formation de l'élément métallique comprend les étapes successives suivantes :
a) la formation d'une tranchée d'isolation dans le substrat conducteur, sur toute l'épaisseur du substrat semiconducteur par la deuxième face du substrat ;
b) la gravure d'une partie supérieure de la tranchée d'isolation du coté de la deuxième face du substrat semiconducteur, de façon à former une ouverture et dévoiler une partie des flancs du substrat semiconducteur ; et
c) le dépôt d'une couche métallique dans l'ouverture préalablement formée.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend :
- entre les étapes a) et b), une étape c) de dépôt d'une couche transparente du côté de la deuxième face du substrat semiconducteur, la gravure de l'étape b) comprenant la gravure de la couche transparente, et
- après l'étape c), une étape de formation d'éléments conducteurs sur et en contact avec la couche métallique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, après l'étape c), une étape de dépôt d'une couche transparente du côté de la deuxième face du substrat semiconducteur et une étape de formation d'éléments conducteurs sur et en contact avec la couche transparente.
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 :
laFIG. 1est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un exemple d’un dispositif optoélectronique comprenant des SPAD selon un mode de réalisation ;
laFIG. 2est une autre vue en coupe, partielle et schématique, du dispositif optoélectronique de laFIG. 1;
laFIG. 3est une vue, partielle et schématique, d’un exemple du dispositif optoélectronique des figures 1 et 2 selon un premier mode de réalisation ;
laFIG. 3est une vue, partielle et schématique, d’un exemple du dispositif optoélectronique des figures 1 et 2 selon un deuxième mode de réalisation ;
laFIG. 3est une vue, partielle et schématique, d’un exemple du dispositif optoélectronique des figures 1 et 2 selon un troisième mode de réalisation ;
laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4et laFIG. 4sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d’un procédé de formation du dispositif des figures 1 et 2 ; et
laFIG. 5, laFIG. 5, laFIG. 5, laFIG. 5et laFIG. 5, sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un autre exemple d’un procédé de formation du dispositif des figures 1 et 2.
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, la réalisation des circuits de contrôle des pixels des dispositifs décrits n’a pas été détaillée.
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 % ou à 10° près, de préférence à 5 % ou à 5° près.
LaFIG. 1est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un dispositif optoélectronique 10 comprenant des SPAD 12 selon un mode de réalisation. Le dispositif 10 est par exemple un capteur d’images.
Le dispositif 10 comprend par exemple une pluralité de pixels P, par exemple agencés en matrice. A titre d'exemple, chaque pixel P comprend une unique SPAD 12. EnFIG. 1, trois pixels P sont représentés dont deux ne le sont que partiellement. A titre d'exemple, au sein de la matrice, le pas de répétition des SPAD 12 est inférieur à 5 µm, par exemple inférieur à 3 µm.
Les SPAD 12 sont formées dans un substrat semiconducteur 14. Le substrat semiconducteur 14 comprend une face avant 14f, la face supérieure dans l'orientation de laFIG. 1. Le substrat semiconducteur 14 comprend une face arrière 14b, opposée à la face avant 14f, la face inférieure dans l'orientation de laFIG. 1. Dans cet exemple, le substrat 14 est destiné à être éclairé par sa face arrière 14b.
Chaque SPAD 12 est par exemple séparée des SPAD 12 voisines par des tranchées d'isolation 16 s'étendant à partir de la face avant 14f du substrat 14 dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 14. Les tranchées d'isolation 16 forment par exemple un quadrillage permettant d'isoler latéralement chaque SPAD 12. Chaque SPAD 12 est par exemple entièrement entourée latéralement et séparée des SPAD 12 voisines par les tranchées d'isolation 16. Les tranchées d'isolation 16 permettent par exemple d'isoler électriquement et optiquement chaque SPAD 12 des SPAD 12 voisines. A titre d'exemple, les tranchées d'isolation 16 débouchent sur la face arrière 14b du substrat 14. Le substrat semiconducteur 14 est par exemple en silicium. Le substrat 14 a par exemple une épaisseur comprise entre 1 µm et 20 µm, par exemple comprise entre 5 et 15 µm, par exemple de l'ordre de 10 µm.
Les tranchées d'isolation 16 comprennent par exemple un coeur 18 entouré d'une gaine 20. Le coeur 18 est de préférence entièrement entouré latéralement par la gaine 20. Les parois latérales du coeur 18 sont de préférence entièrement recouvertes par la gaine 20. A titre d'exemple, la face supérieure du coeur 18 et la face supérieure de la gaine 20 débouchent sur la face supérieure du substrat 14.
A titre d'exemple, le coeur 18 est en un matériau électriquement conducteur, par exemple métallique. De préférence, le coeur 18 est en un matériau opaque. Le coeur 18 est par exemple en aluminium.
La gaine 20 permet par exemple d'assurer une isolation électrique des SPAD 12. La gaine 20 est par exemple en un matériau diélectrique. La gaine 20 comprend par exemple en un oxyde ayant une haute permittivité diélectrique. A titre d'exemple, la gaine 20 est en alumine (Al2O3) et/ou en dioxyde de silicium (SiO2) et/ou en oxyde d'hafnium (HfO2).
