FR3142856A1 - Dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène - Google Patents

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Abstract

Dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène La présente description concerne un procédé de fabrication d’un dispositif (100) d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) former, sur une première face (101F) d’un premier substrat semiconducteur de support (101), un premier capteur (C1) comprenant une pluralité de pixels de profondeur (P1) ; b) former, dans le premier substrat de support (101), du côté d’une deuxième face (101R) du premier substrat opposée à la première face (101F), au moins un concentrateur optique (103) ; et c) former, dans et sur un deuxième substrat semiconducteur (123), un deuxième capteur (C2) comprenant une pluralité de pixels d’image 2D (P2) ; et d) accoler le deuxième capteur (C2) au premier substrat de support (101) du côté de la deuxième face (101R) du premier substrat de support (101). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène
La présente description concerne de façon générale les dispositifs d’acquisition d’images. La présente description vise plus particulièrement les dispositifs d’acquisition d’images adaptés à acquérir une image visible 2D et une image de profondeur d’une scène.
Des dispositifs d’acquisition d’images de profondeur d’une scène, par exemple des capteurs de temps de vol (« Time of Flight » - ToF, en anglais) d’un signal lumineux émis vers la scène puis réfléchi en direction du capteur par des objets de la scène, ont été proposés. Par ailleurs, des capteurs de lumière structurée, projetant sur la scène un motif tel que des franges ou une grille et capturant une image de ce motif déformé par le relief des objets de la scène pour en estimer la distance par rapport au capteur, ont été proposés.
Dans certaines applications, il serait souhaitable de pouvoir acquérir simultanément une image visible 2D et une image de profondeur d’une même scène. Une solution permettant d’atteindre cet objectif consiste à prévoir des capteurs d’images séparés et placés côte à côte pour acquérir l’image 2D et l’image de profondeur. Un inconvénient de cette solution tient au fait que cela implique que les capteurs d’images ont des points de vue différents de la scène, entraînant ainsi des défauts d’alignement entre les pixels des images correspondantes et une augmentation de coût et d’encombrement du dispositif.
Il serait souhaitable de pouvoir disposer d’un dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène palliant au moins partiellement un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs connus.
Pour cela, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d’un dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) former, sur une première face d’un premier substrat semiconducteur de support, un premier capteur comprenant une pluralité de pixels de profondeur ;
b) former, dans le premier substrat de support, du côté d’une deuxième face du premier substrat opposée à la première face, au moins un concentrateur optique ;
c) former, dans et sur un deuxième substrat semiconducteur, un deuxième capteur comprenant une pluralité de pixels d’image 2D ; et
d) accoler le deuxième capteur au premier substrat de support du côté de la deuxième face du premier substrat de support.
Selon un mode de réalisation, à l’étape a), des photodiodes des pixels de profondeur du premier capteur sont formées dans une région en un matériau semiconducteur.
Selon un mode de réalisation, le matériau de ladite région est un semiconducteur III-V ou II-VI.
Selon un mode de réalisation, ladite région est en arséniure d’indium-gallium.
Selon un mode de réalisation, ladite région est accolée au premier substrat de support, du côté de la première face du premier substrat de support, préalablement à la formation des photodiodes des pixels de profondeur.
Selon un mode de réalisation, ladite région est accolée au premier substrat de support par l’intermédiaire d’une couche d’oxyde.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, entre les étapes a) et b), une étape de collage du premier capteur, du côté de la première face du premier substrat de support, sur un empilement d’interconnexion faisant partie d’un troisième substrat CMOS.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur, comprenant :
– un premier capteur formé sur une première face d’un premier substrat semiconducteur de support, le premier capteur comprenant une pluralité de pixels de profondeur, et au moins un concentrateur optique formé dans le premier substrat de support, du côté d’une deuxième face du premier substrat de support opposée à la première face ; et
– accolé au premier substrat de support, du côté de la deuxième face du premier substrat de support, un deuxième capteur formé dans et sur un deuxième substrat semiconducteur et comprenant une pluralité de pixels d’image 2D.
