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FR2965976A1 - Capteur d'images eclaire par la face arriere - Google Patents

Capteur d'images eclaire par la face arriere Download PDF

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FR2965976A1
FR2965976A1 FR1058194A FR1058194A FR2965976A1 FR 2965976 A1 FR2965976 A1 FR 2965976A1 FR 1058194 A FR1058194 A FR 1058194A FR 1058194 A FR1058194 A FR 1058194A FR 2965976 A1 FR2965976 A1 FR 2965976A1
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Abstract

L'invention concerne un capteur d'images éclairé par la face arrière comprenant un ensemble de pixels (7), chaque pixel comprenant, selon un empilement vertical, une zone photosensible (9) et un élément de filtrage (15) surmontant la zone photosensible du côté de la face arrière, dans lequel aux moins deux éléments de filtrage (15) adjacents de pixels adjacents sont séparés par une paroi métallique (23) verticale s étendant sur au moins quatre vingt dix pourcent de la hauteur des éléments de filtrage ou sur une hauteur supérieure.

Description

B10529 - 10-GR1-224 1 CAPTEUR D'IMAGES ÉCLAIRÉ PAR LA FACE ARRIÈRE
Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'images. Elle vise plus particulièrement un capteur d'images couleur à éclairement par la face arrière.
Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique une portion d'un capteur d'images couleur 1 à éclairement par la face arrière, formé dans et autour d'un substrat semiconducteur 3, par exemple un substrat de silicium.
On désigne ici et dans la suite de la présente description par "face avant" d'une puce semiconductrice (par exemple un capteur d'images) la face de la puce du côté de laquelle sont formés les divers niveaux de métallisation d'interconnexion des composants de la puce. La "face arrière" désigne la face de la puce opposée à la face avant. Le substrat 3 est un substrat mince (aminci), par exemple d'environ 1 à 5 pm d'épaisseur, recouvert d'un empilement 5 de couches métalliques et isolantes d'inter-connexion du côté de sa face avant. Le capteur 1 est essentiellement constitué d'une matrice de pixels 7 formés dans et autour du substrat 3.
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2 Chaque pixel 7 comprend une zone active photosensible 9 formée dans le substrat 3, correspondant généralement à une photodiode adaptée à stocker une quantité de charges électriques qui dépend de l'intensité lumineuse reçue. La zone photo- sensible 9 a par exemple, en vue de dessus, la forme d'un carré ou d'un rectangle, et s'étend sensiblement sur toute l'épaisseur du substrat 3. Les zones photosensibles 9 de pixels voisins sont séparées par des régions isolantes 11, par exemple des tranchées remplies d'oxyde de silicium s'étendant verticalement depuis la face avant jusqu'à la face arrière du substrat 3. Des pistes conductrices 13 de l'empilement d'inter-connexion 5, et des nias conducteurs non représentés, permettent d'adresser les pixels et de recueillir des signaux électriques. Du côté de la face arrière du capteur, chaque pixel 7 comprend en outre un élément de filtrage couleur 15, par exemple un filtre organique, disposé en regard de la portion de substrat 3 associée au pixel. En pratique, les éléments de filtrage 15 de pixels adjacents sont juxtaposés, l'ensemble des éléments 15 du capteur définissant une couche de filtrage d'épaisseur d'environ 0,5 à 1,5 dam surmontant la face arrière du substrat. La face arrière de la couche de filtrage est généralement recouverte d'une mince couche d'égalisation 16, par exemple une couche d'oxyde ou de résine planarisante d'environ 100 à 300 nm d'épaisseur, qui définit une face d'exposition à la lumière.
Pour concentrer l'intensité lumineuse reçue à la surface du pixel vers la zone photosensible 9 associée, chaque pixel 7 comprend en outre une microlentille 17, disposée du côté de la face arrière de la couche 16, en regard de l'élément de filtrage 15 du pixel.
