Brevet FR3056333A1 — publié le 20180323

Capteur d'images à efficacité quantique améliorée pour les rayonnements infrarouges Des modes de réalisation de l'invention concernent les capteurs d'images optiques, notamment les capteurs d'images à illumination face arrière, et en particulier l'amélioration de l'efficacité quantique de ce type de capteur. L'efficacité quantique d'un capteur d'images est le rapport entre le nombre de charges électroniques collectées et le nombre de photons incidents sur une région active d'un capteur d'images, par exemple une photodiode. Cette grandeur permet de caractériser la sensibilité à la lumière d'un capteur d'images. L'efficacité quantique des signaux optiques proches de l'infrarouge, c'est-à-dire les rayons lumineux dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nanomètres et 1000 nanomètres, est faible, et ce en raison de la faible absorption de ces longueurs d'ondes par le silicium des régions photosensibles des capteurs. Il existe des moyens permettant d'améliorer l'efficacité quantique des capteurs d'images à illumination face arrière pour les longueurs d'ondes proches de l'infrarouge. Une solution consiste à augmenter le chemin optique parcouru par les rayons lumineux dans le silicium par des phénomènes de réflexion, par exemple sur des niveaux de métal situés dans la partie d'interconnexion (communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon BEOL : « Back End Of Lines) derrière la zone active, ou sur des tranchées isolantes délimitant la zone active. Cependant, ces procédés restent insuffisants, notamment en raison des faibles épaisseurs de silicium utilisées dans les capteurs d'images les plus compacts. Ainsi, selon un mode de réalisation, il est proposé un capteur d'images ayant une efficacité quantique améliorée pour les rayons lumineux infrarouges. Selon un aspect, il est proposé un capteur d'images intégré à illumination face arrière comprenant au moins un pixel comprenant 3056333 2 une région active semi-conductrice possédant une première face ou face arrière et une deuxième face et contenant une photodiode, une lentille convergente située en regard de la première face de ladite région active et configurée pour diriger les rayons lumineux arrivant 5 sur la lentille vers une zone centrale de la région active. Selon une caractéristique générale de cet aspect, la région active comprend au moins un élément diffractant ayant un indice optique différent de l'indice optique de la région active (comme par exemple un oxyde) et situé au moins en partie dans ladite zone 10 centrale au niveau de l'une desdites faces de la région active. Ainsi, en réalisant un élément diffractant spécifique au moins en partie dans ladite zone centrale, on augmente encore d'avantage le chemin optique parcouru par les rayons lumineux dans le silicium en raison des nombreuses diffractions résultant de la localisation de cet 15 élément diffractant. Le capteur peut en outre comprendre au moins un niveau de métal en regard de la deuxième face de la région active, enrobé dans une région isolante et optiquement couplé avec l'élément diffractant. Ainsi, l'effet de l'élément diffractant est augmenté encore 20 d'avantage par la présence d'au moins un niveau de métal qui réfléchit les rayons diffractés par l'élément diffractant. Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément diffractant peut comporter une tranchée de matériau isolant située dans la région active au niveau de ladite première face de la région active. 25 Selon un autre mode de réalisation, compatible avec le mode de réalisation précédent, ledit au moins un élément diffractant peut comporter une tranchée de matériau isolant située dans la région active au niveau de ladite deuxième face de la région active. Ledit au moins un élément diffractant peut aussi comprendre 30 une ligne de polysilicium réalisée sur la deuxième face de la région active. La face avant de la région active comportant classiquement une fine couche de protection en oxyde, on a bien toujours une différence d'indice entre l'élément diffractant et son milieu environnant. 3056333 3 Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément diffractant s'étend selon une seule direction parallèle à la première et à la deuxième face et est situé au moins en partie dans la zone centrale de la région active. 5 Le capteur peut comprendre plusieurs éléments diffractants dont l'un au moins est situé au moins en partie dans la zone centrale de la région active. Certains au moins des éléments diffractants peuvent être solidaires de façon à former un seul et même motif diffractant 10 s'étendant selon plusieurs directions. Selon un autre aspect, il est proposé un système, par exemple du type formant un téléphone portable intelligent ou un appareil photographique numérique, comprenant au moins un capteur d'images intégré tel que défini ci-avant, D'autres avantages et caractéristiques 15 de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 7 illustrent schématiquement des modes de réalisation de l'invention. 20 La figure 1 illustre schématiquement un pixel PIX d'un capteur d'images intégré CAP de type à illumination face arrière (BSI : « Back Side Illumination » selon l'appellation anglo-saxonne bien connue de l'homme du métier), et la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne de couple II-II de la figure 1. 25 Le pixel PIX comporte une région active 1, comportant une première face 10, ou face arrière, et une deuxième face 11, ou face avant. La région active 1 est isolée des pixels adjacents par des tranchées d'isolation profonde 2 (DTI : « Deep Trench Isolation » en langue anglaise). 