FR3066319B1 - Capteur d'image a defauts reduits - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un capteur d'image comprenant au moins un élément métallique (10) situé du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement par rapport à la zone de photoconversion (2), dans lequel ledit élément métallique (10) est recouvert au moins partiellement, du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement, d'un matériau absorbant les rayons lumineux (24).

Description

CAPTEUR D'IMAGE A DEFAUTS REDUITS
Domaine
La présente demande concerne les capteurs d'image et leurs procédés de fabrication.
Exposé de l'art antérieur
Un capteur d'image comporte classiquement une matrice de pixels comportant chacun une photodiode et un circuit de contrôle adapté à fournir un signal de sortie représentatif du niveau d'éclairement reçu par sa photodiode. Un tel capteur permet d'acquérir une image discrétisée et numérisée d'une scène (ou image numérique).
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un exemple de capteur d'image du type à éclairement par la face avant. Plus précisément, la figure 1 illustre deux pixels d'une matrice de pixels du capteur d'image. Chaque pixel comprend une zone de photoconversion 2 constituée d'une couche de matériau semiconducteur. Le capteur d'image comprend éventuellement des zones mémoire 4 formées dans la couche de matériau semiconducteur. Les zones de photoconversion 2 sont séparées entre elles et des zones mémoire 4 par des tranchées isolantes profondes 6 ou DTI (de l'anglais "Deep Trench Isolation"), qui permettent de les isoler électriquement et optiquement. Divers transistors non représentés, par exemple des transistors de sélection, de transfert et d'initialisation, peuvent aussi être formés dans et sur la couche de matériau semiconducteur.
Le capteur d'image comprend, de plus, une couche isolante 8, par exemple en oxyde de silicium, recouvrant la couche de matériau semiconducteur. Des niveaux d'interconnexion sont enterrés dans la couche isolante 8. Les niveaux d'interconnexion sont formés de métallisations 10 connectées entre elles par des vias conducteurs non représentés. Les niveaux d'interconnexion permettent de connecter différents éléments formés dans et/ou sur la couche de matériau semiconducteur, comme par exemple des transistors non représentés, entre eux ou à la surface de la structure. Les métallisations 10 sont placées dans la couche isolante 8 de telle manière que les portions de la couche isolante 8 en regard de chaque zone de photoconversion 2 soient exemptes de métallisations 10, ce qui permet le passage de rayons lumineux jusqu'à la zone de photoconversion 2. Des métallisations peuvent en outre être formées au-dessus de zones mémoire 4 de manière à empêcher des rayons lumineux d'atteindre ces zones.
Dans l'exemple représenté en figure 1, la structure est recouverte d'une autre couche 12 d'isolant. La couche 12 est par exemple une couche anti-reflets. Des lentilles 14 sont disposées sur la couche 12. Une lentille 14 est placée en regard de chaque zone de photoconversion 2 de manière à focaliser les rayons lumineux vers la zone de photoconversion 2 correspondante. Des couches supplémentaires peuvent être placées entre les lentilles 14 et les zones de photoconversion 2, par exemple des filtres de couleurs.
Les caractéristiques des lentilles 14 situées en regard des zones de photoconversion 2, par exemple leur distance focale, sont déterminées de telle manière que sensiblement la totalité des rayons lumineux dont les longueurs d'onde appartiennent à une gamme de longueur d'onde choisie atteignent la zone de photoconversion 2.
Dans l'exemple de la figure 1, cette gamme de longueur d'onde correspond au domaine du visible, c'est-à-dire des longueurs d'onde comprises entre 380 et 780 nm.
Il apparaît couramment des défauts sur l'image numérique lors de l'utilisation de capteurs tels qu'ils sont fabriqués actuellement. Ces défauts apparaissent notamment quand la scène comporte des objets très lumineux, par exemple le soleil. On constate alors souvent une déformation de l'image, par exemple la formation de halos (en anglais "flare") autour du soleil ou la présence d'images fantôme (en anglais "ghost"), par exemple plusieurs soleils.
