FR2932007A1 - Capteur d'image matriciel en technologie ccd - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les capteurs d'image matriciels en technologie CCD. Le capteur comprend une structure photosensible formée sur la face avant d'un substrat de silicium (10), cette structure comportant une matrice de lignes et de colonnes de pixels photosensibles et des grilles de transfert recouvrant la matrice et permettant de transférer des charges électriques de ligne à ligne, caractérisé en ce que le substrat de silicium est un substrat aminci reporté par sa face avant sur un substrat de report en vue d'un éclairement par la face arrière, le substrat aminci ayant une épaisseur comprise entre 3 et 50 micromètres, et en ce que les grilles sont des lignes de silicium polycristallin (G1, G2) chacune recouverte d'une ligne respective de métal conducteur (L1, L2) qui s'étend tout le long de la ligne de silicium polycristallin et qui vient en contact direct, de place en place, avec cette dernière.
Description
CAPTEUR D'IMAGE MATRICIEL EN TECHNOLOGIE CCD L'invention concerne les capteurs d'image matriciels en technologie CCD. On rappelle qu'un capteur d'image matriciel fabriqué selon une technologie CCD (de l'anglais "charge coupled device", appelé aussi dispositif à transfert de charges) utilise une matrice de lignes et colonnes de pixels photosensibles qui accumulent des charges en fonction de l'éclairement de ces charges, la lecture des charges accumulées se faisant en transférant globalement les charges des pixels d'une ligne de rang i (pour toutes les lignes à la fois) vers une ligne suivante de rang i+1 pendant que les charges de la ligne de rang i+1 sont transférées vers la ligne de rang i+2. Les charges reçues par toutes les lignes au cours de ce transfert élémentaire d'un pas sont à nouveau transférées dans une ligne suivante, et ainsi de suite jusqu'à ce que les charges de la ligne de rang i atteignent un registre de lecture à transfert de charges adjacent à la dernière ligne de la matrice.
Lorsque les charges correspondant aux pixels de la dernière ligne ont été déversées en parallèle dans le registre de lecture, le registre est activé pour transférer toutes ces charges vers un circuit de lecture de charges, ceci avant qu'une nouvelle série de charges soient déversées en parallèle dans le registre. Ainsi les charges générées par l'éclairement sont transférées par décalages successifs d'abord dans le sens des colonnes jusqu'au registre de lecture puis parallèlement au sens des lignes à l'intérieur du registre de lecture, jusqu'au circuit de lecture. La rapidité de transfert de charges de l'ensemble de la matrice dépend donc du nombre de lignes, du nombre de colonnes, de la vitesse de transfert horizontal du registre de lecture, et de la vitesse de transfert verticale d'une ligne à l'autre. Il est souhaitable que le transfert soit aussi rapide que possible, et si on augmente le nombre de lignes de la matrice il faut essayer de gagner le plus de temps possible lors du transfert de ligne à ligne. La vitesse de transfert dépend des résistances et capacités parasites des lignes qui commandent les transferts. Ces lignes sont traditionnellement des lignes de silicium polycristallin pour deux raisons : d'une part le silicium polycristallin est facile à mettre en oeuvre pour réaliser précisément des lignes autoalignées les unes par rapport aux autres. D'autre part le silicium polycristallin est suffisamment transparent (compte-tenu de son épaisseur de quelques centaines de micromètres) pour ne pas absorber significativement la lumière avant qu'elle n'atteigne le volume du substrat de silicium monocristallin dans lequel les charges sont générées sous l'effet de la lumière. II est connu par ailleurs, dans les capteurs d'image qui ne sont pas en technologie CCD mais en technologie MOS (pixels à une photodiode et plusieurs transistors) d'éclairer le capteur par la face arrière ; l'éclairement face arrière, à travers le silicium monocristallin fortement aminci, a pour but de limiter la perte de résolution et de sensibilité due à la présence de plusieurs niveaux de grilles de transfert sur le trajet de la lumière au-dessus des éléments photosensibles. Ces niveaux servent à connecter les transistors d'un pixel entre eux et les pixels d'une même ligne ou d'une même colonne entre eux. L'invention propose un capteur d'image en technologie CCD comprenant une structure photosensible formée sur la face avant d'un substrat de silicium, cette structure comportant une matrice de lignes et de colonnes de pixels photosensibles et des grilles de transfert recouvrant la matrice et permettant de transférer des charges électriques de ligne à ligne, caractérisé en ce que le substrat de silicium est un substrat aminci reporté par sa face avant sur un substrat de report en vue d'un éclairement par la face arrière, le substrat aminci ayant une épaisseur comprise entre 3 et 50 micromètres, et en ce que les grilles formées sur la face avant sont des lignes de silicium polycristallin et sont chacune recouverte d'une ligne respective de métal conducteur qui s'étend tout le long de la ligne de silicium polycristallin et qui vient en contact direct avec cette dernière, à des emplacements répartis le long de la ligne.
