FR2945666A1

FR2945666A1 - Capteur d'image.

Info

Publication number: FR2945666A1
Application number: FR0953245A
Authority: FR
Inventors: Jerome Vaillant; Flavien Hirigoyen
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-19
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: FR2945666B1; US20100289101A1

Abstract

L'invention concerne un capteur d'images comprenant une matrice de pixels (111), dans lequel chaque pixel comprend, selon un empilement vertical : une zone centrale photosensible (117) ; un empilement d'interconnexions surmontant la périphérie de la zone photosensible et s'étendant vers le haut jusqu'à une première hauteur ; une couche de filtrage (115) surmontant la zone photosensible et s'étendant vers le haut à partir d'une hauteur inférieure à la première hauteur ; et une microlentille (113) surmontant en projection verticale la couche de filtrage, l'axe optique de cette microlentille étant tel que les rayons lumineux reçus par le pixel atteignent la zone photosensible, sensiblement en son centre.

Description

B9591 - ST-09-GR1-079 1 CAPTEUR D'IMAGES

Domaine de l'invention La présente invention concerne les capteurs d'images et plus particulièrement la structure des pixels d'un capteur d'images.

Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe très schématique d'un capteur d'images carré ou rectangulaire 1 monté en regard d'un objectif 3, sensiblement au niveau de son plan focal. Le capteur 1 est essentiellement constitué d'une matrice de pixels formés dans un substrat semiconducteur. Un pixel 5 et un pixel 7, respectivement disposés au centre et en bordure du capteur 1 sont représentés à titre d'exemple. Comme l'illustrent les parcours lumineux représentés en traits pleins et en pointillés, les pixels placés au centre du capteur, tels que le pixel 5, reçoivent des rayons centrés sur un angle d'incidence proche de 0°. Au contraire, les pixels placés en bordure du capteur, et notamment dans les coins, tels que le pixel 7, reçoivent des rayons centrés sur un angle d'incidence élevé. On utilise de tels capteurs dans de nombreux dispositifs, par exemple, des téléphones mobiles. Le diamètre de l'objectif est par exemple de l'ordre de 2 à 3 mm, la distance focale de l'objectif est de l'ordre de 6 à 10 mm, et l'épaisseur B9591 - ST-09-GR1-079

2 du substrat constitutif du capteur 1 est de l'ordre de 0,2 à 0,5 mm. Pour des raisons d'encombrement il est souhaitable de minimiser la distance entre l'objectif et le capteur. Il en résulte une augmentation des angles d'incidence moyens pour les pixels situés en bordure du capteur. A titre d'exemple, l'angle d'incidence moyen des rayons reçus par le pixel 7 peut dépasser 30°. La figure 2 est une vue en coupe représentant la structure d'un pixel 21 d'un capteur d'images. Chaque pixel est associé à une portion de la surface d'un substrat 23 qui, vue de dessus, a généralement la forme d'un carré ou d'un rectangle. Le pixel 21 comprend une zone active photosensible 25 formée dans la partie supérieure de cette portion de substrat, correspondant généralement à une photodiode adaptée à stocker une quantité de charges électriques qui dépend de l'intensité lumineuse reçue. La zone photosensible 25 ne couvre pas la totalité de la portion de substrat associée au pixel 21. En effet, une partie de la surface est réservée aux dispositifs (non représentés) d'adressage et de lecture du pixel. La zone photosensible 25 couvre généralement 30 à 50 % de la surface de substrat associée au pixel 21. Le substrat 23 est recouvert d'un empilement de couches isolantes et transparentes 27, par exemple constituées d'oxyde de silicium. Des pistes conductrices 29, formées à la surface du substrat 23 et entre des couches isolantes adjacentes, et des vias conducteurs 31, formés à travers les couches isolantes, permettent notamment d'adresser les pixels et de recueillir des signaux électriques. Les pistes 29 et les vias 31 sont agencés de façon à ne pas recouvrir la zone photosensible 25. En outre, dans un capteur couleur, un élément de filtrage couleur 33, par exemple un filtre organique, est disposé au dessus de l'empilement de couches isolantes, en regard de la portion de substrat 23 associée au pixel. Le filtre 33 est généralement recouvert d'une couche intermédiaire d'égalisation 35, qui définit une face d'exposition à la B9591 - ST-09-GR1-079

3 lumière. Cette couche 35 permet notamment d'obtenir une surface plane au dessus des filtres. A titre d'exemple, l'épaisseur de l'empilement des couches isolantes 27, des pistes et nias 29 et 31, et du filtre 33 est de l'ordre de 1 à 5 m.

