Brevet FR3069955A1 — publié le 20190208

Dispositif électronique capteur d'images à couche additionnelle formant des lentilles optiques Des modes de réalisation de la présente invention concernent le domaine des dispositifs électroniques aptes à capter des images. On connaît des dispositifs électroniques capteurs d'images, en particulier de type CMOS, dans lesquelles des microlentilles optiques sont formées à partir de plots parallélépipédiques, issus d'une couche gravée, que l'on fait fluer sous l'effet de la chaleur de sorte à leur conférer une forme hémisphérique. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif électronique, capteur d'images, qui comprend une plaquette présentant une face exposée à la lumière et incluant des moyens qui, en captant la lumière atteignant ladite face exposée, sont aptes à délivrer des signaux électriques sous forme de pixels, représentatifs respectivement de la lumière atteignant des régions de ladite face exposée. Le dispositif comprend en outre une couche additionnelle au-dessus de ladite face exposée, laissant passer la lumière. Des portions de ladite couche additionnelle, qui correspondent respectivement à des régions de ladite face exposée, sont respectivement pourvues de trous aptes à modifier l'indice de réfraction du matériau de la couche additionnelle. Les trous de chaque portion sont distribués de sorte à obtenir dans chaque portion un gradient d'indice de réfraction tel que l'indice de réfraction de ladite couche additionnelle varie entre un indice de réfraction élevé dans une partie locale et un indice de réfraction plus faible dans une partie périphérique. Ladite couche additionnelle peut présenter une épaisseur constante. Chaque portion de ladite couche additionnelle peut être équivalente à une lentille optique de focalisation. 2 Les trous de chaque portion peuvent être distribués de sorte que la densité des trous de chaque portion croisse depuis ladite partie locale et jusqu'à ladite partie périphérique. Les trous de chaque portion peuvent être distribués dans ladite 5 partie locale et dans des parties annulaires qui entourent cette partie locale, dans chacune desquelles la distribution des trous est constante et la densité des trous croît d'une partie à l'autre depuis la partie locale et jusqu'à ladite partie périphérique. Le gradient d'indice de réfraction peut résulter de variations de 10 la forme et/ou la densité desdits trous. Au moins certains desdits trous peuvent être aménagés dans toute l'épaisseur de ladite couche additionnelle. Au moins certains desdits trous peuvent être aménagés dans une partie de l'épaisseur de la couche additionnelle. 15 La face exposée de ladite plaquette peut être plate et la face extérieure de ladite couche additionnelle peut être plate. Ladite couche additionnelle peut comprendre des portions dans lesquelles les trous sont distribués différemment de sorte que les gradients d'indice de réfraction dans ces portions sont différents. 20 Ladite couche additionnelle peut comprendre des portions adjacentes présentant des superficies différentes dans lesquelles les trous sont distribués différemment de sorte que les gradients d'indice de réfraction dans ces portions sont différents. Le diamètre des trous est de préférence au moins inférieur au 25 quart de la valeur de la longueur d'onde lumineuse à laquelle lesdits moyens sont sensibles. Lesdits trous de ladite couche additionnelle peuvent être au moins en partie remplis d'au moins une matière. Il est également proposé un procédé de fabrication d'un 30 dispositif électronique capteur d'images, dans lequel une plaquette présente une face exposée à la lumière et inclut des moyens qui, en captant la lumière atteignant ladite face exposée, sont aptes à délivrer des signaux électriques sous forme de pixels, représentatifs 3 respectivement de la lumière atteignant des régions de ladite face exposée. Le procédé comprend les étapes suivantes : déposer une couche additionnelle au-dessus de ladite face 5 exposée, en une matière laissant passer la lumière, réaliser des trous dans des portions de ladite couche additionnelle, qui correspondent respectivement à des régions de ladite face exposée, lesdits trous étant aptes à modifier l'indice de réfraction du matériau de ladite couche additionnelle. 