FR3043250A1 - Capteur d'image - Google Patents

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FR3043250A1
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Francois Roy
Philippe Are
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STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Abstract

L'invention concerne un capteur d'image comprenant un circuit de commande et une pluralité de pixels (300), chaque pixel comportant : une zone photosensible (PD), une zone de stockage (SD) sensiblement rectangulaire adjacente à la zone photosensible, et une zone de lecture (315) ; des première et deuxièmes électrodes (309, 311) verticales isolées connectées électriquement l'une avec l'autre, en vis-à-vis l'une de l'autre, et délimitant la zone de stockage, la première électrode s'étendant entre la zone de stockage et la zone photosensible, la deuxième électrode comprenant un prolongement coudé (311B) en regard d'une première extrémité de la première électrode, la zone de stockage débouchant sur la zone photosensible du côté de la première extrémité, le circuit de commande étant adapté à appliquer un premier potentiel aux première et deuxième électrodes pour effectuer un transfert de charges, et un deuxième potentiel pour bloquer ledit transfert.

Description

CAPTEUR D’IMAGE
Domaine
La présente demande concerne un capteur d'image comprenant une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur. On s'intéresse ici plus particulièrement à un capteur adapté à un mode de commande dit à obturation globale ("global shutter" en anglais).
Exposé de l'art antérieur
Dans un capteur d'image adapté à une commande à obturation globale, chaque pixel comprend une zone photosensible, une zone de lecture et une zone de stockage. Les charges photogénérées accumulées pendant une phase d'intégration dans les zones photosensibles de tous les pixels du capteur sont transférées simultanément dans les zones de stockage correspondantes et une image complète est alors mémorisée dans l'ensemble des zones de stockage du capteur. L'image mémorisée peut ensuite être lue, ligne par ligne, pendant la phase d'intégration suivante. Des structures de pixel compatibles avec une commande à obturation globale dans lesquelles des électrodes verticales isolées permettent de transférer des charges de la zone photosensible vers la zone de stockage, et de la zone de stockage vers la zone de lecture, ont déjà été proposées par la demanderesse, notamment dans le brevet ER13/50008 (B12170).
Les figures IA à IG sont des reproductions des figures 3A à 3G du brevet FR13/50008 illustrant un exemple d'un pixel 200 réalisé dans et sur un substrat semiconducteur en silicium 201. La figure IA représente ce pixel vu de dessus. Les figures IB à IG sont des vues en coupe respectivement selon les plans B-B, C-C, D-D, E-E, F-F et G-G de la figure IA.
Le pixel 200 comprend une zone photosensible, une zone de stockage de charges et une zone de lecture connectée à un circuit de lecture et de traitement.
Le substrat 201 est faiblement dopé de type P (P-). La zone photosensible du pixel 200 comprend un caisson 205 dopé de type N, de niveau de dopage NI, formant avec le substrat 201 la jonction d'une photodiode, ou photosite, PD'. La zone de stockage du pixel comprend, juxtaposé au caisson 205, un caisson 207 dopé de type N, de niveau de dopage N2 supérieur à NI, fomant avec le substrat 201 la jonction d'une diode SD' . Les caissons 205 et 207 ont sensiblement la même profondeur et ont un côté commun. Une mince couche 213 fortement dopée de type P (P+) est formée en surface des caissons 205 et 207 de sorte que le photosite PD' et la diode SD' sont de type pincé. La zone de lecture du pixel 200 comprend, juxtaposée au caisson 207, du côté du caisson 207 opposé au caisson 205, une région 211 formée en surface du substrat 201 et plus fortement dopée de type N (N+) que les caissons 205 et 207.
Une électrode verticale isolée 203 s'étend dans le substrat jusqu'à une profondeur supérieure à celle des caissons 205 et 207, entre les caissons 205 et 207, au niveau de leur côté commun. L'électrode 203 isole le caisson 205 du caisson 207, sauf en une zone de transfert de charges 204 dans laquelle l'électrode 203 comprend une ouverture s'étendant sur toute sa hauteur et reliant le caisson 205 au caisson 207. L'électrode 203 a, vu de dessus, la fome d'un U délimitant l'essentiel de trois côtés du caisson 207, la barre horizontale du U étant située au niveau du côté commun aux caissons 205 et 207.
Une autre électrode verticale isolée 209 s'étend dans le substrat entre le caisson 207 et la région de lecture 211, au niveau de leur côté commun, jusqu'à une profondeur supérieure à celle du caisson 207. L'électrode 209 isole le caisson 207 de la région 211, sauf au niveau d'une zone de transfert de charges 206 dans laquelle l'électrode 209 comprend une ouverture s'étendant sur toute sa hauteur et reliant le caisson 207 à la région 211. L'électrode 209 a la fome d'un pan vertical délimitant l'essentiel du côté du caisson 207 juxtaposé à la région 211 (c'est-à-dire le côté du caisson 207 opposé à la zone de transfert 204).
Une autre électrode verticale isolée 202 s'étendant jusqu'à une profondeur au moins égale à celle du caisson 205 délimite latéralement l'essentiel des trois côtés du caisson 205 non délimités par l'électrode 203.