Pour concentrer l'intensité lumineuse reçue à la surface du pixel 21 vers la zone photosensible 25, une microlentille 37 est disposée à la surface de la couche intermédiaire 35, en regard de la portion de substrat associée au pixel 21. Les microlentilles 37 sont généralement obtenues en recouvrant la couche intermédiaire 35 d'une couche de résine, en gravant des blocs de résine distincts, chaque bloc de résine étant formé sensiblement en regard de la portion de substrat associée à un pixel, et en chauffant les blocs de résine. Chaque bloc de résine tend alors à se déformer par fluage, jusqu'à former une surface extérieure convexe. Le parcours des rayons lumineux représentés à titre d'exemple en traits pleins correspond au cas d'un angle d'incidence moyen proche de zéro, c'est-à-dire aux rayons reçus par un pixel situé au centre du capteur. La microlentille 37 fait converger de tels rayons vers la zone photosensible 25. La figure 3A est identique à la figure 2, seul le parcours des rayons lumineux représenté à titre d'exemple en traits pleins diffère. Le parcours représenté en figure 3A correspond au cas d'un angle d'incidence moyen non nul, c'est-à- dire à un pixel situé dans la zone périphérique du capteur. Le point de focalisation de la microlentille pour de tels rayons se situe en dehors de la zone photosensible ce qui se traduit par une dégradation de la sensibilité du capteur. On propose, pour chaque pixel, en fonction de sa position sur le capteur, de décaler la microlentille et le filtre couleur associés de façon que les rayons lumineux reçus convergent vers la zone photosensible correspondante et traversent entièrement le filtre associé à cette zone. La figure 3B est une vue en coupe d'un pixel 41 situé dans une zone périphérique d'un capteur d'images et destiné à B9591 - ST-09-GR1-079

4 recevoir des rayons d'angle d'incidence moyen non nul. Le pixel 41 est identique au pixel 21 des figures 2 et 3A mais son filtre couleur 43 et sa microlentille 45 sont décalés par rapport à sa zone photosensible 47. Le décalage est calculé en fonction de la position du pixel sur le capteur, de l'épaisseur de diélectrique, et des indices de réfraction, de façon que le rayon central atteigne le centre de la zone photosensible. Ainsi, le pixel 41 est adapté à recevoir des rayons lumineux d'angle d'incidence moyen non nul.

De façon générale, il est souhaitable de réduire l'épaisseur des matériaux situés au dessus de chaque zone photosensible, notamment pour améliorer la sensibilité du capteur. La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un capteur d'images constitué d'une matrice de pixels 61 de mêmes structures que les pixels 21 et 41 décrits en relation avec les figures 2 et 3B. Le substrat semiconducteur 63 dans lequel sont formées les zones photosensibles 65 des pixels est recouvert d'un empilement 67 de couches isolantes et transparentes. Des pistes conductrices d'interconnexion sont formées entre les couches isolantes. Plusieurs niveaux d'interconnexion successifs, sept dans l'exemple représenté, M1 à M7, sont prévus pour le bon fonctionnement du capteur, M1 et M7 étant respectivement le niveau le plus proche et le niveau le plus éloigné du substrat 63. Dans cet exemple, seuls les deux niveaux inférieurs M1 et M2 sont utilisés pour l'adressage et la lecture des pixels. Ainsi, on prévoit de disposer les pistes conductrices des niveaux M3 à M7 en périphérie du capteur, de façon qu'elles ne recouvrent pas la portion de substrat dans laquelle est formée la matrice de pixels. On prévoit en outre de retirer les portions de couches isolantes correspondant aux niveaux M3 à M7 et recouvrant la portion de substrat dans laquelle est formée la matrice de pixels. Une cavité 69 est ainsi formée dans l'empilement 67, en regard de la matrice de pixels. Le fond de B9591 - ST-09-GR1-079