La SPAD 12 comprend une première région 22 du substrat 14, affleurant la face avant 14f du substrat 14. La première région 22 est dopée d'un premier type de conductivité, par exemple du type N. A titre d'exemple, chaque SPAD 12 comprend une unique première région 22. La première région 22 s'étend par exemple dans le substrat 14 sur une épaisseur comprise entre 200 nm et 800 nm, par exemple de l'ordre de 500 nm. A titre d'exemple, la première région 22 est sensiblement ronde en vue de dessus. En variante, la première région 22 peut être sensiblement carrée en vue de dessus. La première région 22 s'étend par exemple en vue de dessus sur une surface inférieure à la surface de la SPAD 12 de sorte que la première région 22 ne soit pas en contact avec les tranchées d'isolation 16. La première région 22 est par exemple très fortement dopée. La première région 22 présente par exemple une concentration en dopants comprise entre 1019atomes/cm3et 1020atomes/cm3.
La SPAD 12 comprend de plus une deuxième région 24 du substrat 14, s'étendant dans le substrat 14 de la face avant 14f du substrat jusqu'à sa face arrière 14b. Plus précisément, la deuxième région 24 s'étend de la face inférieure de la première région 22 jusqu'à la face arrière 14b du substrat 14 et également autour de la première région 22 au niveau de la face avant 14f du substrat 14 en affleurant la face avant 14f du substrat 14. La deuxième région 24 est dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, par exemple du type P.
La deuxième région 24 comprend une première zone 24a affleurant la face arrière 14b du substrat 14. La première zone 24a s'étend par exemple en vue de dessus sur la totalité de la surface de la SPAD 12. A titre d'exemple, la première zone 24a est en contact par ses flancs latéraux avec les flancs latéraux des tranchées d'isolation 16 l'entourant. La première zone 24a a par exemple une concentration en dopants graduelle qui augmente à proximité de la face arrière 14b du substrat 14. En d'autres termes, la première zone 24a est plus fortement dopée du coté de sa face inférieure que du coté de sa face supérieure. La première zone 24a est par exemple très fortement dopée. La première zone 24a présente par exemple une concentration en dopants au voisinage de sa face inférieure sensiblement égale à la concentration en dopants de la première région 22. La première zone 24a présente par exemple, au voisinage de sa face inférieure, une concentration en dopants comprise entre 101 8atomes/cm3et 1020atomes/cm3.
La deuxième région 24 comprend de plus une deuxième zone 24b en contact avec la première région 22. La deuxième zone 24b s'étend par exemple dans le substrat 14 à partir de la face avant 14f du substrat 14 jusqu'à un niveau intermédiaire situé sous la face inférieure de la première région 22. La deuxième zone 24b s'étend par exemple autour de la première région 22, c'est-à-dire dans la deuxième région 24 entre la première région 22 et les tranchées d'isolation 16 dans la deuxième région 24. La deuxième zone 24b s'étend en outre sous la première région 22 entre la face inférieure de la première région 22 et le niveau intermédiaire du substrat 14. A titre d'exemple, les parois latérales de la première région 22 et le fond de la première région 22 sont en contact avec la deuxième zone 24b de la deuxième région 24. La jonction entre la première région 22 et la deuxième zone 24b de la deuxième région 24 correspond à la jonction PN de la SPAD 12. La première zone 24a est plus fortement dopée que la deuxième zone 24b de la deuxième région 24. La deuxième zone 24b est par exemple fortement dopée. La deuxième zone 24b présente par exemple une concentration en dopants comprise entre 101 7atomes/cm3et 101 8atomes/cm3.
La deuxième région 24 comprend en outre une troisième zone 24c s'étendant entre la première zone 24a et la deuxième zone 24b. La troisième zone 24c est par exemple en contact par sa face inférieure à la face supérieure de la première zone 24a. La troisième zone 24c est par exemple en contact par sa face supérieure avec la face inférieure de la deuxième zone 24b. La troisième zone 24c s'étend par exemple sur l'ensemble de la surface de la SPAD 12. La troisième zone 24c est par exemple en contact par ses flancs avec les flancs des tranchées d'isolation 16. La troisième zone 24c est par exemple très faiblement dopée. La troisième zone 24c est par exemple moins fortement dopée que la deuxième zone 24b. La troisième zone 24c présente par exemple une concentration en dopants de l'ordre de 101 4atomes/cm3.
A titre d'exemple, les tranchées d'isolation 16 s'étendent sur toute la hauteur de la deuxième zone 24b et de la troisième zone 24c. A titre d'exemple, les tranchées d'isolation 16 s'étendent sur une partie de la hauteur de la première zone 24a.
A titre d'exemple, la première région 22 correspond à une région de cathode de la SPAD et la deuxième région 24 correspond à une région d'anode de la SPAD.