Les électrodes 202, 203 et 209 et la région 211 sont reliées par des métallisations (non représentées), respectivement à un noeud Vp, à des noeuds TGI et TG2, et à un noeud SN relié ou couplé à un circuit de lecture. Le circuit de lecture (figure IA) comprend un transistor 213 reliant le noeud SN à un rail d'alimentation haute V^p du capteur, un transistor 215 monté en source suiveuse, dont la grille est reliée au noeud SN et dont le drain est relié au rail Vpp, et un transistor 217 reliant la source du transistor 215 à une ligne de lecture 219 d'un réseau matriciel comportant le pixel 200. La grille du transistor 213 est reliée à un noeud RST d'application d'un signal de réinitialisation de la région 211, et la grille du transistor 217 est reliée à un noeud RS d'application d'un signal de sélection du pixel 200. Les transistors 213, 215 et 217 sont formés dans un caisson 220 dopé de type P (PW) , délimité latéralement par une région d'isolement 221.
En phase d'accumulation de charges ou d'intégration, les noeuds Vp et TGI sont à un même potentiel bas de l'ordre de -1 V. Une telle polarisation des électrodes 202 et 203 entraîne une accumulation de trous le long des parois des tranchées verticales délimitant la zone photosensible. Des trous s'accumulent également dans la zone de transfert 204, bloquant les échanges d'électrons entre les caissons 205 et 207. Le substrat 201 étant polarisé au potentiel de la masse, il se forme un puits de potentiel dans le caisson 205, qui, en l'absence d'éclairement, dépend des niveaux de dopage et des potentiels de polarisation des électrodes et du substrat. Lorsque la photodiode PD' est éclairée, des paires électron/trou sont photogénérées dans la photodiode, et les électrons photogénérés sont attirés et piégés dans le caisson 205.
En phase de transfert des électrons photogénérés accumulés dans le caisson 205 vers la zone de stockage, le noeud TGI est mis à une tension haute telle que le potentiel de déplétion de la zone de transfert 204 a une valeur supérieure au potentiel maximal du puits de potentiel dans la photodiode PD' pour transférer les électrons contenus dans le caisson 205 vers le caisson 207, via la zone de transfert 204. Le noeud Vp est maintenu au potentiel bas. Le noeud TG2 est également à potentiel bas ce qui entraîne l'accumulation de trous dans la zone de transfert 206, bloquant les échanges d'électrons entre le caisson 207 et la région 211. Une fois le transfert effectué, le noeud TGI est de nouveau mis au potentiel bas, de façon à maintenir les électrons transférés confinés dans le caisson 207. A ce stade, une nouvelle phase d'intégration peut commencer.
En phase de lecture, les charges contenues dans le caisson 207 sont transférées vers la zone de lecture 211, via la zone de transfert 206. Pour cela, le noeud TG2 est mis à une tension haute telle que le potentiel de déplétion dans la zone de transfert 206 a une valeur supérieure au potentiel maximal du puits de potentiel dans la diode SD' . Les noeuds Vp et TGI sont maintenus au potentiel bas. Une fois le transfert effectué, le noeud TG2 est à nouveau mis au potentiel bas.
Un pixel du type de celui des figures IA à IG souffre de divers inconvénients, notamment en ce qui concerne le transfert des charges de la zone photosensible vers la zone de stockage.
Il serait donc souhaitable de disposer d'une structure de pixel compatible avec une commande à obturation globale qui pallie au moins certains des inconvénients des structures existantes. Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un capteur d'image disposé dans et sur un substrat semiconducteur, comprenant un circuit de commande et une pluralité de pixels, chaque pixel comportant : une zone photosensible, une zone de stockage allongée au moins cinq fois plus longue que large et adjacente à la zone photosensible, et une zone de lecture séparée de la zone de stockage par une portion du substrat ; une première électrode et une deuxième électrode verticales isolées connectées électriquement l'une avec l'autre, s'étendant dans le substrat en vis-à-vis l'une de l'autre, et délimitant latéralement la zone de stockage, la première électrode s'étendant entre la zone de stockage et la zone photosensible, la deuxième électrode comprenant un prolongement coudé en regard d'une première extrémité de la première électrode, la zone de stockage débouchant sur la zone photosensible du côté de la première extrémité et sur ladite portion du substrat du côté de la deuxième extrémité de la première électrode, le circuit de commande étant adapté à appliquer un premier potentiel aux première et deuxième électrodes pour effectuer un transfert des charges de la zone photosensible vers la zone de stockage, et un deuxième potentiel pour bloquer ledit transfert.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comprend, en outre, une troisième électrode verticale isolée s'étendant dans le substrat en regard de la première électrode, en-deçà de la première extrémité et au-delà de la deuxième extrémité, et délimitant partiellement la zone photosensible du côté de la zone de stockage.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande est adapté à appliquer le deuxième potentiel à la troisième électrode.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comprend, en outre, au moins une quatrième électrode verticale isolée s'étendant dans le substrat et entourant partiellement la zone photosensible.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande est adapté à appliquer le deuxième potentiel à ladite au moins une quatrième électrode.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comprend, en outre, une grille de commande isolée disposée sur et en contact avec ladite portion du substrat, la grille isolée s'étendant depuis la zone de lecture jusqu'à la zone de stockage.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande est adapté à appliquer un troisième potentiel à la grille de commande pour transférer des charges de la zone de stockage vers la zone de lecture.
Selon un mode de réalisation, le substrat est dopé d'un premier type de conductivité, la zone de lecture est dopée du deuxième type de conductivité, la zone photosensible comprend un premier caisson dopé du deuxième type de conductivité revêtu d'une couche dopée du premier type de conductivité, et la zone de stockage comprend un deuxième caisson dopé du deuxième type de conductivité et revêtu au moins partiellement de ladite couche dopée du premier type de conductivité.
Selon un mode de réalisation, le premier caisson se prolonge jusqu'au deuxième caisson.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du premier caisson est inférieure à 1 pm.
Selon un mode de réalisation, la largeur de la zone de stockage est comprise entre 0,1 et 1 pm.