Le métal conducteur est de préférence de l'aluminium. Les emplacements de contact entre la ligne de métal conducteur et la ligne de silicium polycristallin sont de préférence situés au-dessus de barrières d'isolation de charges séparant les colonnes adjacentes de pixels.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe, selon la ligne AA de la 5 figure 2, de la structure de grilles de transfert formées sur la face avant d'un substrat de silicium aminci ; - la figure 2 représente une vue de dessus de la face avant de la structure de silicium portant les grilles de transfert selon l'invention.
10 Pour réaliser un capteur d'image aminci selon l'invention, on part d'un substrat de silicium sur la face avant duquel on forme tous les circuits électriques nécessaires au fonctionnement du capteur, notamment des zones photosensibles correspondant à chaque colonne de pixels, des barrières d'isolation entre les colonnes, des grilles de transfert de charges en 15 lignes parallèles, le registre de lecture en bas de la matrice, et tous les circuits électriques accessoires nécessaires. En technologie CCD, les zones photosensibles sont constituées par des jonctions constituées entre le substrat et une couche superficielle de silicium monocristallin dopé avec un type opposé à celui du substrat. En 20 général, une couche N est formée en surface d'un substrat de type P mais le contraire est possible. La couche superficielle sert à stocker les charges générées et à les transférer. Les potentiels appliqués respectivement au substrat et aux grilles de transfert tendent à maintenir les charges dans des puits de potentiel formés dans la couche superficielle. 25 Les grilles de transfert de charges sont des lignes parallèles conductrices en silicium polycristallin ; les potentiels qui sont appliqués entre les lignes adjacentes sont choisis pour imposer un sens de transfert de charges entre lignes. Typiquement il y a une alternance de deux grilles réalisées dans deux niveaux de silicium polycristallin, avec un léger 30 recouvrement des bords de grille de premier niveau par les bords de grille de deuxième niveau. Il peut y avoir plus de deux niveaux. Les grilles sont orientées selon les lignes de la matrice et elles passent par-dessus des barrières d'isolation de charges qui s'étendent entre colonnes adjacentes. Les grilles sont recouvertes d'au moins une couche isolante électriquement, 35 le plus souvent en oxyde de silicium.
Après réalisation de tous les circuits électriques sur la face avant par une succession d'opérations classiques de dépôts, de gravures de motifs, d'implantation d'impuretés, etc., aboutissant à une structure de capteur d'image en technologie CCD, on va reporter le substrat de silicium sur un substrat de report en le collant par sa face avant sur ce substrat de report. Le collage peut être fait avec de la colle ou par simple adhérence moléculaire entre une surface très plane du substrat de silicium et une surface très plane du substrat de report. Après le collage, le substrat de silicium de départ sera fortement aminci à partir de sa face arrière.
Toutefois, selon l'invention, avant de faire ce collage, on prévoit que les opérations faites sur la face avant incluent une gravure de trous de contact dans la ou les couches isolantes recouvrant les grilles de silicium polycristallin. En ouvrant ces trous, on dénude localement la surface du silicium polycristallin de place en place sur toutes les grilles. Puis on dépose une couche d'un métal plus conducteur que le silicium polycristallin, de préférence de l'aluminium : on grave cette couche métallique selon un motif de lignes de telle manière qu'au-dessus de toute la matrice photosensible, chaque ligne de grille de silicium polycristallin soit surmontée par une ligne respective de métal.
