FR2930676A1 - Capteur d'image de tres faibles dimensions - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur d'image formé dans un empilement semiconducteur d'une région inférieure d'un premier type de conductivité (27) et d'une région supérieure d'un second type de conductivité (25), comprenant : une photodiode constituée d'une première portion dudit empilement ; une zone de lecture constituée d'une deuxième portion dudit empilement ; une tranchée à parois isolées (31, 45) remplie d'un matériau conducteur (35), la tranchée entourant la photodiode et la zone de lecture et étant interrompue, sur toute sa hauteur, sur une partie en regard de la photodiode et de la zone de lecture ; et un premier moyen de connexion associé au matériau conducteur de la tranchée et adapté à être connecté à une tension de polarisation de référence.
Description
B8719 - 07-GR3-364 1 CAPTEUR D'IMAGE DE TRÈS FAIBLES DIMENSIONS
Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'image réalisé sous forme monolithique et destiné à être utilisé dans des dispositifs de prise de vue.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un capteur d'image constitué d'éléments de faibles dimensions. Exposé de l'art antérieur De façon classique, un capteur d'image réalisé de façon monolithique comprend des photodiodes et des transistors réalisés dans un substrat de silicium. Plus particulièrement, chaque pixel d'un capteur d'image comporte une photodiode associée à un transistor de transfert dont la région de drain est associée à un circuit de lecture et de traitement comprenant un ou plu-sieurs transistors. Une tranchée d'isolement s'étendant à partir de la surface du substrat permet d'isoler les photodiodes les unes des autres. Un souci permanent de l'homme de l'art est de réduire la taille des pixels des capteurs d'image. Pour cela, il a été proposé de réduire la surface des zones de détection et de collecte d'électrons des photodiodes. Ceci implique d'augmenter l'épaisseur de ces zones de collecte pour pouvoir accumuler suffisamment de charges. Cependant, ceci pose plusieurs problèmes.
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2 Tout d'abord, la réduction de la taille des zones de collecte augmente le risque d'interférences, encore appelées diaphotie (en anglais "crosstalk"), entre les différentes photo-diodes. En effet, si les photodiodes sont très proches les unes des autres, des électrons destinés à atteindre une photodiode donnée sont plus facilement attirés par une photodiode voisine. Le brevet US 7 239 003 propose, pour limiter la diaphotie, de former des tranchées d'isolement plus profondes. Cependant, on voit, notamment en figure 6 de ce brevet, que les dimensions du pixel ne sont pas optimisées puisqu'un espace 323 est nécessaire entre la région de collecte d'électrons de la photodiode 326 et les tranchées d'isolement 328. De plus, lorsque des électrons sont stockés au fond d'une zone épaisse, ils sont difficiles à transférer à l'aide d'un transistor de transfert classique formé en surface du substrat. De ce fait, de nombreux électrons restent dans la zone de collecte après transfert. Ces électrons forment des courants de rémanence qui apparaissent lors des lectures suivantes et qui perturbent la détection de la photodiode.
Il existe donc un besoin d'un capteur d'image comprenant des pixels ayant des dimensions faibles et des capacités de stockage élevées, dont l'isolement permet de limiter les phénomènes de diaphotie, et permettant un transfert total des électrons stockés dans une photodiode.
Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image de faibles dimensions. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image à faible diaphotie. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image à faible courant d'obs- curité.