Il serait souhaitable de prévoir un capteur d'image palliant tout ou partie de ces inconvénients. Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un capteur d'image comprenant au moins un élément métallique situé du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement par rapport à la zone de photoconversion, dans lequel ledit élément métallique est recouvert au moins partiellement, du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement, d'un matériau absorbant les rayons lumineux.
Selon un mode de réalisation, le capteur est de type à éclairement par la face avant.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément métallique est une métallisation du niveau d'interconnexion supérieur.
Selon un mode de réalisation, le capteur est de type à éclairement par la face arrière.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément métallique est situé en regard d'une zone mémoire du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement.
Selon un mode de réalisation, le matériau absorbant est composé de particules métalliques capables d'absorber des rayons lumineux.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de matériau absorbant est comprise entre 100 et 500 nm.
Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'image comprenant : déposer une couche de matériau adapté à absorber les rayons lumineux ; retirer ladite couche à l'exception de portions recouvrant au moins partiellement des éléments métalliques situés du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement par rapport à la zone de photoconversion.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe partielle d'un capteur d'image du type à éclairement par la face avant ; la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un capteur d'image ayant une structure du type à éclairement par la face avant ; la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un capteur d'image ayant une structure du type à éclairement par la face arrière ; et les figures 4A à 4E sont des vues en coupe partielles illustrant des étapes d'un exemple d'un procédé de fabrication du capteur de la figure 2.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Dans la description qui suit, lorsque l'on mentionne des qualificatifs tels que les termes "avant", "arrière", "dessus", "supérieur", "inférieur", etc. il est fait référence à l'orientation des éléments concernés dans les figures. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", et "sensiblement" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Les défauts apparaissant dans les images numériques produites par les capteurs d'image tels que celui décrit précédemment seront expliqués ici en relation avec la figure 1.
La figure 1 illustre des rayons lumineux reçus par le capteur d'image. Ces rayons peuvent être divisés en deux catégories : des rayons lumineux utiles 16 qui atteignent effectivement la zone de photoconversion 2, et des rayons lumineux parasites 18. La quantité de rayons parasites dépend de la longueur d'onde de la lumière, des dimensions du pixel et de la partie de la lentille 14 traversée par le rayon incident. En particulier, lorsque des rayons lumineux ont une longueur d'onde de l'ordre des dimensions de la lentille, une partie importante de la lumière est diffractée de manière parasite.
Les rayons parasites 18 sont susceptibles d'atteindre des métallisations 10 et de s'y réfléchir vers l'extérieur. Les rayons 18 peuvent ensuite être réfléchis sur des éléments (capteurs, lentilles, filtres), non représentés, placés en regard du pixel, et revenir vers un pixel différent sous forme de rayons lumineux parasites 19. De tels rayons 19 sont représentés en pointillés en figure 1.
Les rayons parasites 19 provoquent l'apparition des phénomènes évoqués précédemment, c'est-à-dire les halos et les images fantôme.
La structure décrite en relation avec la figure 1 est une structure à éclairement par la face avant dans laquelle les niveaux d'interconnexion se situent entre la face destinée à recevoir l'éclairement et les zones de photoconversion 2. La structure d'un capteur d'image peut aussi être une structure à éclairement par la face arrière dont un exemple sera décrit en relation avec la figure 3, et dans laquelle les zones de photoconversion sont situées entre la face destinée à recevoir l'éclairement et les niveaux d'interconnexion. Dans une telle structure, un élément métallique est généralement disposé au- dessus de chaque zone mémoire, s'il y en a, de manière à bloquer les rayons lumineux qui pourraient atteindre la zone mémoire. Cet élément métallique peut provoquer des réflexions parasites de rayons lumineux 18 de la même manière que les métallisations 10 et donc contribuer à l'apparition des défauts décrits précédemment.
Il serait souhaitable de prévoir un capteur d'image palliant au moins partiellement ces problèmes.
La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur d'image ayant une structure du type à éclairement par la face avant similaire à celle de la figure 1. Divers éléments de la structure de la figure 1 sont présents dans la structure de la figure 2. Ces éléments sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits une nouvelle fois.