Selon un mode de réalisation, chaque concentrateur optique est une microlentille réfractive, une microlentille diffractive, une microlentille de Fresnel ou une métasurface.
Selon un mode de réalisation, le deuxième capteur est un capteur d’image couleur, chaque pixel d’image 2D comprenant un filtre couleur transmettant préférentiellement de la lumière rouge, verte ou bleue.
Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième substrats sont en silicium monocristallin.
Selon un mode de réalisation, les pixels de profondeur du premier capteur présentent un pas supérieur à celui des pixels d’image 2D du deuxième capteur.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d’autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple de dispositif d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène selon un mode de réalisation ; et
les , , , , , et sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes d’un exemple de procédé de fabrication du dispositif de la selon un mode de réalisation.
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.
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, la réalisation des photodiodes et des circuits de commande des pixels n’a pas été détaillée, la réalisation de tels pixels étant à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description.
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 (en anglais « coupled ») entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l’intermédiaire d’un ou plusieurs autres éléments.
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.
Sauf précision contraire, les expressions « environ », « approximativement », « sensiblement », et « de l’ordre de » signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple de dispositif 100 d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur d’une scène selon un mode de réalisation.
Le dispositif 100 de la comprend :
– un premier capteur C1 disposé sur une première face 101F d’un premier substrat semiconducteur de support 101 (la face supérieure du substrat 101, dans l’orientation de la ), le premier capteur C1 comprenant une pluralité de pixels P1 de profondeur ;
– au moins un concentrateur optique 103 formé dans le substrat de support 101, du côté d’une deuxième face 101R du substrat 101 (la face inférieure du substrat 101, dans l’orientation de la ) opposée à la première face 101F ; et
– accolé au substrat de support 101, du côté de la deuxième face 101R du substrat 101, un deuxième capteur C2 comprenant une pluralité de pixels P2 d’image 2D.
Dans l’exemple représenté, le substrat 101 fait office de support mécanique pour le capteur C1 et est en particulier dépourvu de fonction électrique. À titre d’exemple, le substrat de support 101 est en silicium monocristallin.
Dans la présente description, le terme « face avant » d’un substrat désigne la face du substrat sur laquelle est réalisé un empilement d’interconnexion associé à des éléments formés dans et/ou sur le substrat, tandis que le terme « face arrière » d’un substrat désigne la face du substrat opposée à sa face avant.
En pratique, le dispositif 100 est destiné à être utilisé en combinaison avec une source lumineuse émettant un rayonnement dans une gamme de longueurs d’onde détectée par les pixels de profondeur du capteur C1, par exemple une source infrarouge. Dans le cas d’une mesure de profondeur par temps de vol (« Time of Flight » - ToF, en anglais), la source lumineuse est par exemple une source laser émettant à une longueur d’onde, ou dans une gamme de longueurs d’onde étroite, située hors du domaine visible, par exemple dans le proche infrarouge (« Short-Wave Infrared » - SWIR, en anglais). À titre d’exemple, la source lumineuse est une source laser dont le pic principal d’émission présente une longueur d’onde centrale comprise entre 700 et 1 500 nm, de préférence comprise entre 1 100 et 1 500 nm, et une largeur à mi-hauteur inférieure de l’ordre de quelques nanomètres, par exemple inférieure à 3 nm. En fonctionnement, le signal lumineux produit par la source lumineuse est émis vers la scène (par exemple par l’intermédiaire d’une ou plusieurs lentilles), sous la forme d’impulsions lumineuses, par exemple des impulsions périodiques. Le signal lumineux retour réfléchi par la scène est capté par les pixels de profondeur P1 du capteur C1, de façon à mesurer le temps de vol du signal lumineux en différents points de la scène et en déduire la distance au dispositif d’acquisition en différents points de la scène. À titre de variante, les pixels P1 du capteur C1 peuvent mettre en œuvre des mesures de profondeur par lumière structurée. Les pixels P2 du capteur C2 sont quant à eux aptes à capter un rayonnement dans une gamme de longueurs d’onde inférieures à 1 100 nm. À titre d’exemple, les pixels P2 captent de la lumière visible émise par la scène, dans une gamme de longueurs d’onde comprise entre 400 et 700 nm, pour former une image 2D de la scène.
