FR3083646A1 - Capteur d'images - Google Patents

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Abstract

La présente description concerne un capteur d'images multispectrales comportant une pluralité de pixels (P1, P2, P3, P4) formés dans et sur une couche semiconductrice (101), chaque pixel comportant une zone active photosensible formée dans une portion de la couche semiconductrice délimitée latéralement par des murs d'isolation périphériques (105), ladite pluralité de pixels comprenant au moins un pixel (P1) d'un premier type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une première dimension latérale choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une première longueur d'onde, et au moins un pixel (P2) d'un deuxième type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une deuxième dimension latérale différente de la première dimension, choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Capteur d'images
Domaine technique [0001] La présente description concerne le domaine des capteurs d'images, et vise plus particulièrement un capteur d'images multispectrales, c'est-à-dire un capteur comportant une pluralité de pixels parmi lesquels des pixels de types différents sont adaptés à mesurer des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d'ondes différentes.
Technique antérieure [0002] De façon classique, un capteur d'images comprend une couche semiconductrice dans et sur laquelle sont formés une pluralité de pixels. Chaque pixel comprend notamment une zone active photosensible formée dans la couche semiconductrice, correspondant généralement à une photodiode, et peut en outre comprendre un ou plusieurs transistors de contrôle formés dans et sur la couche semiconductrice.
[0003] Dans un capteur d'images multispectrales tel qu'un capteur d'images couleur, chaque pixel comprend classiquement un élément de filtrage disposé du côté de la face d'éclairement de la couche semiconductrice, en regard de la zone photosensible du pixel, adapté à filtrer le rayonnement incident de façon à transmettre vers la zone photosensible du pixel uniquement le rayonnement lumineux reçu dans une gamme de longueur d'onde restreinte spécifique au pixel, correspondant à la gamme de mesure du pixel. Autrement dit, les pixels de types différents, c'est-à-dire ayant des gammes de longueurs d'ondes de mesure différentes, diffèrent les uns des autres essentiellement par la nature de leurs éléments de filtrage respectifs.
B17164-18-GR3-0051 [0004] De façon classique, les éléments de filtrage des pixels d'un capteur d'images multispectrales sont réalisés au moyen de résines colorées, par exemple des résines organiques. Il faut notamment prévoir une résine spécifique par type de pixel. Ceci rend la fabrication d'un tel capteur relativement complexe, et ce d'autant plus que le nombre de types de pixels du capteur est élevé, et que les dimensions latérales des pixels sont faibles.
Résumé de l'invention [0005] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs d'images multispectrales connus.
[0006] Un mode de réalisation prévoit un capteur d'images multispectrales comportant une pluralité de pixels formés dans et sur une couche semiconductrice, chaque pixel comportant une zone active photosensible formée dans une portion de la couche semiconductrice délimitée latéralement par des murs d'isolation périphériques, ladite pluralité de pixels comprenant au moins un pixel d'un premier type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une première dimension latérale choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une première longueur d'onde, et au moins un pixel d'un deuxième type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une deuxième dimension latérale différente de la première dimension, choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.
[0007] Selon un mode de réalisation, chaque pixel comprend une structure diffractive disposée sur la face arrière de la portion de couche semiconductrice du pixel.
[0008] Selon un mode de réalisation, la structure diffractive est constituée par une cavité formée dans la portion de couche semiconductrice du pixel et remplie d'un matériau d'indice de
B17164-18-GR3-0051 réfraction inférieur à celui du matériau de la couche semiconductrice.
[0009] Selon un mode de réalisation, le capteur est destiné à être éclairé par sa face arrière.
[0010] Selon un mode de réalisation, la face avant de la couche semiconductrice est revêtue d'un empilement de couches isolantes et métalliques dans lequel sont formées des métallisations d'interconnexion des pixels du capteur.
[0011] Selon un mode de réalisation, les murs d'isolation périphériques sont constitués d'une paroi métallique prise en sandwich entre deux parois en un matériau isolant.
[0012] Selon un mode de réalisation, le capteur comporte un nombre n supérieur à 2 de types de pixels différents formés dans et sur des portions de la couche semiconductrice ayant des dimensions latérales différentes choisies de façon à définir des cavités latérales résonnant à des longueurs d'ondes différentes.
[0013] Selon un mode de réalisation, n est supérieur ou égal à 4 .
[0014] Selon un mode de réalisation, les portions de la couche semiconductrice des pixels des premier et deuxième types ont sensiblement la même épaisseur.
[0015] Selon un mode de réalisation, les portions de la couche semiconductrice des pixels des premier et deuxième types ont des épaisseurs différentes.
[0016] Un autre mode de réalisation prévoit un capteur d'images multispectrales comportant une pluralité de pixels formés dans et sur une couche semiconductrice, ladite pluralité de pixels comprenant au moins un pixel d'un premier type formé dans et sur une première portion de la couche semiconductrice ayant une première épaisseur choisie de façon à définir une cavité verticale résonant à une première
B17164-18-GR3-0051 longueur d'onde, et au moins un pixel d'un deuxième type formé dans et sur une deuxième portion de la couche semiconductrice ayant une deuxième épaisseur différente de la première épaisseur, choisie de façon à définir une cavité verticale résonant à une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.
[0017] Selon un mode de réalisation, le premier pixel comprend une première zone active photosensible formée dans la première portion de la couche semiconductrice, et le deuxième pixel comprend une deuxième zone active photosensible formée dans la deuxième portion de la couche semiconductrice.