Selon un mode de réalisation, la zone de stockage est trapézoïdale et est plus large du côté la deuxième extrémité de la première électrode que du côté de la première extrémité de la première électrode.
Selon un mode de réalisation, la zone de stockage est rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, la zone de stockage comprend au moins deux régions allongées au moins cinq fois plus longues que larges séparées les unes des autres par au moins une cinquième électrode verticale isolée s'étendant dans le substrat entre les première et deuxième électrodes et ayant des extrémités alignées avec les extrémités de la première électrode.
Selon un mode de réalisation, la largeur de chacune desdites au moins deux régions allongées de la zone de stockage est comprise entre 0,1 et 1 pm.
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 jointes parmi lesquelles : les figures IA à IG, décrites précédemment, illustrent schématiquement un exemple de pixel compatible avec une commande à obturation globale ; les figures 2A à 2E illustrent schématiquement un mode de réalisation d'un pixel compatible avec une commande à obturation globale ; les figures 3A et 3B illustrent l'allure du potentiel dans une zone de stockage respectivement du pixel des figures IA à IG et du pixel des figures 2A à 2E ; les figures 4A et 4B illustrent l'allure du potentiel dans une zone photosensible respectivement du pixel des figures IA à IG et du pixel des figures 2A à 2E ; et les figures 5A et 5B illustrent schématiquement une variante de réalisation du pixel des figures 2A à 2E.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.
Dans la description qui suit, les ternes "avant", "arrière", "gauche", "droite", "dessus", "supérieur", "inférieur", "horizontal", "vertical" se réfèrent à l'orientation des éléments concernés dans les figures correspondantes. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Les figures 2A à 2E illustrent un mode de réalisation d'un pixel 300. La figure 2A représente ce pixel vu de dessus. Les figures 2B à 2E sont des vues en coupe respectivement selon les plans B-B, C-C, D-D et E-E de la figure 2A.
Le pixel 300 est réalisé dans et sur un substrat semiconducteur 301, par exemple en silicium, le substrat étant faiblement dopé de type P (P-) dans cet exemple. Le pixel 300 comprend une zone photosensible, une zone de stockage de charges et une zone de lecture. Le pixel comprend, en outre, un circuit de lecture (non représenté) auquel est couplée ou reliée la zone de lecture.
La zone photosensible du pixel 300 comprend un caisson, ou couche, 303 dopé de type N de niveau de dopage N3, formant avec le substrat 301, la jonction d'une photodiode, ou photosite, PD. Le caisson 303 est revêtu, au niveau de la face supérieure du substrat, par une couche mince 305 fortement dopée de type P (P+) . Ainsi, la photodiode PD est une photodiode pincée verticalement. Le caisson 303 est plus mince que le caisson 205 du pixel 200. Dans cet exemple, le caisson 303 est approximativement parallélépipédique.
La zone de stockage du pixel 300 comprend un caisson 307 dopé de type N de niveau de dopage N4, formant avec le substrat 301 la jonction d'une diode SD. Dans cet exemple, le caisson 307 pénètre plus profondément dans le substrat 301 que le caisson 303. Au niveau de la face supérieure du substrat, le caisson 307 est revêtu par la couche mince 305 de type P+. Ainsi, la diode SD est une diode pincée verticalement. En vue de dessus, le caisson 307 a la forme d'un rectangle ayant une longueur au moins cinq fois supérieure à sa largeur. Les dimensions et les niveaux de dopage N3 et N4 des caissons 303 et 307 sont choisis pour que la capacité de stockage de la diode SD soit supérieure ou égale à celle de la photodiode PD. La zone de stockage est adjacente à la zone photosensible, plus particulièrement à un bord de la zone photosensible, et s'étend en longueur dans une direction parallèle à ce bord. Des électrodes verticales isolées 309 et 311 délimitent latéralement la zone de stockage, c'est-à-dire que la zone de stockage s'étend en largeur de l'électrode 309 à l'électrode 311. Les électrodes 309 et 311 s'étendent dans le substrat jusqu'à une même profondeur, de préférence jusqu'à une profondeur supérieure ou égale à celle du caisson 307. L'électrode 309 a la forme d'un pan vertical disposé entre la zone photosensible et la zone de stockage et délimite complètement un premier grand côté de la zone de stockage. L'électrode 311 comprend une portion 311A parallèle à l'électrode 309 et au moins partiellement en vis-à-vis de cette dernière de sorte que la portion 311A délimite complètement, du côté opposé à l'électrode 309, un deuxième grand côté de la zone de stockage. L'électrode 311 comprend, en outre, une portion ou prolongement 311B s'étendant jusqu'à la zone photosensible de manière à être en vis-à-vis d'une première extrémité de l'électrode 309 (à gauche sur la figure 2A) . L'extrémité de l'électrode 309 et la partie du prolongement 311B en vis-à-vis définissent une ouverture 313 entre la zone photosensible et la zone de stockage. Le caisson 303 de la zone photosensible se prolonge à travers l'ouverture 313 jusqu'au caisson 307 de la zone de stockage, le caisson 303 s'étendant de l'électrode 309 à l'électrode 311 au niveau de l'ouverture 313.
Dans ce mode de réalisation, les portions 311A et 311B de l'électrode 311 sont orthogonales et l'électrode 311 a, en vue de dessus, la forme d'un L. Le prolongement 311B s'étend au-delà de l'ouverture 313 et délimite partiellement un bord de la zone photosensible adjacent au bord de la zone photosensible le long duquel s'étend la zone de stockage. La zone de stockage a la même longueur que l'électrode 309 et a des petits côtés alignés avec les extrémités de l'électrode 309. Dans une variante de réalisation, la zone de stockage est moins longue que l'électrode 309, l'un et/ou l'autre des petits côtés de la zone de stockage étant alors en retrait par rapport à l'une et/ou l'autre des extrémités de l'électrode 309.