30 La région active 1 comporte classiquement une photodiode 3. La photodiode 3 est ici de type pincée (« pinned » en anglais) verticale, c'est-à-dire une photodiode comportant une région dopée par exemple de type N englobée dans une autre région dopée par exemple de type P, et s'étendant verticalement dans la région active 1, c'est-à- 3056333 4 dire selon une direction allant de la face avant 10 vers la face arrière 11. Le pixel PIX comprend une première région isolante 40, réalisée sur la face arrière 10 de la région active, et sur laquelle se 5 trouve une lentille convergente L, apte à faire converger des rayons incidents rl vers une zone centrale 12 de la région active 1 comprenant la photodiode 3. Le pixel PIX comprend une deuxième région isolante 41 englobant plusieurs niveaux de métal appartenant par exemple à une 10 partie d'interconnexion (BEOL) du circuit intégré contenant le capteur CAP. Ces niveaux de métal peuvent permettre de réaliser des interconnexions entre différents composants du capteur (non représentés à des fins de simplification), et certains niveaux de métal M, situés en regard de la deuxième face de la région active, servent 15 également de réflecteurs afin de réfléchir vers la région active 1 les éventuels rayons lumineux la traversant. La face arrière 10 de la région active supporte un élément diffractant 5, réalisé au sein de la région active 1 et en partie dans la région centrale 12 et apte à diffracter les rayons incidents issus de la 20 lentille L. L' élément diffractant 5 comprend ici une tranchée peu profonde 50 réalisée dans la région active 1 et comportant un matériau isolant. Ainsi par exemple, lorsqu'un rayon lumineux incident rl arrive 25 sur la lentille L, il est dirigé vers la zone centrale 12 de la région active 1. A la rencontre de l'élément diffractant 5, il est diffracté dans la région active 1 en une multitude de rayons diffractés r2, r3, r4 selon différents angles. Par exemple le rayon diffracté r4 est réfléchi une première fois 30 contre les tranchées d'isolation profondes 2 vers la face avant 11 de la région active 1. Puis, le rayon diffracté r4 traverse la région active 1 jusqu'à rencontrer une ligne de métal du niveau de métal M enrobée dans la deuxième région isolante 41. Le rayon est alors réfléchi une 3056333 5 deuxième fois vers la région active 1, dans laquelle il pourra être réfléchi à nouveau sur les tranchées profondes 2, et/ou être absorbé. Ainsi, l'élément diffractant 5 contribue avantageusement à augmenter le chemin optique des rayons incidents traversant la lentille 5 L. En effet, les effets combinés de l'élément diffractant 5, des tranchées d'isolation 2, et du niveau de métal M permettent un chemin optique particulièrement long, et donc une forte amélioration de l'absorption des photons par la région active 1. L'efficacité quantique 10 du capteur d'images CAP est donc améliorée. Les inventeurs ont notamment observé que ce type de capteur permet une absorption des rayonnements infrarouges jusqu'à trois fois supérieure à l'absorption des rayonnements infrarouges d'un capteur analogue mais dépourvu d'élément diffractant. 15 Il convient de noter ici que la totalité des rayons incidents ne rencontre pas l'élément diffractant 5. Cela étant, la lentille L étant une lentille convergente configurée pour diriger les rayons incidents vers la zone centrale 12 de la région active, et l'élément diffractant étant situé en partie dans cette zone centrale 12, la majorité des rayons 20 incidents rencontreront l'élément diffractant 5. La figure 3 illustre un mode de réalisation dans lequel l'élément diffractant 5 comporte une tranchée d'isolation peu profonde 51 qui n'est pas située au niveau de la face arrière 10 du capteur comme décrit précédemment, mais dans la région active au niveau de 25 la face avant 11. Ainsi, un rayon incident rl arrivant sur le capteur traversera d'abord la région active 1 avant d'être diffracté par l'élément diffractant 5. La majorité des rayons diffractés r4, r5, r6 par l'élément diffractant 5 sont donc réfléchis une première fois par une ligne de 30 métal du niveau de métal M vers la région active 1, où ils pourront être réfléchis une deuxième fois contre les tranchées d'isolation profondes 2 et/ou absorbés. Il est également possible qu'un rayon incident traverse la région active 1 puis qu'il soit réfléchi une première fois par une ligne 3056333 6 de métal du niveau de métal M vers l'élément diffractant avant de rencontrer l'élément diffractant 5 et d'être diffracté dans la région active 1 en une pluralité de rayons diffractés qui seront réfléchis à une deuxième fois contre les tranchées d'isolation profondes 2 et/ou 5 absorbés. Ce mode de réalisation est également compatible avec un pixel comportant une photodiode de type planaire. Il convient de noter qu'il est tout à fait possible de prévoir un élément diffractant comportant à la fois une tranchée isolante située au 10 niveau de la face arrière 10 et une tranchée isolante située au niveau de la face avant 11. La figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'élément diffractant 5 comporte une ligne de polysilicium 52 réalisée sur la face avant de la région active 1, entre la région active 1 15 et le niveau de métal M. La face avant 11 de la région active 1 comprenant classiquement une fine couche de protection en oxyde, on a bien une différence d'indice entre l'élément diffractant 5 et la face avant 11. Ce mode de réalisation présente les mêmes avantages d'un 20 point de vue optique que le mode de réalisation décrit précédemment et illustré sur la figure 2 et pourrait se combiner avec les modes de réalisation illustrés sur les figures 2 et/ou 3. Cependant, ce mode de réalisation de la figure 4 est particulièrement avantageux du point de vue du procédé de réalisation. 