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3 Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image à forte capacité de stockage.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'image formé dans un empilement semiconducteur d'une région inférieure d'un premier type de conductivité et d'une région supérieure d'un second type de conductivité, comprenant : une photodiode constituée d'une première portion dudit empilement ; une zone de lecture constituée d'une deuxième portion dudit empilement ; une tranchée à parois isolées remplie d'un matériau conducteur, la tranchée entourant la photodiode et la zone de lecture et étant interrompue, sur toute sa hauteur, sur une partie en regard de la photodiode et de la zone de lecture ; et un premier moyen de connexion associé au matériau conducteur de la tranchée et adapté à être connecté à une tension de polarisation de référence. Selon un mode de réalisation, une colonne à parois isolées remplie d'un matériau conducteur est formée dans la zone d'interruption de la tranchée, le matériau conducteur de la colonne étant associé à un deuxième moyen de connexion adapté à être connecté à une tension de polarisation de référence ou à une tension de transfert. Selon un mode de réalisation, une zone fortement dopée du second type de conductivité est formée en surface de la zone de lecture, ladite zone formant le drain d'un transistor dont la colonne en constitue la grille. Selon un mode de réalisation, une zone fortement dopée du premier type de conductivité est formée en surface de la 30 photodiode. Selon un mode de réalisation, la tranchée et la colonne ont des profondeurs comprises entre 1 et 10 }gym, le matériau conducteur dans la tranchée et dans la colonne est du silicium polycristallin, et le matériau constituant les parois isolées de 35 la colonne et de la tranchée est choisi dans le groupe compre- B8719 - 07-GR3-364
4 nant l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium ou est formé d'un empilement multicouche de ces matériaux. Selon un mode de réalisation, le premier type de 5 conductivité est le type P et le second type de conductivité est le type N. Selon un mode de réalisation, au moins une deuxième colonne à parois isolées remplie d'un matériau conducteur est formée dans la zone d'interruption de la tranchée, le matériau 10 conducteur de la deuxième colonne étant connecté au matériau conducteur de la première colonne. Selon un mode de réalisation, au moins deux photo-diodes sont formées en regard d'une même zone de lecture. Un autre mode de réalisation de la présente invention 15 prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'image comprenant les étapes suivantes : former, dans un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductivité, une tranchée et une colonne, la tranchée entourant au moins une portion du substrat et étant interrompue, sur une partie de sa périphérie 20 et sur toute sa hauteur, la colonne étant située dans la région d'interruption de la tranchée ; former, sur le fond et les parois de la tranchée et de la colonne, une couche isolante ; remplir l'espace restant dans la tranchée et dans la colonne d'un matériau conducteur ; former, dans le substrat semiconducteur du 25 premier type de conductivité et en surface de celui-ci, une couche d'un second type de conductivité ; former, dans l'enceinte délimitée par la tranchée et la colonne, en surface de la couche du second type de conductivité, une zone fortement dopée du premier type de conductivité ; et former, à l'opposé de la zone 30 fortement dopée du premier type de conductivité par rapport à la colonne, en surface de la couche du second type de conductivité, une zone fortement dopée du second type de conductivité. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un capteur d'image compre- 35 nant les étapes suivantes : former un empilement semiconducteur B8719 - 07-GR3-364
d'un substrat d'un premier type de conductivité sur lequel s'étend une couche d'un second type de conductivité ; former, dans l'empilement, une tranchée et une colonne, la tranchée entourant au moins une portion de l'empilement et étant inter- 5 rompue, sur une partie de sa périphérie et sur toute sa hauteur, la colonne étant située dans la zone d'interruption de la tranchée ; former, sur le fond et les parois de la tranchée et de la colonne, une couche isolante ; remplir l'espace restant dans la tranchée et dans la colonne d'un matériau conducteur ; former, dans l'enceinte délimitée par la tranchée et la colonne, en surface de la couche du second type de conductivité, une zone fortement dopée du premier type de conductivité ; et former, à l'opposé de la zone fortement dopée du premier type de conductivité par rapport à la colonne, en surface de la couche du second type de conductivité, une zone fortement dopée du second type de conductivité. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé d'utilisation d'un capteur d'image tel que décrit ci-dessus, consistant à : connecter le premier moyen de connexion associé au matériau conducteur de la tranchée à une tension de polarisation de référence ; connecter le deuxième moyen de connexion associé au matériau conducteur de la colonne à une tension de polarisation de référence ; exposer le capteur d'image à une source de lumière que l'on veut détecter ; connecter le deuxième moyen de connexion associé au matériau conducteur de la colonne à une tension supérieure au potentiel électrostatique maximal des électrons capturés par la photodiode, et connecter la zone fortement dopée du second type de conductivité à un circuit de lecture et de traitement adapté.