[0018] Selon un mode de réalisation, les première et deuxième
portions de la couche semiconductrice sont délimitées
latéralement par des murs d'isolation verticaux.
0019] Selon un mode de réalisation, les faces avant et
arrière de la couche semiconductrice sont revêtues par un matériau isolant d'indice de réfraction inférieur à celui du matériau de la couche semiconductrice.
[0020] Selon un mode de réalisation, les faces avant des première et deuxième portions de la couche semiconductrice sont sensiblement coplanaires.
[0021] Selon un mode de réalisation, la face avant de la couche semiconductrice est revêtue d'un empilement de couches isolantes et métalliques dans lequel sont formées des métallisations d'interconnexion des pixels du capteur.
[0022] Selon un mode de réalisation, le capteur est destiné à être éclairé par sa face arrière.
[0023] Selon un mode de réalisation, le capteur comporte un nombre n supérieur à 2 de types de pixels différents formés dans et sur des portions de la couche semiconductrice d'épaisseurs différentes choisies de façon à définir des
B17164-18-GR3-0051
cavités verticales résonnant à des longueurs d'ondes
différentes.
0024] Selon un mode de réalisation, n est supérieur ou égal
à 4 .
0025] Selon un mode de réalisation, les première et deuxième
portions de la couche semiconductrice ont des dimensions latérales identiques.
[0026] Selon un mode de réalisation, les première et deuxième portions de la couche semiconductrice ont des dimensions latérales différentes.
Brève description des dessins [0027] 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 :
[0028] [Fig. 1] la figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images multispectrales selon un premier mode de réalisation ;
[0029] [Fig. 2] la figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0030] [Fig. 3] la figure 3 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0031] [Fig. 4] la figure 4 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
B17164-18-GR3-0051 [0032] [Fig. 5] la figure 5 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0033] [Fig. 6] la figure 6 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0034] [Fig. 7] la figure 7 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0035] [Fig. 8] la figure 8 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0036] [Fig. 9] la figure 9 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le premier mode de réalisation ;
[0037] [Fig. 10] la figure 10 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images multispectrales selon un deuxième mode de réalisation ;
[0038] [Fig. 11] la figure 11 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation ;
[0039] [Fig. 12] la figure 12 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation ;
B17164-18-GR3-0051 [0040] [Fig. 13] la figure 13 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation ;
[0041] [Fig. 14] la figure 14 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation ;
[0042] [Fig. 15] la figure 15 est une vue en coupe illustrant de façon schématique une autre étape d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation ; et [0043] [Fig. 16] la figure 16 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle une variante de réalisation d'un capteur d'images selon le deuxième mode de réalisation.
Description détaillé [0044] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0045] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, dans les exemples décrits ci-après, la structure interne des pixels et notamment des zones actives photosensibles et des éventuels transistors de contrôle n'a pas été détaillée, les exemples décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des structures connues de pixels, moyennant d'éventuelles adaptations à la portée de l'homme du métier à partir des indications de la présente description.
B17164-18-GR3-0051 [0046] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0047] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes avant, arrière, haut, bas, gauche, droite, etc., ou relative, tels que les termes dessus, dessous, supérieur, inférieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal vertical, etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures, étant entendu que, en pratique, les capteurs décrits peuvent être orientés différemment.
[0048] Sauf précision contraire, les expressions environ, approximativement, sensiblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0049] La figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images multispectrales selon un premier mode de réalisation.
[0050] Le capteur de la figure 1 comprend une pluralité de pixels, parmi lesquels des pixels de types différents adaptés à mesurer des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d'ondes distinctes. Sur la figure 1, quatre pixels adjacents PI, P2, P3 et P4 de types différents ont été représentés. Plus généralement, le nombre de types de pixels différents du capteur peut être un nombre quelconque supérieur ou égal à 2, étant entendu que les modes de réalisation décrits sont tout particulièrement avantageux pour des capteurs ayant un nombre de types de pixels élevé, par exemple
B17164-18-GR3-0051 supérieur ou égal à 4, supérieur ou égal à 5, ou supérieur ou égal à 6. Le capteur peut comporter une pluralité de pixels de chaque type, par exemple répartis en matrice selon des rangées et des colonnes, ou un unique pixel de chaque type, par exemple pour réaliser un spectromètre.
[0051] Le capteur de la figure 1 est formé dans et autour d'une couche semiconductrice 101, par exemple une couche de silicium monocristallin, par exemple en technologie CMOS. La couche semiconductrice 101 comprend une face avant (sa face supérieure dans l'orientation de la figure 1), revêtue d'un empilement 103 de couches isolantes et métalliques dans lequel sont notamment formées les diverses métallisations d'interconnexion des composants du capteur, et une face arrière (sa face inférieure dans l'orientation de la figure 1), opposée à sa face avant. Le capteur de la figure 1 est un capteur à éclairement par la face arrière, c'est-à-dire qu'il est destiné à être éclairé du côté de la face arrière de la couche semiconductrice 101.