Dans l’exemple représenté, chaque pixel P1 du capteur C1 comprend une photodiode 105 comportant une ou plusieurs régions implantées localisées formées dans une région semiconductrice 107. Dans cet exemple, la ou les régions implantées sont disposées du côté de la face 101F du substrat 101 et s’étendent verticalement dans l’épaisseur de la région semiconductrice 107 depuis la face de la région 107 opposée au substrat 101 (la face supérieure de la région 107, dans l’orientation de la ).
Dans l’exemple illustré, le capteur C1 comprend en outre un substrat 108 de type CMOS (de l’anglais « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor » - métal-oxyde-semiconducteur complémentaire) comportant par exemple un empilement d’interconnexion 109, constitué de couches diélectriques et conductrices alternées dans lequel sont formés des éléments de reprise de contact 111, par exemple des pistes et/ou bornes de connexion électrique, et un circuit de lecture 112, disposé du côté d’une face de l’empilement d’interconnexion 109 opposée au substrat 101, dans lequel sont par exemple formés des transistors de lecture et d’adressage des pixels P1 du capteur C1 (ces transistors n’ont pas été illustrés en afin de ne pas surcharger le dessin). Le circuit 112 est par exemple un circuit intégré de lecture (« Read-Out Integrated Circuit » - ROIC, en anglais). Un circuit périphérique (non représenté) de commande et d’alimentation des pixels P1 du capteur C1 peut en outre être formé dans le substrat CMOS 108. Bien que cela n’ait pas été détaillé en , les éléments de reprise de contact 111 peuvent être interconnectés par des vias conducteurs.
Dans l’exemple illustré en , la face 101F du substrat semiconducteur 101 est revêtue d’une couche 113, par exemple une couche transparente aux longueurs d’onde de fonctionnement des pixels P1. La région semiconductrice 107 revêt une partie de la face de la couche 113 opposée au substrat 101 (la face supérieure de la couche 113, dans l’orientation de la ). Dans l’exemple représenté, les flancs et la face supérieure de la région semiconductrice 107 sont revêtus d’une couche électriquement isolante 115.
Des éléments de reprise de contact 117a, disposés à l’aplomb des photodiodes 105, et un élément de reprise de contact 117b, disposé à l’aplomb d’une zone de la région semiconductrice 107 dépourvue de photodiode 105, sont par exemple formés à l’intérieur de la couche isolante 115. Dans l’orientation de la , les éléments de reprise de contact 117a et 117b affleurent la face supérieure de la couche isolante 115. Dans l’exemple représenté, chaque élément de reprise de contact 117a est connecté à une photodiode 105 sous-jacente, par exemple par l’intermédiaire d’un via conducteur 118a s’étendant verticalement dans la couche isolante 115 depuis l’élément de reprise de contact 117a jusqu’à la photodiode 105 correspondante, et l’élément de reprise de contact 117b est connecté à la région semiconductrice 107, par exemple par l’intermédiaire d’un via conducteur 118b s’étendant verticalement dans la couche isolante 115 depuis l’élément de reprise de contact 117b jusqu’à la région semiconductrice 107.
À titre de variante, l’élément de reprise de contact 117b peut être connecté, par l’intermédiaire du via 118b, à une couche transparente et électriquement conductrice, faisant par exemple office d’électrode commune aux photodiodes 105, interposée entre la région semiconductrice 107 et la couche transparente 113. Dans ce cas, la couche transparente et conductrice est par exemple en un oxyde transparent et conducteur, par exemple l’oxyde d’indium-étain (« Indium Tin Oxide » - ITO, en anglais).
Dans l’exemple représenté, le substrat CMOS 108 du capteur C1 revêt la face de la couche isolante 115 opposée au substrat 101 (la face supérieure de la couche 115, dans l’orientation de la ). Des éléments de reprise de contact 111 du substrat CMOS 108 contactent les éléments de reprise de contact 117a et 117b, par exemple afin de relier ou connecter chaque photodiode 105 du capteur C1 au circuit de lecture 112.