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 : B8719 - 07-GR3-364
6 la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image classique ; les figures 2 et 3 sont, respectivement, des vues en perspective et de dessus d'une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image selon un mode de réalisation ; les figures 4A et 4B sont des vues en coupe du dispositif des figures 2 et 3 selon les lignes de coupe, respective-10 ment, A-A et B-B de la figure 3 ; la figure 4C est une vue en coupe du dispositif des figures 2 et 3 selon la ligne de coupe C-C de la figure 3, lorsque la grille du transistor de transfert est polarisée à une tension de référence ; 15 la figure 4D est une courbe du potentiel électrostatique le long de la ligne D-D de la figure 4C ; la figure 5C est une vue en coupe du dispositif des figures 2 et 3 selon la ligne de coupe C-C de la figure 3, lorsque la grille du transistor de transfert est polarisée de 20 façon à créer un canal de transfert ; la figure 5D est une courbe du potentiel électrostatique le long de la ligne D-D de la figure 5C ; et la figure 6 illustre, en vue de dessus, une variante de réalisation dans laquelle plusieurs photodiodes sont associées 25 à un même noeud de lecture. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. De plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. 30 Description détaillée La figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image classique. Sur un substrat semiconducteur 1 faiblement dopé de 35 type P est formée une structure de grille isolée 3. De part et B8719 - 07-GR3-364
7 d'autre de la grille 3, en surface du substrat 1, se trouvent des régions de drain 5 et de source 7 de type N. La région de drain 5, à droite de la grille 3, est fortement dopée de type N (N+). La région de source 7 est réalisée sur une surface plus importante que la région de drain 5. La région de source 7 forme, avec le substrat 1, la jonction d'une photodiode D. La grille 3 et le drain 5 sont liés à des métallisations (non représentées) qui permettent de mettre en contact ces régions respectivement avec un signal de commande de transfert (TG) et avec un circuit de lecture et de traitement (noeud de lecture SN). La photodiode D comporte, en surface de la région de source 7, une région 9 peu profonde fortement dopée de type P (P+) . La photodiode D est appelée photodiode déplétée ou pincée (en anglais pinned photodiode) dans la mesure où le potentiel de la région 7 est, en l'absence d'éclairement et après transfert de charges, uniquement fixé par les concentrations de dopants des régions 1, 7 et 9. La structure est complétée par une tranchée isolante 11 formée autour de la photodiode et de la grille isolée qui permet d'éviter, en partie, que des électrons destinés à une photodiode ne soient capturés par une photodiode voisine. A titre d'exemple, la tranchée 11 peut être une tranchée STI, de l'anglais Shallow Trench Isolation, remplie d'oxyde. Habituel- lement, la tranchée 11 a une profondeur comprise entre 0,3 et 0,7 pm. De ce fait, cette tranchée limite mais n'annule pas complè- tement la diaphotie puisque des paires électrons/trous peuvent être photogénérées jusqu'à une profondeur de 3 à 10 }gym dans le substrat (en fonction de la longueur d'onde du faisceau inci- dent). Des électrons peuvent donc passer sous la tranchée 11 de la zone N d'une photodiode à la zone N d'une photodiode voisine. Lorsque le circuit est éclairé, des photons pénètrent dans le substrat et y forment des paires électrons/trous. Les électrons sont ensuite attirés dans la région d'accumulation 7. Lorsque l'on souhaite transférer des électrons stockés dans la région 7, une tension adaptée est appliquée sur la grille de B8719 - 07-GR3-364
8 transfert 3 pour former un canal dans le substrat 1. Les électrons sont ainsi amenés vers le noeud de lecture 5 du transistor de transfert puis vers le circuit de lecture et de traitement (non représenté).
On notera que l'on veille à conserver une distance (espace 13) entre la région de source 7 dopée de type N et la tranchée d'isolement 11. En effet, lorsqu'une zone isolante est située près d'une zone faiblement dopée, il se crée, à l'inter-face entre le matériau isolant et le matériau semiconducteur, des porteurs parasites. L'espace 13 permet de limiter la création de ces porteurs. Cependant, cet espace non utilisé en sur-face du substrat ne permet pas d'optimiser la taille du dispositif. Comme cela a été décrit précédemment, on cherche à réduire la taille des pixels. Pour cela, on pourrait diminuer la taille de la photodiode D en surface sur le substrat 1 et augmenter l'épaisseur de la région d'accumulation 7 pour conserver un volume d'accumulation d'électrons constant. Cependant, l'espace 13 entre la région d'accumulation d'électrons 7 et la tranchée d'isolement 11 ne peut être réduit sous peine d'augmenter le courant d'obscurité. De plus, on veille généralement à réaliser les régions de type N de source 7 et de drain 5 du transistor de transfert 3 dans le substrat 1 dopé de type P pour assurer l'isolement entre ces régions de source 7 et de drain 5. Cepen- dant, ceci ne permet pas le transfert complet des charges si la région d'accumulation 7 est profonde. L'augmentation de l'épaisseur de la région 7 pourrait s'accompagner d'une diminution de son dopage mais, dans ce cas, la charge maximum stockable dans la photodiode serait diminuée.
On pourrait penser à diminuer la taille de la photo-diode D tout en conservant une profondeur égale et à augmenter le dopage de la région N, mais il serait alors nécessaire d'appliquer une tension de transfert importante sur la grille du transistor pour permettre le transfert des électrons.
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9 Un mode de réalisation de la présente invention propose une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image ayant des dimensions réduites. De plus, un mode de réalisation de la présente invention propose une photodiode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image à faible diaphotie, à faible courant d'obscurité et permettant un transfert efficace des électrons entre la région d'accumulation de la photodiode et le noeud de lecture d'un transistor de transfert.