[0052] Chacun des pixels du capteur de la figure 1 comprend une portion de la couche semiconductrice 101, délimitée latéralement par un mur d'isolation périphériques 105 s'étendant verticalement dans la couche semiconductrice 101, sur sensiblement toute la hauteur de la couche 101. A titre d'exemple, les murs d'isolation périphériques 105 sont en un matériau électriquement isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. A titre de variante, les murs 105 comprennent une paroi conductrice centrale, par exemple en silicium polycristallin, prise en sandwich entre deux parois isolantes par exemple en oxyde de silicium. La paroi conductrice centrale peut être polarisée de façon à former une capacité MOS avec la couche semiconductrice 101. A titre de variante, la paroi conductrice centrale est en métal, par exemple en tungstène, ce qui permet de confiner la lumière reçue par
B17164-18-GR3-0051 chaque pixel et de limiter ainsi les phénomènes de diaphotie ou cross-talk, c'est-à-dire d'éviter qu'un photon reçu par un pixel du capteur ne conduise à la génération d'une paire électron-trou dans un pixel voisin. A titre d'exemple, en vue de dessus, les murs d'isolation périphériques 105 forment une grille continue de dimensions sensiblement égales aux dimensions de la matrice de pixels du capteur.
[0053] Dans chaque pixel, la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel comprend une zone active photosensible, correspondant par exemple à une photodiode. Le pixel peut en outre comprendre un ou plusieurs transistors de contrôle formés dans et sur la portion de couche semiconductrice 101 du pixel, du côté de la face avant de la couche 101.
[0054] Selon un aspect du premier mode de réalisation, les portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés des pixels de types différents du capteur ont des épaisseurs (dans la direction verticale) différentes. Les portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés des pixels de même type ont quant à elles sensiblement la même épaisseur.
[0055] Plus particulièrement, pour chaque type de pixel du capteur, l'épaisseur des portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés les pixels du type considéré est choisie de façon à définir, dans chaque pixel du type considéré, une cavité optique verticale résonant à une ou plusieurs longueurs d'ondes spécifiques au type de pixel considéré. Autrement dit, les épaisseurs des portions de la couche semiconductrice 101 dans lesquelles sont formés les pixels du capteur sont choisies de façon que les cavités optiques verticales des pixels de même type résonnent sensiblement à la même longueur d'onde ou aux mêmes longueurs d'ondes, et que les cavités optiques verticales des
B17164-18-GR3-0051 pixels de types différents résonnent à des longueurs d'ondes différentes.
[0056] On notera que, dans chaque pixel, pour que la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel définisse une cavité optique verticale, il convient que les faces avant et arrière de la portion considérée de la couche semiconductrice 101 soient réfléchissantes pour des rayons lumineux se propageant à l'intérieur de ladite portion. Dans le capteur de la figure 1, ceci est obtenu par le fait que chacune des faces avant et arrière de la couche semiconductrice 101 est revêtue par (et en contact avec) une couche d'un matériau isolant d'indice de réfraction inférieur à celui du matériau de la couche 101, par exemple de l'oxyde de silicium dans le cas où la couche 101 est en silicium.
[0057] Dans l'exemple de la figure 1, la face avant de la couche semiconductrice 101 est sensiblement plane, c'est-àdire que les faces avant des portions de la couche 101 dans et autour desquelles sont formés les pixels du capteur sont sensiblement dans un même plan. La face arrière de la couche semiconductrice 101 est en revanche structurée. Plus particulièrement, les faces arrières des portions de la couche 101 dans et autour desquelles sont formés les pixels du capteur sont sensiblement planes et coplanaires pour des pixels du même type, et sont dans des plans parallèles mais non coplanaires pour des pixels de types différents.
[0058] Dans l'exemple de la figure 1, chaque pixel comprend en outre un élément de remplissage transparent 107 revêtant la face arrière de la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel. Les éléments de remplissage 107 ont pour rôle de compenser les différences d'épaisseur entre les portions de la couche 101 des pixels de types différents du capteur. Autrement dit,
B17164-18-GR3-0051 pour chaque pixel du capteur, l'épaisseur de l'élément de remplissage 107 est d'autant plus faible que l'épaisseur de la portion de couche 101 du pixel est importante, et inversement, de façon que les faces arrières des éléments de remplissage 107 des pixels du capteur soient sensiblement dans un même plan parallèle au plan de la face avant de la couche semiconductrice 101. Les éléments de remplissage 107 des pixels sont tous réalisés en un même matériau, par exemple de l'oxyde de silicium.
[0059] Dans l'exemple de la figure 1, du côté de la face arrière du capteur, les murs d'isolation périphériques 105 des pixels affleurent la face arrière des éléments de remplissage 107 de façon à définir avec la face arrière des éléments de remplissage 107 une surface continue sensiblement plane. De plus, dans cet exemple, une couche additionnelle de planarisation 109, par exemple en oxyde de silicium, revêt la face arrière des éléments de remplissage 107 et des murs d'isolation périphériques 105.
[0060] Dans l'exemple de la figure 1, chaque pixel comprend en outre une microlentille 111 disposée du côté de la face arrière du capteur, en regard de la portion de couche 101 du pixel, adaptée à focaliser la lumière incidente vers la zone active photosensible du pixel. Plus particulièrement, dans cet exemple, les microlentilles 111 sont disposées sur la face arrière de la couche de planarisation 109.