La zone de lecture du pixel 300 comprend une région 315 fortement dopée de type N (N+), plus fortement dopée que les caissons 303 et 307. La région 315 s'étend dans le substrat 301 à partir de la face supérieure de ce dernier, jusqu'à une profondeur inférieure à celle du caisson 307 de la zone de stockage. La région 315 est disposée du côté de la deuxième extrémité de l'électrode 309 (à droite en figure 2A) , en vis-à-vis du caisson 307 dans le prolongement de la zone de stockage. Une portion 317 du substrat sépare le caisson 307 de la région 315. Une grille horizontale isolée, ou grille de commande, 318 est disposée sur et en contact avec la portion 317 du substrat. La grille 318 s'étend de la région 315 à la zone de stockage et constitue la grille d'un transistor MOS dont la région de formation de canal correspond à la portion 317 du substrat et dont les régions de source et de drain correspondent au caisson 307 et à la région 315. Dans cet exemple, la grille 318 recouvre partiellement la zone de stockage, et, sous la grille 318, le caisson 307 de la zone de stockage s'étend jusqu'à la surface supérieure du substrat 301. Bien que cela ne soit pas représenté, une région d'extension de drain peut s'étendre à partir de la région 315 sous une partie de la grille 318.
Une électrode verticale isolée 319 délimite l'essentiel des côtés de la zone photosensible non bordés par la zone de stockage. Dans cet exemple, l'électrode 319 a la fome d'un U dont la barre horizontale délimite le côté de la zone photosensible opposé au côté bordé par la zone de stockage. L'électrode 319 s'étend dans le substrat 301 jusqu'à une profondeur supérieure ou égale à celle du caisson 307 de la zone de stockage. Dans cet exemple, l'électrode 319 s'étend jusqu'à la même profondeur que les électrodes 309 et 311.
Une électrode verticale isolée, ou contre-électrode, 321 s'étend dans le substrat parallèlement à l'électrode 309. L'électrode 321 s'étend depuis un bord de la zone photosensible, au-delà de la deuxième extrémité de l'électrode 309 (à droite en figure 2A), jusqu'en-deçà de la première extrémité de l'électrode 309 (à gauche en figure 2A). L'électrode 321 délimite partiellement la zone photosensible du côté de la zone de stockage. L'électrode 321 s'étend dans le substrat jusqu'à une profondeur supérieure ou égale à celle du caisson 307 de la zone de stockage, par exemple jusqu'à la même profondeur que les électrodes 309, 311 et 319. Comme cela est représenté en figure 2A, l'électrode 321 peut avoir la forme d'un L dont le grand bras est parallèle à l'électrode 309 et dont le petit bras délimite partiellement le bord de la zone photosensible à partir duquel le grand bras s'étend. Dans ce mode de réalisation, l'électrode 321 est disjointe de l'électrode 319. Dans une variante de réalisation, ces deux électrodes peuvent être jointes et correspondre à deux portions d'une même électrode.
Pour former les électrodes 309, 311, 319 et 321, on peut par exemple former des tranchées s'étendant verticalement dans le substrat 301 à partir de sa face avant, selon un motif correspondant à la forme souhaitée des électrodes. Les parois latérales et le fond des tranchées peuvent être revêtus d'un matériau isolant comprenant par exemple de l'oxyde de silicium, puis les tranchées sont remplies d'un matériau conducteur. A titre d'exemple, le matériau conducteur de remplissage peut être du silicium polycristallin fortement dopé ou un métal choisi dans le groupe comprenant le cuivre et le tungstène.
Des métallisations (non représentées) connectent électriquement les faces supérieures des électrodes 309 et 311 à un noeud CTRL1, les faces supérieures des électrodes 319 et 321 à un noeud Vp0]_, la grille 318 à un noeud CTRL2 et la face supérieure de la région 315 à un noeud SN'. A titre d'exemple, le circuit de lecture du pixel 300 est le même que celui du pixel 200, le circuit de lecture étant alors relié au noeud SN' du pixel 300 de la même façon qu'au noeud SN du pixel 200. Les potentiels de commande appliqués aux noeuds CTRL1 et CTRL2 de chaque pixel du capteur sont par exemple fournis par un circuit de commande du capteur.
Le pixel 300 des figures 2A à 2E est destiné à recevoir un éclairement du côté de la face supérieure ou face avant du substrat 301. Bien que cela ne soit pas représenté, le pixel 300 comprend un écran opaque, par exemple métallique, situé du côté de sa face supérieure masquant toute la surface de la zone de stockage. A titre d'exemple, l'écran opaque masque toute la surface du pixel à l'exception de sa zone photosensible.
Un exemple d'un mode de fonctionnement du pixel 300 va maintenant être décrit.