10 Des dispositifs électroniques capteurs d'images vont maintenant être décrits à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente une coupe d'un dispositif électronique comprenant une couche additionnelle capteur d'images, 15 pourvue de trous ; - la figure 2 représente une additionnelle ; - la figure 3 représente une pourvue de trous selon une 20 - la figure 4 représente une pourvue de trous selon une - la figure 5 représente une pourvue de trous selon une vue de dessus de la couche coupe de la couche additionnelle variante de réalisation ; coupe de la couche additionnelle autre variante de réalisation ; et coupe de la couche additionnelle autre variante de réalisation. Sur la figure 1 est illustré un dispositif électronique 1, capteur 25 d'images, qui comprend, sous forme générale, une plaquette 2 qui présente une face 3 exposée à la lumière et qui inclut des moyens qui, en captant la lumière atteignant la face exposée 3, sont aptes à délivrer des signaux électriques sous forme de pixels, représentatifs respectivement de la lumière atteignant des régions 4 de la face 30 exposée 3, par exemple carrées ou rectangulaires, et aptes à définir une image numérique matricielle. Par exemple, la plaquette 2 comprend un substrat 5 incluant une couche semiconductrice, par exemple en silicium, qui d'un côté présente la face exposée 3 et qui est apte à absorber la lumière et 4 détermine la zone photosensible des pixels, des circuits électroniques intégrés 6 aménagés sur le côté 7 du substrat 5 opposé à la face exposée 3 et, sur le côté 7, une couche diélectrique 8 incluant un réseau intégré 9 de connexions électriques reliant sélectivement les 5 circuits électroniques 6 à des plots arrière 10 de connexion électrique extérieure aménagés sur la face extérieure 8a de la couche diélectrique 8. Le réseau intégré 9 peut inclure plusieurs niveaux métalliques reliés par des vias. Les circuits électroniques 6 comprennent notamment des 10 transistors et des capacités de stockage de charges et délivrent, sur les plots arrière 10, des signaux sous forme de pixels, représentatifs respectivement de la lumière atteignant les régions 4 de la face exposée 3 du substrat 5. La plaquette 2 pourrait présenter une autre structure que celle 15 décrite ci-dessus. Le dispositif électronique 1 comprend une couche additionnelle 11 au-dessus de ladite face exposée 3 de la plaquette 2, en une matière laissant passer la lumière. La couche additionnelle 11 présente une face extérieure 12 exposée à la lumière. 20 Selon l'exemple représenté, la face exposée 3 de la plaquette 2 est plate, la face exposée 12 de la couche additionnelle 11 est plate, la couche additionnelle 11 présente une épaisseur constante. Des portions 13 de la couche additionnelle 11, qui correspondent respectivement aux régions 4 de la face exposée 3 de la 25 plaquette 2, sont respectivement pourvues d'une pluralité de trous 14 aptes à modifier l'indice de réfraction du matériau constituant la couche additionnelle 11. Les trous 14 de chaque portion 13 sont distribués de sorte à obtenir un gradient d'indice de réfraction tel que l'indice de réfraction 30 de la couche additionnelle 11 varie entre un indice de réfraction élevé dans une partie locale, par exemple centrale ou décalée par rapport au centre, et un indice de réfraction plus faible dans une partie périphérique, afin de produire un effet de focalisation de la lumière. 5 Ainsi, les régions 4 de la couche additionnelle 11, qui présentent des faces opposées parallèles et qui sont pourvues des trous 14, peuvent être adaptées pour produire des effets de lentilles optiques de focalisation, équivalents à des lentilles optiques par exemple 5 sphériques, à savoir une lentille par pixel. On entend par « distribution des trous », des variations relatives à la topographie des trous et/ou à leur taille et/ou à la forme des parois des trous. Selon un exemple de distribution illustré sur les figures 2 et 3, 10 les trous 14 des portions 14 traversent la couche additionnelle 11, c'est-à-dire qu'ils s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche additionnelle 11. Les trous 14 sont cylindriques et de mêmes diamètres Les trous 14 sont disposés sur les cercles concentriques et à 15 égales distances les uns des autres sur chaque cercle. Des trous 14 sont prévus dans les coins des portions 13. La densité des trous 14 croît entre la partie centrale et la partie périphérique des portions 13, en continu ou par palier entre des parties annulaires concentriques. On entend par « densité » la valeur de la 20 section d'un trou ou de la section cumulée des trous par unité de surface de la portion 13. Le diamètre des trous 14 est au moins inférieur au quart de la valeur de la longueur d'onde lumineuse à laquelle les moyens de captation de la lumière sont sensibles. Avantageusement, le diamètre 25 des trous 14 est approximativement inférieur au dixième de la valeur de la longueur d'onde lumineuse à laquelle les moyens de captation de la lumière sont sensibles. Selon une variante de distribution illustrée sur la figure 4, les trous 14 sont aménagés depuis la face avant 12 et sont borgnes, c'est- 30 à-dire qu'ils s'étendent sur une partie de l'épaisseur de la couche additionnelle 11. Les trous 14 présentent la même profondeur. La partie non trouée 13a située du côté du substrat 5 de la couche additionnelle 11 constitue alors une couche d'antireflet. 