[0061] En fonctionnement, dans chaque pixel du capteur, le rayonnement incident est transmis dans la couche semiconductrice 101 par l'intermédiaire de la microlentille 111, de la couche de planarisation 109, et de l'élément de remplissage transparent 107. Dans cet exemple, les éléments du capteur revêtant la face arrière de la couche semiconductrice 101 ont sensiblement la même réponse en fréquence pour tous les pixels du capteur. La lumière
B17164-18-GR3-0051 incidente pénètre dans la couche semiconductrice 101 par sa face arrière, puis se réfléchit alternativement sur sa face avant et sur sa face arrière. La cavité optique verticale ainsi définie présente une ou plusieurs longueurs d'ondes de résonance dans la gamme de longueurs d'ondes transmise à la couche semiconductrice 101. Il en résulte un ou plusieurs pics d'absorption de la lumière par la couche semiconductrice 101 à ladite ou auxdites longueurs d'ondes de résonance. Ainsi bien qu'une large gamme de longueurs d'ondes soit transmise à la couche semiconductrice 101, la quantité de charges photogénérées collectées dans la zone active photosensible de chaque pixel est représentative principalement de l'intensité lumineuse reçue à la ou aux longueurs d'ondes de résonance du pixel. Les pixels de types différents, ayant des longueurs d'ondes de résonance différentes, mesurent donc des intensités lumineuses à des longueurs d'ondes différentes.
[0062] On notera que dans l'exemple de la figure 1, les pixels du capteur ont tous des dimensions latérales sensiblement identiques. Autrement dit, dans le capteur de la figure 1, les pixels d'un même type sont tous identiques ou similaires, et les pixels de types différents diffèrent les uns des autres uniquement par les épaisseurs des portions de la couche semicondutrice 101 dans et autour desquelles ils sont respectivement formés (et par conséquent par les épaisseurs de leurs éléments de remplissages 107 respectifs).
[0063] Un avantage du mode de réalisation de la figure 1 est qu'il permet de réaliser un capteur d'images multispectrales sans avoir à former des éléments de filtrage en des matériaux différents sur des pixels de type différent (c'est-à-dire destinés à mesurer des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d'ondes distinctes).
[0064] Les figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9 sont des vues en coupe illustrant de façon schématique des étapes d'un exemple
B17164-18-GR3-0051 d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images multispectrales du type décrit en relation avec la figure 1. On notera que par rapport la représentation de la figure 1, les orientations verticales sont inversées, c'est-à-dire que, dans les vues des figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, la face avant correspond à la face inférieure et la face arrière à la face supérieure. De plus, dans l'exemple des figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, par soucis de simplification, seule la réalisation de deux pixels de types différents, correspondant respectivement aux pixels PI (en partie droite des figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9) et P2 (en partie gauche des figures 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9) du capteur de la figure 1, a été détaillée. En pratique, si le capteur comporte plusieurs pixels d'un même type, les étapes spécifiques au type de pixel considéré sont réalisées simultanément pour tous les pixels de ce type.
[0065] La figure 2 représente une structure de départ comprenant :
une couche semiconductrice 101 d'épaisseur uniforme, dans et sur laquelle ont été formés, pour chaque pixel du capteur, une zone active photosensible et, éventuellement, un ou plusieurs transistors de contrôle du pixel (non détaillés sur la figure) ; et un empilement d'interconnexion 103 revêtant la face avant (face inférieure dans l'orientation de la figure 2) de la couche 101.
[0066] Pour former la structure de la figure 2, on part par exemple d'un substrat semiconducteur relativement épais, par exemple supérieure à 100 pm, puis on forme les zones actives photosensibles et, le cas échéant, les transistors de contrôle des pixels du capteur, dans et sur le substrat, du côté de sa face avant. L'empilement d'interconnexion 103 est ensuite formé sur la face avant du substrat, puis le substrat est
B17164-18-GR3-0051 aminci par sa face arrière de façon à ne conserver que la couche semiconductrice 101, par exemple d'épaisseur inférieure à 10 pm. Pour assurer la tenue mécanique du capteur une poignée de support (non représentée) peut être accolée à la face avant de l'empilement d'interconnexion 103 avant l'étape d'amincissement du substrat semiconducteur. A ce stade, les portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés les différents pixels du capteur ne sont pas isolées les unes des autres.
[0067] La figure 3 illustre une étape de gravure, depuis la face arrière de la couche semiconductrice 101, de tranchées verticales 201 isolant les unes des autres les portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés les différents pixels du capteur. En vue de dessus, dans chaque pixel du capteur, la portion de couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel est entièrement entourée par une tranchée 201. Dans cet exemple, les tranchées 201 s'étendent verticalement sur toute l'épaisseur de la couche semiconductrice 101, et s'interrompent au niveau de la face arrière de l'empilement d'interconnexion 103.
[0068] La figure 4 illustre une étape de remplissage des tranchées 201 pour former les murs d'isolation verticaux 105 des pixels du capteur. A titre d'exemple, les tranchées 201 peuvent être entièrement remplies d'un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. Alternativement, seules les parois des tranchées sont revêtues d'un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium, les tranchées étant ensuite comblées par un matériau conducteur, par exemple du silicium polycristallin ou un métal tel que le tungstène. Avant le remplissage des tranchées, un revêtement de protection, par exemple en nitrure de silicium, peut éventuellement être déposé sur les parois des tranchées. Une ou plusieurs étapes
B17164-18-GR3-0051 de planarisation, par exemple par polissage mécanochimique (CMP), peuvent éventuellement être prévues pour que la face arrière des murs d'isolation périphériques 105 affleure la face arrière de la couche semiconductrice 101.