Les métallisations 10 du niveau d'interconnexion supérieur de la structure de la figure 2 affleurent la surface de la couche 8 d'isolant. Il est aussi possible pour les métallisations 10 d'être situées sous une couche d'isolant. Des portions 24 de matériau absorbant les rayons lumineux recouvrent au moins partiellement les métallisations 10 du niveau d'interconnexion. Chaque portion 24 de matériau absorbant est de préférence noyée dans la couche isolante 12.
Les portions 24 de matériau absorbant ont par exemple une épaisseur comprise entre 100 et 500 nm, par exemple 200 nm. La surface de chaque portion 24 et la surface de la métallisation 10 avec laquelle elle est en contact ont approximativement les mêmes dimensions.
Le matériau absorbant est par exemple une résine opaque ou un composé comprenant des particules métalliques capables d'absorber de la lumière. Les types de métaux utilisés dépendent de la gamme de longueurs d'onde que l'on souhaite absorber. Ces particules métalliques peuvent être par exemple des particules de tungstène ou de titane dans le cas du proche infrarouge, c'est-à-dire des longueurs d'onde comprises entre 780 nm et 3 pm.
Les rayons parasites 18 atteignant les portions 24 sont absorbés au lieu d'être réfléchis par les métallisations 10. Les défauts décrits précédemment sont donc significativement réduits.
La figure 3 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un capteur d'image ayant une structure du type à éclairement par la face arrière. Plus précisément, la figure 3 illustre deux pixels d'une matrice de pixels.
Le capteur décrit comprend une couche 26 d'isolant, par exemple de l'oxyde de silicium, dans laquelle sont enterrés des niveaux d'interconnexion formés de métallisations 28 connectées entre elles par des vias conducteurs non représentés.
Au-dessus de la couche d'isolant 26 se trouve une couche de matériau semiconducteur comprenant les zones de photoconversion 30, dont deux sont représentées en figure 3, des zones mémoire 32, dont deux sont représentées, ainsi que d'autres composants non représentés, par exemple des transistors. Les zones de photoconversion 30 sont séparées entre elles et des zones mémoire 32 par des tranchées isolantes profondes 33, qui permettent de les isoler électriquement et optiquement.
La couche de matériau semiconducteur est recouverte d'une couche isolante 34. Des éléments métalliques 36 sont enterrés dans la couche 34 en regard des zones mémoire 32. Les éléments métalliques 36 n'ont pas de fonction électrique et ne servent qu'à empêcher les rayons lumineux d'atteindre les zones mémoire.
Les éléments métalliques 36 sont recouverts, dans la couche isolante 34, de portions 38 d'un matériau absorbant les rayons lumineux. Chaque portion 38 de matériau absorbant recouvre au moins partiellement la face supérieure de l'élément métallique 36 avec laquelle elle est en contact, de préférence sensiblement toute la face supérieure.
Les portions 38 de matériau absorbant sont identiques aux portions 24 de matériau absorbant décrites ci-dessus.
Des lentilles 40 sont disposées sur la couche isolante 34. Chaque lentille est située en regard d'une zone de photoconversion 30.
La figure 3 illustre des rayons lumineux 16 et 18 tels que définis précédemment. Les rayons parasites 18 sont absorbés par les portions 38 de matériau absorbant. Comme dans le cas du capteur de type à éclairement par la face avant illustré en figure 2, les défauts dus à la réflexion de rayons parasites 18 sont significativement diminués.
Les figures 4A à 4E illustrent des étapes de fabrication de quatre pixels du capteur d'image illustré en figure 2.
La figure 4A illustre le résultat d'une étape initiale de fabrication comprenant des étapes classiques de fabrication d'un capteur d'image de type à éclairement par la face avant. Au cours de cette étape, des composants sont formés dans une couche de matériau semiconducteur. En particulier, des zones de photoconversion 2 associées à des zones mémoire 4, dont quatre sont représentées en figure 4A, ainsi que des transistors non représentés sont formés dans et sur la couche de matériau semiconducteur. Des tranchées isolantes profondes 6 sont aussi formées dans la couche de matériau semiconducteur de manière à séparer les différentes zones.