6 Selon une autre variante de distribution illustrée sur la figure 5, les trous 14 présentent des parois en forme de troncs de cône, dont le grand diamètre est du côté de la face 12. Il se produit ainsi un gradient de variation de l'indice de 5 réfraction dans le sens de l'épaisseur de la couche additionnelle 11. Comme précédemment, les trous 14 peuvent être aménagés sur toute ou partie de l'épaisseur de la couche 11. Les distributions des trous 14 décrites ci-dessus peuvent être combinées. D' autres di stributions des trous 14 peuvent être 10 envisagées, par exemple des trous à diamètres étagés dans le sens de l'épaisseur de la couche additionnelle 11, des trous de sections carrées ou rectangulaires. Selon une disposition particulière (non représentée), des portions 13, adjacentes, peuvent présenter des distributions différentes 15 des trous 14, aptes à produire des effets différents de focalisation, correspondant à des lentilles sphériques différentes. Selon une autre disposition particulière (non représentée), des régions 4, adjacentes, peuvent présenter des aires différentes, par exemple carrées ou rectangulaires, notamment en vue de capter des 20 longueurs d'ondes différentes ou être en regard de photodiodes de surfaces différentes. Dans ce cas, les portions 13 correspondantes peuvent présenter des distributions différentes des trous 14, aptes à produire des effets différents de focalisation, correspondant à des lentilles sphériques différentes. 25 Le dispositif électronique capteur d'images 1 peut être fabriqué de la manière suivante. Disposant de la plaquette 2, on dépose au moins une couche additionnelle 11 en une matière laissant passer la lumière. Puis, on réalise les trous 14. La couche additionnelle 11 peut être en nitrure de silicium, en 30 oxyde de silicium, ou en polysilicium, obtenue par dépôt en phase vapeur (CVD) ou peut être en une résine polymère, obtenue par étalement. Les trous 14 peuvent être réalisés par attaque chimique ou par gravure. 7 L'épaisseur de la couche additionnelle 11 peut être approximativement égale à un micron. Le diamètre des trous 14 peut être au moins inférieur au quart, de préférence inférieur à approximativement au dixième, la valeur de 5 la longueur d'onde lumineuse à laquelle lesdits moyens de captation de la lumière sont sensibles. Par exemple, pour une longueur d'onde égale à 0.8 micron, le diamètre peut être compris entre quelques nanomètres et 0.2 micron. La densité des trous 14 peut aller de zéro pourcent dans la partie centrale à une densité maximale dans la partie périphérique. 10 Selon une variante applicable à tous les modes de réalisation qui précèdent, les trous 14 peuvent être remplis d'un second matériau, différent du premier matériau formant la couche additionnelle 11 et présentant un indice de réfraction optique suffisamment différent par rapport au premier matériau, de manière à refermer les trous et offrir 15 une face extérieure 12 plane de sorte à permettre le dépôt d'une ou plusieurs couches additionnelles par-dessus la face 12 de la structure 1, par exemple des filtres optiques. A titre d'exemple, si le matériau de la couche additionnelle 11 est du nitrure de silicium, le matériau de remplissage peut être de l'oxyde de silicium. 20 Selon encore une autre variante, les trous 14 peuvent être seulement partiellement remplis, dans leur portion supérieure, de sorte à les obstruer, par exemple par un dépôt CVD peu conforme (de type « air-gap » selon la terminologie anglaise), afin de former des trous « remplis d'air » (en fait un gaz résiduel ou du vide). Cela a comme 25 avantage de planariser la surface extérieure 12 tout en conservant de l'air (ou du vide) à l'intérieur des trous 14, c'est-à-dire en conservant un saut d'indice optique maximum entre le matériau de la couche additionnelle 11 et les trous 14 formés dans celle-ci. Il a été décrit des modes de réalisation d'une couche 30 additionnelle 11 pourvue de trous 14, comportant ainsi un réseau de micro-lentilles planaires, sur la face 3 d'un dispositif électronique capteur d'images de type à Illumination Face Arrière (Backside Illumination, ou B SI en anglais). Selon une variante de réalisation non illustrée sur les figures, il est possible de former la couche 8 additionnelle 11 pourvue des trous 14 sur un dispositif électronique capteur d'images de type à Illumination Face Avant (Frontside Illumination, ou FSI en anglais), c'est-à-dire en formant la couche additionnelle 11 et les trous 14 au-dessus de la face 8a de la