En phase d'intégration, les noeuds Vp0g et CTRL1 sont à un même potentiel de référence. Ce potentiel peut être celui de la masse, ou être négatif par rapport à la masse, par exemple de l'ordre de -1 V. Une telle polarisation des électrodes 309, 311, 319 et 321 entraîne une accumulation de trous le long des parois de ces électrodes. Des trous s'accumulent également dans le long des parois de l'ouverture 313. Le potentiel de déplétion du caisson 303 au niveau de l'ouverture 313 est inférieur, par exemple proche de 0 V, au potentiel de déplétion des caissons 303 et 307 ce qui bloque les échanges d'électrons entre les caissons 303 et 307. Le substrat 301 est lui aussi polarisé à un potentiel de référence, par exemple celui de la masse. Les dimensions de l'ouverture 313, les dimensions des caissons 303 et 307 et les niveaux de dopage des régions 305, 303, 307, 313 et 301 sont choisis de sorte que, en l'absence d'éclairement et après transfert des charges, les caissons 303 et 307 soient complètement dépiétés, en particulier au niveau de l'ouverture 313. Il en résulte qu'il se forme un puits de potentiel dans le caisson 303 et un puits de potentiel dans le caisson 307, qui dépendent des niveaux de dopage et des potentiels de polarisation des électrodes et du substrat. Lorsque la photodiode PD est éclairée, des paires électron/trou sont photogénérées dans la photodiode, et les électrons photogénérés sont attirés et piégés dans le caisson 303.
En phase de transfert des électrons photogénérés accumulés dans le caisson 303 de la photodiode PD vers le caisson 307 de la zone de stockage, le noeud CTRL1 est mis à une tension suffisamment haute, par exemple comprise entre 2 et 4 V, pour mettre le potentiel de déplétion du caisson 303 au niveau de l'ouverture 313 à un potentiel supérieur au potentiel maximal du puits de potentiel dans la photodiode PD pendant la phase d'intégration. Ceci entraîne le transfert de tous les électrons photogénérés contenus dans le caisson 303 vers le caisson 307, via l'ouverture 313. Pendant la phase de transfert, le noeud Vpoi reste au même potentiel de référence que pendant la phase d'intégration. La grille 318 (noeud CTRL2) est mise à un potentiel tel que le transistor MOS correspondant est dans un état bloqué.
De manière avantageuse, le transfert est facilité lorsque le prolongement 31IB de l'électrode 311 délimite partiellement l'un des bords de la zone photosensible comme cela est représenté en figure 2A. En effet, les électrons photogénérés accumulés dans la zone photosensible sont alors attirés vers le prolongement 311B qui les guide vers la zone de stockage.
Un avantage du pixel 300 des figures 2A à 2E par rapport au pixel 200 des figures IA à 1F est que la présence de la contre-électrode 321 polarisée au potentiel de référence lors du transfert évite que les électrons photogénérés présents dans la zone photosensible atteignent les parois de l'électrode 309 et se recombinent avec des trous piégés dans des défauts d'interface. Cela permet d'éliminer le risque de perte de charges pendant le transfert contrairement au cas du pixel 200 des figures IA à 1F, dans lequel, lors du transfert, les électrons photogénérés présents dans la zone photosensible sont attirés contre l'électrode 203.
Une fois le transfert effectué, pendant une phase de stockage, le noeud CTRL1 est à nouveau mis au même potentiel bas que le noeud VpQi de façon à maintenir les électrons transférés confinés dans le puits de potentiel du caisson 307, dans l'attente d'un transfert ultérieur vers la zone de lecture 315. A ce stade, la photodiode PD est vide de toute charge photogénérée (c'est-à-dire dans un état réinitialisé), et une nouvelle phase d'intégration peut commencer.
En phase de lecture, les électrons contenus dans la zone de stockage sont transférés vers la zone de lecture 315. Pour cela, la grille 318 (noeud CTRL2) est mise à un potentiel, par exemple compris entre 2 et 4 V, tel le transistor MOS correspondant est dans un état passant. Pendant le transfert, les noeuds Vp0i et CTRL1 sont maintenus au même potentiel de référence de valeur basse que pendant la phase d'intégration. Une fois le transfert effectué, la grille 318 est à nouveau mise au potentiel bloquant le transistor MOS correspondant. A ce stade, la diode SD est vide de toute charge photogénérée (c'est-à-dire dans un état réinitialisé) . Afin de favoriser le transfert des charges de la zone de stockage vers la zone de lecture, dans une variante de réalisation, on prévoit que le caisson 307 soit plus fortement dopé de type N du côté de sa face supérieure que du côté de sa face inférieure.
Un des avantages du pixel 300 par rapport au pixel 200 va maintenant être décrit en relation avec les figures 3A et 3B.
En figure 3A, l'allure du potentiel V dans la zone de stockage du pixel 200 est illustrée par une courbe 401 pendant une phase d'accumulation, et par une courbe 403 au début d'une phase de transfert. Plus particulièrement, chacune de ces courbes illustre l'allure du potentiel le long d'un axe inclus dans le plan de coupe G-G de la figure IA, entre une position x^ correspondant à l'interface entre l'électrode 203 et le caisson 207, et une position X2 correspondant à l'interface entre l'électrode 209 et le caisson 207.
La courbe 401 est obtenue alors que la zone de stockage est vide de charges et les électrodes 203 et 209 sont polarisées à -1 V. Comme indiqué précédemment, il se forme alors un puits de potentiel dans la zone de stockage dont la valeur est maximum dans une partie centrale de la zone de stockage (position X3) . La courbe 403 est obtenue alors que la zone de stockage est encore vide de charges, l'électrode 203 est polarisée à 2,6 V et l'électrode 209 reste polarisée à -1 V. L'augmentation du potentiel de polarisation de l'électrode 203 entraîne une augmentation ΔΥ1 du potentiel à la position X]_, et une augmentation AV2 du potentiel à la position X3. Toutefois, comme l'électrode 209 reste polarisée à -1 V, le potentiel à la position X2 reste le même que pendant la phase d'accumulation. Il en résulte que l'augmentation de potentiel AV2 est inférieure à l'augmentation de potentiel AVI. Pour obtenir une augmentation AVI du potentiel à la position X3, il faudrait polariser l'électrode 203 à plus de 2,6 V.