la cavité 69 correspond par exemple à la couche isolante recouvrant les pistes conductrices du niveau d'interconnexion M2. Sur le fond de la cavité 69, sont formés une matrice de filtres 71 et une matrice correspondante de microlentilles 73. 5 Ainsi, la prévision de la cavité 69 permet de réduire la distance entre la microlentille 73 et la zone photosensible 65 de chaque pixel. Toutefois, cette distance reste non négligeable. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une structure de pixel palliant tous ou au moins certains des inconvénients des structures de l'art antérieur. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure de pixel dans laquelle la distance entre la microlentille et la zone de substrat photosensible associée est réduite par rapport aux solutions de l'art antérieur.

Un objet invention est de réalisable. Ainsi, un prévoit un capteur dans lequel chaqued'un mode de réalisation de la présente proposer une telle structure facilement

mode de réalisation de la présente invention d'images comprenant une matrice de pixels, pixel comprend, selon un empilement verti- cal : une zone centrale photosensible ; un empilement d'inter- connexions surmontant la périphérie de la zone photosensible et s'étendant vers le haut jusqu'à une première hauteur ; une couche de filtrage surmontant la zone photosensible et s'étendant vers le haut à partir d'une hauteur inférieure à la première hauteur ; et une microlentille surmontant en projection verticale la couche de filtrage, l'axe optique de cette microlentille étant tel que les rayons lumineux reçus par le pixel atteignent la zone photosensible, sensiblement en son centre.

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6 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche de filtrage est composée d'une résine organique colorée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 l'épaisseur entre la surface de la zone photosensible et la microlentille est comprise entre 0,5 m et 5 m. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des couches isolantes sont intercalées entre les interconnexions successives. 10 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les couches isolantes sont composées d'oxyde de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les microlentilles sont formées dans une couche de résine photosensible par un procédé de masquage par niveaux de gris, 15 d'exposition par éclairage du masque, et de développement, dans lequel l'épaisseur de résine photosensible est inversement proportionnelle au niveau de gris de la portion de masque qui la recouvre. Brève description des dessins 20 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en 25 coupe d'un capteur d'images monté en regard d'un objectif ; la figure 2, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant la structure d'un pixel de capteur d'images ; la figure 3A, précédemment décrite, illustre le trajet des rayons lumineux reçus par des pixels situés en périphérie du 30 capteur ; la figure 3B, précédemment décrite, est une vue en coupe d'un pixel situé en périphérie du capteur ; la figure 4, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un capteur 35 d'images ; B9591 - ST-09-GR1-079

7 la figure 5A est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un pixel ; la figure 5B illustre une variante du pixel de la figure 5A ; et la figure 6 est une vue en coupe représentant la structure d'un pixel de capteur d'images selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 5A est une vue en coupe représentant la structure d'un pixel 81 d'un capteur d'images. Chaque pixel est associé à une portion de la surface d'un substrat 83 qui, vue de dessus, a généralement la forme d'un carré ou d'un rectangle. Le pixel 81 comprend une zone active photosensible 85 formée dans la partie supérieure de cette portion de substrat, correspondant généralement à une photodiode adaptée à stocker une quantité de charges électriques qui dépend de l'intensité lumineuse reçue. La zone photosensible 85 ne couvre pas la totalité de la portion de substrat associée au pixel 81. En effet, une partie de la surface est réservée aux dispositifs (non représentés) d'adressage et de lecture du pixel. La zone photosensible 85 couvre par exemple 30 à 50 % de la surface de substrat associée au pixel 81. Le substrat 83 est recouvert d'un empilement de couches isolantes et transparentes 87, par exemple constituées d'oxyde de silicium. Des pistes conductrices 89, formées à la surface du substrat 83 et entre des couches isolantes adjacentes, et des vias conducteurs 91, formés à travers les couches isolantes, permettent notamment d'adresser les pixels et de recueillir des signaux électriques. Les pistes 89 et les vias B9591 - ST-09-GR1-079

