Brevet FR2862426A1 — publié le 20050520

CAPTEUR D'IMAGE La présente invention concerne un capteur d'image, notamment un capteur d'image de type CMOS constitué d'une matrice de cellules photosensibles disposées en lignes et en colonnes. La figure 1 représente schématiquement une coupe de deux cellules photosensibles adjacentes 10, 12 d'un capteur d'image classique de type CMOS formées sur un substrat 13. Un tel capteur correspond, par exemple, au capteur commercialisé par la société STMicroelectronics sous le nom commercial "CMOS Image Sensor Module VS6552". Chaque cellule photosensible 10, 12 est associée à une portion de la surface du substrat 13 qui, vue de dessus, a généralement la forme d'un carré ou d'un rectangle. Chaque cellule photosensible 10, 12 comprend une zone active photosensible 14, 16, correspondant généralement à une photodiode adaptée à stocker une quantité de charges électriques en fonction de l'intensité lumineuse reçue. Le substrat 13 est recouvert d'un empilement de couches isolantes et transparentes 18, par exemple constituées d'oxyde de silicium. Des pistes conductrices 20, formées sur la surface du substrat 13 et entre des couches isolantes adjacentes, et des vias conducteurs 22, formés à travers des couches isolantes 18, permettent notamment d'adresser les zones photosensibles 14, 16 et de recueillir des signaux électriques fournis par les zones photosensibles 14, 16. Les pistes conductrices 20 et les vias conducteurs 22 sont généralement constitués de matériaux réfléchissants ou absorbants. Dans un capteur couleur, un élément de filtre de couleur, par exemple un filtre organique 24, 26, est disposé à la surface de l'empilement de couches isolantes 18 au niveau de chaque cellule photosensible 10, 12. Les éléments de filtre de couleur 24, 26 sont généralement recouverts d'une couche d'égalisation 27 planarisée qui définit une face d'exposition 28 exposée à la lumière. La zone photosensible 14, 16 ne couvre généralement pas l'entière surface du substrat 13 associée à la cellule photosensible 10, 12. En effet, une partie de la surface est réservée à des dispositifs d'adressage et de lecture de la zone photosensible 14. Une zone photosensible 14 couvre généralement environ seulement 30 % de la surface du substrat 13 associée à la cellule photosensible 10, 12. Pour augmenter l'intensité lumineuse parvenant jusqu'à la zone photosensible d'une cellule photosensible, une microlentille 29, 30 est disposée sur la couche d'égalisation 27, en visà-vis de la zone photosensible 14, 16 pour focaliser les rayons lumineux vers la zone photosensible 14, 16. Les parcours de trois rayons lumineux R1, R2, R3 sont schématiquement représentés à titre d'exemple en traits mixtes pour les cellules photosensibles 10, 12. Les pistes conductrices 20 et les vias conducteurs 22 sont disposés de façon à ne pas gêner le passage des rayons lumineux. Les microlentilles 29, 30 sont généralement obtenues en recouvrant la couche d'égalisation 27 d'une résine, en gravant la résine pour délimiter des blocs de résine distincts, chaque bloc de résine étant formé sensiblement en vis-à-vis d'une zone photosensible 14, 16, et en chauffant les blocs de résine. Chaque bloc de résine tend alors à se déformer par fluage, le centre du bloc se gonflant et les parois latérales s'affaissant, pour obtenir une surface extérieure convexe 32, 34. La surface extérieure 32, 34 recherchée pour assurer une focalisation optimale des rayons lumineux vers une zone photosensible correspond à une portion de sphère dont le rayon varie proportionnellement à la distance séparant une micro-lentille 29, 30 de la zone photosensible associée 14, 16. A titre d'exemple, pour une cellule photosensible 10, 12 de 4 micromètres de côté et pour une distance de l'ordre de 8 à 10 micromètres entre une microlentille 29, 30 et la zone photosensible 14, 16 associée, l'épaisseur maximale de la micro-lentille 29, 30 est d'environ 1/2 micromètre. Le procédé de fabrication des microlentilles 29, 30 précédemment décrit ne permet pas toutefois d'obtenir une micro- lentille 29, 30 remplissant la totalité de la portion de la face d'exposition associée aux cellules photosensibles. En effet, les blocs de résine à