En figure 3B, l'allure du potentiel V dans la zone de stockage du pixel 300 est illustrée par une courbe 405 pendant une phase d'accumulation, et par une courbe 407 au début d'une phase de transfert. Plus particulièrement, chacune de ces courbes illustre l'allure du potentiel le long d'un axe inclus dans le plan de coupe D-D de la figure 2A, entre une position X4 correspondant à l'interface entre l'électrode 309 et le caisson 307, et une position X5 correspondant à l'interface entre l'électrode 311 et le caisson 307. La courbe 405 est obtenue alors que la zone de stockage est vide de charges et les électrodes 309 et 311 sont polarisées à -1 V. Il se forme un puits de potentiel dans la zone de stockage dont la valeur maximum est dans une partie centrale de la zone de stockage (position xg) . La courbe 407 est obtenue alors que la zone de stockage est encore vide de charges et les électrodes 309 et 311 sont polarisées à 2,6 V. L'augmentation du potentiel de polarisation des électrodes 309 et 311 entraîne une augmentation AVI du potentiel aux positions X4 et X5^ et, contrairement au cas du pixel 200, on constate une augmentation AVI du potentiel à la position xg.
Ainsi, de manière avantageuse, pour obtenir un puits de potentiel d'une profondeur donnée suffisante pour piéger toutes les charges transférées depuis la zone photosensible dans le caisson 307 de la zone de stockage, le potentiel de polarisation des électrodes 309 et 311 est plus faible que celui de l'électrode 203 du pixel 200. Cet avantage provient du fait que, dans le pixel 300, la zone de stockage est étroite et toutes les électrodes verticales isolées en contact avec la zone de stockage sont électriquement connectées entre elles.
Un autre des avantages du pixel 300 des figures 2A à 2E par rapport au pixel 200 des figures IA à IG va maintenant être décrit.
En figure 4A, l'allure du potentiel V dans le caisson 205 du pixel 200 lors d'une phase de transfert est illustrée par une courbe 411 lorsque l'électrode 203 est polarisée à 2,6 V, et par une courbe 413 lorsque l'électrode est polarisée à 4,1 V, l'électrode 202 étant polarisée à -1 V. Plus particulièrement, chacune de ces courbes illustre l'allure du potentiel le long d'un axe inclus dans le plan de coupe F-F de la figure IA, entre une position χη correspondant à l'interface entre l'électrode 202 et le caisson 205, et une position xg au niveau de la zone de transfert 204.
Comme cela se voit sur la figure 4A, lorsque l'électrode 203 est polarisée à 2,6 V (courbe 411), le potentiel dans le caisson 205 n'augmente pas de manière monotone jusqu'à la zone de transfert (position xg) . Il en résulte que, à la fin d'une phase de transfert, il reste dans la zone photosensible des électrons photogénérés pendant la phase d'accumulation. On observe alors un phénomène indésirable de rémanence ("lag" en anglais) entre deux phases successives de lecture du pixel. L'électrode 203 doit être polarisée à 4,1 V (courbe 413) pour que le potentiel dans le caisson 205 augmente de manière monotone jusqu'à la zone de transfert 204 (position xg) et que tous les électrons photogénérés accumulés dans la zone photosensible soient effectivement transférés vers la zone de stockage. L'utilisation d'une polarisation aussi élevée n'est pas souhaitable.
En figure 4B, l'allure du potentiel V dans le caisson 303 du pixel 300 est illustrée par une courbe 415 correspondant au cas de la courbe 411 de la figure 4A, c'est-à-dire quand les électrodes 309 et 311 sont polarisées à 2, 6 V et l'électrode 319 est polarisée à -1 V. La courbe illustre l'allure du potentiel le long d'un axe parallèle au plan de coupe E-E de la figure 2A, entre une position xg correspondant à l'interface entre l'électrode 319 et le caisson 303 et une position X]_g au niveau de l'ouverture 313.
Comme cela se voit sur la figure 4B, le potentiel augmente de manière monotone jusqu'à l'ouverture 313 (position X]_q) d'où il résulte que tous les électrons sont transférés vers la zone de stockage.