De façon optionnelle, un autre substrat CMOS 119 peut, comme dans l’exemple illustré en , être disposé sur et en contact avec la face du substrat CMOS 108 opposée au substrat semiconducteur 101 (la face supérieure du substrat CMOS 108, dans l’orientation de la ). Bien que cela n’ait pas été détaillé en , un empilement d’interconnexion ainsi que des circuits de mémorisation et de traitement de signaux associés aux pixels P1 et P2 des capteurs C1 et C2 peuvent être formés dans le substrat CMOS 119.
Dans l’exemple illustré, chaque pixel P2 du capteur C2 comprend une photodiode 121 comportant une ou plusieurs régions implantées localisées formées dans un substrat semiconducteur 123, par exemple un substrat en silicium monocristallin. Dans cet exemple, la ou les régions implantées de la photodiode 121 sont disposées du côté d’une face avant 123F du substrat 123 (la face supérieure du substrat 123, dans l’orientation de la ). Chaque pixel P2 peut en outre comprendre un ou plusieurs composants supplémentaires (non représentés), par exemple des transistors de lecture et d’adressage, formés du côté de la face avant 123F du substrat 123, par exemple dans le substrat 123 et sur la face avant 123F du substrat 123. Le capteur C2 comprend en outre un empilement d’interconnexion 125 constitué de couches diélectriques et conductrices alternées revêtant la face avant 123F du substrat 123, dans lequel sont formés des éléments de reprise de contact 127, par exemple des pistes et/ou bornes de connexion électrique, connectant les pixels P2 du capteur C2 à un circuit périphérique de commande et d’alimentation (non représenté). Comme illustré en , chaque photodiode 121 est par exemple connectée à un élément de reprise de contact 127 sus-jacent par un via conducteur 128.
Le capteur C2 est par exemple un capteur d’image 2D couleur, c’est-à-dire qu’il comprend des pixels P2 de différents types, adaptés à mesurer des intensités lumineuses dans des gammes de longueurs d’onde visibles distinctes. Pour cela, chaque pixel P2 comprend un filtre couleur 129, par exemple une couche de résine colorée, disposé du côté de la face arrière 123R du substrat 123. À titre d’exemple, le capteur C2 comprend trois types de pixels P2. Le capteur C2 comprend par exemple plus précisément des premiers pixels P2 appelés pixels bleus, dont le filtre couleur 129 transmet préférentiellement de la lumière bleue, des deuxièmes pixels P2 appelés pixels rouges, dont le filtre couleur 129 transmet préférentiellement de la lumière rouge, et des troisièmes pixels P2 appelés pixels verts, dont le filtre couleur 129 transmet préférentiellement de la lumière verte. Sur la , les différents types de pixels P2 ne sont pas différenciés. À titre d’exemple, les filtres couleur 129 forment une matrice de Bayer.
Dans l’exemple illustré, chaque pixel P2 du capteur C2 comprend en outre une microlentille 131 disposée du côté de la face arrière 123F du substrat 123, par exemple sur et en contact avec le filtre couleur 129 du pixel, adaptée à focaliser la lumière incidente sur la photodiode 121 du pixel P2 sous-jacent.
Dans cet exemple, le capteur C1 est collé au capteur C2 par collage moléculaire. Pour cela, une couche électriquement isolante 133, par exemple en oxyde de silicium, est disposée du côté de la face 101R du substrat 101 et revêt notamment les concentrateurs optiques 103. La face de la couche isolante 133 opposée au substrat 101 (la face inférieure de la couche 133, dans l’orientation de la ) est mise en contact avec la face de l’empilement d’interconnexion 125 opposée au substrat 123 de façon à réaliser un collage moléculaire du capteur C2 au capteur C1 (ou du capteur C1 au capteur C2). À titre d’exemple, les couches diélectriques de l’empilement d’interconnexion 125 du capteur C2 sont en le même matériau que la couche 133, par exemple en oxyde de silicium.