La figure 2 est une vue en perspective d'une photo-diode associée à un système de transfert de charges d'un capteur d'image selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 illustre ce même dispositif en vue de dessus, et les figures 4A et 4B en vues de côté selon, respectivement, les lignes de coupe A-A et B-B de la figure 3. Le dispositif des figures 2, 3, 4A et 4B est constitué d'une photodiode, d'une électrode de transfert et d'un noeud de lecture couplé à la photodiode par l'électrode de transfert. Le noeud de lecture est connecté à un circuit de lecture et de traitement (non représenté). Pour des raisons de clarté, la région du noeud de lecture n'est pas représentée en figure 2. De même, une partie de l'isolement du dispositif est uniquement représentée dans la vue de dessus (figure 3). La photodiode, l'électrode de transfert de charges et le noeud de lecture sont formés dans une couche semiconductrice 25 de type N qui s'étend sur un substrat semiconducteur 27 de type P. A titre d'exemple, la couche 25 peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 10 }gym et être formée par implan- tation ionique et diffusion de dopants de type N dans le substrat 27. La couche 25 peut également être formée par épi- taxie sur le substrat 27. La couche 25 peut être dopée à une concentration de dopants comprise entre 5.1015 at./cm3 et 1017 at./cm3 et le substrat 27, ou une couche supérieure à celui- ci, peut être dopé à une concentration de dopants comprise entre B8719 - 07-GR3-364
10 1014 et 1019 at./cm3. De façon classique, le substrat 27 est polarisé à une tension de référence et il pourra être formé sur un support quelconque. La photodiode est délimitée par une enceinte compre- nant une tranchée 31 et une colonne 33. La tranchée 31 entoure pratiquement toute la zone photosensible et est interrompue, sur toute sa hauteur, sur une partie de la périphérie de la zone photosensible. La colonne 33 est située, en alignement avec la tranchée 31, dans la zone d'interruption de celle-ci. La tranchée 31 et la colonne 33 sont remplies de matériau conducteur, respectivement 35 et 37. Une fine couche de matériau diélectrique 39 est formée entre l'empilement 25/27 et le matériau conducteur 35, sur les parois de la tranchée 31, et une fine couche de matériau diélectrique 41 est formée entre l'empilement 25/27 et le matériau conducteur 37, sur les parois de la colonne 33. A titre d'exemple, le matériau conducteur 35, 37 peut être du silicium polycristallin fortement dopé (par exemple à une concentration de dopants supérieure à 1019 at./cm3) et les fines couches diélectriques 39 et 41 pourront être en oxyde de silicium, en nitrure de silicium, en oxynitrure de silicium ou être formées d'un empilement multicouche oxyde de silicium - nitrure de silicium - oxynitrure de silicium, et avoir une épaisseur comprise entre 5 et 15 nm, par exemple d'environ 7 nm. Une zone 29 fortement dopée de type P est formée en surface de la couche 25, à l'intérieur de l'enceinte formée par la tranchée 31 et la colonne 33. A titre d'exemple, la zone 29 peut être dopée à une concentration de dopants supérieure à 1018 at./cm3 et être formée par une implantation/diffusion. La zone 29 fortement dopée de type P permet d'éviter que des charges générées thermiquement en surface du dispositif atteignent la couche N de la photodiode. Comme on le voit dans la vue de dessus de la figure 3, une zone 43 fortement dopée de type N (N+) est formée en surface de la couche 25, à l'extérieur de l'enceinte formée par la tranchée 31 et la colonne 33 et à l'opposé de la zone 29 par B8719 - 07-GR3-364
11 rapport à la colonne 33. A titre d'exemple, la zone 43 peut avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 }gym et être formée par implantation/diffusion. Selon un mode de réalisation, et comme on le voit mieux en figure 3, la tranchée 31 peut comprendre une portion supplémentaire 45 entourant la zone 43 fortement dopée de type N. Cette portion 45 a une structure identique à celle de la tranchée 31, c'est-à-dire qu'elle est remplie d'un matériau conducteur isolé de la couche 25. Elle permet d'assurer l'isole- ment complet du dispositif. Ainsi, on peut former, en surface d'un substrat, de nombreuses structures telles que celle décrite ici les unes à côté des autres en limitant les interférences entre chacune de ces structures. On notera que la portion d'isolement 45 est illustrée de façon partielle en figure 2 par souci de simplicité. La photodiode selon un mode de réalisation de la présente invention est donc une photodiode dite "pincée" formée de la zone 29, d'une portion de la couche 25 et du substrat 27, dont les conditions aux limites sont fixées par l'enceinte d'isolement 31/33. Le transistor de transfert de charges est constitué de la colonne 33, le matériau conducteur 37 formant la grille du transistor et le matériau diélectrique 41 formant l'isolant de grille, de la zone 43 fortement dopée de type N qui en forme la région de drain, ou noeud de lecture, et de la couche 25 située dans l'enceinte et délimitée par la tranchée 31 qui en forme la région de source, le tout étant réalisé dans la couche 25 de type N. Dans des photodiodes classiques telles que celle de la figure 1, la couche 7 de type N est très mince et les paires électrons/trous photogénérées sont principalement formées dans le support 1 de type P, sous la couche 7. Dans le cas de la photodiode des figures 2 et 3, la couche 25 de type N est relativement épaisse et les paires électrons/trous sont principalement formées directement dans cette couche de type N.
