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FR3040536A1 - Capteur d'image a diaphotie spectrale et optique reduite - Google Patents

Capteur d'image a diaphotie spectrale et optique reduite Download PDF

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FR3040536A1
FR3040536A1 FR1557884A FR1557884A FR3040536A1 FR 3040536 A1 FR3040536 A1 FR 3040536A1 FR 1557884 A FR1557884 A FR 1557884A FR 1557884 A FR1557884 A FR 1557884A FR 3040536 A1 FR3040536 A1 FR 3040536A1
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FR
France
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image sensor
antireflection layer
pads
sensor according
radiation
Prior art date
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Pending
Application number
FR1557884A
Other languages
English (en)
Inventor
Axel Crocherie
Michel Marty
Jean-Luc Huguenin
Sebastien Jouan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Original Assignee
STMicroelectronics SA
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA, STMicroelectronics Crolles 2 SAS filed Critical STMicroelectronics SA
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Priority to US15/050,579 priority patent/US9685472B2/en
Publication of FR3040536A1 publication Critical patent/FR3040536A1/fr
Priority to US15/489,265 priority patent/US9985119B2/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Capteur d'image intégré comprenant des pixels adjacents, chaque pixel (5) comportant une région active semi-conductrice (7) contenant une photodiode (8), une couche antireflet (13) au dessus de la photodiode (8), une région diélectrique (14,15) au dessus de la couche antireflet et un filtre optique (19) destiné à laisser passer un rayonnement lumineux incident (25) ayant une longueur d'onde donnée. La couche antireflet (13) comprend un réseau de plots (24) mutuellement séparés par un matériau diélectrique (14) de ladite région diélectrique, ledit réseau étant configuré pour permettre à la fois une transmission dudit rayonnement lumineux incident et une diffraction du rayonnement lumineux incident (25) produisant des rayonnements diffractés ayant des longueurs d'ondes inférieures à celle du rayonnement incident et atténués par rapport au rayonnement incident.

Description

Capteur d’image à diaphotie spectrale et optique réduite
Des modes de réalisation de l’invention concernent les capteurs d’images optiques, notamment les capteurs d’images réalisés en technologie CMOS de type à illumination face avant ou face arrière, et plus particulièrement, la réduction des phénomènes de diaphotie (« Cross-talk » en langue anglaise) dans ce type de capteurs comportant des pixels adjacents.
La figure 1 illustre partiellement un capteur d’images selon l’art antérieur.
Il y est représenté une vue en coupe schématique d’un premier pixel 1, adjacent à un deuxième pixel 2 d’un capteur d’image CMOS de type à illumination face avant (« FSI », Front Side Illumination selon l’acronyme anglo-saxon), les deux pixels ayant des structures analogues.
Les deux pixels peuvent par exemple faire partie d’un motif de Bayer, bien connu de l’homme du métier.
Le premier pixel 1 est réalisé sur un substrat semi-conducteur 10, au sein duquel se trouve un photorécepteur, par exemple une photodiode. Le substrat est surmonté d’une partie d’interconnexion 11, communément désignée par l’homme du métier sous l’acronyme anglo-saxon « BEOL » (Back End Of Line).
Une couche antireflet 4 peut être réalisée entre la photodiode et la partie d’interconnexion afin d’assurer une bonne transmission des rayons lumineux.
La partie d’interconnexion 11 comprend différents niveaux de métallisation Ml, M2 et des vias enrobés dans un ou des matériaux diélectriques.
Des filtres colorés 12 et 22 sont situés sur la partie d’interconnexion 11, en regard des photodiodes.
Il convient de noter que les niveaux de métallisation Ml et M2 sont réalisés de manière à ce qu’ils ne se situent pas dans la région entre le filtre optique et la photodiode. Seule une région diélectrique recouvre la couche antireflet 4.
Le pixel est surmonté d’une lentille de collimation 13, permettant d’optimiser la collection des rayons lumineux au niveau de la photodiode.
Le filtre coloré 12 du premier pixel 1 peut par exemple être configuré pour laisser passer la longueur d’onde correspondant à la couleur rouge, et le filtre 22 du deuxième pixel 2 peut être configuré pour laisser passer la longueur d’onde correspondant à la couleur verte.