Dans le dispositif 100 de la , les pixels P1 de profondeur sont par exemple commandés individuellement de façon à produire une image de profondeur de résolution égale au nombre de pixels P1 du capteur C1.
Dans l’exemple représenté, le dispositif 100 comporte autant de pixels P1 de profondeur dans le capteur C1 que de pixels P2 d’image 2D dans le capteur C2. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, la personne du métier étant capable, à partir des indications de la présente description, d’adapter les modes de réalisation décrits à un cas où le capteur C1 du dispositif 100 comporte une proportion quelconque de pixels P1 par rapport aux pixels P2 du capteur C2, par exemple un pixel P1 de profondeur pour chaque groupe de quatre pixels P2 d’image visible du capteur C2.
Par ailleurs, bien que seuls trois pixels P1 de profondeur et trois pixels P2 d’image 2D aient été représentés en , le dispositif 100 peut bien entendu comporter un nombre supérieur à trois de pixels P1 et de pixels P2. À titre d’exemple, le dispositif 100 comporte plusieurs milliers ou plusieurs millions de pixels P1, et plusieurs milliers ou plusieurs millions de pixels P2.
Par ailleurs, bien que les capteurs de profondeur C1 et d’image 2D C2 présentent, dans l’exemple illustré, des pas de pixels P1 et P2 sensiblement identiques, cet exemple n’est pas limitatif, les capteurs C1 et C2 pouvant présenter des pas de pixels quelconques. Dans la présente description, le terme « pas de pixel » correspond par exemple à la distance centre à centre entre deux pixels adjacents faisant partie du même capteur. À titre d’exemple, le pas des pixels P1 du capteur C1 est supérieur, par exemple deux fois supérieur, au pas des pixels P2 du capteur C2. Dans ce cas, les pixels P1 présentent, en vue de dessus, une surface supérieure à celle des pixels P2 et le capteur P1 comporte par exemple quatre fois moins de pixels P1 que le capteur C2 ne comporte de pixels P2.
Un avantage du dispositif 100 tient au fait que la superposition des capteurs de profondeur C1 et d’image 2D C2 permet une réduction d’encombrement par rapport à un cas où des capteurs de profondeur et des capteurs d’image 2D placés côte à côte seraient utilisés. Un autre avantage du dispositif 100 réside dans le fait qu’il permet d’utiliser un matériau semiconducteur autre que le silicium pour réaliser les pixels P1 du capteur C1, par exemple un matériau mieux adapté à capter la longueur d’onde d’illumination de la scène par la source lumineuse, notamment dans un cas où la longueur d’onde d’illumination est supérieure à 1 100 nm, c’est-à-dire au-delà de la plage de sensibilité du silicium. Par ailleurs, le fait de prévoir les concentrateurs optiques 103 entre les pixels P2 d’image 2D du capteur C2 et les pixels P1 de profondeur du capteur P1 permet avantageusement d’optimiser la transmission du rayonnement reçu depuis la face arrière 123R du capteur C2 jusqu’aux photodiodes 105 des pixels P1 du capteur C1. Les concentrateurs optiques 103 du capteur C1 permettent plus précisément de mieux focaliser, sur les photodiodes 105, le rayonnement reçu depuis la face 123R.
Les , , , , , et sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes, par exemple successives, d’un exemple de procédé de fabrication du dispositif 100 de la selon un mode de réalisation.
La illustre plus particulièrement une étape de report de la région semiconductrice 107 sur le substrat semiconducteur 101, du côté de la face 101F du substrat 101. Dans l’exemple représenté, la région 107 est collée sur la face 101F du substrat 101 au moyen de la couche transparente 113. La face 101F du substrat 101 est revêtue de la couche transparente 113, elle-même partiellement revêtue, une fois le collage réalisé, de la région semiconductrice 107. La région semiconductrice 107 est fixée sur la face 101F du substrat 101, par l’intermédiaire de la couche 113, par un collage « définitif ». Dit autrement, le substrat 101 n’est pas destiné à être dissocié de la région semiconductrice 107 lors d’étapes ultérieures du procédé de réalisation du dispositif 100. Un avantage lié au fait de mettre en œuvre un collage définitif de la région 107 sur le substrat 101, par rapport à un cas où un collage temporaire serait mis en œuvre et où le substrat 101 serait retiré au cours de la réalisation du dispositif 100, est que cela permet d’utiliser des budgets thermiques plus importants lors des étapes ultérieures du procédé.
