Brevet FR2969820A1 — publié le 20120629

B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 1 CAPTEUR D'IMAGE ÉCLAIRÉ PAR LA FACE AVANT À FAIBLE DIAPHOTIE Domaine de l'invention La présente invention concerne des capteurs d'image éclairés par la face avant. Plus particulièrement, la présente invention concerne de tels capteurs d'image à faible diaphotie, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels capteurs d'image. Exposé de l'art antérieur Un capteur d'image intégré éclairé par la face avant est généralement constitué d'un substrat semiconducteur sur une première face duquel sont formés des régions de photodétection et des composants de transfert de charges. Un empilement de niveaux d'interconnexion est ensuite formé du côté de la première face du substrat. Chaque niveau d'interconnexion comprend des pistes et nias conducteurs séparés par un matériau isolant, l'ensemble permettant l'interconnexion entre les différents éléments du capteur d'image. En fonctionnement, le dispositif est éclairé par la première face du substrat. Pour permettre une bonne détection, les éléments conducteurs de l'empilement d'interconnexion sont excentrés des régions de photodétection. Cela permet de limiter le nombre d'obstacles aux faisceaux lumineux incidents et donc d'atténuer des phénomènes parasites de réflexion des photons incidents. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 2 De nombreuses structures de capteurs d'image éclairés par la face avant ont été proposées pour améliorer la détection des capteurs, notamment pour éviter la réflexion des photons incidents entre le point de pénétration des photons dans le dispositif et la zone de collecte de charges photogénérées. Cependant, ces structures ont toutes leurs limites. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un capteur d'image éclairé par la face 10 avant permettant une détection de bonne qualité. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention vise en outre un procédé de fabrication d'un tel capteur d'image. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention 15 prévoit un capteur d'image éclairé par la face avant, comprenant des régions de photodétection, des éléments de transfert de charges et un empilement d'interconnexion formés en surface d'un substrat semiconducteur, des microcavités étant formées dans l'empilement d'interconnexion en regard des régions de 20 photodétection, lesdites microcavités étant remplies de matériaux formant filtres colorés comprenant des pigments métalliques, des régions en un matériau formant barrière à la diffusion ionique s'étendant sur les parois latérales desdites microcavités. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les niveaux d'interconnexion comprennent des pistes et nias conducteurs séparés par un matériau isolant, le matériau formant barrière à la diffusion ionique présentant un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction dudit matériau 30 isolant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les matériaux formant filtres colorés présentent des indices de réfraction supérieurs à l'indice de réfraction du matériau isolant des niveaux d'interconnexion. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau formant barrière à la diffusion ionique est choisi dans le groupe comprenant le nitrure de silicium, le carbonitrure de silicium, le nitrure de titane ou est constitué d'un empilement de nitrure de tantale et de tantale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau formant barrière à la diffusion ionique présente une épaisseur comprise entre 30 et 60 nm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des niveaux d'interconnexion supérieurs de l'empilement d'inter-connexion sont éliminés au-dessus des éléments de transfert de charges, les niveaux d'interconnexion supérieurs étant conservés en périphérie du capteur d'image. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 les niveaux d'interconnexion supérieurs assurent la formation de plots de connexion vers l'extérieur du capteur. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un procédé de fabrication d'un capteur d'image éclairé par la face avant, comprenant les étapes suivantes : 20 former, en surface d'un substrat semiconducteur, des régions de photodétection et des éléments de transfert de charges ; former des niveaux d'un empilement d'interconnexion sur l'ensemble de la structure, lesdits niveaux comprenant des pistes et nias conducteurs séparés par un matériau isolant ; éliminer des 25 niveaux d'interconnexion supérieurs en regard des régions de photodétection et des éléments de transfert de charges pour y former une ouverture ; former des microcavités dans au moins certains des niveaux d'interconnexion restants en regard des régions de photodétection ; former une couche barrière à la 30 diffusion ionique conforme sur l'ensemble du dispositif ; réaliser une gravure anisotrope de la couche barrière, d'où il résulte que les parois latérales des microcavités sont recouvertes de portions de la couche barrière ; et remplir les microcavités de matériaux formant filtres colorés. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre les étapes suivantes : remplir l'ouverture d'un matériau transparent ; et former des microlentilles adaptées à focaliser les rayons lumineux en direction des régions de photodétection sur le matériau transparent. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche barrière à la diffusion ionique présente un indice de réfraction supérieur à celui du matériau isolant des niveaux d'interconnexion et des matériaux formant filtres colorés, le matériau isolant ayant un indice de réfraction inférieur à celui des matériaux formant filtres colorés. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 15 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 illustre un capteur d'image éclairé par la face avant ; et les figures 2A à 2G illustrent des résultats d'étapes d'un procédé de formation d'un capteur d'image éclairé par la face avant selon un mode de réalisation de la présente invention, la figure 2G illustrant un capteur d'image fini selon un mode 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 capteurs d'image intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. 30 Description détaillée La figure 1 illustre une structure permettant d'optimiser le fonctionnement d'un capteur d'image éclairé par la face avant. La structure de la figure 1 est une structure intermédiaire sur laquelle il reste à effectuer par exemple une 20 25 B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR étape de planarisation et une étape de formation de micro-lentilles à réaliser pour obtenir un produit fini. En surface d'un substrat semiconducteur 10 sont définis des pixels comprenant chacun une région de collecte de 5 charges photogénérées 12, ou photodiode, formée en surface du substrat et un ou plusieurs composants de transfert des charges photogénérées 14, dans l'exemple représenté des transistors MOS. Une couche isolante 16 est formée en surface du substrat 10 et des éléments conducteurs (pistes et nias) sont formés dans cette couche isolante pour obtenir des connexions électriques sur les divers éléments de capture et de transfert de charges. Une région 17, généralement périphérique, du substrat 10 (partie gauche de la figure 1) ne comprend pas de pixel et est prévue pour former des plots de contact (en anglais "pad") vers l'extérieur du dispositif. La couche isolante 16 et les régions conductrices qui y sont formées définissent un premier niveau d'interconnexion L1 du capteur. D'autres niveaux d'interconnexion, L2 à L8, sont formés au-dessus du premier niveau L1 en regard des pixels et de la zone périphérique de plots de contact. Chaque niveau d'interconnexion comprend des pistes et des nias conducteurs (régions hachurées) séparés par un matériau isolant. Une gravure a été réalisée de façon à éliminer les niveaux d'interconnexion supérieurs, L5 à L8 en figure 1, en regard des pixels. Dans l'exemple représenté, seuls les quatre premiers niveaux d'interconnexion sont conservés en regard des pixels. En effet, généralement, seuls quelques niveaux d'interconnexion sont nécessaires pour connecter les différents éléments des pixels entre eux, ce qui n'est pas le cas dans la zone périphérique 17 où l'ensemble des niveaux d'interconnexion est utilisé. Cette structure de la zone 17 permet, de façon connue, la formation de plots de connexion éloignés des zones de photodétection pour éviter de les endommager lors de la mise en place du capteur d'image dans son environnement final. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 6 Deux zones sont prévues en regard de chacun des pixels du capteur d'image : une première zone de collecte de charges photogénérées (12), constituant la plus grande partie de la surface d'un pixel, et une seconde zone comprenant les éléments de transfert des charges photogénérées (14). En regard de la première zone, une partie au moins des niveaux d'interconnexion restants (dans l'exemple représenté les niveaux L2 à L4) est éliminée de façon à former, en regard de chacune des photodiodes, des microcavités 20. La présence des microcavités 20 en regard des photodiodes permet d'une part de réduire l'épaisseur de matériau situé au-dessus de la photodiode, ce qui améliore l'efficacité d'une microlentille formée par la suite en regard des photodiodes, et d'autre part d'éviter que des rayons incidents ne soient réfléchis par les diverses interfaces entre matériaux présentes dans les niveaux d'interconnexion. Cela améliore la détection de chacun des pixels. Il a été proposé de former des structures avec microcavités dans lesquelles les niveaux d'interconnexion formés au-dessus des pixels sont recouverts d'une couche transparente épaisse pénétrant dans les microcavités, puis des filtres colorés et des microlentilles sont formés sur la couche transparente. Dans l'exemple de la figure 1, des filtres colorés 22 sont formés directement dans les microcavités 20. Ceci améliore la détection d'une couleur prédéfinie par chacun des pixels. En effet, la formation des filtres colorés au plus près de la zone de photodétection permet d'éviter que des photons présentant une longueur d'onde d'une couleur normalement filtrée ne contournent le filtre coloré et ne soient captés par la zone de collecte de charges alors qu'ils ne le devraient pas. Cependant, les inventeurs ont noté que la formation des filtres colorés directement dans les microcavités, plutôt que d'améliorer la qualité de la détection des pixels, la dégrade. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 7 Pour déterminer la cause de cette dégradation, les inventeurs ont étudié les interactions entre les différents matériaux constituant le dispositif de la figure 1. Ils ont ainsi déterminé que cette dégradation est liée au fait que les matériaux formant filtres colorés sont constitués d'un matériau transparent dans lequel sont insérés des pigments métalliques colorés. Ces pigments métalliques sont des particules ioniques qui ont tendance à migrer dans le matériau isolant des niveaux d'interconnexion voisins, ce qui dégrade la détection du capteur d'image. Pour améliorer la détection, les inventeurs prévoient de former une couche barrière à la diffusion des particules ioniques vers le matériau isolant voisin sur les parois des microcavités. Les figures 2A à 2G illustrent des résultats d'étapes d'un procédé de formation d'un tel capteur d'image éclairé par la face avant. La figure 2G illustre un capteur d'image fini tel que proposé ci-dessus. A l'étape illustrée en figure 2A, on part d'une structure comprenant un substrat 30 en surface duquel sont définies des régions de collecte 32 de charges photogénérées. Des éléments de transfert 34 des charges photogénérées, dans l'exemple représenté des transistors MOS, sont prévus en surface du substrat 30. Chaque ensemble constitué d'un élément de photodétection et d'un élément de transfert de charge définit un pixel. De façon classique, de nombreux pixels, sous forme d'une matrice, peuvent être définis au centre du capteur d'image tandis que la zone périphérique de celui-ci, 36 en figures 2A à 2G, est prévue pour former des plots de contact du capteur d'image avec son environnement final. Des niveaux d'interconnexion L1 à L8 sont formés au-dessus du substrat 30. Chaque niveau d'interconnexion comprend des pistes et nias conducteurs (représentés hachurés) séparés par un matériau isolant. On notera que le nombre de niveaux B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 8 d'interconnexion est arbitraire dans les figures et pourra être différent de huit. Au-dessus des pixels, seuls les premiers niveaux d'interconnexion sont utilisés et comprennent des pistes conductrices utilisées pour former les connexions électriques nécessaires au bon fonctionnement du dispositif. Dans l'exemple représenté, quatre niveaux d'interconnexion L1 à L4 sont arbitrairement utilisés pour ces connexions. Dans la zone 36 du capteur d'image réservée à la formation de plots de contact vers l'extérieur du dispositif, tous les niveaux d'interconnexion L1 à L8 sont utilisés pour former des plots de contact conducteurs du côté de la face avant du dispositif. A l'étape illustrée en figure 2B, on a formé une ouverture 40 du côté de la face avant du dispositif pour supprimer, au-dessus des pixels, les derniers niveaux d'interconnexion qui ne sont pas utilisés pour connecter des éléments des pixels du capteur