partir desquels sont formées les micro-lentilles 29, 30, doivent être séparés les uns des autres par des régions de séparation 36 entourant chaque bloc de résine dont la largeur minimale dépend notamment des techniques de gravure utilisées et du type de résine utilisé. Pour des techniques de gravure classiques, les régions de séparation 36 ont une largeur minimale de 0.4 à 0.5 micromètre environ, ce qui correspond sensiblement à 10% du côté d'une cellule photo- sensible. Les régions de séparation 36 se conservent après formation des microlentilles 29, 30. Un bloc de résine circulaire permet d'obtenir une microlentille 29, 30 ayant une surface extérieure correspondant sensiblement à une portion sphérique. Toutefois, pour réduire la région de séparation 36 au minimum tout en conservant une surface extérieure de micro-lentille relativement proche d'une portion sphérique, on utilise généralement un bloc de résine ayant, vu de dessus, la forme d'un carré ou d'un rectangle aux coins biseautés. La lumière arrivant au niveau des régions de séparation 36 associées à une cellule photosensible n'est pas focalisée vers la zone photo-sensible 14, 16 de la cellule photosensible, ce qui réduit la sensibilité du capteur. Une solution pour augmenter l'intensité lumineuse focalisée vers la zone photosensible d'une cellule photosensible est de prévoir une étape supplémentaire, appelée "top-coating", qui comprend le dépôt conforme d'un matériau transparent (non représenté), par exemple du nitrure de silicium, sur les microlentilles 29, 30. La surface extérieure du dépôt conforme épouse la forme des microlentilles 29, 30 et forme la surface de focalisation de la lumière. Le dépôt conforme permet alors d'obtenir une surface de focalisation comportant des zones bombées au niveau de chaque microlentille 29, 30. Deux zones bombées adjacentes sont séparées d'une distance minimale inférieure à la largeur minimale de la région de séparation entre les deux microlentilles associées. Lorsque le dépôt conforme a une épaisseur suffisante, les surfaces bombées peuvent être jointives. Pour augmenter la sensibilité d'un capteur d'image, on cherche à augmenter le nombre de cellules photosensibles qui le composent. Toutefois, il n'est pas souhaitable que la surface totale occupée par le capteur augmente de façon excessive. On cherche donc à diminuer la surface d'une cellule photosensible. Ceci impose la diminution de la surface de la zone photosensible de chaque cellule photosensible. La sensibilité de chaque cellule photosensible est diminuée puisque la zone photosensible de la cellule photosensible reçoit une intensité lumineuse totale de plus en plus faible. L'optimisation de la quantité de lumière reçue par la zone photosensible d'une cellule photo-sensible par rapport à la quantité de lumière reçue par la portion de la face d'exposition associée à la cellule photo-sensible devient alors un facteur essentiel. La réalisation d'un dépôt conforme augmente la distance entre chaque zone bombée et la zone photosensible associée. Plus une zone bombée est éloignée de la zone photosensible associée, plus elle doit avoir un rayon de courbure élevé pour assurer une focalisation convenable des rayons lumineux vers la zone photo- sensible. Ceci nécessite la réalisation d'une microlentille ayant elle- même un rayon de courbure élevé. Le rayon de courbure d'une microlentille est inversement proportionnel à l'épaisseur du bloc de résine dont la microlentille est issue. Cependant, plus l'épaisseur d'un bloc de résine est faible, plus il est difficile de maîtriser avec précision le rayon de courbure de la microlentille finalement obtenue. En outre, à de petites échelles, il est délicat de réaliser un dépôt parfaitement conforme et donc d'assurer que la surface extérieure du dépôt conforme suit fidèlement la surface convexe des microlentilles. La présente invention vise à proposer un capteur d'image constitué d'une matrice de cellules photosensibles permettant de focaliser, pour chaque cellule photosensible, le maximum d'intensité lumineuse reçue par la cellule photosensible vers la zone photosensible de la cellule photosensible. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un capteur d'image comprenant des zones photosensibles distinctes au niveau d'un substrat, une face d'exposition exposée à la lumière et, pour chaque zone photosensible, des moyens optiques adaptés à dévier vers la zone photosensible de la lumière atteignant une région périphérique d'une portion de la face d'exposition associée à la zone photosensible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur d'image comprend un substrat, des zones photosensibles distinctes au niveau du substrat, des couches transparentes recouvrant le substrat et délimitant une face d'exposition exposée à la lumière, et pour chaque zone photosensible, un premier moyen optique adapté à dévier vers la zone photo-sensible de la lumière atteignant une région centrale d'une portion de la face d'exposition associée à ladite zone photo-sensible, et comprenant, en outre, pour chaque zone photo-sensible, des seconds moyens optiques adaptés à dévier vers la zone photosensible de la lumière atteignant une région périphérique de la portion de la face d'exposition entourant la région centrale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les seconds moyens optiques sont disposés à un niveau inter-35 médiaire entre la face d'exposition et le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier moyen optique comprend une microlentille disposée au niveau de la région centrale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les seconds moyens optiques comprennent des surfaces réfringentes inclinées par rapport à la face d'exposition délimitées par une première couche transparente ayant un premier indice de réfraction en contact avec une seconde couche transparente ayant un second indice de réfraction supérieur au premier indice de réfraction, les première et seconde couches transparentes étant disposées à un niveau intermédiaire entre la face d'exposition et le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les surfaces réfringentes sont au moins en partie planes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les surfaces réfringentes sont disposées, pour chaque zone photosensible, en vis-à-vis de la région périphérique. La présente invention prévoit également un procédé de fabrication d'un capteur d'image, comprenant les étapes consis- tant à former des zones photosensibles distinctes au niveau d'un substrat, à former un empilement de couches transparentes, comprenant une première couche transparente ayant un premier indice de réfraction en contact avec une seconde couche transparente ayant un second indice de réfraction supérieur au premier indice de réfraction, les première et seconde couches transparentes délimitant des surfaces réfringentes au moins en partie planes adaptées à dévier de la lumière vers les zones photosensibles, à former une face d'exposition exposée à la lumière, les surfaces réfringentes étant inclinées par rapport à la face d'exposition, et à former des microlentilles distinctes sur la face d'exposition, chaque microlentille étant adaptée à dévier de la lumière vers une zone photosensible, les micro-lentilles étant séparées par des régions de séparation disposées en vis-à-vis des surfaces réfringentes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la seconde couche transparente recouvre la première couche transparente et est planarisée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 la première couche transparente est constituée du même matériau que d'autres couches transparentes. Cet objet, ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation parti- culiers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement une coupe de deux cellules photosensibles adjacentes d'un capteur d'image classique; la figure 2 représente schématiquement une coupe de deux cellules photosensibles adjacentes d'un capteur d'image selon un premier exemple de réalisation de l'invention; la figure 3 représente schématiquement une vue de dessus de quatre cellules photosensibles adjacentes d'un capteur d'image selon le premier exemple de réalisation de l'invention; et la figure 4 représente schématiquement une coupe de deux cellules photosensibles adjacentes d'un capteur d'image selon un second exemple de réalisation de l'invention. La présente invention consiste à