[0069] A titre de variante, les étapes de gravure des tranchées 201 (figure 3) et de remplissage des tranchées 201 (figure 4) peuvent être mises en oeuvre à partir de la face avant du substrat 101, avant la formation de l'empilement d'interconnexion 103 et l'amincissement du substrat 101 par sa face arrière. Dans ce cas, la profondeur des tranchées 201 peut être choisie sensiblement égale ou supérieure à l'épaisseur finale du substrat 101 après amincissement, de façon que, à l'issue de l'étape d'amincissement du substrat 101, les murs d'isolation périphériques 105 affleurent la face arrière du substrat 101.
[0070] La figure 5 illustre une étape d'amincissement de la couche semiconductrice 101 par sa face arrière, localisée au niveau du pixel PI. Plus particulièrement, lors de cette étape la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel PI est gravée par sa face arrière, de façon sensiblement uniforme sur toute sa surface, jusqu'à obtenir l'épaisseur visée permettant de réaliser une cavité résonant aux longueurs d'ondes souhaitées pour le pixel PI. Lors de cette étape, un masque (non représenté) protège de la gravure le pixel P2, et, plus généralement, tous les pixels de types différents du pixel PI. Les pixels du même type que le pixel PI sont quant à eux gravés en même temps que le pixel PI. La méthode de gravure est choisie pour graver sélectivement la couche semiconductrice 101 par rapport aux murs d'isolation périphériques 105. Ainsi, à l'issue de l'étape de gravure de la figure 5, on obtient, dans le pixel PI (et, le cas échéant, dans tous les pixels du même type que le pixel PI), en vis-à-vis de la face arrière de la couche
B17164-18-GR3-0051 semiconductrice 101, un évidement 203 délimité latéralement par les murs d'isolation 105.
[0071] La figure 6 illustre une étape au cours de laquelle l'évidement 203 est comblé par un élément de remplissage 107 en un matériau transparent pour le rayonnement à mesurer, par exemple de l'oxyde de silicium. A titre d'exemple, le matériau de remplissage est déposé sur toute la surface arrière du capteur, sur une épaisseur suffisante pour combler l'évidement 203, puis une étape de planarisation, par exemple par polissage mécanochimique (CMP), est prévue pour retirer l'excès de matériau de remplissage. A l'issue de cette étape, la face arrière de l'élément de remplissage 107 du pixel PI affleure la face arrière des murs d'isolation périphériques 105 et est au même niveau que la face arrière de la couche semiconductrice 101 dans le pixel P2.
[0072] La figure 7 illustre une étape d'amincissement de la couche semiconductrice 101 par sa face arrière, localisée au niveau du pixel P2. Plus particulièrement, lors de cette étape la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel P2 est gravée par sa face arrière, de façon sensiblement uniforme sur toute sa surface, jusqu'à obtenir l'épaisseur visée permettant de réaliser une cavité résonant aux longueurs d'ondes souhaitées pour le pixel P2. Lors de cette étape, un masque (non représenté) protège de la gravure le pixel PI, et, plus généralement, tous les pixels de types différents du pixel P2. Les pixels du même type que le pixel P2 sont quant à eux gravés en même temps que le pixel P2. La méthode de gravure est choisie pour graver sélectivement la couche semiconductrice 101 par rapport aux murs d'isolation périphériques 105. Ainsi, à l'issue de l'étape de gravure de la figure 7, on obtient, dans le pixel P2 (et le cas échéant dans tous les pixels du même type que le pixel P2), en vis-à-vis de la face arrière de la couche
B17164-18-GR3-0051 semiconductrice 101, un évidement 205 délimité latéralement par les murs d'isolation 105.
[0073] La figure 8 illustre une étape au cours de laquelle l'évidement 205 est comblé par un élément de remplissage 107 en un matériau transparent pour le rayonnement à mesurer, par exemple en oxyde de silicium. A titre d'exemple, le matériau de remplissage est déposé sur toute la surface arrière du capteur, sur une épaisseur suffisante pour combler l'évidement 203, puis une étape de planarisation, par exemple par polissage mécanochimique (CMP), est prévue pour retirer l'excès de matériau de remplissage. A l'issue de cette étape, la face arrière de l'élément de remplissage 107 du pixel P2 affleure la face arrière des murs d'isolation périphériques 105 et est au même niveau que la face arrière de l'élément de remplissage 107 du pixel PI.
[0074] Les étapes des figures 7 et 8 peuvent être répétées autant de fois que le capteur comporte de types de pixels différents, en adaptant à chaque fois la profondeur de gravure de la couche 101 en fonction de la ou des longueurs d'ondes de résonance souhaitées pour chaque type de pixel.
[0075] La figure 9 illustre une étape ultérieure de dépôt de la couche de planarisation 109 sur la face arrière de la structure obtenue à l'issue des étapes précédentes. La couche 109 est par exemple une couche continue d'épaisseur sensiblement uniforme, s'étendant sur toute la surface du capteur. La figure 9 illustre en outre une étape de formation de microlentilles 111 sur la face arrière de la couche de planarisation 109. A titre d'exemple, le capteur comprend une microlentille 111 par pixel, disposée en regard de la zone photosensible du pixel.