d'image. Dans l'exemple représenté, l'ouverture 40 élimine les niveaux d'interconnexion L5 à L8 en regard des pixels. A titre d'exemple, l'ouverture 40 pourra être obtenue en formant un masque adapté en surface du dispositif de la figure 2A et en réalisant une gravure du matériau isolant des niveaux d'interconnexion au travers de ce masque. A l'étape illustrée en figure 2C, on a formé des microcavités 42 à partir de la face avant du dispositif dans les niveaux d'interconnexion L4, L3 et L2, au-dessus des zones de collecte de charges photogénérées 32. Les microcavités 42 peuvent être formées par tout procédé classique, notamment par une gravure au travers d'un masque prédéfini. Dans l'exemple représenté, les microcavités 42 s'étendent jusqu'à l'interface entre les premier et deuxième niveaux d'interconnexion L1 et L2. On notera que l'on pourra également prévoir de former les microcavités 42 jusqu'au substrat 30 si désiré. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 9 A l'étape illustrée en figure 2D, la face avant du dispositif a été recouverte d'une couche conforme 44 en un matériau formant barrière à la diffusion ionique. La couche 44 épouse le contour de la face avant du dispositif et recouvre ainsi les parois latérales et le fond des microcavités 42. Cette couche pourra être formée par tout procédé de dépôt conforme connu. De préférence, la couche 44 est une couche relativement fine, par exemple d'épaisseur comprise entre 30 et 10 60 nm, pour influer au minimum sur la détection. A l'étape illustrée en figure 2E, on a réalisé une gravure anisotrope de la couche 44 de façon à éliminer les portions de cette couche formées dans le fond des microcavités 42, en surface des plots de contact et en surface de 15 l'empilement d'interconnexion L1 à L4. On obtient ainsi une structure dans laquelle seules les parois des microcavités 42 sont recouvertes de portions 46 de la couche 44. La présence des portions 46 de matériau formant barrière à la diffusion ionique permet de bloquer la fuite des 20 pigments métalliques des régions formant filtres colorés vers le matériau isolant voisin. Parmi les matériaux adaptés à former barrière à la diffusion ionique, on peut citer le nitrure de silicium, le carbonitrure de silicium, le nitrure de titane. La couche 44 pourra également être constituée d'un empilement de 25 plusieurs couches dont l'association forme barrière, par exemple un empilement d'une couche de nitrure de tantale et d'une couche de tantale. A l'étape illustrée en figure 2F, on a rempli les microcavités 42 de matériaux 48 assurant la fonction de filtre 30 coloré. A titre d'exemple, on pourra former ces filtres colorés en plusieurs étapes, une étape étant prévue par couleur de filtre. Les matériaux formant barrière des portions 46 sont des matériaux présentant un indice de réfraction élevé, 35 supérieur à l'indice de réfraction du matériau isolant utilisé B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 10 dans les niveaux d'interconnexion adjacents pour que les portions 46 guident la lumière vers les zones de collecte de charges photogénérées. De plus, pour que des rayons lumineux arrivant sous une forte incidence sur les portions 46 soient renvoyés vers les zones de collecte de charges photogénérées 32, on pourra également prévoir que les matériaux de filtre 48 aient des indices de réfraction supérieurs à l'indice de réfraction du matériau isolant utilisé dans les niveaux d'interconnexion adjacents. A titre d'exemple, le matériau de la couche formant barrière à la diffusion ionique pourra être du nitrure de silicium, présentant un indice de réfraction proche de 2. Alors, si le matériau des filtres colorés présente un indice de réfraction proche de 1,65, le matériau isolant utilisé pour isoler les pistes et nias conducteurs de l'empilement d'interconnexion sera de l'oxyde de silicium présentant un indice de réfraction proche de 1,5. A l'étape illustrée en figure 2G, un matériau transparent 50 a été formé dans l'ouverture 40 pour obtenir un dispositif plan. Des microlentilles 52 sont ensuite formées au-dessus de la couche de matériau transparent pour focaliser les rayons lumineux incidents en direction de chaque zone de collecte de charges 32. On notera que la couche de matériau transparent est optionnelle et que les microlentilles pourront être formées directement sur les filtres colorés 48 si une structure plane n'est pas désirée. Ainsi, on obtient un dispositif dans lequel les pigments métalliques contenus dans