Le dispositif 10 comprend par exemple une reprise de contact de cathode sur la face avant du substrat 14 par l'intermédiaire d'un plot métallique 26. Le plot métallique 26 correspond par exemple à une électrode de cathode. A titre d'exemple, le plot métallique 26 est en contact, par sa face inférieure avec la face supérieure de la première région 22. Le plot métallique 26 est par exemple centré sur la première région 22.
Le dispositif 10 comprend en outre une reprise de contact d'anode du côté de la face arrière du substrat 14 par intermédiaire d'un élément métallique 28. L'élément métallique 28 correspond, par exemple à une électrode d'anode. L'élément métallique 28 est en contact, par ses flancs avec les flancs de la première zone 24a de la deuxième région 24. L'élément métallique 28 est par exemple formé en vis-à-vis des tranchées d'isolation 16 ou, dit autrement, à l’aplomb des tranchées d’isolation 16. L’élément métallique 28 est disposé au moins partiellement dans une tranchée s’étendant verticalement dans le substrat 14 à partir de la face arrière du substrat 14, par exemple dans le prolongement des tranchées d’isolation 16. L'élément métallique 28 s'étend par exemple sur toute ou partie de la hauteur de la première zone 24a de la deuxième région 24.
L'élément métallique 28 s'étend par exemple sur toute la largeur des tranchées d'isolation 16 de façon à contacter électriquement les premières zones de deux SPAD 12 voisines. A titre d'exemple, l'élément métallique 28 est en contact, par sa face supérieure avec la face inférieure des tranchées d'isolation 16. Plus particulièrement, l'élément métallique 28 est par exemple en contact mécaniquement et électriquement avec le coeur 18 des tranchées d'isolation 16. En variante, la face inférieure des tranchées d'isolation 16 et la face supérieure de l'élément métallique 28 sont séparées par une couche, par exemple électriquement isolante, par exemple une couche d'oxyde.
Les premières zones 24a des SPAD 12 du dispositif 10 sont ainsi toutes reliées entre elles par une électrode commune formée par l'élément métallique 28. Les premières zones 24a des SPAD 12 peuvent être polarisées à une même tension par l’intermédiaire de l’électrode commune 28. L'élément métallique 28 est par exemple un métal dopant du type P. L'utilisation d'un tel métal permet d'augmenter le dopage des premières zones 24a au voisinage de l'élément métallique 28 par la diffusion du métal dans le silicium du substrat, améliorant ainsi le contact ohmique entre l'élément métallique 28 et la première zone 24a. L'élément métallique 28 est par exemple en aluminium (Al). La forte concentration en dopants dans la première zone 24a permet d'améliorer le contact ohmique entre l'élément métallique 28 et d'assurer une bonne reprise de contact de l'anode. De plus, la solution proposée permet de prévoir que la deuxième zone 24b soit moins fortement dopée que la première région 22. Plus généralement, la solution proposée, dans laquelle le contact sur la région d’anode 24a est pris du côté de la face arrière du substrat 14, permet une plus grande liberté quant au choix de la concentration en éléments dopants de la deuxième zone 24b, et ainsi quant au réglage du seuil d'avalanche de la jonction PN de la SPAD.
Dans cet exemple, le dispositif ne comprend pas d’élément de reprise de contact d’anode en contact avec la zone 24b du côté de la face supérieure du substrat.
Ceci permet de réduire l’encombrement lié à la reprise de contact sur la région d’anode des photodiodes SPAD.
De préférence, l'élément métallique 28 ne s'étend pas sur la face inférieure des premières zones 24a.
Chaque SPAD 12 est par exemple reliée, ou connectée individuellement par son électrode de cathode 26, à un nœud d'application d'un potentiel VC. Les SPAD 12 sont par exemple reliées ou connectées collectivement par l'électrode d'anode commune 28, à un nœud d'application d'un potentiel VA. Les potentiels VA et VC permettent la polarisation des SPAD 12. Par exemple le potentiel VA est nul et le potentiel VC est un potentiel positif.
LaFIG. 2est une autre vue en coupe, partielle et schématique, du dispositif optoélectronique 10 de laFIG. 1.
Le dispositif 10 correspond par exemple à un capteur à mesure de temps de vol (ToF, de l'anglais "Time of Flight").
Dans l'exemple de laFIG. 2, chaque pixel P comprend une lentille 32, par exemple une microlentille, disposée en vis-à-vis de la SPAD 12. La microlentille 32 est par exemple formée sur la face arrière 14b du substrat semiconducteur 14.
La matrice de pixels P comprend en outre, entre les SPAD 12 et les microlentilles 32, une couche 34 en un matériau optiquement transparent dans laquelle sont formés des éléments opaques 36. La couche 34 est par exemple en dioxyde de silicium. A titre d'exemple, les éléments 36 délimitent optiquement chaque pixel P et permettent de limiter les détections croisées, c'est-à-dire la détection par une SPAD 12 d'un rayonnement traversant la microlentille 32 du pixel P voisin. A titre d'exemple, les éléments 36 forment, un quadrillage superposé au quadrillage des tranchées d'isolation 16, par exemple un quadrillage coïncidant en vue de dessus avec le quadrillage des tranchées d’isolation 16. Les éléments 36 sont par exemple métalliques, par exemple en tungstène (W).