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12 La surface supérieure du matériau conducteur de la tranchée 31/45 est reliée à une métallisation (non représentée) qui permet de mettre ce matériau en contact avec un signal de polarisation (Vp). De la même façon, la surface supérieure du matériau conducteur de la colonne 33 est reliée à une métallisation (non représentée) qui permet de mettre ce matériau en contact avec un signal de commande de transfert (TG) et la surface supérieure du matériau conducteur de la zone 43 est reliée à une métallisation (non représentée) qui permet de mettre ce matériau en contact avec un circuit de lecture et de traitement (noeud de lecture SN). A titre d'exemple de valeurs numériques, la tranchée 31/45 et la colonne 33 pourront avoir une profondeur comprise entre 1 à 10 }gym, de préférence de 2 à 3 }gym. A titre d'exemple, la tranchée 31/45 et la colonne 33 peuvent pénétrer de 0 à 2 }gym dans le substrat 27. La tranchée et la colonne peuvent également ne pas pénétrer dans le substrat 27. Dans ce dernier cas, on veillera à ce que les puits de potentiel électrostatiques des photodiodes restent isolés, c'est-à-dire que la distance entre le fond de la tranchée et l'interface entre la couche 25 et le substrat 27 soit inférieure à la zone de transition de la jonction PN 27/25, par exemple inférieure à 0,5 }gym. La tranchée 31/45 et la colonne 33 pourront avoir une largeur d'environ 0,2 }gym et être séparées, au niveau de la zone d'interruption de la tranchée 31, d'une distance environ égale à 0,2 }gym. La zone 29 fortement dopée de type P pourra avoir des dimensions environ égales à 1 x 1 }gym. La tranchée 31/45 et la colonne 33 peuvent être formées par toute technique de formation de tranchées pro-fondes connue (tranchées DTI, de l'anglais Deep Trench Isolation). Les figures 4C et 4D illustrent le fonctionnement de la photodiode associée à un système de transfert de charges des figures 2, 3, 4A et 4B en mode d'accumulation de charges. La figure 4C est une vue en coupe de ce dispositif selon la ligne de coupe C-C de la figure 3, la région d'isolement 45 n'étant B8719 - 07-GR3-364
13 pas représentée. La figure 4D représente une courbe 47 du potentiel U0 correspondant selon une ligne D-D définie en figure 4C. En phase d'accumulation de charges, les signaux de polarisation Vp et de commande de transfert TG sont fixés à un potentiel de référence. A titre d'exemple, ce potentiel pourra être celui de la masse, ou être un potentiel négatif (par exemple égal à -1 V). Une telle polarisation des matériaux conducteurs 35 et 37 permet d'obtenir une accumulation de trous (t+) le long des parois de la tranchée 31/45 et de la colonne 33. Ceci fixe la zone 29 à un potentiel de référence. Ainsi, puisque le substrat 27 est également polarisé à une tension de référence, la portion de la couche 25 située dans l'enceinte (tranchée 31 et colonne 33) est entourée de régions dont le potentiel est fixé à une référence. On forme ainsi un puits de potentiel dans cette portion de la couche 25. Lorsque la photodiode est éclairée, des paires électrons/trous sont photogénérées dans la couche 25. Puisqu'il existe un puits de potentiel électrostatique délimité par la tranchée 31 et par la colonne 33, les électrons ont tendance à se rassembler à l'intérieur de la région 25 de la photodiode, comme cela est représenté en pointillés en figure 4C (e-). La courbe 47 de la figure 4D illustre le potentiel électrostatique U0 le long d'une ligne D-D illustrée en figure 4C, au centre de la région d'accumulation de trous (par exemple à 1 }gym de la surface de la couche 25). Dans cette courbe, on voit que le potentiel électrostatique dans la région 25 de la photodiode atteint une valeur maximale Vmax au centre de la région 25 située dans l'enceinte. A titre d'exemple de valeurs numériques, avec les dimensions et les dopages donnés précédemment, le potentiel Vmax pourra être d'environ 1 V. Les figures 5C et 5D illustrent le fonctionnement de la photodiode associée à son système de transfert de charges des figures 2, 3, 4A et 4B en phase de transfert des charges accumu- B8719 - 07-GR3-364
14 lées dans la photodiode. La figure 5C est une vue en coupe de ce dispositif selon la ligne de coupe C-C de la figure 3 et la figure 5D est une courbe 49 du potentiel U0 correspondant selon la ligne D-D (par exemple à 1 }gym de la surface de la photo- diode). En phase de transfert, le signal de polarisation Vp est fixé à un potentiel de référence et le signal de commande de transfert TG est fixé à une tension supérieure au potentiel maximal Vmax dans la photodiode en phase d'accumulation. Ainsi, le matériau conducteur 35 de la tranchée 31/45 est fixé à un potentiel de référence, ce qui conserve l'accumulation de trous (t+) le long de la paroi de la tranchée 31/45 et ainsi l'isole-ment de la photodiode par rapport aux photodiodes voisines. En polarisant le