En fonctionnement, les photons absorbés par la photodiode entraînent la génération de porteurs de charge, qui créent un courant électrique dans la photodiode.
La proximité des pixels les uns avec les autres peut donner lieu à des phénomènes de diaphotie particulièrement importants dans les capteurs d’images de dimensions très réduites.
Il est question de diaphotie lorsqu’un signal optique 3 arrivant par exemple sur le premier pixel 1 n’est pas totalement collecté par la photodiode 10 correspondante, dégradant ainsi les performances du capteur, notamment le rendu des couleurs.
On parle de diaphotie optique lorsque les photons traversant un filtre atteignent la photodiode d’un pixel adjacent. Par exemple, le signal optique 32, après avoir été filtré par le filtre optique 22 du deuxième pixel 2, atteint (signal optique 31) la photodiode 10 du premier pixel 1 au lieu d’atteindre la photodiode 20 du deuxième pixel 2.
On parle de diaphotie spectrale lorsque le filtre optique n’est pas assez sélectif et laisse passer des longueurs d’onde pour lesquelles il n’est pas configuré. Par exemple, un signal lumineux, après être passé dans le filtre vert peut comprendre des longueurs d’onde inférieures ou supérieures à celle du vert.
La diaphotie peut être également d’origine électrique lorsque les électrons générés par la photodiode d’un pixel se dispersent dans un pixel adjacent. Cette diaphotie d’origine électrique ne fait pas l’objet de la présente demande de brevet.
La figure 2 illustre les courbes d’efficacité quantique d’un ensemble de pixels formant un motif de Bayer. Les trois courbes B, G, R correspondent respectivement à l’efficacité quantique des pixels bleus, vert et rouge du capteur.
La partie G1 de la courbe G montre que le pixel vert détecte une part importante de signaux dont la longueur d’onde correspond à la couleur bleu.
De manière analogue, la partie RI de la courbe R montre que le pixel rouge détecte une part importante de signaux dont la longueur d’onde correspondant à la couleur verte.
Ces détections parasites témoignent des phénomènes de diaphotie expliqués précédemment.
Selon un mode de réalisation, il est proposé un capteur d’image permettant de réduire les phénomènes de diaphotie optique et spectrale, et donc d’obtenir des courbes d’efficacité quantique B, G, R ayant des pentes plus abruptes.
Ainsi selon un aspect, il est proposé un capteur d’image intégré comprenant des pixels adjacents, chaque pixel comportant une région active semi-conductrice contenant une photodiode, une couche antireflet au dessus de la photodiode, une région diélectrique au dessus de la couche antireflet et un filtre optique destiné à laisser passer un rayonnement lumineux incident ayant une longueur d’onde donnée.
Selon une caractéristique générale de cet aspect, la couche antireflet comprend un réseau de plots mutuellement séparés par un matériau diélectrique de ladite région diélectrique, ledit réseau étant configuré pour permettre à la fois une transmission, autant que possible optimisée, dudit rayonnement lumineux incident et une diffraction du rayonnement lumineux incident produisant des rayonnements diffractés ayant des longueurs d’ondes inférieures à celle du rayonnement incident et atténués par rapport au rayonnement incident.
Ainsi on réduit les phénomènes de diaphotie optique et spectrale, en proposant une couche antireflet assurant la double fonction d’antireflet pour assurer une bonne transmission du rayonnement incident et de filtre passe haut pour éliminer autant que possible les longueurs d’ondes inférieures à la longueur d’onde incidente.
Selon un mode de réalisation, le réseau de plot est périodique et sa période est inférieure au rapport entre ladite longueur d’onde donnée et la somme de l’indice de réfraction du matériau de ladite région active et du produit de l’indice de réfraction du matériau diélectrique par le sinus de l’angle d’incidence du rayonnement incident.
Selon un autre mode de réalisation la hauteur et le diamètre des plots sont choisis de manière à ce que l’indice de réfraction de la couche antireflet soit le plus proche de la racine carrée du produit de l’indice de réfraction du matériau de ladite région active par l’indice de réfraction dudit matériau diélectrique.