[0076] La figure 10 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un capteur d'images multispectrales selon un deuxième mode de réalisation. On
B17164-18-GR3-0051 notera que le capteur de la figure 10 comprend des éléments communs avec le capteur de la figure 1. Dans la suite, ces éléments communs ne seront pas décrits à nouveau et seules les différences par rapport au capteur de la figure 1 seront détaillées.
[0077] Comme dans l'exemple de la figure 1, le capteur de la figure 10 comprend une pluralité de pixels, parmi lesquels des pixels de types différents adaptés à mesurer des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d'ondes distinctes. Sur la figure 10, quatre pixels adjacents Pl, P2, P3 et P4 de types différents ont été représentés.
[0078] Le capteur de la figure 10 diffère du capteur de la figure 1 en ce que, dans l'exemple de la figure 10, la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle sont formés les pixels du capteur a sensiblement la même épaisseur dans tous les pixels du capteur.
[0079] Comme dans l'exemple de la figure 1, chacun des pixels du capteur comprend une portion de la couche semiconductrice 101, délimitée latéralement par un mur d'isolation périphérique 105 s'étendant verticalement dans la couche semiconductrice 101, sur sensiblement toute la hauteur de la couche 101, dans laquelle est formée la zone active
photosensible du pixel.
0080] Selon un aspect du deuxième mode de réalis ation, les
portions de la couche semiconductrice 101 dans lesquelles
sont formées les zones actives photosensibles de pixels de
types différents ; ont des dimensions latérales (dans la
direction horizontale) différentes. Les portions de la couche semiconductrice 101 dans lesquelles sont formées les zones actives photosensibles de pixels de même type ont quant à elles des dimensions latérales sensiblement identiques. On notera que par dimensions latérales, on entend ici, à titre d'exemple, le diamètre dans le cas où les portions de couche
B17164-18-GR3-0051 semiconductrice 101 des pixels ont une forme circulaire (en vue de dessus), ou la largeur et/ou la longueur dans le cas où les portions de couche semiconductrice 101 des pixels ont une forme carrée ou rectangulaire (en vue de dessus).
[0081] Plus particulièrement, pour chaque type de pixel du capteur, les dimensions latérales des portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés les pixels du type considéré est choisie de façon à définir, dans chaque pixel du type considéré, une cavité optique latérale résonant à une ou plusieurs longueurs d'ondes spécifiques au type de pixel considéré. Autrement dit, les dimensions latérales des portions de la couche semiconductrice 101 dans lesquelles sont formés les pixels du capteur sont choisies de façon que les cavités optiques latérales des pixels de même type résonnent sensiblement à la même longueur d'onde ou aux mêmes longueurs d'ondes, et que les cavités optiques latérales des pixels de types différents résonnent à des longueurs d'ondes différentes.
[0082] Dans l'exemple de la figure 10, le pas inter-pixel, c'est-à-dire la distance centre à centre entre deux pixels voisins du capteur, est sensiblement le même pour tous les pixels du capteur. Ainsi, pour définir des portions de la couche semiconductrice 101 de dimensions latérales différentes dans différents pixels du capteur, on joue sur les largeurs des murs d'isolation périphériques 105. Plus particulièrement, dans cet exemple, dans chaque pixel du capteur, la largeur des murs d'isolation périphériques 105 du pixel est d'autant plus faible que les dimensions latérales de la portion de couche 101 du pixel est importante, et inversement.
[0083] Dans le capteur de la figure 10, chaque pixel comprend en outre, du côté de la face arrière de la couche semiconductrice 101, une structure diffractive 301 adaptée à
B17164-18-GR3-0051 dévier la lumière à l'entrée de la portion de couche semiconductrice 101 du pixel, de façon que la majeure partie de la lumière reçue par le pixel se propage selon une direction sensiblement horizontale à l'intérieur de la portion de la couche semiconductrice 101 du pixel. La structure diffractive 301 comprend par exemple une unique ou plusieurs cavités formées dans la portion de couche semiconductrice 101 du pixel, du côté de sa face arrière, et remplies d'un matériau d'indice de réfraction différent de celui de la couche semiconductrice 101, par exemple un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui de la couche semiconductrice 101, par exemple de l'oxyde de silicium dans le cas où la couche 101 est en silicium. La ou les cavités de la structure diffractive 301 ont par exemple une profondeur inférieure au dixième de l'épaisseur de la couche semiconductrice 101, par exemple une profondeur inférieure à 250 nm. Dans l'exemple représenté, dans chaque pixel, la structure diffractive 301 comprend une unique cavité de forme conique ou pyramidale, disposée sensiblement au centre du pixel, dont la base affleure la face arrière de la couche 101 et dont le sommet est tourné vers la face avant de la couche 101. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à cette forme particulière. Les structures diffractives 301 sont par exemple identiques dans tous les pixels du capteur. A titre de variante (non représentée), dans chaque pixel, la face arrière de la couche semiconductrice 101 peut être sensiblement plane, la structure diffractive 301 étant alors formée sous la face arrière de la couche 101, dans la couche isolante 109. Dans ce cas, la structure diffractive 301 peut comprendre une ou plusieurs cavités formées dans la couche isolante 109 et remplies d'un matériau d'indice de réfraction différent de celui de la couche 109, par exemple un matériau d'indice de réfraction supérieur à celui de la couche 109, par exemple du silicium polycristallin.