8 91 sont agencés de façon à ne pas masquer la zone photosensible 85. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu une cavité, creusée dans l'empilement de couches isolantes transparentes 87 en regard de la zone photosensible 85. Le fond de cette cavité se situe par exemple au même niveau que le niveau d'interconnexion le plus proche du substrat. Un élément de filtrage couleur 93, par exemple un filtre organique, s'étend vers le haut depuis le fond de la cavité susmentionnée. Le filtre 93 peut s'étendre au dessus de l'empilement 87, en regard de la portion de substrat 83 associée au pixel. Le filtre 93 est généralement recouvert d'une couche intermédiaire d'égalisation 95, qui définit une face d'exposition à la lumière. Cette couche 95 permet notamment d'obtenir une surface plane au dessus des filtres. Pour concentrer l'intensité lumineuse reçue à la surface du pixel 81 vers la zone photosensible 85, une microlentille 97 est disposée à la surface de la couche intermédiaire 95, en regard de la portion de substrat associée au pixel. Le parcours des rayons lumineux représentés à titre d'exemple en traits pleins correspond au cas d'un angle d'incidence moyen proche de zéro, c'est-à-dire aux rayons reçus par un pixel situé au centre du capteur. La microlentille 97 fait converger de tels rayons vers la zone photosensible 85. Ainsi, le pixel 81 est adapté à être positionné au centre du capteur. La figure 5B est une vue en coupe d'un pixel 101 situé dans une zone périphérique d'un capteur d'images et destiné à recevoir des rayons d'angles d'incidence moyen non nul. Le pixel 101 est identique au pixel 81 de la figure 5A mais sa microlentille 103 est décalée par rapport à la zone photosensible 107. Le décalage dépend de la position du pixel sur le capteur et est tel que les rayons lumineux reçus convergent vers la zone 107. Le filtre couleur 109 étant disposé B9591 - ST-09-GR1-079

9 dans la cavité creusée dans l'empilement de couches isolantes, il ne peut pas être décalé avec la microlentille comme dans le cas de la figure 3B. Le parcours des rayons lumineux représentés à titre d'exemple en traits pleins correspond au cas d'un angle d'incidence non nul. On observe que certains rayons (à droite dans la figure) ne traversent qu'une très faible épaisseur du filtre 109 avant d'atteindre la zone photosensible 107. En outre, certains rayons traversent partiellement le filtre couleur du pixel voisin. Ceci résulte de l'impossibilité de déplacer le filtre comme la microlentille, parallèlement à celle-ci, et s'amplifie lorsque l'angle d'incidence moyen des rayons reçus augmente. Il arrive en outre que des rayons se réfléchissent sur les pistes et nias métalliques, ce qui perturbe le signal collecté par la zone photosensible. Selon un aspect de la présente invention, on prévoit de disposer des microlentilles asymétriques en regard du filtre couleur, de façon que les rayons reçus convergent vers la zone photosensible et traversent entièrement le filtre.

La figure 6 est une vue en coupe représentant la structure d'un pixel 111 situé dans une zone périphérique d'un capteur d'images et destiné à recevoir des rayons d'angle d'incidence moyen non nul. Le capteur 111 est identique au capteur 101 de la figure 5B à l'exception de sa microlentille 113 qui diffère de la microlentille 103 du pixel 101. Contrairement à la microlentille 103, la microlentille 113 est disposée entièrement au dessus du filtre couleur 115, lui-même centré sur la zone photosensible 117. En outre, la microlentille 113 est asymétrique. L'axe optique de la microlentille 113 passe par le point d'épaisseur maximale qui ne correspond alors pas au centre du pixel. Le décalage de l'axe optique est calculé en fonction de la position du pixel sur le capteur, de l'épaisseur de diélectrique, et des indices de réfraction, de façon que les rayons reçus convergent vers la zone photosensible 117 comme l'illustre le parcours représenté en traits pleins. Ainsi, le B9591 - ST-09-GR1-079

10 pixel 111 est adapté à être positionné en périphérie du capteur et à recevoir des rayons lumineux d'angle d'incidence moyen non nul. Tous les rayons lumineux traversent entièrement le filtre quel que soit leur point d'incidence sur la microlentille.