Avantageusement, les plots sont circulaires. Ainsi, la couche antireflet présente une structure symétrique qui lui permet un comportement isotrope.
Préférentiellement, les plots comprennent du silicium ou du polysilicium, mais peuvent tout aussi bien comprendre d’autres matériaux.
Chaque pixel peut comprendre en outre une microlentille au-dessus du filtre correspondant. Cela permet de faire converger les rayons lumineux vers la photodiode et donc d’optimiser la collection du signal sur la couche antireflet.
Selon un mode de réalisation, la surface de la couche antireflet occupée par des plots peut être adaptée à la longueur d’onde à filtrer. Par exemple, - pour une longueur d’onde donnée proche de 450 nanomètres, c'est-à-dire proche de la couleur bleu, 30% de la surface de la couche antireflet du pixel correspondant comprend des plots, - pour une longueur d’onde donnée proche de 540 nanomètres, c'est-à-dire proche de la couleur verte, 49% de la surface de la couche antireflet du pixel correspondant comprend des plots, - pour une longueur d’onde donnée proche de 610 nanomètres, c'est-à-dire proche de la couleur rouge, 56% de la surface de la couche antireflet comprend des plots.
Ces valeurs en % ne sont qu’indicatives et sont à adapter par l’homme de l’art en fonction du matériau des plots, de l’épaisseur des plots, de la période des plots, et de la longueur d’onde incidente.
Le capteur d’image peut être de type à illumination face avant ou de type à illumination face arrière. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs et des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2, déjà décrites, illustrent l’art antérieur, et - les figures 3 à 6 représentent des modes de réalisation de l’invention.
La figure 3 illustre une coupe schématique d’un pixel 5 de capteur d’image CMOS de type à illumination face avant, comprenant une couche antireflet selon un mode de réalisation de l’invention.
Le pixel est isolé latéralement des pixels voisins par une isolation 21 de type tranchée profonde, communément désignée par l’acronyme anglo-saxon DTI (« Deep Trench Isolation »).
Le pixel comprend au dessus d’un substrat 6 une couche active 7, par exemple de type de conductivité P, comprenant un zone enterrée 8, par exemple de conductivité N, à proximité de la face supérieure de la couche 7, formant par exemple une photodiode.
La face supérieure de la couche 7 supporte par exemple un transistor de transfert 9, et une couche antireflet 13 comportant des plots 24 et située au dessus de la photodiode 8. Ces éléments 9 et 13 sont englobés dans un couche isolante 14, connue par l’homme du métier sous l’acronyme anglo-saxon « PMD » (PreMetal Dielectric). Cette couche isolante comporte un premier matériau diélectrique, par exemple ici du dioxyde de silicium.
La couche PMD 14 est surmontée d’une partie d’interconnexion 15, communément désignée par l’homme du métier sous l’acronyme anglo-saxon « BEOL » (Back End Of Line).
Cette partie 15 comprend différents niveaux de métallisation, par exemple ici trois niveaux Ml, M2 et M3, comportant chacun des pistes électriquement conductrices 16 ainsi que des vias 18 enrobés dans une région diélectrique comportant un deuxième matériau diélectrique 17 communément désigné par l’homme du métier sous la dénomination IMD (« InterMetal Dielectric »)
Le pixel 5 comprend également un filtre coloré 19 situé au dessus du dernier niveau de métallisation M3, en regard de la photodiode 8. Ce filtre est configuré pour ne laisser passer que certaines longueurs d’onde d’un signal lumineux, par exemple ici les longueurs d’ondes proches de 540 nanomètres correspondant à la couleur verte.
Une lentille de collimation 20 est avantageusement disposée au dessus du filtre optique 19. Cette lentille a pour but de diriger au maximum les rayons incidents vers la photodiode 8.
Les figures 4 et 5 illustrent plus en détail la couche antireflet 13 réalisée sur le substrat 7 et comportant le réseau de plots 24, par exemple des plots circulaires en polysilicium.
La forme des plots 24 n’est pas limitée à une forme circulaire, les plots pouvant être de toutes sortes de formes. Cela étant, une forme circulaire permet d’avoir une structure symétrique de la couche antireflet et ainsi un comportement isotrope.