prévoir, dans l'empilement de couches isolantes 18, en vis-à-vis des régions de séparation entourant la microlentille 29, 30 de chaque cellule photosensible 10,12, une surface réfringente adaptée à dévier les rayons lumineux qui atteignent la portion de la face d'expo- sition 28 associée à la cellule photosensible 10, 12, au niveau des régions de séparation 36 associées à la cellule photo-sensible 10, 12, vers la zone photosensible 14, 16 de la cellule photosensible 10, 12. Aux rayons lumineux habituellement focalisés vers la zone photosensible 14, 16 par la microlentille 29, 30 sont alors ajoutés les rayons lumineux qui atteignent la portion de la face d'exposition 28 associée à la cellule photosensible 10, 12 au niveau des régions de séparation 36. La quasi totalité de la lumière atteignant la portion de la face d'exposition 28 associée à la cellule photosensible 10, 12 est alors orientée vers la zone photosensible 14, 16 de la cellule photosensible 10, 12. La figure 2 représente un premier exemple de réali- sation d'un capteur selon l'invention. On prévoit dans l'empi- lement de couches isolantes 18, une première couche isolante et transparente 37 ayant un faible indice de réfraction sur laquelle est formée une seconde couche isolante et transparente 38 ayant un indice de réfraction plus élevé. A titre d'exemple, la couche 37 à indice de réfraction faible est constituée d'oxyde de silicium dont l'indice de réfraction est de l'ordre de 1,5 à 1,6 et la couche 38 à indice de réfraction élevé est constituée de nitrure de silicium ayant un indice de réfraction de l'ordre de 2. La couche 32 à indice de réfraction faible peut être constituée du même matériau que celui constituant les couches isolantes 18 dans lesquelles sont formées les pistes conductrices 20 et les vias conducteurs 22 précédemment décrits. La surface supérieure 40 de la couche 38 à indice de réfraction élevé, en vis-à-vis des éléments de filtre 24, 26, est planarisée et forme une première surface réfringente. Une couche isolante et transparente 41 peut être prévue entre la couche 38 et les éléments de filtre 24, 26. La surface 42 à l'interface entre la couche 38 à indice de réfraction élevé et la couche 37 à indice de réfraction faible forme une seconde surface réfringente. La couche à indice de réfraction faible 37 comporte des protubérances 44 qui définissent chacune deux faces planes et inclinées 46, 48 de la seconde surface réfringente 42. Chaque protubérance 44 est sensiblement réalisée en regard d'une région de séparation 36 entre deux microlentilles adjacentes 29, 30. La ligne de jonction entre deux faces planes inclinées 46, 48 est sensiblement disposée au niveau de la séparation entre deux cellules photosensibles adjacentes 10, 12. Les rayons lumineux qui atteignent la région de séparation 36 selon une direction sensiblement perpendiculaire à la face d'exposition 28 traversent les éléments de filtre 24, 26, la couche 41 et la première surface réfringente 40 sans être déviés étant donné leur angle d'incidence de 90 . Ils sont alors déviés par l'une ou l'autre des faces planes inclinées 46, 48 d'un angle de déviation déterminé qui dépend des indices de réfraction des couches 37, 38 et de l'inclinaison des faces planes inclinées 46, 48. L'angle de déviation est choisi de sorte que tous les rayons lumineux qui atteignent la partie de la région de séparation 36 associée à une cellule photosensible soient déviés par une face inclinée 46, 48 en direction de la zone photo-sensible 14 de la cellule photosensible 10, 12. A titre d'illustration, pour chaque cellule photosensible 10, 12, les parcours de cinq rayons lumineux Ri' à R5' sont représentés en figure 2. Dans le cas où la couche 37 à indice de réfraction faible est constituée d'oxyde de silicium, il n'y a pas de déviation supplémentaire des rayons lumineux traversant la couche 37 et les couches sous-jacentes constituées du même matériau. Les protubérances 44 peuvent être obtenues par un procédé dans lequel la couche 37 est formée en réalisant parallèlement des étapes de dépôt et de gravure adaptées de façon à former les faces planes inclinées 46, 48 selon une inclinaison souhaitée. La figure 3 représente schématiquement une vue