Brevet FR2968877A1 — publié le 20120615

B10646 - 10-GR3-268 1 PIXEL D'UN CAPTEUR D'IMAGE Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'image intégré comprenant des pixels présentant un éclairement relatif et une résolution élevés, ainsi qu'une bonne réponse angulaire. Exposé de l'art antérieur Un capteur d'image intégré est généralement constitué de pixels, ou cellules élémentaires, répartis sous forme d'une matrice en surface d'un substrat semiconducteur. Chaque pixel comprend une zone de photodétection, généralement constituée d'une région présentant une concentration de dopants différente de celle du substrat semiconducteur, surmontée d'une micro-lentille prévue pour focaliser des rayons lumineux incidents vers la zone de photodétection. Des éléments de transfert des charges photogénérées et capturées dans la zone de photodétection sont également prévus. Dans le cas de capteurs d'image CMOS, le transfert des charges photogénérées est réalisé à l'aide de transistors MOS. D'autres transistors sont prévus pour associer chaque zone de photodétection de pixel à des lignes et colonnes de la matrice de pixels de façon à réaliser la lecture des informations contenues dans les zones de photodétection. Dans le cas de capteurs d'image couleur, des filtres colorés sont formés en B10646 - 10-GR3-268 2 regard des pixels selon un agencement propre à assurer l'obtention d'une information de la couleur de l'image détectée. Dans la suite de la description, on appellera pixel d'un capteur d'image l'ensemble constitué d'une zone de photodétection associée à une microlentille et éventuellement, si le pixel est un pixel couleur, d'un filtre coloré. La "surface" du pixel est définie par la surface de la microlentille. Les éléments de transfert des charges photo-générées, extérieurs au pixel, peuvent prendre toute forme connue, et notamment être communs à plusieurs pixels. La figure 1 illustre la structure de pixels d'un capteur d'image couleur classique éclairé par la face avant, ainsi que de certains éléments de transfert de charges. Sur un substrat semiconducteur 10 sont formés des pixels de différentes couleurs, dans l'exemple représenté un pixel bleu 12B, un pixel vert 12G et un pixel rouge 12R. Chaque pixel comprend une zone de photodétection 14B, 14G et 14R formée dans le substrat 10. Des éléments de transfert de charges photogénérées 16B, 16G et 16R, dans l'exemple représenté des transistors MOS, sont prévus. Les zones de photodétection sont isolées les unes des autres par des murs isolants 18 formés dans le substrat 10. Au-dessus du substrat 10 est prévu un empilement de niveaux d'interconnexion comprenant des pistes métalliques 20 entourées d'un matériau isolant 22. On évite généralement de former des pistes métalliques 20 en regard des zones de photodétection 14R, 14B et 14G pour ne pas perturber la détection. Des filtres colorés 24B, 24G et 24R sont formés en surface de l'empilement de niveaux d'interconnexion et sont recouverts de microlentilles 26. Différentes structures de pixels ont été proposées. On prévoit généralement de former des pixels de forme carrée, dans lesquels les éléments de transfert et de lecture de charges occupent un espace donné. Les zones de photodétection sont formées dans l'espace restant disponible de la surface du pixel. B10646 - 10-GR3-268 3 Cependant, les structures connues présentent l'inconvénient de présenter un éclairement relatif ("relative illumination" en anglais), correspondant au rapport entre la quantité de lumière détectée par des pixels situés en périphérie du capteur et par des pixels situés au centre du capteur sous un éclairement uniforme, de faible valeur. Il en est de même dans la réponse angulaire de ces capteurs, illustrant la capacité d'un capteur à détecter des faisceaux lumineux de forte incidence. Pour augmenter la valeur de l'éclairement relatif d'un pixel, on pourrait penser à augmenter la taille de la zone de photodétection des pixels, et donc des pixels. Cependant, une augmentation de la taille des pixels n'est généralement pas souhaitée, la tendance actuelle étant à la diminution de la taille des pixels d'un capteur d'image pour en augmenter la résolution (nombre de pixels par unité de surface du capteur). Un besoin existe donc d'une structure de pixels d'un capteur d'image présentant un éclairement relatif élevé et une bonne réponse angulaire. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'image comprenant des pixels dont la structure permet d'obtenir un éclairement relatif élevé et une bonne réponse angulaire. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'image dont la résolution n'est pas dégradée. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'image comprenant une matrice de pixels rectangulaires, chaque pixel comprenant une microlentille adaptée à focaliser des rayons lumineux atteignant l'ensemble de la surface du pixel vers une zone de photodétection associée, les pixels étant agencés en lignes et étant voisins dans chaque ligne par leurs largeurs, les pixels de lignes adjacentes étant B10646 - 10-GR3-268 4 décalés les uns par rapport aux autres de la moitié de la longueur d'un pixel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque pixel a une largeur comprise entre 25 et 75 % de sa 5 longueur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les zones de photodétection sont centrées dans les pixels, des éléments de transfert de charges photogénérées dans un pixel étant formés dans l'espace restant en bout d'un pixel adjacent 10 d'une ligne adjacente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les zones de photodétection ont un facteur de forme dans une même orientation que les pixels. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 les pixels ont un facteur de forme dans une même orientation que le capteur d'image, et qu'une image détectée par le capteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur comprend en outre des moyens de reconstruction de pixels virtuels en regard des extrémités, dans leur longueur, 20 des pixels, à partir de la détection réalisée par les pixels adjacents. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque pixel comprend en outre un filtre coloré formé en regard de l'ensemble de la surface du pixel. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la matrice de pixels est constituée de premières lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue et de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte, et de deuxièmes lignes comprenant une alternance 30 de pixels associés à un filtre coloré de couleur rouge et de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte, les premières et deuxièmes lignes étant disposées alternativement dans la matrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 la matrice de pixels comprend des premières et deuxième lignes B10646 - 10-GR3-268 formées alternativement, les premières lignes comprenant des pixels associés à un filtre coloré de couleur verte et les deuxièmes lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue et de pixels associés à un 5 filtre coloré de couleur rouge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la matrice de pixel comprend des premières lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte et de pixels associés à un filtre coloré de couleur rouge, et des deuxièmes lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte et de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue, chaque pixel associé à un filtre coloré de couleur bleue ou rouge étant entouré de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte. Brève description des dessins Ces objets, 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 figure 1, précédemment décrite, illustre la structure d'un capteur d'image couleur éclairé par la face avant ; la figure 2 illustre une structure de pixels selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 3 et 4 sont des agrandissements de la structure de la figure 2 illustrant la forme et le fonctionnement de ces pixels ; et les figures 5, 6 et 7 illustrent des agencements de filtres colorés de pixels d'un capteur d'image selon différents 30 modes de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des pixels de capteurs d'image, les diverses figures ne sont pas tracées à 35 l'échelle. B10646 - 10-GR3-268 6 Description détaillée On propose ici une nouvelle structure de pixels permettant d'améliorer l'éclairement relatif et la réponse angulaire du capteur, tout en ne dégradant pas la résolution, c'est-à-dire le nombre de pixels par unité de surface. La figure 2 illustre les contours de pixels 30 d'une telle structure (contour des microlentilles associées aux zones photosensibles). Dans cette structure, les pixels 30 sont agencés les uns à côté des autres en lignes, L1 à L5, et présentent une forme rectangulaire dont la longueur définit les lignes de la matrice. Les lignes de la matrice sont décalées les unes par rapport aux autres de façon que les extrémités, dans la longueur, d'un pixel d'une première ligne se trouvent sensiblement au niveau du centre de la longueur de pixels des lignes adjacentes (décalage d'une demi-longueur d'un pixel). Chaque pixel rectangulaire de la matrice de pixels comprend une microlentille adaptée à focaliser des rayons incidents atteignant l'ensemble de la surface d'un pixel vers le centre de celui-ci, vers une zone de photodétection. La forme rectangulaire des pixels permet d'améliorer la réponse angulaire du capteur. En effet, cette forme assure que des faisceaux présentant une incidence fortement oblique dans un plan perpendiculaire au plan des lignes de la matrice soient plus facilement détectés par le pixel. De plus, les capteurs d'image présentent généralement une forme rectangulaire pour une