La couche de collage 113 est par exemple une couche d’oxyde, par exemple une couche d’oxyde de silicium. La couche 113 peut présenter une structure monocouche ou multicouche, par exemple une structure bicouche oxyde/nitrure comprenant une couche de nitrure de silicium revêtant la face 101F du substrat 101 et une couche d’oxyde de silicium revêtant la couche de nitrure de silicium. De manière plus générale, la personne du métier est capable de prévoir, pour mettre en œuvre le collage de la région 107 sur le substrat 101, une ou plusieurs couches en des matériaux diélectriques. La personne du métier est en outre capable de déterminer les épaisseurs de cette ou de ces couches de sorte à optimiser le collage et les propriétés optiques, par exemple pour obtenir une fonction antireflet à la longueur d’onde de détection des pixels P1 du capteur C1.
La région 107 est, de manière générale, en un matériau incompatible avec les procédés de type CMOS. Le matériau de la région 107 est par exemple un matériau semiconducteur inorganique, par exemple un composé III-V comprenant au moins un premier élément du groupe III, un deuxième élément du groupe V et, éventuellement, un troisième élément, par exemple un élément du groupe III autre que le premier élément. À titre d’exemple, le matériau de la région 107 est l’arséniure d’indium-gallium (de formule chimique InGaAs ou InxGa1-xAs). À titre de variante, le matériau de la région 107 peut être un composé II-VI comprenant au moins un premier élément du groupe II, un deuxième élément du groupe VI et, éventuellement, un troisième élément, par exemple un élément du groupe II autre que le premier élément.
La illustre plus particulièrement des étapes ultérieures de formation des photodiodes 105 des pixels P1 du capteur C1 et de réalisation de la couche isolante 115.
Les photodiodes 105 sont par exemple formées dans la région semiconductrice 107 par un procédé de masquage puis de diffusion d’espèces dopantes, par exemple des atomes de zinc. À titre de variante, les photodiodes 105 peuvent être formées par implantation ionique du côté de la face 101F du substrat 101.
La couche isolante 115 est par exemple ensuite déposée sur la structure du côté de la face 101F du substrat 101 puis planarisée, par exemple par polissage mécano-chimique (« Chemical and Mechanical Polishing » - CMP, en anglais). Les vias conducteurs 118a et 118b ainsi que les éléments de reprise de contact 117a et 117b sont par exemple ensuite formés dans la couche 115, par exemple par au moins une étape de photolithographie puis gravure, de sorte à former des cavités dans la couche 115, suivie d’au moins une étape de remplissage de ces cavités par un matériau conducteur, par exemple un métal ou un alliage métallique. À titre d’exemple, chaque photodiode 105 comporte, à l’issue de ces étapes, une première électrode individuelle, par exemple une électrode constituée par l’un des éléments de reprise de contact 117a, et une deuxième électrode, par exemple une électrode constituée par l’élément de reprise de contact 117b, la deuxième électrode étant par exemple commune à plusieurs ou à toutes les photodiodes 105 du capteur C1.
La illustre plus particulièrement une étape ultérieure de report, par exemple par collage hybride, de la structure précédemment décrite en relation avec la sur le substrat CMOS 108.
Dans l’exemple représenté, la face de la couche 115 opposée au substrat 101 est placée en contact avec la face de l’empilement d’interconnexion 109 du substrat CMOS 108 opposée au circuit de lecture 112. Dans l’exemple illustré, les éléments de reprise de contact 117a et 117b affleurant la face de la couche 115 opposée au substrat 101 (la face inférieure de la couche 115, dans l’orientation de la ) sont mises en contact avec des éléments de reprise de contact 111 affleurant la face de l’empilement d’interconnexion 109 opposée au circuit de lecture 112 (la face supérieure de l’empilement d’interconnexion 109, dans l’orientation de la ).