matériau conducteur de la colonne 33 à la tension V1, il se crée un canal dans la couche 25 autour de la colonne 33. A titre d'exemple, si Vmax = 1, on peut avoir V1 compris entre 2 et 3V, par exemple égal à 2,5 V. Le canal permet de transférer les électrons stockés dans la couche 25 vers le noeud de lecture 43, comme cela est représenté en figure 5C par des pointillés. La courbe 49 de la figure 5D illustre le potentiel électrostatique U0 le long de la ligne D-D des figures 4C et 5C. Les électrons étant attirés par le potentiel le plus élevé, on voit bien, dans cette courbe, que les électrons sont transférés vers le noeud de lecture 43. Ainsi, pendant la phase d'accumulation de charges, la colonne 33 permet l'isolement de la photodiode, en association avec la tranchée 31/45. Pendant la phase de transfert, la colonne 33 devient la grille du transistor de transfert et per- met le déplacement des électrons stockés dans la photodiode vers un circuit de lecture et de traitement. A titre de comparaison, une photodiode telle que celle décrite en relation avec la figure 1 dont la région 7 de type N a une épaisseur de 0,2 }gym peut accumuler environ 5000 électrons par micromètre carré de surface. Une photodiode selon un mode de B8719 - 07-GR3-364
15 réalisation permet d'accumuler entre 15000 et 20000 électrons par micromètre carré de surface. Ainsi, on peut imaginer des photodiodes de dimensions très faibles ayant une capacité d'accumulation d'électrons importante. On notera que le dispositif selon un mode de réalisation ne comprend pas de zone passive telle que la région 13 du dispositif de la figure 1 ; l'accumulation d'électrons se fait sur toute la surface de la photodiode. De plus, l'utilisation d'une tranchée 31/45 et d'une colonne 33 (en phase d'accumulation) ayant des profondeurs importantes, supérieures à 1 pm, permet de limiter fortement la diaphotie. L'utilisation de la colonne verticale 33 comme grille du transistor de transfert permet avantageusement le transfert de tous les électrons formés en profondeur dans la région 25 de la photodiode. Ainsi, on évite que des électrons restent dans la photodiode après une phase de lecture. De plus, la polarisation de la tranchée 31 à un potentiel de référence, et également de la colonne 33 lors de la phase d'accumulation, qui forme une accumulation de trous en périphérie de la photodiode, permet d'éliminer les courants d'obscurité qui sont habituellement formés à l'interface avec les zones d'isolement. La structure selon un mode de réalisation permet donc de réduire notablement les phénomènes physiques parasites qui apparaissent habituel- lement dans des dispositifs classiques. La figure 6 illustre, en vue de dessus, une variante de réalisation actuellement préférée dans laquelle un noeud de lecture est commun à plusieurs systèmes de transfert de charges, chaque système de transfert étant associé à une photodiode.
En figure 6, quatre photodiodes Dl, D2, D3 et D4 sont représentées. Chaque photodiode a une structure identique à la photodiode des figures 2 et 3, c'est-à-dire qu'elle est formée dans un empilement semiconducteur comprenant une couche de type N formée sur un support de type P (empilement 25/27). Chaque B8719 - 07-GR3-364
16 photodiode comprend également une fine couche 29 fortement dopée de type P en surface de la couche 25. La photodiode Dl est entourée d'une tranchée 31 identique à celle représentée en figures 2 et 3, c'est-à-dire une tranchée remplie d'un matériau conducteur 35 séparé de l'empilement semiconducteur 25/27 par une fine couche isolante 39 et polarisé à une tension de référence. La tranchée 31 est interrompue, sur toute sa hauteur, sur une portion de sa périphérie. Dans cette interruption est formée une colonne 33 identique à celle décrite précédemment (remplie de matériau conducteur 37 et isolé du matériau semiconducteur 25/27 par une fine couche isolante 41). Le matériau conducteur 37 est connecté à un moyen de connexion permettant de fixer son potentiel à une tension de référence ou à une tension permettant le transfert d'électrons. A l'opposé de la photodiode Dl, par rapport à la colonne 33, se trouve un noeud de lecture 43 fortement dopé de type N en surface de la couche 25. La photodiode D2 a une structure identique à celle de la photodiode Dl et est placée en symétrique de la photodiode Dl par rapport au noeud de lecture 43. Ainsi, le noeud de lecture 43 est commun aux photodiodes Dl et D2. Une portion de tranchée 45 relie les tranchées 31 des photodiodes Dl et D2. En fonctionnement, on polarisera alternativement les colonnes 31 des photo-diodes Dl et D2 de façon à transférer les électrons stockés dans l'une ou l'autre de ces photodiodes. Les photodiodes D3 et D4 sont positionnées l'une par rapport à l'autre de la même façon que les photodiodes Dl et D2, et elles sont formées à côté des photodiodes Dl et D2. Leur noeud de lecture est également partagé.