couche 5 diélectrique 8, REVENDICATIONS1. Dispositif électronique capteur d'images, comprenant une plaquette (2) présentant une face (3) exposée à la lumière et incluant des moyens qui, en captant la lumière atteignant ladite face exposée (3), sont aptes à délivrer des signaux électriques sous forme de pixels, représentatifs respectivement de la lumière atteignant des régions (4) de ladite face exposée (3), et comprenant une couche additionnelle (11) au-dessus de ladite face exposée, laissant passer la lumière, dans lequel des portions (13) de ladite couche additionnelle (11), qui correspondent respectivement à des régions (4) de ladite face exposée, sont respectivement pourvues de trous (14) aptes à modifier l'indice de réfraction du matériau de ladite couche additionnelle, les trous (14) de chaque portion (13) étant distribués de sorte à obtenir dans chaque portion un gradient d'indice de réfraction tel que l'indice de réfraction de ladite couche additionnelle varie entre un indice de réfraction élevé dans une partie locale et un indice de réfraction plus faible dans une partie périphérique. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite couche additionnelle (11) présente une épaisseur constante. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque portion (13) de ladite couche additionnelle (11) est équivalente à une lentille optique de focalisation. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trous (14) de chaque portion (13) sont distribués de sorte que la densité des trous (14) de chaque portion (13) croît depuis ladite partie locale et jusqu'à ladite partie périphérique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trous (14) de chaque portion (13) sont distribués dans ladite partie locale et dans des parties annulaires qui entourent cette partie locale, dans chacune desquelles la distribution des trous est constante et la densité des trous croît d'une partie à l'autre depuis la partie locale et jusqu'à ladite partie périphérique. 10 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le gradient d'indice de réfraction résulte de variations de la forme et/ou la densité desdits trous (14). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans lequel au moins certains desdits trous (14) sont aménagés dans toute l'épaisseur de ladite couche additionnelle. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins certains desdits trous (14) sont aménagés dans une partie de l'épaisseur de la couche additionnelle. 10 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la face exposée (3) de ladite plaquette (2) est plate et la face extérieure (12) de la couche additionnelle (11) est plate. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, dans lequel ladite couche additionnelle (11) comprend des portions (13) dans lesquelles les trous (11) sont distribués différemment de sorte que les gradients d'indice de réfraction dans ces portions sont différents. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, dans lequel ladite couche additionnelle (11) comprend des portions adjacentes (13) présentant des superficies différentes dans lesquelles les trous (14) sont distribués différemment de sorte que les gradients d'indice de réfraction dans ces portions sont différents. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans lequel le diamètre des trous (14) est au moins inférieur au quart de la valeur de la longueur d'onde lumineuse à laquelle lesdits moyens sont sensibles. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits trous (14) de ladite couche 30 additionnelle (11) sont au moins en partie remplis d'au moins une matière. 14. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique capteur d'images, dans lequel une plaquette (2) présente une face (3) exposée à la lumière et inclut des moyens qui, en captant la lumière atteignant ladite face exposée (3), sont aptes à délivrer des signaux électriques sous forme de pixels, représentatifs respectivement de la lumière atteignant des régions (4) de ladite face exposée (3), procédé comprenant les étapes suivantes : 5 déposer une couche additionnelle (11) au-dessus de ladite face exposée, en une matière laissant passer la lumière, réaliser des trous dans des portions (13) de ladite couche additionnelle (11), qui correspondent respectivement à des régions (4) de ladite face exposée, lesdits trous étant aptes à modifier l'indice de 10 réfraction du matériau de ladite couche additionnelle et étant distribués de sorte à obtenir dans chaque portion un gradient d'indice de réfraction tel que l'indice de réfraction de ladite couche additionnelle varie entre un indice de réfraction élevé dans une partie locale et un indice de réfraction plus faible dans une partie 15 périphérique.