Ainsi, de manière avantageuse, le potentiel minimal de polarisation des électrodes 309 et 311 pour supprimer les phénomènes de rémanence dans le pixel 300 est plus faible que celui de l'électrode 203 du pixel 200. Cet avantage provient du fait que le caisson 303 de la zone photosensible est moins épais que le caisson 205 de la zone photosensible du pixel 200, et, plus particulièrement, du fait que l'épaisseur du caisson 303 est choisie de façon que, en l'absence d'éclairement, la valeur du puits de potentiel dans une partie centrale du caisson 303 (position x^) ne dépende que des niveaux de dopage et soit indépendante des conditions de polarisation des électrodes 309, 311, 319 et 321. A titre d'exemple, le pixel 300 des figures 2A à 2E peut avoir les dimensions suivantes : - une longueur comprise entre 1 et 6 pm, par exemple 3 pm, et une largeur comprise entre 1 et 4 pm, par exemple 2 pm, pour une zone photosensible rectangulaire en vue de dessus et s ' étendant en longueur dans la même direction que la zone de stockage, - une longueur comprise entre 1 et 6 pm, par exemple 2 pm, et une largeur comprise entre 0,2 et 1 pm, par exemple 0,3 pm, pour la zone de stockage, - une longueur comprise entre 1 et 6 pm, par exemple 2 pm, pour la portion 31IA de l'électrode 311, - une longueur comprise entre 0,5 et 1,5 pm, par exemple 0,8 pm, pour le prolongement 31IB de l'électrode 311, - une longueur comprise entre 1 et 6 pm, par exemple 1,8 pm pour l'électrode 309, - entre 0,1 et 1 pm, par exemple 0,2 pm, entre la première extrémité de l'électrode 309 et le prolongement 311B en vis-à-vis, - entre 0,1 et 0,4 pm, par exemple 0,275 pm, entre la zone de stockage et la région 315 de la zone de lecture, - entre 0 et 100 nm, par exemple 50 nm de retrait de la zone de stockage par rapport à la première extrémité de 1'électrode 309, - entre 0 et 100 nm de retrait, par exemple 70 nm, de retrait de la zone de stockage par rapport à la deuxième extrémité de l'électrode 309, - une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 pm, par exemple 0,5 pm pour le caisson 303, - une épaisseur comprise entre 1 et 10 pm, et de préférence entre 2 et 4 pm, pour le caisson 307, - une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 pm pour la région 315, - une épaisseur comprise entre 100 et 300 nm, par exemple 200 nm pour la couche mince 305 dopée de type P+, et - une profondeur comprise entre 1 et 10 pm, de préférence entre 2 et 5 pm, et une largeur comprise entre 0,1 et 0,5 pm pour les électrodes verticales isolées. A titre d'exemple, pour une technologie de fabrication donnée, les niveaux de dopage des diverses régions du pixel 300 sont les suivants : - de 1017 à 10^ at.cm-3, par exemple 10^ at.cm-3, pour la couche mince 305, - de 10l6 à 10^-8 at .cm 3, par exemple 10^-7 at.cm 3, pour le caisson 303, - de 10^-6 à 10^-9 at .cm 3, par exemple 10·*-7 at.cm 3, pour le caisson 307, - de 10^9 à 10^2 at.cm-3, par exemple 10^1 at.cm-3, pour la région 315, et - de 1024 à 10-*-^ at.cm-3, par exemple 10^3 at.cm-3, pour le substrat 301.
Les figures 5A et 5B représentent schématiquement un pixel 300' correspondant à une variante de réalisation du pixel 300 des figures 2A à 2E. La figure 5A représente le pixel 300' en vue de dessus et la figure 5B correspond à une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 5A.
Le pixel 300' comprend de même éléments que le pixel 300 et est similaire à ce dernier à la différence qu'il comprend, en outre, une électrode isolée verticale 501 disposée entre l'électrode 309 et la portion 311A de l'électrode 311. L'électrode 501 a sensiblement les mêmes dimensions que l'électrode 319 et s'étend dans le caisson 307 et le substrat 301, parallèlement et en vis-à-vis de l'électrode 309. L'écart entre les faces en regard des électrodes 309 et 501, et entre les faces en regard de l'électrode 501 et de la portion 311A de l'électrode 311 est sensiblement le même que l'écart entre les faces en regard des électrodes 309 et 311 dans le pixel 300. L'électrode 501 est connectée électriquement aux électrodes 309 et 311, c'est-à-dire au noeud CTRL1, par des métallisations non représentées.
Ainsi, la zone de stockage du pixel 300' comprend deux zones, ou régions, rectangulaires correspondant à deux zones de stockage du pixel 300 mises côte à côte et contrôlées simultanément par le signal CTRL1. Cela permet de doubler la capacité de stockage de la zone de stockage du pixel 300' par rapport à celle du pixel 300. En outre, chacune des deux zones rectangulaires de la zone de stockage du pixel 300' ayant les mêmes dimensions que la zone de stockage du pixel 300, l'avantage de la zone de stockage du pixel 300 décrit en relation avec les figures 3A et 3B reste valable pour chacune des zones rectangulaires de la zone de stockage du pixel 300'.
Dans des variantes de réalisation du pixel 300', on peut prévoir que la zone de stockage comprenne plus de deux zones rectangulaires en disposant d'autres électrodes 501 entre les électrodes 309 et 311.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. Les formes des électrodes 309, 311, 319, 321 et 501 vues de dessus (figures 2A et 5A) sont indicatives et peuvent être adaptées par l'homme de métier dans un souci d'amélioration des transferts des charges et/ou de réduction de la surface du pixel. En particulier, bien que l'on ait décrit une zone de stockage rectangulaire, celle-ci peut avoir toute forme allongée souhaitable, par exemple une forme trapézoïdale. Dans ce dernier cas, la zone de stockage est plus large au niveau de sa deuxième extrémité, du côté de la zone de lecture, qu'au niveau de sa première extrémité, du côté de la zone photosensible, pour favoriser le transfert des charges de la zone de transfert vers la zone de lecture. A titre d'exemple, pour une zone de stockage ayant une longueur comprise entre 1 et 6 pm, la zone de stockage peut être plus large de 0,1 à 0,5 pm du côté de sa deuxième extrémité que du côté de sa première extrémité. Dans la variante de réalisation des figures 5A et 5B, on peut également prévoir que la zone de stockage comprenne au moins deux régions trapézoïdales.
En outre, les modes de réalisation décrits peuvent être adaptés à d'autres structures de pixel à électrodes isolées verticales. En particulier, l'homme de l'art saura adapter les modes de réalisation décrits pour y ajouter un système antiéblouissement, par exemple tel que celui décrit dans le brevet ER13/50008, permettant d'éviter que, en cas de saturation de la zone photosensible pendant une phase d'accumulation, un surplus de charges photogénérées ne se déverse dans la zone de stockage. L'homme de l'art saura également adapter les modes de réalisation décrits à des capteurs dans lesquels plusieurs pixels partagent une même zone de lecture et/ou un même circuit de lecture. En outre, le caisson 303 de la zone photosensible pourra avoir sensiblement la même profondeur que le caisson 307 de la zone de stockage.