La illustre plus particulièrement une structure obtenue à l’issue d’une étape ultérieure d’amincissement du substrat semiconducteur 101, depuis sa face 101R.
Le substrat semiconducteur 101 est par exemple aminci par polissage mécano-chimique. Une fois aminci, le substrat 101 présente par exemple une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques micromètres.
La illustre plus particulièrement une structure obtenue à l’issue d’une étape ultérieure de formation du ou des concentrateurs optiques 103 du côté de la face 101R du substrat 101.
Les concentrateurs optiques 103 sont par exemple réalisés par une technique dite de « transfert de forme ». Pour cela, des structures identiques ou analogues aux concentrateurs optiques 103 sont par exemple d’abord formées dans une couche de résine préalablement déposée sur la face 101R du substrat 101. Une étape ultérieure de gravure permet ensuite de reporter le relief de la couche de résine sur la face 101R du substrat 101, la profondeur de gravure depuis la face 101R du substrat 101 dépendant de l’épaisseur de la couche de résine sus-jacente.
Dans l’exemple représenté, chaque pixel P1 du capteur C1 comprend un concentrateur optique 103 différent des concentrateurs optiques 103 des autres pixels P1. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, chaque concentrateur optique 103 pouvant, à titre de variante, être commun à plusieurs pixels P1 du capteur C1. Par ailleurs, les concentrateurs optiques 103 sont, dans l’exemple illustré en , des microlentilles réfractives, par exemple convergentes. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, les concentrateurs optiques 103 pouvant, à titre de variante, être des lentilles diffractives, des lentilles de Fresnel, des métasurfaces, etc. La personne du métier est capable d’adapter les indications de la présente description pour réaliser ces éléments.
La illustre une structure obtenue à l’issue d’une étape ultérieure de dépôt de la couche 133 du côté de la face 101R du substrat 101.
À titre d’exemple, la couche 133 est en un oxyde, par exemple l’oxyde de silicium. Après dépôt, la couche 133 est par exemple planarisée, par exemple par polissage mécano-chimique.
Bien que cela n’ait pas été représenté, un dépôt d’une couche d’un matériau d’indice de réfraction différent de celui de la couche 133, par exemple une couche de nitrure, par exemple le nitrure de silicium, peut être prévu entre la réalisation des concentrateurs optiques 103 ( ) et le dépôt de la couche 133 ( ). Dans ce cas, la couche de nitrure revêt par exemple toute la face 101R du substrat 101 et la couche 133 revêt intégralement la face de la couche de nitrure opposée au substrat 101. La personne du métier est capable de déterminer le matériau et l’épaisseur de cette couche de sorte à optimiser les propriétés optiques, par exemple pour obtenir une fonction antireflet, par exemple de filtrage spectral, à la longueur d’onde de détection des pixels P1 du capteur C1.
La illustre plus particulièrement une étape de réalisation du capteur C2. La réalisation du capteur C2 peut indifféremment avoir lieu préalablement, simultanément ou postérieurement à la réalisation du capteur C1.
La réalisation du capteur C2 est à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description. À titre d’exemple, les photodiodes 121 et les circuits de lecture sont d’abord formés dans le substrat semiconducteur 123. L’empilement d’interconnexion 125 est par exemple ensuite réalisé du côté de la face avant 123F du substrat 123. Puis, la structure précédemment décrite en relation avec la est par exemple reportée, par exemple par collage moléculaire, sur la structure précédemment décrite en relation avec la de sorte à accoler le capteur C2 au capteur C1. La face de l’empilement 125 opposée au substrat 123 est ainsi maintenue en contact avec la face de la couche 133 opposée au substrat 101.