La couche de matériau semiconducteur est recouverte d'une couche isolante 8 dans laquelle sont formés des niveaux d'interconnexion composés de métallisations 10 connectées entre elles par des vias non représentés. Les niveaux d'interconnexion sont situés de telle manière que les portions de la couche isolante 8 en regard des zones de photoconversion 2 soient exemptes de métallisations.
La couche isolante 8 est recouverte d'une couche 42 de passivation, par exemple en nitrure de silicium.
Les couches isolantes 42 et 8 peuvent s'étendre sur toute la structure d'une puce et non seulement sur la matrice de pixels. Par exemple, ces couches peuvent recouvrir des circuits logiques non représentés proches de la matrice de pixels afin de les protéger durant des étapes suivantes du procédé. Dans le cas où les couches 42 et 8 ne sont pas utilisées à des fins de protection, il est possible d'arrêter cette étape initiale après la formation du niveau d'interconnexion supérieur et de ne pas effectuer l'étape illustrée en figure 4B. A l'étape illustrée par la figure 4B, les couches 42 et 8 sont gravées au-dessus de la matrice de pixels jusqu'à découvrir les métallisations 10 du niveau supérieur d'interconnexion. A l'étape illustrée par la figure 4C, une couche 44 de matériau absorbant les rayons lumineux est déposée sur la structure. La couche 44 a par exemple une épaisseur comprise entre 100 et 500 nm, par exemple 200 nm. A l'étape illustrée par la figure 4D, la couche 44 de matériau absorbant est retirée, à l'exception de portions 24 recouvrant au moins partiellement chacune des faces supérieures des métallisations 10 du niveau supérieur d'interconnexion. A l'étape illustrée par la figure 4E, une couche isolante 12 est déposée sur la structure. Diverses couches non représentées peuvent être déposées à cette étape, par exemple des couches formant des filtres de couleurs.
Des lentilles 14 sont ensuite disposées sur la structure. Une lentille 14 est disposée en regard de chaque zone de photoconversion.
Dans le cas d'un capteur d'image de type à éclairement par la face arrière tel que celui illustré en figure 3, les étapes de fabrication des portions de matériau absorbant sont similaires à celles d'un capteur de type à éclairement par la face avant. Les étapes classiques de fabrication d'un capteur de type à éclairement par la face arrière sont effectuées jusqu'à la formation de la couche isolante 34 contenant des éléments métalliques 36 en regard de zones mémoire 32. Les étapes suivantes sont les mêmes que celles décrites en relation avec les figures 4B à 4E, à l'exception de l'étape illustrée en figure 4B où la structure est gravée jusqu'aux éléments métalliques 36 et non jusqu'aux métallisations 10.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 1'art.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS
    1. Capteur d ' image de type à éclairement par la face arrière, comprenant au moins un élément métallique (10, 36) situé du côté de la face destinée à recevoir 1'éclairement par rapport à la zone de photoconversion (2, 30), dans lequel ledit élément métallique (10, 36) est recouvert au moins partiellement, du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement, d'un matériau absorbant les rayons lumineux (24, 38) et dans lequel ledit au moins un élément métallique (36) est situé en regard d'une zone mémoire (32) du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement.
  2. 2. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel le matériau absorbant (24, 38) est composé de particules métalliques capables d'absorber des rayons lumineux.
  3. 3. Capteur d’image selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel l'épaisseur de matériau absorbant (24, 38) est comprise entre 100 et 500 nm.
  4. 4. Procédé de fabrication d'un capteur d’image de type à éclairement par la face arrière, comprenant : déposer une couche (44) de matériau adapté à absorber les rayons lumineux ; retirer ladite couche (44) à l'exception de portions (24) recouvrant au moins partiellement des éléments métalliques (10, 36) situés du côté de la face destinée à recevoir l'éclairement par rapport à la zone de photoconversion (2, 30) et situés en regard d'une zone mémoire (32) du côté de la face destinée à recevoir 1'éclairement,
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