Brevet FR3032557A1 — publié le 20160812

B13884 - 14-GR1-0125 1 CAPTEUR D'IMAGES COULEUR ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION Domaine La présente demande concerne un capteur d'images couleur et son procédé de fabrication. Exposé de l'art antérieur On connaît des capteurs d'images couleur comprenant un réseau, ou matrice, de pixels formés dans une couche semiconductrice dont une première face, appelée face avant, est revêtue d'une structure d'interconnexion, et dont une deuxième face, appelée face arrière, est destinée à recevoir un éclaire- ment. Dans de tels capteurs d'images couleur, chaque pixel est séparé des pixels adjacents par des structures d'isolement s'étendant verticalement entre la face avant et la face arrière de la couche semiconductrice. Chaque pixel est surmonté d'un filtre couleur disposé au-dessus de la face arrière de la couche semiconductrice. En pratique, les filtres couleur de pixels adjacents sont juxtaposés. Pour concentrer dans chaque pixel l'intensité lumineuse reçue, chaque filtre de couleur est couramment surmonté d'une microlentille. Un inconvénient de tels capteurs d'images couleur est 20 qu'il peut arriver qu'un rayon lumineux ayant traversé au moins partiellement le filtre couleur correspondant à un pixel donné atteigne un pixel voisin. 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 2 Un autre inconvénient de tels capteurs est que les matériaux constitutifs de deux filtres juxtaposés de couleurs distinctes peuvent se mélanger. La présente invention vise un procédé de fabrication 5 d'un capteur d'images couleur palliant au moins certains des inconvénients des capteurs existants. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'images couleur comprenant un réseau 10 de pixels formés dans une couche semiconductrice, le procédé comportant les étapes successives suivantes : graver des tranchées d'isolement pénétrant dans la couche semiconductrice et séparant les pixels les uns des autres ; 15 déposer un revêtement isolant et un matériau électri- quement conducteur remplissant les tranchées d'isolement ; en regard de chaque pixel, graver une cavité traversant le matériau électriquement conducteur, pénétrant dans 5 à 30 % de l'épaisseur de la couche semiconductrice, et occupant au moins 90 % de la surface délimitée par les tranchées d'isolement ; et remplir chaque cavité d'un matériau de filtrage couleur. Selon un mode de réalisation, le matériau électrique-25 ment conducteur est opaque à la lumière. Selon un mode de réalisation, le matériau électriquement conducteur est un métal. Selon un mode de réalisation, une couche électriquement conductrice de revêtement opaque à la lumière est déposée 30 sur le revêtement isolant avant le dépôt du matériau électriquement conducteur, et la cavité est gravée à travers la couche conductrice de revêtement. Selon un mode de réalisation, la couche conductrice de revêtement est en un métal ou en un nitrure métallique. 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 3 Selon un mode de réalisation, les tranchées d'isolement pénètrent dans les trois quarts au moins de l'épaisseur de la couche semiconductrice. Un mode de réalisation prévoit un capteur d'images 5 couleur comprenant un réseau de pixels formés dans une couche semiconductrice dont une face arrière est destinée à recevoir un éclairement ; des murs conducteurs isolés pénétrant dans la couche semiconductrice à partir de sa face arrière et séparant les pixels les uns des autres ; et en regard de chaque pixel, un 10 filtre couleur pénétrant dans 5 à 30 % de l'épaisseur de la couche semiconductrice à partir de sa face arrière et occupant au moins 90 % de la surface délimitée par les murs, une couche électriquement conductrice s'étendant de la paroi latérale du filtre jusqu'aux murs. 15 Selon un mode de réalisation, les murs comprennent un matériau électriquement conducteur revêtu d'une couche isolante, et la couche électriquement conductrice est en le matériau électriquement conducteur. Selon un mode de réalisation, le matériau électrique-20 ment conducteur est opaque à la lumière. Selon un mode de réalisation, les murs pénètrent dans les trois quarts au moins de l'épaisseur de la couche semiconductrice. Brève description des dessins 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 1 à 7 jointes qui sont des vues en coupe schématiques illustrant des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un exemple de capteur d'images couleur. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes réfé- rences aux différentes figures et, de plus, les diverses figures 35 ne sont pas tracées à l'échelle. 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 4 Dans la description qui suit, des qualificatifs de position tels que les termes "gauche", "dessus", "supérieur", "inférieur", "vertical", "latéral", etc., se réfèrent à des éléments concernés dans les figures correspondantes. 