acquisition d'images rectangulaires. Pour assurer une bonne détection, on prévoira de former les pixels rectangulaires selon un agencement correspondant à la forme générale du capteur et des images détectées, c'est-à-dire que les zones de photodétection des pixels, ainsi que les pixels eux-mêmes, présentent un facteur de forme (rapport entre longueur et largeur) du même ordre que celui de la matrice du capteur et donc de l'image obtenue. Cela permet de corriger les défauts d'angle de vue que la lentille B10646 - 10-GR3-268 7 principale sphérique du capteur peut impliquer, et donc également d'améliorer l'éclairement relatif du capteur dans la direction la plus critique du capteur, à savoir sa longueur. De préférence, on choisira des formes rectangulaires des pixels 30 du capteur d'image présentant une longueur sensiblement égale à deux fois leur largeur, pour optimiser les caractéristiques ci-dessus. Par exemple, on pourra prévoir que la largeur d'un pixel soit comprise entre 25 et 75 % de sa longueur. Les figures 3 et 4 sont des agrandissements de la structure de la figure 2, formés sur trois lignes adjacentes illustrant plus en détail cette structure et son fonctionnement. En figure 3 sont illustrés quatre pixels 30 de la structure de la figure 2. Chaque pixel comprend une zone de photodétection 32 représentée dans cette figure de façon schématique en pointillés. On verra par la suite que, avantageusement, la taille de la zone de photodétection pourra être ajustée pour améliorer la sensibilité du capteur. La formation de pixels présentant une longueur sensiblement deux fois plus importante que leur largeur implique que la résolution de la matrice de pixels diminue d'environ de moitié. Cependant, des techniques d'interpolation de pixels sont connues et permettent de reconstituer des pixels "virtuels" à l'intersection de pixels physiquement formés sur le dispositif. De telles techniques sont par exemple décrites dans le document intitulé "A review of Some Image Pixel Interpolation Algorithms" de Don Lancaster, 2007, disponible à l'adresse http://www.tinaja.com/glib/pixintpl.pdf. L'agencement décalé des lignes de la matrice de pixel permet d'utiliser de telles techniques d'interpolation de pixels pour reconstituer un pixel virtuel 34 à l'intersection des pixels 32 : l'information obtenue dans les zones photosensibles des pixels 32 est utilisée pour interpoler le pixel 34 supplémentaire. Ainsi, on obtient un capteur présentant une résolution identique aux capteurs présentant des pixels carrés B10646 - 10-GR3-268 8 de côtés égaux aux largeurs des pixels 30. La formation de pixels rectangulaires ne dégrade donc pas la résolution du capteur. En figure 4 sont représentés plusieurs pixels 30 5 répartis sur trois lignes L1, L2 et L3. Dans chacun de ces pixels sont prévues des zones de photodétection délimitées par des pointillés. Les zones de photodétection 36, 38, 40, 42, 44 sont prévues dans la surface des pixels sur une largeur importante de ceux-ci, voire sur 10 toute la largeur, et sur une longueur supérieure à la moitié de la longueur des pixels, de façon que leurs surfaces soient les plus importantes possibles dans les pixels. Les zones de photodétection sont rectangulaires dans une même orientation que les pixels. Ainsi, on maximise la détection réalisée par ces 15 pixels, ce qui permet d'augmenter la sensibilité de chaque pixel. L'espace restant entre les extrémités de deux pixels d'une même ligne est réservé pour la formation d'éléments de transfert de charges associés à des zones de photodétection. 20 Comme cela est représenté en figure 4, l'espace réservé à des éléments de transfert et de lecture de charges 36', 38', 40', 42', 44' de deux pixels voisins d'une même ligne contient des éléments de transfert des charges d'une zone photosensible d'un pixel 36, 38, 40, 42, 44 formés sur une ligne adjacente. Ainsi, 25 les éléments de transfert de charges sont reliés à des zones de photodétection de façon équidistante des extrémités des pixels sur leurs côtés les plus larges, ce qui permet un bon transfert des charges photogénérées. A titre d'exemple d'application numérique, les pixels 30 pourront avoir une largeur de l'ordre de 1,4 }gym et une longueur de l'ordre de 2,8 }gym. La zone de photodétection pourra avoir une largeur de l'ordre de celle du pixel et une longueur de l'ordre de 2,2 }gym, ce qui laisse une surface entre deux pixels d'une même ligne pour la formation d'éléments de transfert et de B10646 - 10-GR3-268 9 lecture de charges d'un pixel d'une ligne adjacente de 0,6 pm par 1,4 pm. Les figures 5, 6 et 7 illustrent des exemples d'agencements de filtres colorés sur un capteur d'image. En figure 5, qui est la structure la plus proche des motifs de Bayer connus, des lignes impaires comprennent une alternance de filtres colorés verts G1 et bleus B, tandis que des lignes paires comprennent