B17164-18-GR3-0051 [0084] On notera que, dans chaque pixel, pour que la portion de la couche semiconductrice 101 dans et autour de laquelle est formé le pixel définisse une cavité optique latérale résonante, il convient que les faces latérales de la portion considérée de la couche semiconductrice 101 soient réfléchissantes pour des rayons lumineux se propageant à l'intérieur de ladite portion de la couche semiconductrice 101. Dans le capteur de la figure 10, ceci est obtenu par le fait que, dans chaque pixel, chacune des faces latérales de la portion de couche semiconductrice 101 du pixel est revêtue par une couche d'un matériau isolant d'indice de réfraction inférieur à celui du matériau de la couche 101, par exemple de l'oxyde de silicium dans le cas où la couche 101 est en silicium. De même que dans le mode de réalisation de la figure 1, les murs d'isolation périphériques peuvent comprendre une paroi conductrice centrale, par exemple métallique, favorisant les réflexions latérales et le confinement de la lumière à l'intérieur de la cavité optique.
[0085] Dans l'exemple de la figure 10, une couche additionnelle de planarisation 109, par exemple en oxyde de silicium, revêt la face arrière du capteur, et notamment la face arrière des portions de couche semiconductrice 101 et des murs d'isolation périphériques 105 des pixels du capteur.
[0086] Dans l'exemple de la figure 10, chaque pixel comprend en outre une microlentille 111 disposée du côté de la face arrière du capteur, en regard de la portion de couche 101 du pixel, adaptée à focaliser la lumière incidente vers la zone active photosensible du pixel. Plus particulièrement, dans cet exemple, les microlentilles 111 sont disposées sur la face arrière de la couche de planarisation 109.
[0087] En fonctionnement, dans chaque pixel du capteur, le rayonnement incident est transmis dans la couche semiconductrice 101 par l'intermédiaire de la microlentille
B17164-18-GR3-0051
111, de la couche de planarisation 109, et de la structure diffractive 301. De même que dans l'exemple de la figure 1, les éléments du capteur revêtant la face arrière de la couche semiconductrice 101 ont sensiblement la même réponse en fréquence pour tous les pixels du capteur.
[0088] La lumière incidente pénètre dans la couche semiconductrice 101 par sa face arrière, est déviée par la structure diffractive 301, puis se réfléchit alternativement sur ses faces latérales. La cavité optique latérale ainsi définie présente une ou plusieurs longueurs d'ondes de résonance. Il en résulte un ou plusieurs pics d'absorption de la lumière par la couche semiconductrice 101 à ladite ou auxdites longueurs d'ondes de résonance. Ainsi, bien qu'une large gamme de longueurs d'ondes soit transmise à la couche semiconductrice 101, la quantité de charges photogénérées mesurée par chaque pixel est représentative principalement de l'intensité lumineuse reçue à la ou aux longueurs d'ondes de résonance du pixel. Les pixels de types différents, ayant des longueurs d'ondes de résonance différentes, mesurent donc des intensités lumineuses à des longueurs d'ondes différentes.
[0089] On notera que dans l'exemple de la figure 10, les pixels d'un même type sont tous identiques ou similaires, et les pixels de types différents diffèrent les uns des autres uniquement par les dimensions latérales des portions de la couche semicondutrice 101 dans et autour desquelles ils sont respectivement formés.
[0090] Un avantage du mode de réalisation de la figure 10 est qu'il permet de réaliser un capteur d'images multispectrales sans avoir à former des éléments de filtrage en des matériaux différents sur des pixels de type différent (c'est-à-dire destinés à mesurer des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d'ondes distinctes).
B17164-18-GR3-0051 [0091] Les figures 11, 12, 13, 14 et 15 sont des vues en coupe illustrant de façon schématique des étapes d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images multispectrales du type décrit en relation avec la figure 10. On notera que par rapport la représentation de la figure 10, les orientations verticales sont inversées, c'est-à-dire que, dans les vues des figures 11, 12, 13, 14 et 15, la face avant correspond à la face inférieure et la face arrière à la face supérieure. De plus, dans l'exemple des figures 11, 12, 13, 14 et 15, par soucis de simplification, seule la réalisation de deux pixels de types différents, correspondant respectivement aux pixels PI (en partie droite des figures 11 à 15) et P2 (en partie gauche des figures 11 à 15) du capteur de la figure 10, a été détaillée.
[0092] La figure 11 représente une structure de départ identique ou similaire à la structure de la figure 2.
[0093] La figure 12 illustre une étape similaire à l'étape de la figure 3 de gravure, depuis la face arrière de la couche semiconductrice 101, de tranchées verticales 201 isolant les unes des autres les portions de la couche semiconductrice 101 dans et autour desquelles sont formés les différents pixels du capteur. Par rapport à l'étape de la figure 3, la principale différence est que, dans l'étape de la figure 12, les tranchées 201 ont des largeurs variables en fonction du type de pixel considéré.
[0094] La figure 13 illustre une étape similaire à l'étape de la figure 4, de remplissage des tranchées 201 pour former les murs d'isolation verticaux 105 des pixels du capteur.
[0095] La figure 14 illustre une étape de gravure, dans chaque pixel, sur la face arrière de la portion de couche semiconductrice 101 du pixel, d'une ou plusieurs cavités 401 en vue de la formation des structures diffractives d'entrée 301 des pixels.