5 La figure 1 est une vue en coupe schématique représen- tant une structure à une étape intermédiaire d'un procédé de fabrication d'un capteur d'images couleur. La structure comprend une couche semiconductrice 1 dopée de type P. La face avant (la face inférieure en figure 1) 10 de la couche semiconductrice 1 est revêtue d'une structure d'interconnexion 3 constituée à partir de portions de couches conductrices reliées par des vias conducteurs et séparées par des couches isolantes. La structure d'interconnexion 3 repose sur un support, ou poignée, non représenté. La face arrière de 15 la couche semiconductrice 1 (la face supérieure en figure 1) est revêtue d'un empilement 5 de couches isolantes, par exemple une couche d'oxyde de silicium aA et une couche de nitrure de silicium 5B reposant sur la couche aA. La couche semiconductrice 1 comprend un réseau de pixels et des composants non représentés 20 tels que des transistors formés du côté de sa face avant. Deux pixels adjacents 7A et 7B comprenant chacun une photodiode 9 sont représentés. Chaque photodiode 9 comprend un empilement vertical de couches dopées comportant par exemple successivement, à partir de la face avant de la couche semiconductrice 1, 25 une couche 11 fortement dopée de type P (P+), une couche 13 dopée de type N, et une portion de la couche semiconductrice 1 dopée de type P. Des zones d'isolement peu profondes 15, par exemple en oxyde de silicium, sont présentes du côté de la face avant de la couche semiconductrice 1 à la limite de chacun des 30 pixels 7A et 7B. A titre d'exemple, la couche semiconductrice 1 est en silicium. La couche semiconductrice peut être une couche amincie d'une épaisseur de 3 à 6 pin, par exemple 4 pin. La couche d'oxyde de silicium aA est par exemple une couche d'oxyde thermique d'une épaisseur de 5 à 10 nm, par exemple 7 nm. L'épaisseur de 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 5 la couche de nitrure de silicium 5B peut être de 50 à 60 nm, par exemple 55 nm. En vue de dessus, chaque pixel 7 peut avoir la forme d'un carré de 0,9 à 2 pin de côté, par exemple 1,5 fun de côté. 5 La figure 2 est une vue en coupe schématique représen- tant la structure de la figure 1 après le dépôt et la gravure d'une couche de masquage 17 sur l'empilement isolant 5 et après la gravure de tranchées d'isolement profondes 19, ou DTI ("Deep Trench Isolation"), traversant l'empilement isolant 5 et 10 pénétrant dans la couche semiconductrice 1. Les tranchées d'isolement profondes 19 pénètrent dans la couche semiconductrice 1 sur au moins la moitié, de préférence les trois quarts de son épaisseur, ou encore sur toute son épaisseur. Les tranchées 19 séparent les pixels adjacents 7A et 7B et sont 15 alignées avec les zones d'isolement peu profondes 15. A titre d'exemple, les tranchées 19 peuvent avoir une largeur de 150 à 250 nm, par exemple 200 nm. La couche de masquage 17 peut être une couche d'oxyde de silicium d'une épaisseur de 100 à 300 nm, par exemple de 200 nm. 20 La figure 3 est une vue en coupe schématique représen- tant la structure de la figure 2 après des dépôts successifs sur toute sa surface exposée du côté de la face arrière de la couche semiconductrice 1. Ces dépôts successifs comprennent un dépôt d'une couche isolante 21 et d'une couche électriquement conduc- 25 trice 23 sur les parois et le fond des tranchées 19 puis un dépôt d'une couche électriquement conductrice 25 remplissant les tranchées 19 pour former des murs conducteurs isolés 27. L'épaisseur et le matériau de la couche 23 et/ou de la couche 25 sont choisis pour que l'une au moins des couches conductrices 23 30 et 25 soit opaque à la lumière qui sera reçue par le capteur en fonctionnement. A titre d'exemple, la couche isolante 21 est formée par dépôt conforme d'oxyde de silicium d'une épaisseur de 7 à 15 nm, par exemple 10 nm. Le matériau de la couche électrique-35 ment conductrice 23 peut être un métal, par exemple du titane ou 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 6 du tantale, ou un nitrure métallique, par exemple du nitrure de titane ou du nitrure de tantale. L'épaisseur de la couche conductrice 23 est de 10 à 50 nm, par exemple 30 nm. Le matériau de la couche conductrice de remplissage 25 est de préférence un 5 métal, par exemple du tungstène. La figure 4 est une vue en coupe schématique représentant la structure de la figure 3 après le retrait partiel par gravure des couches 25, 23, 21 et 17 disposées au-dessus de l'empilement isolant 5, la couche de nitrure de silicium 5B 10 servant de couche d'arrêt de gravure. Au-dessus de chaque pixel 7A, 7B, les couches 25, 23, 21 et 17 sont retirées sur au moins 90 % de la surface délimitée par les murs 27. Des portions 29 de l'empilement des couches 17, 21, 23 et 25 