Les plots sont enrobés dans l’oxyde de silicium de la couche isolante 14, représentée en transparence sur la figure 3 à des fins de simplification.
Les plots peuvent par exemple être obtenus après le dépôt de la couche isolante 14, en gravant la couche 14 à l’emplacement desdits plots, puis en remplissant les orifices ainsi obtenus avec du polysilicium selon l’épaisseur de plot souhaitée, puis en comblant les orifices par-dessus les plots de polysilicium avec de l’oxyde de silicium. Finalement, une étape d’aplanissement mécano-chimique (« CMP » : Chemical-Mechanical Planarization) de la structure est appliquée. L’indice de réfraction n de la couche antireflet disposée entre le substrat 7 d’indice de réfraction ns et la couche 14 d’indice de réfraction ni doit idéalement vérifier la formule
Pour du silicium dans les longueurs d’ondes proches du vert par exemple, ns théorique est égal à 4 environ et l’indice théorique ni du diélectrique PMD est égal à 1,5 environ.
En outre, pour une telle structure en réseau, des ordres de diffraction apparaissent pour un rayon lumineux d’une longueur d’onde λ donnée et d’angle d’incidence Θ lorsque la période b du réseau vérifie l’équation :
Par exemple pour un pixel avec un filtre coloré vert, les plots sont organisés ici en réseau régulier de période b égale à 100 nanomètres. Leur hauteur h est de 50 nanomètres et leur diamètre d de 70 nanomètres.
Un avantage d’une structure en réseau est qu’en adaptant le rapport entre la surface occupée par les plots par rapport à la surface totale, on peut faire varier le rapport entre la quantité de polysilicium des plots et la quantité d’oxyde de silicium de la couche PMD 14 présente dans la couche antireflet.
On peut donc adapter l’indice de réfraction de la couche antireflet en configurant le diamètre d des plots de manière à obtenir l’indice de réfraction n souhaité qui sera compris entre 1,5 et 4. A titre d’exemple, 49% de la surface de la couche antireflet occupée par des plots conduit à une configuration la plus adaptée pour la transmission de signaux de longueur d’onde proche de 540 nanomètres (vert). Dans cet exemple, et avec les valeurs de b, h, et d mentionnées ci-dessus, l’indice de réfraction n de la couche antireflet est aux alentours de 2.4.
Lorsqu’un rayon lumineux incident 25 arrive sur la couche antireflet 13, il est transmis dans le substrat 7 sous forme d’un rayon transmis mo, réfléchi par la couche antireflet sous la forme d’un rayon réfléchi mr et diffracté en plusieurs rayons diffractés mi, ni2, ni3, m4... de longueurs d’onde différentes, correspondant chacune à un mode de diffraction et à un ordre différent. Le rayon incident 25 peut par exemple avoir préalablement traversé le filtre optique 19 et parce que le filtre n’est pas parfait comporter des longueurs d’onde éloignées de 540 nanomètres.
Le rayon lumineux transmis mo, correspondant à la longueur d’onde pour lequel le filtre est configuré (ici les longueurs d’onde proche de 540 nanomètres correspondant à la couleur verte), n’est pas ou très peu dévié.
Les rayons diffractés d’ordres supérieurs, correspondant aux signaux de longueurs d’ondes inférieures à la longueur d’onde souhaitée, subissent une diffraction proportionnelle à leur ordre de diffraction. Ainsi, le rayon m2 de deuxième ordre, a une transmittance plus faible que le rayon mi d’ordre un, et ainsi de suite.
La figure 6 représente schématiquement la transmittance de la couche antireflet 14 pour le signal lumineux incident.
Ici, la meilleure transmittance correspond au signal transmis mo de longueur d’onde 540 nanomètres.
On observe que les signaux lumineux mi, m2, ni3, m4, respectivement d’ordres 1, 2, 3, 4, sont très atténués par rapport à l’ordre principal, et apparaissent pour des longueurs d’ondes inférieures à 540nm.