Dans l'exemple de laFIG. 2, les éléments 36 ne sont pas en contact avec l'élément métallique 28. En variante, on peut prévoir que les éléments 36 soient en contact par leurs faces supérieures avec la face inférieure de l'élément métallique 28.
Le dispositif 10 de laFIG. 2comprend en outre, du côté de la face supérieure du substrat 14, un empilement d’interconnexion 38. A titre d’exemple, l’empilement d’interconnexion 38 comprend un empilement de couches diélectriques et de niveaux conducteurs, par exemple métalliques, dans lequel sont formés des éléments de connexion destiné à connecter individuellement les électrodes de cathode des photodiodes SPAD à un circuit de contrôle.
En périphérie de la matrice de pixels P, le dispositif 10 comprend par exemple un ou des plots 40. Les plots 40 sont par exemple situés du côté de la face arrière 14b du substrat 14. Les plots 40 sont par exemple destinés à être connectés à un dispositif extérieur, par exemple au moyen de fils électriquement conducteurs, par exemple des fils métalliques.
Les plots 40 sont disposés de préférence hors de l'aplomb des SPAD 12 de façon à ne pas les masquer. A titre d'exemple, les plots de 40 sont en un matériau métallique, par exemple en aluminium.
Les plots 40 sont connectées électriquement à l'électrode d'anode commune 28 par l'intermédiaire d'éléments conducteurs de connexion et de routage détaillés ci-après. En périphérie de la matrice de pixels P, le dispositif 10 comprend en outre plusieurs autres tranchées d'isolation 16 formées dans le substrat 14.
Certaines de ces tranchées d'isolation, référencées 16(1) sur la figure permettent par exemple d'isoler électriquement la matrice de pixels P du reste du substrat 14.
D'autres de ces tranchées d'isolation, référencées 16(2) sur la figure, peuvent être utilisées comme des vias conducteurs isolés (c'est-à-dire des vias conducteurs entourés d'une enveloppe isolante) traversant le substrat 14. Dans l'exemple de laFIG. 2, ces dernières tranchées d'isolation 16(2), sont par exemple prolongées par des portions de l'élément métallique 28, qui s'étendent latéralement en dehors de la matrice de pixels P. Elles contribuent ainsi à assurer un contact électrique entre le plot 40 et l'élément métallique, par exemple par l'intermédiaire de pistes conductrices.
A titre d'exemple, la connexion électrique entre l'électrode d'anode 28 et le ou les plots 40 s'effectue par l'intermédiaire des portions de l'élément 28 s'étendant latéralement en dehors de la matrice de pixels, par l'intermédiaire des cœurs conducteurs des tranchées 16(2), par l'intermédiaire d'un ou plusieurs pistes conductrices 41 de l'empilement d'interconnexion 38 et par l'intermédiaire d'un ou plusieurs vias conducteurs isolés 43 traversant le substrat 14.
LaFIG. 3, laFIG. 3et laFIG. 3sont des vues en coupe horizontale, partielles et schématiques, d'exemples du dispositif optoélectronique des figures 1 et 2 selon différents modes de réalisation. Plus particulièrement, ces figures sont des vues de dessous selon un plan de coupe horizontal correspondant au plan de la face 14b du substrat 14.
EnFIG. 3,FIG. 3etFIG. 3, seules les tranchées d'isolation 16, l'élément métallique 28 et les premières zones 24a des deuxièmes régions 24 des SPAD des pixels P sont visibles. Les premières régions 22 des SPAD (non visibles dans le plan de coupe) ont par ailleurs été représentées schématiquement par des traits interrompus.
Selon un premier mode de réalisation, illustré enFIG. 3, l'élément métallique 28 est formé en vis-à-vis de l'ensemble des tranchées d'isolation 16. L'élément métallique 28 forme alors un quadrillage coïncidant sensiblement (vue de dessous) avec le quadrillage formé par les tranchées d'isolation 16 autour des SPAD 12. L'élément métallique 28 est continu et n'est pas interrompu.
Selon un deuxième mode de réalisation, illustré enFIG. 3, l'élément métallique 28 est formé en vis-à-vis d'une partie seulement des tranchées d'isolation 16. Dans le deuxième mode de réalisation, les SPAD 12 sont toutes en contact, par les flancs de la première zone 24a, avec l'élément métallique 28. Dans ce mode de réalisation, chaque SPAD 12 n'a pas tous les flancs latéraux de sa première zone 24a en contact avec l'élément métallique 28. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation, chaque SPAD 12 a une partie seulement des flancs latéraux de sa première zone 24a en contact avec l'élément métallique 28. A titre d’exemple, on prévoit que l'élément métallique 28 s'étende, en vue de dessus, sur le pourtour de la matrice de pixels P et uniquement entre des lignes de pixels P. En variante, on peut prévoir que l'élément métallique 28 s'étend, en vue de dessus sur le pourtour de la matrice de pixels P et uniquement entre des colonnes de pixels P. Dans ce mode de réalisation, l'élément métallique 28 est continu de sorte que les parties de l'élément métallique 28 sont toutes connectées ensemble.