Les noeuds de lecture communs des photodiodes Dl/D2 et D3/D4 pourront également être connectés entre eux, soit en formant un contact entre ces deux régions, soit en éliminant la portion de tranchée 45 séparant les photodiodes Dl/D2 et D3/D4 au niveau des zones 43.
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17 Ainsi, on peut regrouper deux ou quatre photodiodes autour d'un même noeud de lecture. Les électrons accumulés dans chaque photodiode seront transférés vers le noeud de lecture alternativement, en polarisant de façon adaptée les grilles associées. On pourra également prévoir de former moins ou plus de quatre photodiodes autour d'un même noeud de lecture. Cette structure permet également de former un unique circuit de lecture et de traitement pour plusieurs photodiodes. On obtient ainsi des pixels très petits.
Un autre avantage d'un dispositif selon un mode de réalisation (dispositif des figures 2 et 3 ou de la figure 6) réside dans sa simplicité de fabrication. En effet, puisque la ou les tranchées 31/45 et la ou les colonnes 33 ont des dimensions similaires et sont remplies de matériaux identiques, ces régions peuvent être formées simultanément. Ainsi, pour obtenir un dispositif selon un mode de réalisation, on peut réaliser les étapes suivantes : - former la ou les tranchées 31/45 et la ou les colonnes 33 dans le substrat 27 dopé de type P, en une seule 20 étape ; - former, dans la ou les tranchées 31/45 et dans la ou les colonnes 33, des fines couches isolantes 39 et 41 puis du silicium polycristallin 35 et 37 ; - former la couche 25 de type N faiblement dopée sur 25 le substrat 27 dopé de type P, par exemple par implantation et diffusion de dopants ; - former les zones 29 et 43 fortement dopées en surface de la couche 25, par exemple par implantations/diffusions ; et - former des métallisations sur les portions de 30 silicium polycristallin 35 et 37 et sur le ou les noeuds de lecture 43. On pourra également former la couche 25 par épitaxie sur le substrat 27, avant de former les tranchées 31/45 et les colonnes 33.
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18 On notera que, dans ce texte, toutes les valeurs numériques de dimensions et de dopages sont données uniquement à titre d'exemples non limitatifs. On notera également que les types de conductivité N et P pourront être inversés, la couche 25 et le noeud de lecture 43 étant alors de type P et le substrat 27 étant alors de type N. 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 pourra prévoir de former deux colonnes, ou plus, telles que la colonne 33 dans la zone d'interruption de la tranchée 31. Ces colonnes seront connectées entre elles pour former la grille du transistor de transfert lors de la lecture et pour aider à l'isolement pendant la phase d'accumulation. Une telle structure a l'avantage de permettre le transfert des électrons contenus dans la photodiode vers le noeud de lecture en appliquant une tension de transfert réduite. De plus, on a décrit ici des dispositifs de capture d'image dans lesquels la photodiode est une photodiode pincée.
On comprendra que tout type de photodiode connue pourra être formée dans l'enceinte délimitée par la tranchée 31 et la colonne 33. Par exemple, on pourra considérer une photodiode exempte de la zone 29 fortement dopée de type P.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Capteur d'image formé dans un empilement semi-conducteur d'une région inférieure d'un premier type de conductivité (27) et d'une région supérieure d'un second type de conductivité (25), comprenant : une photodiode constituée d'une première portion dudit empilement ; une zone de lecture constituée d'une deuxième portion dudit empilement ; une tranchée à parois isolées (31, 45) remplie d'un matériau conducteur (35), la tranchée entourant la photodiode et la zone de lecture et étant interrompue, sur toute sa hauteur, sur une partie en regard de la photodiode et de la zone de lecture ; et un premier moyen de connexion associé au matériau 15 conducteur de la tranchée et adapté à être connecté à une tension de polarisation de référence.