une alternance de filtres colorés de couleurs rouge R et verte G2. En figure 6, un autre agencement de filtres colorés est prévu, comprenant une succession de lignes constituées de pixels surmontés des filtres colorés suivants : une première ligne comprenant une alternance de filtres bleus et rouges ; une deuxième ligne comprenant des filtres verts ; une troisième ligne comprenant une alternance de filtres rouges et bleus, décalés par rapport à la première ligne ; et une quatrième ligne comprenant des filtres verts. En figure 7, un autre agencement de filtres colorés est prévu, comprenant des lignes constituées alternativement de filtres rouges et verts et des lignes constituées alter-nativement de filtres bleus et verts. Chaque pixel de couleur bleue ou rouge est entouré d'une bande de pixels de couleur verte. On notera que les associations de filtres colorés proposées en figures 5, 6 et 7 présentent leurs avantages propres en termes notamment de chrominance ou de luminance que l'homme du métier déterminera aisément. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les éléments de transfert et de lecture de charges pourront également être formés au bout des zones de photodétection, dans leurs longueurs, si désiré. De plus, les agencements de filtres colorés présentés 35 en relation avec les figures 5 à 7 ne sont donnés ici qu'à titre B10646 - 10-GR3-268 10 d'exemple non limitatif, la structure de pixels présentée ici s'appliquant à toute configuration de filtres colorés. On notera également que le principe présenté ici s'applique à tout type de pixels d'un capteur d'image, et notamment aux capteurs présentant des zones de photodétection éclairées par la face avant ou par la face arrière du substrat sur lesquelles elles sont formées. REVENDICATIONS1. Capteur d'image comprenant une matrice de pixels (30) rectangulaires, chaque pixel comprenant une microlentille adaptée à focaliser des rayons lumineux atteignant l'ensemble de la surface du pixel vers une zone de photodétection (36, 38, 40, 42, 44) associée, les pixels étant agencés en lignes et étant voisins dans chaque ligne par leurs largeurs, les pixels de lignes adjacentes étant décalés les uns par rapport aux autres de la moitié de la longueur d'un pixel. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel 10 chaque pixel (30) a une largeur comprise entre 25 et 75 % de sa longueur. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les zones de photodétection (36, 38, 40, 42, 44) sont centrées dans les pixels (30), des éléments de transfert de charges 15 photogénérées dans un pixel étant formés dans l'espace restant (36', 38', 40', 42', 44') en bout d'un pixel adjacent d'une ligne adjacente. 4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les zones de photodétection (36, 38, 40, 42, 44) ont un facteur de 20 forme dans une même orientation que les pixels (30). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les pixels (30) ont un facteur de forme dans une même orientation que le capteur d'image, et qu'une image détectée par ledit capteur. 25 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre des moyens de reconstruction de pixels virtuels (34) en regard des extrémités, dans leur longueur, des pixels (30), à partir de la détection réalisée par les pixels adjacents. 30 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque pixel (30) comprend en outre un filtre coloré formé en regard de l'ensemble de la surface du pixel. 8. Capteur selon la revendication 7, dans lequel la matrice de pixels est constituée de premières lignes comprenantB10646 - 10-GR3-268 12 une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue (B) et de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G1), et de deuxièmes lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur rouge (R) et de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G2), les premières et deuxièmes lignes étant disposées alternativement dans la matrice. 9. Capteur selon la revendication 7, dans lequel la matrice de pixels comprend des premières et deuxième lignes formées alternativement, les premières lignes comprenant des pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G1, G2) et les deuxièmes lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue (B) et de pixels associés à un filtre coloré de couleur rouge (R). 10. Capteur selon la revendication 7, dans lequel la matrice de pixel comprend des premières lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G3, G6) et de pixels associés à un filtre coloré de couleur rouge (R), et des deuxièmes lignes comprenant une alternance de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G3, G6) et de pixels associés à un filtre coloré de couleur bleue (B), chaque pixel associé à un filtre coloré de couleur bleue ou rouge étant entouré de pixels associés à un filtre coloré de couleur verte (G1, G2, G3, G4, G5, G6).