Selon un troisième mode de réalisation, illustré enFIG. 3, l'élément métallique 28 comprend plusieurs parties disjointes. Ainsi, le troisième mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce que l'élément métallique 28 n'est pas continu. Dans ce mode de réalisation, les différentes parties de l’élément métallique 28, et ainsi les zones 24a, sont connectées électriquement les unes aux autres par des éléments conducteurs d’un autre niveau conducteur, par exemple correspondant à l'élément 36 décrit en relation avec laFIG. 2. Les différentes parties de l'élément métallique 28 sont ainsi toutes connectées électriquement entre elles par l'intermédiaire de l'élément 36.
LaFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4, laFIG. 4et laFIG. 4sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un procédé de formation du dispositif des figures 1 et 2.
Plus particulièrement, les figures 4A à 4H illustrent des étapes d'un procédé de fabrication de l'élément métallique 28 en vis-à-vis des tranchées d'isolation 16.
Dans les figures 4A à 4H, l'orientation des figures est inversée par rapport à ce qui a été représenté en figures 1 et 2. La face supérieure de la structure des figures 4A à 4H correspond à la face arrière de la structure et la face inférieure de la structure des figures 4A à 4H correspond à la face avant de la structure.
LaFIG. 4illustre une structure de départ dans laquelle des tranchées d'isolation 16 ont été formées dans le substrat 14 semiconducteur.
Cette structure de départ correspond par exemple à un substrat semiconducteur 14 sur lequel un empilement d'interconnexion 38 (non représenté enFIG. 4) a été réalisé du coté de la face avant. Après la réalisation de l'empilement d'interconnexion, le substrat a été retourné puis aminci par sa face arrière, puis les tranchées d'isolation 16 ont été formées du côté de la face arrière du substrat aminci.
La formation des tranchées d'isolation 16 comprend par exemple une étape de gravure du substrat 14 par sa face arrière de façon à créer des ouvertures débouchant, par exemple sur l'empilement d'interconnexion 38. La formation des tranchées 16 comprend, de plus, une étape de dépôt d'une première sous-couche 201, en contact avec le substrat semiconducteur 14 et de dépôt d'une deuxième sous-couche 203 en contact avec la première sous-couche 201. La première sous-couche 201 est par exemple déposée dans le fond des ouvertures, par exemple en contact avec l'empilement d'interconnexion, et sur les flancs des ouvertures et la face arrière du substrat 14, en contact avec le substrat 14. La deuxième sous-couche 203 est par exemple déposée, dans les ouvertures et du coté de la face arrière du substrat 14, en contact avec la première sous-couche 201. La première sous-couche 201 et la deuxième sous-couche 203 forment par exemple, dans les ouvertures, la gaine isolante 20 des tranchées d'isolation 16. La première sous-couche 201 est par exemple en alumine. La deuxième sous-couche 203 est par exemple en dioxyde de silicium. La formation des tranchées 16 comprend, en outre, une étape de dépôt d'une couche métallique dans les ouvertures et du coté de la face arrière du substrat 14, en contact avec la deuxième sous-couche, puis une étape de polissage de façon à ce que la couche métallique ne soit conservée que dans les ouvertures. La couche métallique correspond alors au coeur 18 des tranchées d'isolation 16.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de dépôt d'une couche de masquage 42 sur la face supérieure de la structure illustrée enFIG. 4. La couche de masquage 42 est par exemple en un matériau sensible aux rayons lumineux, par exemple aux ultraviolets (UV). La couche de masquage 42 est par exemple en une résine. A titre d'exemple, la couche de masquage est en une résine positive. Lors de cette étape, la couche de masquage 42 est par exemple déposée pleine plaque.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de photolithographie de la structure illustrée enFIG. 4. Plus particulièrement, lors de cette étape, on vient exposer la structure illustrée enFIG. 4, plus précisément la couche de masquage 42, par sa face supérieure, à un rayonnement, par exemple un rayon UV. A titre d'exemple, l'exposition est réalisée à travers un masque de façon à n'exposer la couche de masquage 42 que localement. Cette étape est par exemple suivie d'une étape de rinçage permettant de retirer la partie de la couche de masquage 42 qui a été exposée et former dans la couche de masquage 42, une ou des ouvertures 44.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de gravure de la structure illustrée enFIG. 4. Plus particulièrement, lors de cette étape, une partie de la tranchée d'isolation 16 est retirée en vis-à-vis de l'ouverture 44 faite dans la couche de masquage 42Lors de cette étape, une partie supérieure de la deuxième sous-couche 203 et du coeur 18 est ainsi retirée localement en vis-à-vis de l'ouverture 44. A titre d'exemple, la gravure est, ici, sélective par rapport à la première sous-couche 201 de la gaine 20 de la tranchée d'isolation 16. Cette sous-couche 201 est par exemple conservée lors de cette étape. Lors de cette étape, la couche de masquage 42 est par exemple consommée.