- 2. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel une colonne (33) à parois isolées remplie d'un matériau conducteur (37) est formée dans la zone d'interruption de la 20 tranchée (31, 45), le matériau conducteur de la colonne étant associé à un deuxième moyen de connexion adapté à être connecté à une tension de polarisation de référence ou à une tension de transfert.
- 3. Capteur d'image selon la revendication 2, dans 25 lequel une zone fortement dopée du second type de conductivité (43) est formée en surface de la zone de lecture, ladite zone formant le drain d'un transistor dont la colonne en constitue la grille.
- 4. Capteur d'image selon l'une quelconque des reven- 30 dications 1 à 3, dans lequel une zone fortement dopée du premier type de conductivité (29) est formée en surface de la photo-diode.
- 5. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la tranchée (31, 45) et la colonneB8719 - 07-GR3-364 20 (33) ont des profondeurs comprises entre 1 et 10 }gym et dans lequel le matériau conducteur (35, 37) dans la tranchée et dans la colonne est du silicium polycristallin, et le matériau constituant les parois isolées (39, 41) de la colonne et de la tranchée est choisi dans le groupe comprenant l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium ou est formé d'un empilement multicouche de ces matériaux.
- 6. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier type de conductivité est le type P et le second type de conductivité est le type N.
- 7. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant au moins une deuxième colonne à parois isolées remplie d'un matériau conducteur (37) dans la zone d'interruption de la tranchée (31, 45), le matériau conducteur de la deuxième colonne étant connecté au matériau conducteur de la première colonne.
- 8. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, comprenant au moins deux photodiodes (Dl, D2, D3, D4) en regard d'une même zone de lecture.
- 9. Procédé de fabrication d'un capteur d'image comprenant les étapes suivantes : former, dans un substrat semiconducteur (27) d'un premier type de conductivité, une tranchée (31, 45) et une colonne (33), la tranchée entourant au moins une portion du substrat et étant interrompue, sur une partie de sa périphérie et sur toute sa hauteur, la colonne (33) étant située dans la région d'interruption de la tranchée ; former, sur le fond et les parois de la tranchée et de la colonne, une couche isolante (39, 41) ; remplir l'espace restant dans la tranchée et dans la colonne d'un matériau conducteur (35, 37) ; former, dans le substrat semiconducteur (27) du premier type de conductivité et en surface de celui-ci, une couche (25) d'un second type de conductivité ;B8719 - 07-GR3-364 21 former, dans l'enceinte délimitée par la tranchée (31, 45) et la colonne (33), en surface de la couche du second type de conductivité (25), une zone (29) fortement dopée du premier type de conductivité ; et former, à l'opposé de la zone fortement dopée du premier type de conductivité par rapport à la colonne (33), en surface de la couche du second type de conductivité (25), une zone (43) fortement dopée du second type de conductivité.
- 10. Procédé de fabrication d'un capteur d'image compre- nant les étapes suivantes : former un empilement semiconducteur d'un substrat d'un premier type de conductivité (27) sur lequel s'étend une couche d'un second type de conductivité (25) ; former, dans l'empilement, une tranchée (31, 45) et 15 une colonne (33), la tranchée entourant au moins une portion de l'empilement et étant interrompue, sur une partie de sa péri- phérie et sur toute sa hauteur, la colonne (33) étant située dans la zone d'interruption de la tranchée ; former, sur le fond et les parois de la tranchée et de 20 la colonne, une couche isolante (39, 41) ; remplir l'espace restant dans la tranchée et dans la colonne d'un matériau conducteur (35, 37) ; former, dans l'enceinte délimitée par la tranchée et la colonne, en surface de la couche du second type de conduc-25 tivité, une zone fortement dopée du premier type de conductivité (29) ; et former, à l'opposé de la zone fortement dopée du pre- mier type de conductivité par rapport à la colonne (33), en surface de la couche du second type de conductivité (25), une 30 zone (43) fortement dopée du second type de conductivité.
- 11. Procédé d'utilisation d'un capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, consistant à : connecter le premier moyen de connexion associé au matériau conducteur (35) de la tranchée (31, 45) à une tension 35 de polarisation de référence ;B8719 - 07-GR3-364 22 connecter le deuxième moyen de connexion associé au matériau conducteur (37) de la colonne (33) à une tension de polarisation de référence ; exposer le capteur d'image à une source de lumière que 5 l'on veut détecter ; et connecter le deuxième moyen de connexion associé au matériau conducteur de la colonne à une tension (V1) supérieure au potentiel électrostatique maximal (Vmax) des électrons capturés par la photodiode, et connecter la zone fortement dopée du 10 second type de conductivité (43) à un circuit de lecture et de traitement adapté.
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