Une couche de planarisation isolante est alors déposée sur l'ensemble de la face avant du substrat de silicium. Lorsque les circuits électriques ont été réalisés sur la face avant, y compris les lignes d'aluminium qu'on vient de mentionner, on effectue le collage de la face avant du substrat sur un substrat de report qui peut être en silicium. La face arrière du substrat de silicium est alors amincie très fortement. Avant amincissement elle a une épaisseur de quelques centaines de micromètres. Après amincissement elle a une épaisseur qui peut être comprise entre 3 et 50 micromètres, de préférence entre 3 et 20 micromètres. Le substrat de report a une épaisseur de plusieurs centaines de micromètres, par exemple entre 300 et 500 micromètres, et il peut subir des opérations de fabrication collective sur tranche. Si le capteur est un capteur d'image en couleurs, des filtres de couleur sont déposés et gravés sur la face arrière amincie du capteur. C'est la face arrière du capteur qui sera exposée à la lumière lorsque le capteur sera placé derrière l'optique de formation d'image d'une caméra. La réalisation des circuits électroniques d'un capteur d'image en technologie CCD est très classique et on ne décrira ci-après en détail que les étapes spécifiques à l'invention qui concernent les grilles servant au transfert de charges. Les figures 1 et 2 représentent la structure des grilles, respectivement en coupe verticale et en vue de dessus. Le capteur est formé sur un substrat de silicium 10, d'épaisseur quelques centaines de micromètres avant amincissement et d'épaisseur de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres après amincissement ; les grilles sont formées avant amincissement. Dans cet exemple, le substrat 10 est de type P. La partie supérieure du substrat de la figure 1 est constituée par une couche de silicium monocristallin de type opposé (N) dans laquelle s'effectue le transfert et le stockage des charges générées par l'éclairement du silicium. Selon que les transferts de charge se font en deux phases ou plus de deux phases, la couche de type N peut avoir deux dopages différents sous les différentes grilles de transfert. Typiquement, pour un transfert en deux phases il faut que la couche de type N sous les grilles de rang impair soit dopée différemment de la couche de type N sous les grilles de rang pair ; pour un transfert en quatre phases, le dopage peut être uniforme sous toutes les grilles. Sur la figure 1, on n'a pas représenté de dopages différents de type N. D'autre part, pour délimiter les colonnes de pixels on prévoit des barrières d'isolation empêchant le transfert de charges de colonne à colonne, et ces barrières peuvent être des zones dopées de type P qui s'enfoncent à partir de la surface au moins aussi profondément que la couche N. Ces barrières ne sont pas visibles sur la figure 1 qui est une coupe faite au milieu d'une colonne. Elles sont visibles sur la figure 2.
L'épaisseur de la couche N peut être par exemple de 2 à 5 micromètres pour un substrat d'environ 10 micromètres d'épaisseur après amincissement. Le silicium de la couche 12 de type N est recouvert d'une couche fine isolante 14, de préférence en oxyde de silicium de quelques dixièmes de 35 micromètres d'épaisseur au maximum.
Les grilles de transfert sont formées sur cette couche isolante. Il y a de préférence deux niveaux de silicium polycristallin différents pour constituer les grilles. Le premier niveau est une couche 16 déposée puis gravée pour définir la forme des grilles de rang impair, ou grilles G1. Les grilles sont des lignes parallèles, situées dans le sens des lignes de la matrice de pixels, le transfert de charges devant s'effectuer entre lignes de pixels adjacentes. La gravure des grilles G1 de la couche 16 laisse des intervalles entre grilles, ces intervalles étant destinés à recevoir les grilles G2 du 1 o deuxième niveau de silicium polycristallin. Après gravure des grilles G1, on forme une couche isolante 18 (oxyde de silicium de préférence) sur la surface supérieure et sur les flancs des lignes de grilles G1. Cette couche peut être formée par oxydation thermique du silicium polycristallin des grilles G1. Puis on dépose le 15 deuxième niveau de silicium polycristallin qui est une couche 20 déposée sur toute la surface du substrat. Cette couche 20 est gravée pour définir un motif de grilles G2 sous forme de lignes parallèles aux grilles G1. Ces lignes de grille G2 remplissent tout l'intervalle laissé entre les flancs isolés des grilles G1. Elles recouvrent en pratique légèrement les bords latéraux des grilles 20 G1. Ce recouvrement est prévu pour tenir compte des tolérances de positionnement relatif des masques successifs définissant les grilles G1 et G2. Les flancs des grilles G2 peuvent être recouverts d'isolant (oxyde de silicium de préférence), après quoi une couche isolante de planarisation 25 24 est déposée puis gravée de manière à