les filtres colorés n'interfèrent plus avec le matériau isolant adjacent du fait de la présence de la couche 46. De plus, du fait du fort indice de réfraction des portions 46, ces portions assurent également un guidage des ondes incidentes vers la zone de collecte de charges 32 associée. B10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 11 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 régions 46 pourront être en tout autre matériau connu formant barrière à la diffusion ionique, de préférence à fort indice de réfraction. REVENDICATIONS1. Capteur d'image éclairé par la face avant, comprenant des régions de photodétection (32), des éléments de transfert de charges (34) et un empilement d'interconnexion (L1, ..., L8) formés en surface d'un substrat semiconducteur (30), des microcavités (42) étant formées dans l'empilement d'interconnexion en regard des régions de photodétection, lesdites microcavités étant remplies de matériaux (48) formant filtres colorés comprenant des pigments métalliques, des régions (46) en un matériau formant barrière à la diffusion ionique s'étendant sur les parois latérales desdites microcavités. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les niveaux d'interconnexion (L1, ..., L8) comprennent des pistes et nias conducteurs séparés par un matériau isolant, le matériau formant barrière à la diffusion ionique (46) présentant un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction dudit matériau isolant. 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel les matériaux formant filtres colorés (48) présentent des indices de réfraction supérieurs à l'indice de réfraction du matériau isolant des niveaux d'interconnexion. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau formant barrière à la diffusion ionique (46) est choisi dans le groupe comprenant le nitrure de silicium, le carbonitrure de silicium, le nitrure de titane ou est constitué d'un empilement de nitrure de tantale et de tantale. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le matériau formant barrière à la diffusion ionique présente une épaisseur comprise entre 30 et 60 nm. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel des niveaux d'interconnexion supérieurs (L5, L8) de l'empilement d'interconnexion (L1, ..., L8) sont éliminés au-dessus des éléments de transfert de charges, lesditsB10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 13 niveaux d'interconnexion supérieurs étant conservés en périphérie (36) du capteur d'image. 7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel les niveaux d'interconnexion supérieurs (L5, ..., L8) assurent la formation de plots de connexion vers l'extérieur du capteur. 8. Procédé de fabrication d'un capteur d'image éclairé par la face avant, comprenant les étapes suivantes : former, en surface d'un substrat semiconducteur (30), des régions de photodétection (32) et des éléments de transfert 10 de charges (34) ; former des niveaux (L1, ..., L8) d'un empilement d'interconnexion sur l'ensemble de la structure, lesdits niveaux comprenant des pistes et nias conducteurs séparés par un matériau isolant ; 15 éliminer des niveaux d'interconnexion supérieurs (L5, ..., L8) en regard des régions de photodétection (32) et des éléments de transfert de charges (34) pour y former une ouverture (40) ; former des microcavités (42) dans au moins certains 20 des niveaux d'interconnexion restants en regard des régions de photodétection (32) ; former une couche barrière à la diffusion ionique (44) conforme sur l'ensemble du dispositif ; réaliser une gravure anisotrope de ladite couche 25 barrière (44), d'où il résulte que les parois latérales des microcavités sont recouvertes de portions (46) de la couche barrière ; et remplir les microcavités de matériaux formant filtres colorés (48). 30 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre les étapes suivantes : remplir l'ouverture (40) d'un matériau transparent (50) ; etB10527 - 09-GR3-258 - DD12325VR 14 former des microlentilles (52) adaptées à focaliser les rayons lumineux en direction des régions de photodétection (32) sur le matériau transparent. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la couche barrière à la diffusion ionique (44) présente un indice de réfraction supérieur à celui du matériau isolant des niveaux d'interconnexion (L1, ..., L8) et des matériaux formant filtres colorés (48), ledit matériau isolant ayant un indice de réfraction inférieur à celui des matériaux formant filtres colorés.