A titre d'exemple, pour réaliser un capteur de ce type, on part d'un substrat 3 d'épaisseur standard, par exemple de quelques centaines de dam, dans la partie supérieure duquel on forme les zones photosensibles 9 et les régions isolantes 11. L'empilement 5 d'interconnexion est alors formé à la surface du substrat 3, et une poignée support non représentée est accolée à B10529 - 10-GR1-224
3 la face avant de l'empilement d'interconnexion. Alors que le capteur est maintenu par la poignée support, le substrat 3 est aminci par sa face arrière. Après l'amincissement, les filtres 15, la couche d'égalisation 16, et les microlentilles 17 sont formés du côté de la face arrière du substrat. On notera qu'un tel capteur peut aussi être réalisé de façon similaire à partir d'un substrat de type silicium sur isolant, comprenant une mince couche semiconductrice formée à la surface d'un support isolant. Les capteurs d'images à éclairement par la face arrière présentent généralement une meilleure sensibilité que les capteurs à éclairement par la face avant, car les rayons lumineux n'ont pas à traverser l'empilement d'interconnexion 5 pour atteindre les régions photosensibles 9. Toutefois, un inconvénient de ces capteurs est qu'ils sont particulièrement sujets à des phénomènes de mélange des couleurs entre des filtres couleur voisins. En particulier, il peut arriver qu'un rayon lumineux traverse deux filtres 15 adjacents de couleurs distinctes avant d'atteindre une zone photosensible 9. Il peut aussi arriver qu'un rayon lumineux soit essentiellement filtré par un filtre 15 d'une première couleur, et atteigne la zone photosensible 9 d'un pixel voisin, associé à une autre couleur. Ces phénomènes sont couramment désignés dans la technique par les termes "diaphotie", ou, en anglais, "optical crosstalk", et nuisent à la qualité des images acquises par le capteur. Ils se produisent notamment lorsque des rayons lumineux atteignent les filtres 15 avec des angles d'incidence inadaptés, par exemple en cas de mauvais alignement des microlentilles 17, ou en cas de réflexions parasites dans le capteur. Ces phénomènes sont particulièrement marqués dans les régions périphériques du capteur, dans lesquelles les pixels sont éclairés par des rayons lumineux d'angles d'incidence relativement élevés, pouvant dépasser 30°. Pour limiter les phénomènes de diaphotie et améliorer la sensibilité du capteur, on peut prévoir, pour chaque pixel du capteur autre que le ou les pixels centraux, de décaler, en vue B10529 - 10-GR1-224
4 de dessus, le filtre 15 et la microlentille 17 par rapport à la zone photosensible 9, d'une distance dépendant de la position du pixel sur le capteur. Le décalage introduit est choisi en fonction de l'angle d'incidence des rayons éclairant normalement le pixel, de façon à faire converger au mieux ces rayons vers la zone photosensible. En pratique, plus le pixel est éloigné du centre du capteur, plus le décalage introduit est important. Toutefois, la prévision d'un tel décalage rend la fabrication des capteurs relativement complexe.
En outre, il subsiste malgré tout des phénomènes de diaphotie non négligeables entre des pixels adjacents. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'images à éclairement par la face arrière, palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions usuelles. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de réduire les phénomènes de diaphotie entre des filtres voisins dans un capteur d'images à éclairement par la face arrière. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'images à éclairement par la face arrière facile à réaliser par rapport aux solutions existantes.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'images éclairé par la face arrière comprenant un ensemble de pixels, chaque pixel comprenant, selon un empilement vertical, une zone photosensible et un élément de filtrage surmontant la zone photosensible du côté de la face arrière, dans lequel aux moins deux éléments de filtrage adjacents de pixels adjacents sont séparés par une paroi métallique verticale s'étendant sur au moins quatre vingt dix pourcent de la hauteur des éléments de filtrage ou sur une hauteur supérieure.
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Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur comprend en outre une couche d'égalisation surmontant les éléments de filtrage et les parois métalliques du côté de la face arrière. 5 Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque pixel comprend en outre une microlentille surmontant l'élément de filtrage du côté de la face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque pixel comprend en outre une microlentille surmontant la 10 couche d'égalisation du côté de la face arrière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les zones photosensibles sont formées dans une couche semiconductrice et sont séparées les unes des autres par des tranchées d'isolation. 15 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les parois métalliques surmontent, en projection verticale, les tranchées d'isolation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la hauteur des parois métalliques est comprise entre 0,5 et 20 1,5 fun. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les parois métalliques sont en un métal du groupe comprenant l'aluminium et le tungstène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 un empilement d'interconnexion surmonte les zones photosensibles du côté de la face avant. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 30 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 coupe représentant de façon schématique et partielle un capteur d'images à éclairement par la face arrière ; B10529 - 10-GR1-224
6 la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique et partielle un mode de réalisation d'un capteur d'images à éclairement par la face arrière ; les figures 3A et 3B sont des vues en coupe schématiques et partielles illustrant des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un capteur du type décrit en relation avec la figure 2 ; et les figures 4A à 4D sont des vues en coupe schématiques et partielles illustrant des étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un capteur du type décrit en relation avec la figure 2. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références sur les 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 2 représente un capteur d'images 21 à éclairement par la face arrière. Le capteur 21 présente de nombreuses similitudes avec le capteur 1 de la figure 1, et ne sera pas décrit en détail ci-après. Seuls seront exposés ici les éléments utiles à la compréhension de l'invention. Le capteur 21 comprend les mêmes éléments que le capteur 1 de la figure 1, à savoir des zones photosensibles 9 formées dans un substrat aminci 3 et séparées par des régions isolantes 11 ; un empilement 5 d'interconnexion surmontant la face avant du substrat 3 ; et des éléments de filtrage couleur 15, une couche d'égalisation 16, et des microlentilles 17 du côté de la face arrière du substrat.
