FR2705495A1 - Dispositif de prise d'image à semiconducteur de type CCD ayant une structure à drain de débordement. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type à dispositif à couplage de charge qui forme respectivement le drain de débordement (4) de photodiodes à forte concentration. Une couche à forte concentration d'impuretés est formée sur la couche supérieure d'une structure PNPN de façon à pouvoir être utilisée comme drain contre les débordements, ce qui permet de produire une fonction de débordement et d'obturateur électronique même dans des conditions de faible tension et permet la réalisation d'un circuit sur puce.
Description
DISPOSITIF DE PRISE D'IMAGE A SEMICONDUCTEUR DE TYPE CCD
AYANT UNE STRUCTURE À DRAIN DE DÉBORDEMENT
Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type à dispositif à
couplage de charge (CCD) et, plus particulièrement, un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement (OFD) formé au voisinage10 de la surface d'un substrat semiconducteur.
Un dispositif de prise d'image à semiconducteur forme une zone de prise d'image dans laquelle un élément à semiconducteur ayant une fonction de conversion photoélectrique et une fonction d'accumulation de signaux, est utilisé en tant que pixel. La charge de signal accumulée dans chaque pixel est convertie en un signal électrique, ce qui permet de convertir des données d'images externes en un signal électrique. Selon le procédé (procédé de balayage) permettant de lire le signal de chaque pixel, ce dispositif peut être grossièrement divisé en un dispositif de prise d'image à semiconducteur utilisant un système d'adressage X-Y et un dispositif qui utilise un système de transfert de signal. Le dispositif de prise d'image à25 semiconducteur utilisant le système d'adressage X-Y lit sélectivement. la charge de signal de chaque pixel pour obtenir une sortie, et un dispositif de prise d'image à semiconducteur de type MOS est disponible dans le commerce. Les dispositifs de prise d'image à30 semiconducteur qui adoptent un système de transfert de signal utilisent un procédé de transfert de signal qui convertit la charge de signal de chaque pixel en un signal analogique et transfère en une seule fois le signal analogique vers des éléments autres que le pixel,35 et lit séquentiellement le signal. Un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD est
représentatif d'un dispositif utilisant le procédé de transfert de signal.
-2 - Selon le procédé de transfert, le dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD peut être classé en deux autres types. En premier lieu, un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD 5 qui utilise un système de transfert de trames est constitué d'une zone de détection d'images pour convertir une lumière incidente en une charge de signal, d'un accumulateur pour accumuler la charge de signal, et d'un CCD de transfert vertical pour acheminer10 verticalement la charge de signal. En second lieu, un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD qui utilise un système de transfert entre les lignes est constitué d'une photodiode servant à produire une charge de signal en fonction de l'intensité de la lumière15 incidente, d'un CCD de transfert vertical pour acheminer verticalement la charge de signal, d'un second CCD de
transfert horizontal pour acheminer horizontalement la charge de signal provenant du CCD de transfert vertical, et d'un circuit de sortie pour détecter la charge de20 signal provenant du CCD de transfert horizontal.
La figure 1 est un diagramme d'agencement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD
classique et représente une partie de celui-ci qui illustre l'utilisation du système de transfert entre les25 lignes.
Un motif de masquage 10 sert à former une région de conversion photoélectrique, c'est-à-dire une photodiode.
Un motif de masquage 11 sert à former une région de canal qui constitue le CCD de transfert vertical et est30 interposé entre les motifs de masquage 10. Un motif de masquage 13 sert à former une première électrode de transfert qui constitue le CCD de transfert vertical. Un motif de masquage 14 sert à former une seconde électrode de transfert qui constitue le CCD de transfert vertical.35 Un motif de masquage 12 sert à former le canal de transfert qui transfère la charge de signal d'une région produisant une conversion photoélectrique vers le CCD de transfert vertical et est disposé entre les motifs de - 3- masquage 10 et 11 de manière à être chevauché par le
motif de masquage 13. Les motifs de masquage servant à former le CCD de transfert horizontal et le circuit de sortie autour de la matrice de cellules de pixels, ne 5 sont pas représentés ici.
Un film de photo-blindage qui sera décrit plus loin, est illustré dans la figure 1.
La figure 2 est une vue en coupe le long de la droite II-II de la figure 1.
En se référant aux figures 1 et 2, on décrira ci- après le dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD qui utilise le système classique de transfert entre les lignes. En premier lieu, comme le montrent les figures 1 et 2, le dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD utilisant un système de transfert entre les lignes est constitué d'un puits 38 de type P formé dans un substrat semiconducteur 37 de type N, de photodiodes 40 de type N formées dans le puits de type P et accumulant une charge de signal excitée par la lumière incidente sur celles-ci, une région de canal 41 de type N du CCD de transfert vertical pour transférer la charge de signal provenant de la photodiode vers le CCD de transfert horizontal et qui est formée verticalement25 (voir motif de masquage 11 de la figure 1) entre les photodiodes, un canal de transfert 42 pour transférer la charge de signal accumulée dans la photodiode vers la région de canal de type N du CCD de transfert vertical, de premières électrodes de transfert 43 du CCD de30 transfert vertical auxquelles sont appliquées une impulsion déclenchant le transfert de la charge de signal accumulée dans une photodiode vers le CCD à transfert vertical et une impulsion déclenchant ensuite le transfert de la charge de signal transférée à partir35 de la photodiode vers le CCD de transfert horizontal, une deuxième électrode de transfert (voir le motif de masquage 14 de la figure 1) du CCD de transfert vertical auquel est appliquée l'impulsion déclenchant ensuite le - 4 - transfert de la charge de signal transférée à partir de la photodiode vers le CCD de transfert horizontal, un CCD de transfert horizontal (non représenté) formé dans la direction horizontale et autour d'une matrice de 5 cellules de pixels et qui transfère les charges de signal transférées en provenance d'une pluralité de CCD
de transfert vertical vers un circuit de sortie, et un circuit de sortie (non représenté) pour fournir en sortie la charge de signal transférée à partir du CCD de10 transfert horizontal.