Le substrat semiconducteur 123 peut ensuite être aminci, par exemple par polissage mécano-chimique, du côté de sa face opposée au substrat 101, puis passivé. Des connexions entre les capteurs C1 et C2, non représentées, sont par exemple ensuite réalisées en périphérie, par exemple en technologie TSV (de l’anglais « Through-Silicon Via » - via traversant le silicium) pour permettre la transmission de signaux de pilotage et d’alimentation des pixels. Enfin, les filtres couleur 129 et les microlentilles 131 sont formés du côté de la face arrière 123R du substrat 123.
Bien que cela n’ait pas été illustré, le substrat CMOS 119 optionnel comprenant les circuits de mémorisation et de traitement des signaux peut ensuite être accolé au substrat CMOS 108, du côté d’une face du circuit de lecture 112 opposée à l’empilement d’interconnexion 109, par exemple après réalisation des filtres couleur 129 et des microlentilles 131.
Dans le procédé exposé ci-dessus en relation avec les figures 2A à 2G, le substrat 101 est conservé à l’issue des étapes de fabrication du dispositif 100. Cela permet avantageusement de tirer profit de la présence du substrat 101 pour réaliser des fonctions optiques de concentration de lumière.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier.
Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples particuliers de matériaux et de dimensions mentionnés dans la présente description.

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d’un dispositif (100) d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) former, sur une première face (101F) d’un premier substrat semiconducteur de support (101), un premier capteur (C1) comprenant une pluralité de pixels de profondeur (P1) ;
    b) former, dans le premier substrat de support (101), du côté d’une deuxième face (101R) du premier substrat opposée à la première face (101F), au moins un concentrateur optique (103) ;
    c) former, dans et sur un deuxième substrat semiconducteur (123), un deuxième capteur (C2) comprenant une pluralité de pixels d’image 2D (P2) ; et
    d) accoler le deuxième capteur (C2) au premier substrat de support (101) du côté de la deuxième face (101R) du premier substrat de support (101).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, à l’étape a), des photodiodes (105) des pixels de profondeur (P1) du premier capteur (C1) sont formées dans une région (107) en un matériau semiconducteur.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau de ladite région (107) est un semiconducteur III-V ou II-VI.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ladite région (107) est en arséniure d’indium-gallium.
  5. Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, dans lequel ladite région (107) est accolée au premier substrat de support (101), du côté de la première face (101F) du premier substrat de support, préalablement à la formation des photodiodes (105) des pixels de profondeur (P1).
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel ladite région (107) est accolée au premier substrat de support (101) par l’intermédiaire d’une couche d’oxyde (113).
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre, entre les étapes a) et b), une étape de collage du premier capteur (C1), du côté de la première face (101F) du premier substrat de support (101), sur un empilement d’interconnexion (109) faisant partie d’un troisième substrat CMOS (108).
  8. Dispositif (100) d’acquisition d’une image 2D et d’une image de profondeur, comprenant :
    – un premier capteur (C1) formé sur une première face (101F) d’un premier substrat semiconducteur de support (101), le premier capteur (C1) comprenant une pluralité de pixels de profondeur (P1), et au moins un concentrateur optique (103) formé dans le premier substrat de support (101), du côté d’une deuxième face (101R) du premier substrat de support (101) opposée à la première face (101F) ; et
    – accolé au premier substrat de support (101), du côté de la deuxième face (101R) du premier substrat de support (101), un deuxième capteur (C2) formé dans et sur un deuxième substrat semiconducteur (123) et comprenant une pluralité de pixels d’image 2D (P2).
  9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque concentrateur optique (103) est une microlentille réfractive, une microlentille diffractive, une microlentille de Fresnel ou une métasurface.
  10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le deuxième capteur (C2) est un capteur d’image couleur, chaque pixel d’image 2D (P2) comprenant un filtre couleur (129) transmettant préférentiellement de la lumière rouge, verte ou bleue.
  11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les premier et deuxième substrats (101, 123) sont en silicium monocristallin.
  12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel les pixels de profondeur (P1) du premier capteur (C1) présentent un pas supérieur à celui des pixels d’image 2D (P2) du deuxième capteur (C2).
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