sont laissées en place au-dessus des murs 27 et débordent latéralement de part et 15 d'autre des murs 27. Une portion 31 de l'empilement des couches 17, 21, 23 et 25 est également laissée en place au-dessus d'une partie de la couche semiconductrice dépourvue de pixels et de murs 27 (à gauche en figure 4). Bien que cela ne soit pas visible en figure 4, il existe une zone de continuité entre les 20 couches conductrices 23 et 25 des portions d'empilements 29 et 31. A l'étape illustrée en figure 5, on a gravé au-dessus de chaque pixel 7A, 7B une cavité 33 ayant des bords alignés avec ceux des portions 29 de l'empilement des couches 17, 21, 23 25 et 25. Chaque cavité 33 traverse les couches conductrices 23 et 25, et pénètre dans 5 à 30 % de l'épaisseur de la couche semiconductrice 1. Une couche 35 de nitrure de silicium enrichie en silicium a ensuite été déposée sur toute la surface exposée de la structure, du côté de la face arrière de la couche semi- 30 conductrice. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 35 de nitrure de silicium est de 10 à 60 nm, par exemple 15 nm. A l'étape représentée en figure 6 un contact métallique 37 avec la couche conductrice 23 a été formé au niveau de la portion 31 des couches empilées 17, 21, 23 et 25 en gravant 35 une tranchée traversant les couches 35 et 25 jusqu'à la couche 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 7 conductrice 23 puis en déposant un métal, par exemple de l'aluminium, remplissant cette tranchée. Ce contact 37 peut être formé en même temps que des connexions isolées remontant de la structure d'interconnexion 3 vers la face arrière de la couche 5 semiconductrice 1. De telles connexions isolées sont réalisées en gravant des ouvertures à partir de la face arrière de la couche semiconductrice 1 jusqu'à la structure d'interconnexion 3, en déposant une couche isolante, par exemple d'oxyde de silicium, sur toute la surface exposée de la structure du côté 10 de la face arrière de la couche semiconductrice, et en déposant un métal dans ces ouvertures. Dans ce cas, le métal du contact 37 et des connexions isolées peut être déposé simultanément. A l'étape illustrée en figure 7, la cavité 33 en regard du pixel 7A a été remplie d'un matériau de filtrage 15 couleur 39A correspondant à une première couleur, et la cavité 33 en regard du pixel 7B a été remplie d'un matériau de filtrage couleur 39B correspondant à une deuxième couleur. Les matériaux 39A et 39B affleurent au niveau de la surface de la couche 35 recouvrant les portions 29 de l'empilement des couches 17, 21, 20 23 et 25. A titre d'exemple, les matériaux 39A et 39B sont des résines polymères (colorées ou non). A une étape non illustrée, une microlentille peut être disposée sur chaque filtre 39A et 39B. La structure de la figure 7 constitue un capteur 25 d'images couleur dans lequel chaque pixel formé dans une couche semiconductrice est surmonté d'un filtre couleur partiellement enterré dans cette couche semiconductrice, chaque pixel et son filtre étant séparés des pixels et des filtres voisins par des murs conducteurs isolés. 30 Un premier avantage d'un tel capteur est que deux filtres voisins sont disjoints ce qui permet d'éviter, lors de la formation des filtres couleur, un éventuel mélange des matériaux constitutifs de ces filtres. Un deuxième avantage est que les filtres sont formés 35 dans des cavités d'où il résulte que les filtres accrochent 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 8 mieux sur le capteur que dans le cas où les filtres sont formés sur une surface plane. Cette meilleure adhésion des filtres facilite la résolution des résines colorées en particulier pour les petits pixels inférieurs à 1 pin. 5 En fonctionnement, le capteur d'image couleur est éclairé du côté de la face arrière de la couche semiconductrice 1 et la couche 35 sert de couche antireflet. En outre, les couches conductrices 23 et 25 des murs 27 peuvent être polarisées par l'intermédiaire du contact 37. Du fait que, comme cela 10 a été décrit en relation avec la figure 3, les couches conductrices 23 et 25 sont opaques à la lumière reçue par le capteur, lorsqu'un rayon lumineux atteint de manière oblique la surface supérieure du filtre couleur d'un pixel donné, ce rayon reste confiné entre les murs 27 délimitant ce pixel. En outre, 15 lorsqu'un rayon lumineux atteint la surface supérieure d'une portion d'empilement 29 entre deux filtres voisins, ce rayon ne pénètre pas dans la couche semiconductrice 1. Ainsi, un troisième avantage d'un tel capteur est que seuls des rayons lumineux ayant traversé le filtre couleur d'un 20 pixel donné atteignent la photodiode de ce pixel. Il en résulte une amélioration des images acquises par un tel capteur. Un quatrième avantage de ce capteur est que, du fait que les microlentilles surmontant les filtres couleur servent essentiellement à éviter qu'un rayon lumineux traverse successi- 25 vement deux filtres adjacents de couleurs distinctes, ces microlentilles peuvent être supprimées ce qui réduit la complexité et le coût de fabrication du capteur. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 30 l'art. En particulier, la présente invention ne se limite pas à des pixels comprenant des photodiodes 9 telles que décrites en relation avec la figure 1. Par exemple, les photodiodes pourront ne pas avoir de couche 11 P+, ou encore les photodiodes pourront s'étendre latéralement jusqu'aux murs 27. 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 9 Le nombre de couches et les matériaux des couches de l'empilement isolant 5 pourront être différents de ce qui a été décrit en relation avec la figure 1. On pourra aussi ne pas prévoir d'empilement isolant 5 sur la face arrière de la couche 5 semiconductrice 1. Les structures d'isolement séparant des pixels adjacents du capteur pourront être adaptées par l'homme de métier. Par exemple, les zones d'isolement peu profondes 15 formées du côté de la face avant de la couche semiconductrice pourront être 10 omises. On pourra aussi prévoir une étape de dopage avant le remplissage des tranchées 19 pour former une couche fortement dopée bordant les murs 27 dans la couche semiconductrice 1. La couche isolante 21 pourra être formée par dépôt successifs de plusieurs couches isolantes, par exemple d'une couche d'oxyde de 15 silicium et d'une couche de nitrure de silicium. Bien que, dans le capteur d'images couleur décrit précédemment, seuls deux pixels adjacents 7A. et 7B associés à deux couleurs distinctes aient été représentés, en pratique, un capteur d'images couleur comprend un nombre très élevé de 20 pixels, par exemple plusieurs millions, et plus de deux couleurs de filtres sont couramment prévues, par exemple trois. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un capteur d'images couleur comprenant un réseau de pixels (7A, 7B) formés dans une couche semiconductrice (1), le procédé comportant les étapes successives suivantes : graver des tranchées d'isolement (19) pénétrant dans la couche semiconductrice et séparant les pixels les uns des autres ; déposer un revêtement isolant (17) et un matériau électriquement conducteur (25) remplissant les tranchées d'isolement ; en regard de chaque pixel, graver une cavité (33) traversant le matériau électriquement conducteur (25), pénétrant dans 5 à 30 % de l'épaisseur de la couche semiconductrice, et occupant au moins 90 % de la surface délimitée par les tranchées d'isolement ; et remplir chaque cavité d'un matériau de filtrage couleur (39A, 39B). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le matériau électriquement conducteur (25) est 20 opaque à la lumière. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel le matériau électriquement conducteur (25) est un métal. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 3, dans lequel une couche électriquement conductrice de revêtement (23) opaque à la lumière est déposée sur le revêtement isolant (17) avant le dépôt du matériau électriquement conducteur (25), et la cavité (33) est gravée à travers la couche conductrice de revêtement (23). 30 5. Procédé de fabrication selon l'un quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche conductrice de revêtement (23) est en un métal ou en un nitrure métallique. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les tranchées d'isolement (19) 3032557 B13884 - 14-GR1-0125 11 pénètrent dans les trois quarts au moins de l'épaisseur de la couche semiconductrice (1). 7. Capteur d'images couleur comprenant : un réseau de pixels (7A, 7B) formés dans une couche 5 semiconductrice (1) dont une face arrière est destinée à recevoir un éclairement ; des murs conducteurs isolés (27) pénétrant dans la couche semiconductrice à partir de sa face arrière et séparant les pixels les uns des autres ; et 10 en regard de chaque pixel, un filtre couleur (39A, 39B) pénétrant dans 5 à 30 % de l'épaisseur de la couche semiconductrice à partir de sa face arrière et occupant au moins 90 % de la surface délimitée par les murs, une couche électriquement conductrice (23, 25) s'étendant de la paroi 15 latérale du filtre jusqu'aux murs. 8. Capteur d'images couleur selon la revendication 7, dans lequel les murs (27) comprennent un matériau électriquement conducteur revêtu d'une couche isolante (21), et la couche électriquement conductrice est en le matériau électriquement conducteur. 9. Capteur d'images couleur selon la revendication 8, dans lequel le matériau électriquement conducteur est opaque à la lumière. 10. Capteur d'images couleur selon l'une quelconque des 25 revendications 7 à 9, dans lequel les murs (27) pénètrent dans les trois quarts au moins de l'épaisseur de la couche semiconductrice (1).