Pour réaliser des microlentilles asymétriques, il existe divers procédés tels que la gravure en niveaux de gris. Ce procédé consiste notamment, lors d'une première étape, à déposer une couche de résine photosensible sur la face d'exposition à la lumière d'un capteur. Lors d'une autre étape, la résine est exposée à l'aide d'un masque en niveaux de gris. Ainsi, l'intensité de l'irradiation reçue par la résine varie dans l'espace en fonction de la position dans le masque. Après cette étape, la résine est développée. La sensibilité de la résine au développement est proportionnelle à l'intensité de l'irradiation reçue pendant l'exposition. Ainsi, la quantité de résine restant après le développement est inversement proportionnelle au niveau de gris du masque. Un tel procédé peut en outre comporter des étapes de recuit non décrites ci-dessus. Il est ainsi possible de "sculpter" des microlentilles de forme adaptée pour tous les pixels du capteur. Selon un avantage de l'invention, la structure de pixel proposée permet de réduire la distance entre la microlentille et la zone photosensible, augmentant ainsi la sensibilité du capteur. Selon un avantage de l'invention, toutes les microlentilles asymétriques du capteur peuvent être formées simultanément selon des procédés de fabrication connus. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se restreint pas aux exemples décrits ou représentés dans lesquels deux niveaux d'interconnexion sont utilisés pour l'adressage et la lecture des pixels. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le B9591 - ST-09-GR1-079

11 nombre de niveaux d'interconnexion formés dans le capteur. En outre, l'invention ne se restreint pas aux seuls capteurs pour lesquels les microlentilles asymétriques sont fabriquées par le procédé de gravure en niveaux de gris décrit ci-dessus. On pourra utiliser d'autres procédés adaptés à former des microlentilles asymétriques, par exemple des procédés de moulage. Par ailleurs, les structures de pixel décrites ci-dessus comportent un élément de filtrage couleur constitué d'une résine organique. L'invention ne se restreint pas à ce cas particulier. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le type de filtre couleur utilisé.

Claims

REVENDICATIONS1. Capteur d'images comprenant une matrice de pixels (111), dans lequel chaque pixel comprend, selon un empilement vertical : une zone centrale photosensible (117) ; un empilement d'interconnexions (Ml, M2) surmontant la périphérie de la zone photosensible et s'étendant vers le haut jusqu'à une première hauteur ; une couche de filtrage (115) surmontant la zone photosensible et s'étendant vers le haut à partir d'une hauteur 10 inférieure à la première hauteur ; et une microlentille (113) surmontant en projection verticale la couche de filtrage, l'axe optique de cette microlentille étant tel que les rayons lumineux reçus par le pixel atteignent la zone photosensible, sensiblement en son 15 centre.
2. Capteur d'images selon la revendication 1, dans lequel la couche de filtrage est composée d'une résine organique colorée.
3. Capteur d'images selon la revendication 1 ou 2, 20 dans lequel l'épaisseur entre la surface de la zone photosensible et la microlentille est comprise entre 0,5 m et 5 m.
4. Capteur d'images selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel des couches isolantes sont 25 intercalées entre les interconnexions successives.
5. Capteur d'images selon la revendication 4, dans lequel les couches isolantes sont composées d'oxyde de silicium.
6. Capteur d'images selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les microlentilles sont 30 formées dans une couche de résine photosensible par un procédé de masquage par niveaux de gris, d'exposition par éclairage du masque, et de développement, dans lequel l'épaisseur de résine photosensible est inversement proportionnelle au niveau de gris de la portion de masque qui la recouvre.