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une autre étape de gravure de la structure illustrée enFIG. 4. Plus particulièrement, lors de cette étape, on vient retirer une partie supérieure de la première sous-couche 201 de la gaine 20 de la tranchée d'isolation 16 en vis-à-vis de ce qui a été retiré de la deuxième sous-couche 203. Lors de cette étape, la sous-couche 203 est par exemple utilisée comme masque de gravure. A l'issue de cette étape, une partie des flancs du substrat semiconducteur 14 est alors dévoilée et libre. A titre d'exemple, lors de cette étape, on vient en outre réaliser un nettoyage de façon à nettoyer les flancs du substrat 14. Cette étape de nettoyage permet par exemple de retirer des particules issues des étapes de gravure et présentes sur les flancs du substrat 14. De telles particules peuvent par exemple réduire le contact ohmique entre le substrat 14 et l'élément métallique 28 si elles ne sont pas retirées. L'étape de nettoyage correspond par exemple à un nettoyage à caractère basique de type SC1 (de l'anglais "Standard Cleaning 1"). A titre d'exemple, un nettoyage de type SC1 correspond à un nettoyage à l'ammoniaque et à l'eau oxygénée.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de dépôt d'une couche en un matériau métallique 46. A titre d'exemple, le dépôt de la couche métallique 46 est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD, de l'anglais "Chemical Vapor Deposition"). La couche métallique 46 est par exemple déposée sur la face supérieure de la structure illustrée enFIG. 4et plus particulièrement, dans les ouvertures formées préalablement dans les couches 201et 203. Lors de cette étape, la couche métallique 46 est par exemple déposée en contact avec des flancs du substrat 14. A titre d'exemple, lors de cette étape, la couche métallique 46 est déposée en contact avec la face supérieure du coeur 18. En variante, on peut prévoir que la couche métallique 46 ne soit pas en contact direct (électrique et mécanique) avec le coeur 18 de la tranchée d'isolation 16 mais qu'elle le soit par l'intermédiaire d'une couche isolante. La couche isolante est par exemple une couche d'oxyde, par exemple formée lors des différents nettoyages décrits ci-avant. L'étape de dépôt de la couche métallique 46 est par exemple réalisée sous une température comprise entre 200 °C et 400 °C, par exemple de l'ordre de 300 °C.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de polissage de la face supérieure de la structure illustrée enFIG. 4. Plus précisément, lors de cette étape, on vient retirer une partie de la couche métallique 46 de façon à dévoiler la face supérieure de la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20 de la tranchée d'isolation 16. Ce retrait est par exemple effectué par polissage mécanochimique (CMP, de l'anglais "Chemical Mechanical Polishing"). A l'issue de cette étape, ce qui reste de la couche métallique 46 correspond à l'élément métallique 28. Dans l'exemple représenté à l'issue de cette étape, la face supérieure de l'élément métallique 28 est légèrement en retrait par rapport à la face supérieure de la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20 de la tranchée d'isolation 16. Ce retrait est dû au fait que l'étape de polissage est assistée chimiquement et que la solution utilisée a tendance à graver d'avantage la couche métallique 46 que la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20.
LaFIG. 4illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de retrait de la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20 formée à la surface du substrat 14 et d'une étape de dépôt de trois couches successives 48, 50 et 52. A titre d'exemple, lors de cette étape, on vient retirer la partie de la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20 présente sur la face supérieure du substrat semiconducteur 14, autour de l'élément métallique 28.
A l'issue de l'étape de retrait, on vient par exemple déposer une première couche 48 sur la face supérieure de la structure. La première couche 48 est par exemple déposée pleine plaque. La première couche 48 est par exemple déposée de façon à recouvrir la face supérieure de la première sous-couche 201 de la gaine 20 et la face supérieure et une partie des flancs de l'élément métallique 28. A titre d'exemple, la première couche 48 est en contact avec la face supérieure de la sous-couche 201 et la face supérieure et les flancs de l'élément métallique 28. La première couche 48 est par exemple une couche anti-réfléchissante. La première couche 48 est par exemple en un matériau ayant une haute permittivité diélectrique. A titre d'exemple, la première couche 48 est en alumine et/ou en dioxyde de silicium et/ou en oxyde d'hafnium.
Lors de cette étape, on vient de plus déposer une deuxième couche 50 sur la face supérieure de la couche 48. La deuxième couche 50 est par exemple déposée en contact avec la couche 48. A titre d'exemple, la couche 50 est déposée pleine plaque. A titre d'exemple, la couche 50 permet d'assurer un éloignement suffisant des SPAD et des microlentilles, qui seront formées ultérieurement du coté de la face arrière de la structure. La couche 50 est par exemple en dioxyde de silicium.