B17164-18-GR3-0051 [0096] La figure 15 illustre une étape ultérieure de dépôt de la couche de planarisation 109 sur la face arrière de la structure obtenue à l'issue des étapes précédentes. La couche 109 est par exemple une couche continue, s'étendant sur toute la surface du capteur. Dans cet exemple, le matériau de la couche de planarisation 109, par exemple de l'oxyde de silicium, vient également remplir les cavités 401, conduisant à la formation des structures diffractives 301. La figure 15 illustre en outre une étape similaire à l'étape de la figure 9, de formation de microlentilles 111 sur la face arrière de la couche de planarisation 109.
[0097] La figure 16 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle une variante de réalisation du capteur d'images de la figure 10.
[0098] Le capteur de la figure 16 diffère du capteur de la figure 10 principalement en ce que, dans l'exemple de la figure 16, dans chaque pixel, la portion de la couche semiconductrice 101 contenant la zone active photosensible du pixel est entièrement entourée par un mur d'isolation périphérique 105 spécifique au pixel (et non partagé par deux pixels voisins comme dans l'exemple de la figure 10). Autrement dit, dans cet exemple, les zones actives photosensibles de deux pixels voisins sont séparées latéralement par deux murs d'isolation périphériques 105, entre lesquels s'étend une portion 501 de la couche semiconductrice 101, ne contenant pas de zone active photosensible. A titre d'exemple, en vue de dessus, les régions 501 forment une grille continue de dimensions sensiblement égales aux dimensions de la matrice de pixels du capteur, séparant les uns des autres les différents pixels du capteur.
[0099] Dans l'exemple de la figure 16, le pas inter-pixel, c'est-à-dire la distance centre à centre entre deux pixels
B17164-18-GR3-0051 voisins du capteur, est sensiblement le même pour tous les pixels du capteur. De plus, la largeur (dans la direction horizontale) des murs d'isolation périphériques 105 est sensiblement la même pour tous les pixels du capteur. Ainsi, pour définir des portions de la couche semiconductrice 101 de dimensions latérales différentes dans différents pixels du capteur, on joue sur la largeur des portions inactives 501 de la couche semiconductrice 101 séparant les pixels. Plus particulièrement, dans chaque pixel du capteur, la largeur de la portion de séparation 501 de la couche 101 est d'autant plus faible que les dimensions latérales de la portion de la couche 101 contenant la zone active photosensible du pixel est importante, et inversement.
[0100] Par rapport au capteur de la figure 10, un avantage du capteur de la figure 16 est que tous les murs d'isolation périphériques 105 du capteur ont sensiblement la même largeur, ce qui rend la réalisation du capteur plus aisée.
[0101] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les premier et deuxième modes de réalisation peuvent être combinés, c'està-dire que l'on pourra prévoir un capteur d'images comportant des pixels agencés pour avoir un fonctionnement en résonance verticale tel que décrit en relation avec la figure 1, et des pixels de type différent agencés pour avoir un fonctionnement en résonance latérale tel que décrit en relation avec les figures 10 et 16. On pourra notamment prévoir un capteur ayant des pixels de types différents, différant les uns des autres à la fois par les dimensions latérales et par l'épaisseur des portions de la couche semiconductrice 101 contenant les zones actives photosensibles des pixels.
B17164-18-GR3-0051 [0102] De plus, les modes de réalisations décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux et de dimensions mentionnés dans la présente description.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Capteur d'images multispectrales comportant une pluralité de pixels (PI, P2, P3, P4) formés dans et sur une couche semiconductrice (101), chaque pixel comportant une zone active photosensible formée dans une portion de la couche semiconductrice délimitée latéralement par des murs d'isolation périphériques (105), ladite pluralité de pixels comprenant au moins un pixel (PI) d'un premier type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une première dimension latérale choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une première longueur d'onde, et au moins un pixel (P2) d'un deuxième type dans lequel la portion de couche semiconductrice du pixel a une deuxième dimension latérale différente de la première dimension, choisie de façon à définir une cavité latérale résonant à une deuxième longueur d'onde différente de la première longueur d'onde.
  2. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel chaque pixel comprend une structure diffractive (301) disposée sur la face arrière de la portion de couche semiconductrice (101) du pixel.
  3. 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel la structure diffractive (301) est constituée par une cavité formée dans la portion de couche semiconductrice (101) du pixel et remplie d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à celui du matériau de la couche semiconductrice (101) .
  4. 4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, destiné à être éclairé par sa face arrière.
  5. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la face avant de la couche semiconductrice (101) est revêtue d'un empilement (103) de couches
    B17164-18-GR3-0051 isolantes et métalliques dans lequel sont formées des métallisations d'interconnexion des pixels du capteur.
  6. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les murs d'isolation périphériques (105) sont constitués d'une paroi métallique prise en sandwich entre deux parois en un matériau isolant.
  7. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant un nombre n supérieur à 2 de types de pixels différents formés dans et sur des portions de la couche semiconductrice (101) ayant des dimensions latérales différentes choisies de façon à définir des cavités latérales résonnant à des longueurs d'ondes différentes.
  8. 8. Capteur selon la revendication 7, dans lequel n est supérieur ou égal à 4.
  9. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les portions de la couche semiconductrice (101) des pixels des premier et deuxième types ont sensiblement la même épaisseur.
  10. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à
    8, dans lequel les portions de la couche semiconductrice (101) des pixels des premier et deuxième types ont des épaisseurs différentes.
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