On a décrit des modes de réalisation dans lesquels la contre-électrode 321 est de même nature que l'électrode 319. La contre-électrode 321 pourra également être remplacée par un mur en un matériau isolant revêtu d'une couche fortement dopée de type P (P+) ou par un mur semiconducteur fortement dopé de type P (P+). L'électrode 321 pourra elle aussi être remplacée par un mur isolant revêtu d'une couche fortement dopée de type P. L'homme de l'art saura adapter les modes de réalisation décrits à des structures de pixels dans lesquelles tous les types de conductivité sont inversés par rapport aux exemples susmentionnés.
Les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple de circuit de lecture représenté en figure IA et 1'homme de 1'art saura obtenir le fonctionnement désiré en utilisant d'autres circuits de lecture.
Bien que l'on ait décrit des pixels destinés à recevoir un éclairement du côté de la face avant du substrat, l'homme de l'art saura adapter les modes de réalisation décrits au cas de pixels destinés à recevoir un éclairement par la face arrière du substrat. A titre d'exemple, dans le cas d'un éclairement par la face arrière du substrat, l'écran opaque recouvrant la zone de stockage sera disposé du côté de cette face arrière, et, en outre, le substrat pourra être aminci à partir sa face arrière jusqu'aux électrodes verticales isolées.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Capteur d'image disposé dans et sur un substrat semiconducteur (301), comprenant un circuit de commande et une pluralité de pixels (300, 300'), chaque pixel comportant : une zone photosensible (PD), une zone de stockage (SD) allongée au moins cinq fois plus longue que large et adjacente à la zone photosensible, et une zone de lecture (315) séparée de la zone de stockage par une portion (317) du substrat ; une première électrode (309) et une deuxième électrode (311) verticales isolées connectées électriquement l'une avec l'autre, s'étendant dans le substrat en vis-à-vis l'une de l'autre, et délimitant latéralement la zone de stockage, la première électrode s'étendant entre la zone de stockage et la zone photosensible, la deuxième électrode comprenant un prolongement coudé (311B) en regard d'une première extrémité de la première électrode, la zone de stockage débouchant sur la zone photosensible du côté de la première extrémité et sur ladite portion du substrat du côté de la deuxième extrémité de la première électrode, le circuit de commande étant adapté à appliquer un premier potentiel aux première et deuxième électrodes pour effectuer un transfert des charges de la zone photosensible vers la zone de stockage, et un deuxième potentiel pour bloquer ledit transfert.
  2. 2. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel chaque pixel (300, 300') comprend, en outre, une troisième électrode verticale isolée (321) s'étendant dans le substrat (301) en regard de la première électrode (309), en-deçà de la première extrémité et au-delà de la deuxième extrémité, et délimitant partiellement la zone photosensible (PD) du côté de la zone de stockage (SD).
  3. 3. Capteur d'image selon la revendication 2, dans lequel le circuit de commande est adapté à appliquer le deuxième potentiel à la troisième électrode (321).
  4. 4. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque pixel (300, 300') comprend, en outre, au moins une quatrième électrode verticale isolée (319) s'étendant dans le substrat (301) et entourant partiellement la zone photosensible (PD).
  5. 5. Capteur d'image selon la revendication 4, dans lequel le circuit de commande est adapté à appliquer le deuxième potentiel à ladite au moins une quatrième électrode (319).
  6. 6. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque pixel (300, 300') comprend, en outre, une grille de commande isolée (318) disposée sur et en contact avec ladite portion (317) du substrat (301), la grille isolée s'étendant depuis la zone de lecture (315) jusqu'à la zone de stockage (SD).
  7. 7. Capteur d'image selon la revendication 6, dans lequel le circuit de commande est adapté à appliquer un troisième potentiel à la grille de commande (318) pour transférer des charges de la zone de stockage (SD) vers la zone de lecture (315).
  8. 8. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (301) est dopé d'un premier type de conductivité, la zone de lecture (315) est dopée du deuxième type de conductivité, la zone photosensible (PD) comprend un premier caisson (303) dopé du deuxième type de conductivité revêtu d'une couche (305) dopée du premier type de conductivité, et la zone de stockage (SD) comprend un deuxième caisson (307) dopé du deuxième type de conductivité et revêtu au moins partiellement de ladite couche dopée du premier type de conductivité.
  9. 9. Capteur d'image selon la revendication 8, dans lequel le premier caisson (303) se prolonge jusqu'au deuxième caisson (307).
  10. 10. Capteur d'image selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'épaisseur du premier caisson (303) est inférieure à 1 pm.
  11. 11. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la largeur de la zone de stockage (SD) est comprise entre 0,1 et 1 pm.
  12. 12. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la zone de stockage (SD) est trapézoïdale et est plus large du côté la deuxième extrémité de la première électrode (309) que du côté de la première extrémité de la première électrode.
  13. 13. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la zone de stockage (SD) est rectangulaire.
  14. 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la zone de stockage (SD) comprend au moins deux régions allongées au moins cinq fois plus longues que larges séparées les unes des autres par au moins une cinquième électrode verticale isolée (501) s'étendant dans le substrat (301) entre les première et deuxième électrodes (309, 311) et ayant des extrémités alignées avec les extrémités de la première électrode.
  15. 15. Capteur d'image selon la revendication 14, dans lequel la largeur de chacune desdites au moins deux régions allongées de la zone de stockage (SD) est comprise entre 0,1 et 1 pm.
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