Le capteur 21 comprend en outre, entre les éléments de filtrage 15, des parois métalliques verticales 23 séparant les éléments de filtrage 15 les uns des autres. On entend ici par "parois verticales" des parois orthogonales au plan du capteur. Les parois 23 s'étendent approximativement sur toute la hauteur, par exemple sur au moins 90% de la hauteur de la couche de B10529 - 10-GR1-224
7 filtrage, et sont de préférence réalisées en aluminium, en tungstène, ou en tout autre métal adapté à réfléchir la lumière. Les parois 23 permettent d'empêcher tout passage direct de la lumière entre des éléments de filtrage adjacents.
Lorsque la trajectoire d'un rayon lumineux vient à rencontrer une paroi 23, par exemple si le rayon est entré dans un filtre 15 avec un angle d'incidence trop élevé, ce rayon est réfléchi par la paroi 23. Après réflexion, la lumière atteint la zone photosensible 9 correspondant au filtre 15 par lequel le rayon est entré dans le capteur. Ainsi, les parois 23 permettent à la fois d'éviter la diaphotie entre filtres adjacents, et d'augmenter la quantité de photons reçue dans les zones photo-sensibles, c'est-à-dire la sensibilité du capteur. Dans l'exemple représenté, les parois métalliques 23 ont sensiblement la même largeur que les régions isolantes 11 séparant les zones photosensibles 9 les unes des autres, c'est-à-dire par exemple une largeur d'environ 30 à 60 nm, et sont disposées en regard des tranchées isolantes 11. Une telle disposition permet de garantir une continuité entre l'isolation optique assurée par les parois 23, et l'isolation électrique assurée par les tranchées 11. Dans l'exemple représenté, les parois 23 s'étendent depuis la face avant de la couche de filtrage 15 jusqu'à la face arrière de la couche de filtrage 15. Toutefois, on pourra aussi prévoir que les parois 23 se prolongent à travers la couche d'égalisation 16 pour améliorer encore l'isolation optique entre des pixels voisins. Dans un tel capteur, il n'est pas utile de prévoir, pour un pixel périphérique, un décalage du filtre 15 et de la microlentille 17 par rapport à la zone photosensible 9. En effet, les parois 23 suffisent à garantir la convergence de la lumière reçue par le pixel vers la zone photosensible 9 correspondante. Ceci simplifie de façon significative la conception et la fabrication du capteur. Un léger décalage des B10529 - 10-GR1-224
8 microlentilles 17 pourra toutefois être prévu pour optimiser encore les performances du capteur. Par ailleurs, la présence des parois métalliques 23 rend le capteur peu sensible à d'éventuelles erreurs d'alignement des microlentilles 17, liées par exemple aux imprécisions des procédés de fabrication. On notera que dans une variante de réalisation, on pourra même se passer complètement des microlentilles de focalisation. Les parois 23 s'étendent alors jusqu'à proximité immédiate de la face d'exposition à la lumière, et suffisent donc à garantir la convergence de la lumière reçue par chaque pixel vers la zone photosensible 9 correspondante. Dans ce cas, la couche d'égalisation 16 (figure 2) a aussi un rôle antireflet.
Les figures 3A et 3B sont des vues en coupe schéma-tiques et partielles illustrant des étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un capteur d'images à éclairement par la face arrière du type décrit en relation avec de la figure 2. Lors d'une étape illustrée par la figure 3A, avant la formation des éléments de filtrage 15 du capteur, on dépose une couche métallique 31, par exemple de l'aluminium, du côté de la face arrière du substrat aminci 3. Dans cet exemple, les zones photosensibles 9 et les régions isolantes 11 ont préalablement été formées dans le substrat 3. L'épaisseur de la couche 31 doit être sensiblement égale à la hauteur des parois métalliques 23 (figure 2) que l'on souhaite réaliser, par exemple de l'ordre de 0,5 à 1,5 fun. Lors d'une étape illustrée par la figure 3B, la couche 31 est retirée localement par gravure. On prévoit de retirer le métal 31 en regard des zones photosensibles 9, de façon à conserver uniquement un quadrillage de parois métalliques 23 orthogonales à la face arrière du substrat 3, en regard des régions isolantes 11. Une couche d'arrêt de gravure (non représentée) pourra éventuellement être prévue entre la couche métallique 31 et la face arrière du substrat aminci 3.