Ainsi, la couche antireflet 13 se comporte comme un filtre passe-haut, atténuant ou éliminant les signaux de longueurs d’ondes inférieures à la longueur d’onde désirée, ici 540 nanomètres.
La couche antireflet peut tout à fait être adaptée - à la couleur bleue, auquel cas 30% de la surface de la couche est occupée par des plots de 50 nanomètres de hauteur, de 55 nanomètres de diamètre et la période du réseau est de 100 nanomètres. Dans cet exemple, l’indice de réfraction de la couche antireflet est aux alentours de 3.2 ou - à la couleur rouge, auquel cas 56% de la surface de la couche est occupée par des plots de 50 nanomètres de hauteur, de 225 nanomètres de diamètre et la période du réseau est de 300 nanomètres. Dans cet exemple, l’indice de réfraction de la couche antireflet est aux alentours de 2.7.
Ces différentes valeurs ne sont qu’indicatives et sont à adapter par l’homme de l’art en fonction de la transmission de la couche et de la longueur d’onde de coupure souhaitées.
Ainsi, il est possible de réduire la diaphotie spectrale et optique en atténuant les bosses G1 et RI de la figure 2.
Bien que le pixel 5 présenté dans ces exemples soit de type à illumination face avant, la couche antireflet 13 peut également s’intégrer dans des pixels de type à illumination face arrière. D ans ce cas, les plots sont obtenus par un dépôt d’une couche de polysilicium (par exemple) selon l’épaisseur h souhaitée, puis par la gravure de ladite couche afin de définir la géométrie des plots, et enfin par le dépôt du matériau diélectrique de la couche isolante PMD. Enfin une étape d’aplanissement mécano-chimique de la structure (« CMP ») est appliquée.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Capteur d’image intégré comprenant des pixels adjacents, chaque pixel (5) comportant une région active semi-conductrice (7) contenant une photodiode (8), une couche antireflet (13) au dessus de la photodiode (8), une région diélectrique (14,15) au dessus de la couche antireflet et un filtre optique (19) destiné à laisser passer un rayonnement lumineux incident (25) ayant une longueur d’onde donnée, caractérisé en ce que la couche antireflet (13) comprend un réseau de plots (24) mutuellement séparés par un matériau diélectrique (14) de ladite région diélectrique, ledit réseau étant configuré pour permettre à la fois une transmission dudit rayonnement lumineux incident et une diffraction du rayonnement lumineux incident (25) produisant des rayonnements diffractés ayant des longueurs d’ondes inférieures à celle du rayonnement incident et atténués par rapport au rayonnement incident.
  2. 2. Capteur d’image selon la revendication 1, dans lequel le réseau de plots est périodique et sa période (b) est inférieure au rapport entre ladite longueur d’onde donnée et la somme de l’indice de réfraction du matériau de ladite région active et du produit de l’indice de réfraction du matériau diélectrique (14) par le sinus de l’angle d’incidence du rayonnement incident.
  3. 3. Capteur d’image selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la hauteur (h) et le diamètre (d) des plots sont choisis de manière à ce que l’indice de réfraction de la couche antireflet soit le plus proche de la racine carrée du produit de l’indice de réfraction du matériau de ladite région active par l’indice de réfraction dudit matériau diélectrique.
  4. 4. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les plots (24) sont circulaires.
  5. 5. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les plots (24) comprennent du silicium ou du polysilicium.
  6. 6. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque pixel comprend en outre une microlentille (13) au-dessus du filtre (19) correspondant.
  7. 7. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel pour une longueur d’onde donnée proche de 450 nanomètres 30% de la surface de la couche antireflet (13) du pixel correspondant comprend des plots.
  8. 8. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel pour une longueur d’onde donnée proche de 540 nanomètres 49% de la surface de la couche antireflet (13) du pixel correspondant comprend des plots.
  9. 9. Capteur d’image selon l’une des revendications précédentes, dans lequel pour une longueur d’onde proche de 610 nanomètres 56% de la surface de la couche antireflet (13) comprend des plots.
  10. 10. Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 9, du type à illumination face avant.
  11. 11. Capteur d’image selon l’une des revendications 1 à 9, du type à illumination face arrière.
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