de dessus des deux cellules photosensibles 10, 12 et de deux autres cellules photosensibles adjacentes 49, 50 permettant d'apprécier les positions relatives entre les zones photosensibles 14, 16 (représentées en traits pleins fins), les microlentilles 29, 30 (représentées en traits pleins épais) et les faces planes inclinées 46, 48 (représentées en traits pointillés). La figure 4 représente un second exemple de réali- sation du capteur d'image selon l'invention. On prévoit dans l'empilement de couches isolantes 18, une première couche iso- lante et transparente 51 ayant un indice de réfraction élevé sur laquelle est formée une seconde couche isolante et transparente 52 ayant un indice de réfraction plus faible. La surface 54 à l'interface entre la couche 52 à indice de réfraction faible et la couche 51 à indice de réfraction élevé forme une première surface réfringente. La surface inférieure 56 de la couche 51 à indice de réfraction élevé, en interface avec l'empilement de couches isolantes 18, forme une seconde surface réfringente. La couche 51 à indice de réfraction élevé comporte des évidements 58 qui définissent chacun deux faces planes inclinées 60, 62 de la première surface réfringente 54. Chaque évidement 58 est réalisé sensiblement en regard d'une région de séparation 36 entre deux microlentilles 29, 30. La ligne de jonction entre deux faces planes inclinées 60, 62 est sensiblement disposée au niveau de la séparation entre deux cellules photosensibles adjacentes. Les rayons lumineux qui atteignent la région de séparation 36 selon une direction sensiblement perpendiculaire à la face d'exposition 28, traversent les éléments de filtre 24, 26, la couche 41 et la couche 52 à indice de réfraction faible sans être déviés étant donné leur angle d'incidence de 90 . Ils sont alors déviés par l'une ou l'autre des faces inclinées 60, 62 de la seconde surface réfringente 54 d'un angle de déviation déterminé qui dépend des indices de réfraction des couches 51, 52 et de l'inclinaison des faces inclinées 60, 62. Les rayons lumineux subissent alors une réfraction supplémentaire (non représentée) en traversant la seconde surface réfringente 56. La déviation totale appliquée aux rayons lumineux atteignant les régions de séparation 36 est choisie de sorte que tous les rayons lumineux qui atteignent la partie de la région de séparation 36 associée à une cellule photosensible soient déviés vers la zone photosensible 14 de la cellule photosensible. A titre d'illustration, pour chaque cellule photosensible 10, 12, les parcours de cinq rayons lumineux R1" à R5" sont représentés en figure 4. Il est avantageux de disposer, dans les deux exemples de réalisation précédemment décrits, les couches 37, 38, 51, 52 à indices de réfraction faible et élevé à proximité des éléments de filtre 24, 26. En effet, la déviation à appliquer aux rayons lumineux est alors la moins élevée. Toutefois, si cela s'avère nécessaire, les couches à indices de réfraction faible et élevé 37, 38, 51, 52 peuvent être disposées n'importe où dans l'empilement de couches isolantes 18, les pistes 20 et les vias 22 conducteurs pouvant alors néanmoins gêner le passage des rayons lumineux. Il est nécessaire de prendre en compte les déviations angulaires dues aux couches 37, 38, 51, 52 pour déterminer les parcours des rayons lumineux focalisés par les microlentilles 29, 30. Pour simplifier la détermination du parcours des rayons lumineux, il peut être préférable que les rayons lumineux passant sensiblement au niveau du contour d'une microlentille 29, 30 atteignent, dans le premier exemple de réalisation, la seconde surface réfringente 42 en dehors des protubérances 44 et, dans le second exemple de réalisation, la première surface réfringente 54 en dehors des évidements 58. Selon une variante de la présente invention, les microlentilles 29, 30 sont remplacées par une couche ayant un indice de réfraction différente de celui de la couche isolante sous-jacente et ayant, au niveau de la région centrale de la portion de la face d'exposition 28 associée à une cellule photosensible 10, 12, une juxtaposition de faces planes inclinées de telle façon que les rayons lumineux atteignant chaque face plane inclinée soient déviés vers la zone photosensible de la cellule photosensible. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'howine de l'art En particulier, on a décrit des faces inclinées planes pour dévier les rayons lumineux vers la zone photosensible d'une cellule photosensible. Il peut toutefois s'agir de surfaces plus complexes, par exemple des surfaces concaves ou convexes. REVENDICATIONS 1. Capteur d'image comprenant des zones photosensibles (14, 16) distinctes au niveau d'un substrat, une face d'exposition (28) exposée à la lumière et, pour chaque zone photosensible, des moyens optiques (46, 48, 60, 62) adaptés à dévier vers la zone photosensible de la lumière atteignant une région périphérique (36) d'une portion de la face d'exposition associée à la zone photosensible. 2. Capteur d'image comprenant un substrat (13), des zones photosensibles (14, 16) distinctes au niveau du substrat, des couches transparentes (18) recouvrant le substrat et délimitant une face d'exposition (28) exposée à la lumière, et pour chaque zone photosensible, un premier moyen optique (29, 30) adapté à dévier vers la zone photosensible de la lumière atteignant une région centrale d'une portion de la face d'exposition associée à ladite zone photosensible, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, pour chaque zone photosensible, des seconds moyens optiques (46, 48, 60, 62) adaptés à dévier vers la zone photosensible de la lumière atteignant une région périphérique (36) de la portion de la face d'exposition entourant la région centrale. 3. Capteur d'image selon la revendication 2, dans lequel les seconds moyens optiques (46, 48, 60, 62) sont disposés à un niveau intermédiaire entre la face d'exposition (28) et le substrat (13). 4. Capteur d'image selon la revendication 2, dans lequel le premier moyen optique (29, 30) comprend une microlentille disposée au niveau de la région centrale. 5. Capteur d'image selon la revendication 2, dans lequel les seconds moyens optiques (46, 48, 60, 62) comprennent des surfaces réfringentes (46, 48, 60, 62) inclinées par rapport à la face d'exposition (28) délimitées par une première couche transparente (37, 52) ayant un premier indice de réfraction en contact avec une seconde couche transparente (38, 51) ayant un second indice de réfraction supérieur au premier indice de réfraction, les première et seconde couches transparentes étant disposées à un niveau intermédiaire entre la face d'exposition (28) et le substrat (13). 6. Capteur d'image selon la revendication 5, dans 5 lequel les surfaces réfringentes (46, 48, 60, 62) sont au moins en partie planes. 7. Capteur d'image selon la revendication 5, dans lequel les surfaces réfringentes (46, 48, 60, 62) sont disposées, pour chaque zone photosensible (14, 16), en vis-à-vis de la région périphérique (36). 8. Procédé de fabrication d'un capteur d'image, comprenant les étapes suivantes: - former des zones photosensibles (14, 16) distinctes au niveau d'un substrat (13) ; - former un empilement de couches transparentes (18, 37, 38, 51, 52), comprenant une première couche transparente (37, 52) ayant un premier indice de réfraction en contact avec une seconde couche transparente (38, 51) ayant un second indice de réfraction supérieur au premier indice de réfraction, les première et seconde couches transparentes délimitant des surfaces réfringentes au moins en partie planes (46, 48, 60, 62) adaptées à dévier de la lumière vers les zones photosensibles; - former une face d'exposition (28) exposée à la lumière, les surfaces réfringentes (46, 48, 60, 62) étant inclinées par rapport à la face d'exposition; et - former des microlentilles (29, 30) distinctes sur la face d'exposition, chaque microlentille étant adaptée à dévier de la lumière vers une zone photosensible, les microlentilles étant séparées par des régions de séparation (36) disposées en vis-à-vis des surfaces réfringentes. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la seconde couche transparente (38) recouvre la première couche transparente (37) et est planarisée. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la première couche transparente (37, 52) est constituée du même matériau que d'autres couches transparentes (18).