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9 Lors d'une étape ultérieure non représentée, les éléments de filtrage 15 sont déposés entre les parois métalliques 23. D'autres éléments du capteur peuvent alors être formés selon des étapes de fabrication habituelles, par exemple une couche d'égalisation et des microlentilles. Les figures 4A à 4D sont des vues en coupe schématiques et partielles illustrant des étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un capteur d'images à éclairement par la face arrière, du type décrit en relation avec la figure 2. Lors d'une étape illustrée par la figure 4A, avant la formation des éléments de filtrage 15 du capteur, on dépose une couche isolante 41 du côté de la face arrière du substrat aminci 3. Dans cet exemple, les zones photosensibles 9 et les régions isolantes 11 ont préalablement été formées dans le substrat 3. La couche 41 est par exemple une couche d'oxyde. Son épaisseur doit être sensiblement égale à la hauteur des parois métalliques 23 (figure 2) que l'on souhaite réaliser, par exemple de l'ordre de 0,5 à 1,5 pm.
Lors d'une étape illustrée par la figure 4B, des tranchées 43 sont gravées dans la couche 41, s'étendant verticalement sur toute l'épaisseur de la couche 41. Les tranchées 43 délimitent les parois métalliques 23 que l'on souhaite réaliser. Elles sont par exemple formées en regard des régions isolantes 11 séparant les régions photosensibles 9 les unes des autres. Lors d'une étape illustrée par la figure 4C, les tranchées 43 sont remplies de métal, par exemple du tungstène, de façon à former les parois métalliques 23. Une étape intermédiaire de polissage (non représentée) peut être prévue pour éliminer d'éventuels surplus de métal à la surface de la couche 41. Lors d'une étape illustrée par la figure 4D, l'isolant 41 est retiré, par exemple par gravure, de façon à ne conserver 35 que le quadrillage de parois métalliques 23.
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10 Lors d'une étape ultérieure non représentée, les éléments de filtrage 15 sont formés entre les parois métalliques 23, puis éventuellement revêtus d'une couche d'égalisation et de microlentilles.
On remarquera qu'un avantage de la structure de capteur proposée est qu'elle permet d'éviter, lors de la formation des filtres 15, un éventuel mélange des couleurs dans les zones d'interface entre des filtres 15 adjacents. L'efficacité des filtres couleur est donc améliorée.
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 capteurs du type décrit ci-dessus, dans lequel les zones photosensibles de pixels adjacents sont séparées par des tranchées isolantes. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit la structure des zones photosensibles du capteur. Plus généralement, l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché dans toute structure connue de capteur d'images à éclairement par la face arrière comprenant des éléments de filtrage.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Capteur d'images éclairé par la face arrière comprenant un ensemble de pixels (7), chaque pixel comprenant, selon un empilement vertical, une zone photosensible (9) et un élément de filtrage (15) surmontant la zone photosensible du côté de la face arrière, dans lequel aux moins deux éléments de filtrage (15) adjacents de pixels adjacents sont séparés par une paroi métallique (23) verticale s'étendant sur au moins quatre vingt dix pourcent de la hauteur des éléments de filtrage ou sur une hauteur supérieure.
  2. 2. Capteur selon la revendication 1, comprenant en outre une couche d'égalisation (16) surmontant les éléments de filtrage (15) et les parois métalliques (23) du côté de la face arrière.
  3. 3. Capteur selon la revendication 1, dans lequel chaque pixel (7) comprend en outre une microlentille (17) surmontant l'élément de filtrage (15) du côté de la face arrière.
  4. 4. Capteur selon la revendication 2, dans lequel chaque pixel (7) comprend en outre une microlentille (17) surmontant la couche d'égalisation (16) du côté de la face arrière.
  5. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les zones photosensibles (9) sont formées dans une couche semiconductrice (3) et sont séparées les unes des autres par des tranchées d'isolation (11).
  6. 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel les parois métalliques (23) surmontent, en projection verticale, les tranchées d'isolation (11).
  7. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 6, dans lequel la hauteur des parois métalliques (23) est comprise entre 0,5 et 1,5 dam.
  8. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les parois métalliques (23) sont en un métal du groupe comprenant l'aluminium et le tungstène.B10529 - 10-GR1-224 12
  9. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel un empilement d'interconnexion (5) surmonte les zones photosensibles du côté de la face avant.
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