25 En effet, la ligne de matériau de polysilicium 52 est réalisée selon le même procédé utilisé pour réaliser des éléments d'autres composants électroniques, comme par exemple des grilles de transfert de charges intervenant dans le fonctionnement du pixel (non représentées à des fins de simplification). Cette ligne de polysilicium est donc une grille 30 fictive (« dummy gate » selon l'appellation anglo-saxonne bien connue de l'homme du métier). Bien qu'il ait été présenté ici des capteurs d'images comportant des pixels comprenant un seul élément diffractant, il serait également envisageable, comme l'illustre la figure 5, de réaliser une pluralité 3056333 7 d'éléments diffractants 60, 61, 62 dans la région active 1, selon l'un des modes de réalisation présentés précédemment et illustrés sur les figures 1 à 4. Etant donné que la majorité des rayons lumineux arrivent dans 5 la zone centrale 12, l'un au moins des éléments diffractants, ici l'élément 61, se trouve en partie dans la région centrale 12. Les deux autres éléments 60 et 62 diffractants sont réalisés de façon parallèle de part et d'autre de l'élément diffractant 61 Les capteurs d'images CAP décrits précédemment et illustrés 10 sur les figures 1 à 5 peuvent classiquement être intégrés à un système optique comprenant un obturateur, classiquement dans un appareil photo numérique ou dans un téléphone portable intelligent (« Smartphone », en langue anglaise). Les figures 6 et 7 illustrent des systèmes comportant des 15 capteurs d'images CAP comportant des pixels PIX selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 6 illustre un appareil photo numérique APN et la figure 7 illustre un téléphone portable intelligent TPI. L'appareil photo et le téléphone portable comportent un capteur d'images CAP selon un mode de réalisation de l'invention. 20 Les exemples d'application de l'invention ne se limitent pas à ceux illustrés sur les figures 6 et 7, et l'homme du métier saura appliquer les modes de réalisation de l'invention décrits précédemment et illustrés aux figures 1 à 5 à d'autres systèmes connus. Les modes de réalisation présentés ici ne sont nullement 25 limitatifs. Notamment, bien qu'il ait été présenté ici en lien avec la figure 5 un capteur d'image comportant une pluralité d'éléments diffractants 60, 61, 62 distincts et parallèles, il serait tout à fait envisageable d'avoir plusieurs éléments diffractants s'étendant selon des directions distinctes, et/ou étant mutuellement joints de façon à ne 30 former qu'un seul et même motif. REVENDICATIONS1. Capteur d'images intégré à illumination face arrière comprenant au moins un pixel (PIX) comprenant une région active semi-conductrice (1) possédant une première face ou face arrière (10) et une deuxième face (11) et contenant une photodiode (3), une lentille convergente (L) située en regard de la première face (10) de ladite région active (10) et configurée pour diriger les rayons lumineux (r1) arrivant sur la lentille (L) vers une zone centrale (12) de la région active (1), caractérisé en ce que la région active (1) comprend au moins un élément diffractant (5) ayant un indice optique différent de l'indice optique de la région active (1) et situé au moins en partie dans ladite zone centrale (12) au niveau de l'une desdites faces (10, 11) de la région active. 2. Capteur selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un niveau de métal (M) en regard de la deuxième face de la région active, enrobé dans une région isolante (41) et optiquement couplé avec l'élément diffractant (5). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un élément diffractant (5) comporte une tranchée (50) de matériau isolant située dans la région active (1) au niveau de ladite première face (10) de la région active (1). 4. Capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel ledit au moins un élément diffractant (5) comporte une tranchée (51) de matériau isolant située dans la région active (1) au niveau de ladite deuxième face (11) de la région active (1). 5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un élément diffractant (5) comprend une ligne de polysilicium (52) réalisée sur la deuxième face (11) de la région active. 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un élément diffractant (5) s'étend selon une seule direction parallèle à la première face (10) et à la deuxième face (11) et 3056333 9 est situé au moins en partie dans la zone centrale (12) de la région active (1). 7. Capteur selon l'une de revendications précédentes, comprenant plusieurs éléments diffractants (60, 61, 62) dont l'un (61) 5 au moins est situé au moins en partie dans la zone centrale (12) de la région active (1). 8. Capteur selon la revendication 7, dans lequel certains au moins des éléments diffractants sont solidaires de façon à former un seul et même motif diffractant s'étendant selon plusieurs directions. 10 9. Système comprenant au moins un capteur d'images intégré (CAP) selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Système selon la revendication 9, du type formant un téléphone portable intelligent (TPI) ou un appareil photographique numérique (APN).