dénuder le silicium polycristallin des grilles G1 et G2 dans des ouvertures ponctuelles 26 disposées de place en place le long des grilles G1 et G2. Les ouvertures 26 peuvent être prévues par exemple avec un pas égal à celui des colonnes de pixels. On préfère placer les ouvertures au-dessus de barrières d'isolation de charges 30 qui sont prévues entre les colonnes adjacentes. De telles barrières sont désignées par la référence 28 sur la figure 2 et peuvent être des diffusions de type P traversant toute l'épaisseur de la couche 21 de type N. Une couche métallique conductrice (de préférence de l'aluminium) est alors déposée sur le substrat. Cette couche remplit les ouvertures 26 35 creusées à l'étape précédente. Elle est gravée pour définir une ligne métallique conductrice au-dessus de chaque grille, sur toute la longueur de celle-ci. Une ligne d'aluminium L1 est donc définie au-dessus de chacune des grilles G1, dans la longueur de celles-ci, et une ligne d'aluminium L2 est définie au-dessus de chaque grille G2. Ces lignes viennent en contact de place en place avec les grilles de silicium polycristallin qu'elles recouvrent. Ces lignes améliorent la conductivité des grilles de silicium polycristallin et répartissent uniformément sur toute la matrice le potentiel qu'on doit appliquer aux grilles pour effectuer les phases de transfert de charges désirées. Bien qu'elles soient en aluminium, elles ne sont pas gênantes parce qu'elles sont formées sur la face avant du substrat alors que l'éclairement du capteur sera fait par la face arrière. Après gravure des lignes d'aluminium LI et L2, le substrat est recouvert d'une nouvelle couche isolante 34 de planarisation qui élimine le relief qui a pu être créé par la gravure de l'aluminium. La surface planarisée peut être collée, par adhérence moléculaire ou par une colle, sur un substrat de report non représenté, après quoi le silicium du substrat 10 est aminci par procédés mécaniques et chimiques jusqu'à une très faible épaisseur pour constituer une face arrière destinée à être éclairée, très proche de la couche 12 de type N qui accumule les charges.
On voit bien sur la figure 2 les lignes L1 et L2 superposées chacune à une ligne G1 ou G1 respectivement, et la zone de contact 26 de place en place sur chaque ligne au-dessus de la barrière d'isolation 28 disposée entre deux colonnes adjacentes. Sur la figure 2 pour conserver une représentation lisible, on n'a 25 pas représenté les couches d'oxyde qui recouvrent les grilles. On n'a pas représenté non plus des éléments additionnels pouvant être prévus dans les matrices CCD, tels que des grilles et drains d'évacuation de charges qui seraient situés entre deux colonnes adjacentes et qui servent à éviter l'éblouissement de la matrice par un excès de charges 30 dû à un éclairement trop intense. Dans une variante de réalisation, les conducteurs d'aluminium sont en contact direct avec le silicium polycristallin sur toute la longueur des grilles de silicium polycristallin et pas seulement dans des ouvertures localisées. 35
Claims (4)
- REVENDICATIONS1. Capteur d'image en technologie CCD comprenant une structure photosensible formée sur la face avant d'un substrat de silicium (10), cette structure comportant une matrice de lignes et de colonnes de pixels photosensibles et des grilles de transfert recouvrant la matrice et permettant de transférer des charges électriques de ligne à ligne, caractérisé en ce que le substrat de silicium est un substrat aminci reporté par sa face avant sur un substrat de report en vue d'un éclairement par la face arrière, le substrat aminci ayant une épaisseur comprise entre 3 et 50 micromètres, et en ce que les grilles sont des lignes de silicium polycristallin (G1, G2) et sont chacune recouverte d'une ligne respective de métal conducteur (L1, L2) qui s'étend tout le long de la ligne de silicium polycristallin et qui vient en contact direct avec cette dernière, à des emplacements répartis le long de la ligne.
- 2. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal conducteur est de l'aluminium.
- 3. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les emplacements de contact (26) entre la ligne de métal conducteur et la ligne de silicium polycristallin sont situés au-dessus de barrières (28) d'isolation de charges séparant les colonnes adjacentes de pixels.
- 4. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ligne de métal conducteur est en contact direct avec la ligne de silicium polycristallin sur toute la longueur utile de celle-ci.25
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
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| PLFP | Fee payment |
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Owner name: TELEDYNE E2V SEMICONDUCTORS SAS, FR Effective date: 20180907 |
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| PLFP | Fee payment |
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20220205 |