Lors de cette étape, on vient en outre déposer une troisième couche 52 sur la face supérieure de la couche 50. La troisième couche 52 est par exemple déposée en contact avec la couche 50. A titre d'exemple, la couche 52 est déposée pleine plaque. A titre d'exemple, la couche 52 correspond, à l'issue d'une étape de gravure, aux éléments 36 illustrés enFIG. 2.
Le procédé illustré en relation avec les figures 4A à 4H peut par exemple être mis en oeuvre pour fabriquer le dispositif des figures 1 et 2 selon les modes de réalisation des figures 3A et 3B.
LaFIG. 5, laFIG. 5, laFIG. 5, laFIG. 5, laFIG. 5et laFIG. 5sont des vues en coupe, illustrant des étapes d'un autre exemple d'un procédé de formation du dispositif des figures 1 et 2.
Plus particulièrement, les figures 5A à 5F illustrent des étapes d'un procédé de fabrication de l'élément métallique 28 en vis-à-vis des tranchées d'isolation 16, différent du procédé illustré en relation avec les figures 4A à 4H en ce que, dans le procédé de fabrication illustré en figures 5A à 5F, les éléments 36sont formés en contact avec l'élément métallique 28.
Dans les figures 5A à 5F, similairement à ce qui a été décrit en relation avec les figures 4A à 4H, l'orientation des structures est inversée par rapport à ce qui a été représenté en figures 1 et 2.
LaFIG. 5illustre une structure de départ identique à la structure de départ illustrée enFIG. 4.
LaFIG. 5illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de gravure de la deuxième sous-couche 203 de la gaine 20 et du coeur 18 de laFIG. 5. Cette étape est par exemple similaire à l'étape de gravure de ces mêmes couches, qui a été décrite en relation avec laFIG. 4, à la différence près que la gravure décrite en relation avec laFIG. 5est réalisée sans masque de gravure.
LeFIG. 5illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de dépôt de deux couches 48 et 50 similaires aux couches 48 et 50 illustrées enFIG. 4, à la différence près qu'elles sont, dans l'étape illustrée en relation avec laFIG. 5, déposées avant la formation de l'élément métallique 28.
LaFIG. 5illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de gravure des couches 48, 50 et 201. Plus particulièrement, lors de cette étape, on vient réaliser trois étapes de gravure successives de façon à former une ouverture 54 successivement dans la couche 50, la couche 48, et la première sous-couche 201. La gravure de la couche 50 est par exemple réalisée à travers une couche de masquage en résine (non représentée) déposée préalablement sur la face supérieure de la structure illustrée enFIG. 5. A titre d'exemple, à l'issue de cette étape, une partie des flancs du substrat 14 sont dévoilés et libres.
LaFIG. 5illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de formation de l'élément métallique 28 dans l'ouverture 54. Lors de cette étape, on vient par exemple déposer une couche 46' en un matériau métallique sur la face supérieure de la structure illustrée enFIG. 5et plus particulièrement sur la face supérieure de la couche 50 et dans l'ouverture 54 similairement à ce qui a été décrit avec la couche 46 en relation avec laFIG. 4. On vient ensuite effectuer un polissage afin de ne conserver la couche 46' que dans l'ouverture 54 similairement à ce qui a été décrit en relation avec laFIG. 4. Ce qui subsiste de la couche 46' correspond alors à l'élément métallique 28.
LaFIG. 5illustre une structure obtenue à l'issue d'une étape de formation d'une couche 52 similaire à la couche 52 illustrée enFIG. 4à la différence près qu'elle est déposée sur et en contact avec la face supérieure de l'élément métallique 28.
Le procédé illustré en relation avec les figures 5A à 5F peut par exemple être mis en oeuvre pour fabriquer le dispositif des figures 1 et 2 selon les modes de réalisation des figures 3A, 3B et 3C.
Un avantage des modes de réalisation décrits est que la reprise de contact de l'anode par la face arrière 14b du substrat 14 permet de diminuer la surface des SPAD 12 et ainsi diminuer la surface des capteurs.
Un autre avantage des modes de réalisation décrits est que la reprise de contact de l'anode par la face arrière 14b du substrat 14 permet de conserver une distance entre la reprise de contact de l'anode et celle de la cathode qui permet d'assurer un bon fonctionnement de la SPAD en limitant les risques de courts-circuits, et ce malgré la diminution de la surface de la SPAD 12.
Encore un autre avantage des modes de réalisation décrits est que la reprise de contact de l'anode par les flancs du substrat 14 dans le prolongement des tranchées d'isolation 16 permet de ne pas masquer la face arrière 14b du substrat 14, qui reste donc accessible à la lumière.
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, la cathode et l'anode peuvent être échangés. La première région 22, peut ainsi être l'anode de la SPAD 12 et être dopée de type P. La deuxième région 24 peut alors être la cathode de la SPAD 12 et être dopée N.
Enfin, la mise en oeuvre 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.

Claims (15)

  1. Dispositif optoélectronique (10) comprenant une pluralité de diodes à avalanche (12) formées dans un substrat semiconducteur (14), chaque diode (12) comprenant dans le substrat (14) :
    1. une première région (22) dopée d'un premier type de conductivité (N), affleurant une première face (14f) du substrat semiconducteur (14), et
    2. une deuxième région (24) dopée d'un deuxième type de conductivité (P) opposé au premier type de conductivité (N), la deuxième région (24) s'étendant dans le substrat semiconducteur (14) de la première région (22) jusqu'à une deuxième face (14b) du substrat semiconducteur (14), opposée à la première face (14f) du substrat semiconducteur (14),
      dans lequel la deuxième région (24) comprend :
      - une première zone (24a) affleurant la deuxième face du substrat semiconducteur (14),
      - une deuxième zone (24b) en contact avec la première région (22), et
      - une troisième zone (24c) s'étendant entre la première (24a) et la deuxième zone (24b),
    dans lequel le dispositif comprend, du côté de la deuxième face (14f) du substrat (14), une électrode commune comprenant un élément métallique (28) en contact avec au moins une partie des flancs des premières zones (24a) des diodes (12),
    et dans lequel la première zone (24a) est plus fortement dopée que la deuxième zone (24b) de la deuxième région (24).
  2. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 1, dans lequel l'élément métallique (28) est en aluminium.
  3. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément métallique (28) est formé dans le prolongement de tranchées d'isolation (16) séparant les diodes à avalanche (12) les unes des autres.
  4. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 3, dans lequel les tranchées d'isolation (16) comportent un coeur électriquement conducteur (18) entouré d'une gaine électriquement isolante (20).
  5. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les tranchées d'isolation (16) sont toutes prolongées par l'élément métallique (28).
  6. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel seulement une partie des tranchées d'isolation (16) est prolongée par l'élément métallique (28).
  7. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'élément métallique (28) est continu.
  8. Dispositif optoélectronique (10) selon, la revendication 6, dans lequel l'élément métallique (28) comprend plusieurs parties disjointes.
  9. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 8, dans lequel les différentes parties de l’élément métallique (28) sont connectées électriquement les unes aux autres par des éléments conducteurs (36).
  10. Dispositif optoélectronique (10) selon la revendication 9, dans lequel les éléments conducteurs (36) sont opaques.
  11. Capteur à mesure de temps de vol comprenant le dispositif optoélectronique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
  12. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique (10) comprenant une pluralité de diodes à avalanche (12) formées dans un substrat semiconducteur (14), chaque diode (12) comprenant dans le substrat (14) :
    une première région (22) dopée d'un premier type de conductivité (N), affleurant une première face (14f) du substrat semiconducteur (14), et
    une deuxième région (24) dopée d'un deuxième type de conductivité (P) opposé au premier type de conductivité (N), la deuxième région (24) s'étendant dans le substrat semiconducteur (14) de la première région (22) jusqu'à une deuxième face (14b) du substrat semiconducteur (14), opposée à la première face (14f) du substrat semiconducteur (14),
    dans lequel la deuxième région (24) comprend :
    - une première zone (24a) affleurant la deuxième face du substrat semiconducteur (14),
    - une deuxième zone (24b) en contact avec la première région (22), et
    - une troisième zone (24c) s'étendant entre la première (24a) et la deuxième zone (24b),
    le procédé comprenant la formation, du côté de la deuxième face (14f) du substrat (14), d'une électrode commune comprenant un élément métallique (28) en contact avec au moins une partie des flancs des premières zones (24a) des diodes (12),
    et dans lequel la première zone (24a) est plus fortement dopée que la deuxième zone (24b) de la deuxième région (24).
  13. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 12, dans lequel la formation de l'élément métallique (28) comprend les étapes successives suivantes :
    a) la formation d'une tranchée d'isolation (16) dans le substrat conducteur (14), sur toute l'épaisseur du substrat semiconducteur par la deuxième face (14b) du substrat (14) ;
    b) la gravure d'une partie supérieure de la tranchée d'isolation (16) du coté de la deuxième face (14b) du substrat semiconducteur (14), de façon à former une ouverture et dévoiler une partie des flancs du substrat semiconducteur (14) ; et
    c) le dépôt d'une couche métallique (46 ; 46') dans l'ouverture (44 ; 54) préalablement formée.
  14. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 13, comprenant :
    - entre les étapes a) et b), une étape c) de dépôt d'une couche transparente (50) du côté de la deuxième face (14b) du substrat semiconducteur (14), la gravure de l'étape b) comprenant la gravure de la couche transparente (50), et
    - après l'étape c), une étape de formation d'éléments conducteurs (38) sur et en contact avec la couche métallique (46').
  15. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 13, comprenant après l'étape c), une étape de dépôt d'une couche transparente (50) du côté de la deuxième face (14b) du substrat semiconducteur (14) et une étape de formation d'éléments conducteurs (38) sur et en contact avec la couche transparente (50).
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