Dans la figure 2, la référence numérique 36 désigne une couche d'arrêt de canal pour séparer chaque cellule,
la référence 45 désigne un film isolant et la référence 46 désigne un film de photo-blindage.
Le fonctionnement du dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD décrit ci-dessus, qui utilise le système de transfert entre les lignes, peut être décrit de la manière suivante. Lorsque de la lumière visible est incidente sur la photodiode 40, une charge de signal produite par un effet photoélectrique s'accumule dans la photodiode. A ce moment, la charge de signal accumulée est proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente. Par conséquent, la valeur de la charge de signal25 accumulée varie en fonction de l'intensité de la lumière incidente. Ce processus permet de convertir un signal optique d'intensité donnée en un signal électrique ayant une certaine amplitude. Le signal optique incident sur une photodiode est accumulé après avoir été converti en une charge de signal électrique par l'intermédiaire du processus précité. Pendant une période de décalage de champ, la charge de signal est transférée vers la région de canal 41 par l'intermédiaire du canal de transfert 42 formé
entre la photodiode 40 et la région de canal 41 d'un CCD de transfert vertical.
La charge de signal transférée vers la région de canal 41 est ensuite transférée vers la région o le CCD - 5 - de transfert horizontal est formé, par l'impulsion d'horloge appliquée à une pluralité d'électrodes de transfert, à savoir les premières électrodes de transfert 43 et la deuxième électrode de transfert 5 (motif de masquage 14 représenté figure 1), qui sont formées sur la région de canal 41 d'un CCD de transfert
vertical. La charge de signal est ensuite transférée vers un CCD de transfert horizontal (non représenté) formé à l'extrémité de la région de canal 11 du CCD de10 transfert vertical.
La charge de signal transférée vers le CCD de transfert horizontal est séquentiellement transférée vers un circuit de sortie en direction horizontale, conformément au même principe que celui appliqué pour le15 CCD de transfert vertical et est détectée sous la forme d'un niveau de tension qui sera fourni à une partie externe jouant le rôle de circuit de sortie de signaux. Cependant, dans ce dispositif de prise d'image à semiconducteur, la charge de signal pouvant être accumulée dans un puits de potentiel correspondant à chaque photodiode est limitée. Par conséquent, lorsqu'une lumière visible de forte intensité est incidente sur la partie de la surface photoréceptrice du dispositif de prise d'image à semiconducteur, la charge25 de signal produite proportionnellement à l'intensité de la lumière visible dépasse la capacité d'accumulation du puits de potentiel et s'écoule vers les zones environnantes. Lorsque la charge de signal pénètre dans chaque photodiode environnante, il se produit un phénomène de flou se traduisant par le fait que l'image d'une zone à
grande luminosité est agrandie de plusieurs fois. Lorsque la charge de signal s'écoule dans les CCD de transfert vertical et horizontal adjacents, il se35 produit un phénomène d'étalement.
Par conséquent, la charge de signal supplémentaire doit être périodiquement déchargée vers un circuit - 6 - externe avant qu'elle s'écoule dans les photodiodes ou les CCD de transfert environnants. Diverses études ont porté sur un procédé pour décharger la charge de signal supplémentaire vers un circuit externe, depuis qu'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD dans lequel un drain de débordement était formé sous une photodiode, a été introduit (voir Eiji Oda et coll., "Blooming Suppression Mechanism for an interline CCD Image Sensor
with a Vertical Overflow Drain", IEDM 1983, pp. 501-
504). La figure 3 est une vue en coupe représentant un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant une structure à drain de débordement classique qui15 correspond à celle de la figure 2, et dans laquelle une structure à drain de débordement de forme PNPN est également représentée (voir Junichi Hojo et coll., "A 1/3-inch 510(H)x492(V) CCD Image Sensor with Mirror Image Function", IEEE Trans-electron Device, Vol. 38,
N 5, Mai 1991, pp. 954-959).
Comme le montre la figure 3, le dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD présentant la structure à drain de débordement décrite ci-dessus comporte un premier puits 58 de type P- formé vers la25 surface d'un substrat semiconducteur 57 de type N et servant de couche de jonction pour le débordement ainsi qu'à supprimer le flou, et formé vers la surface d'un substrat semiconducteur 57 de type N, une photodiode 60 de type N formée vers la surface du premier puits de30 façon à accumuler la charge de signal excitée par la lumière incidente, une couche 59 de suppression de courant d'obscurité de type P+ formée par implantation d'ions bore à haute concentration dans une photodiode de façon à obtenir une structure avantageuse pour la35 réduction du courant d'obscurité, pour la suppression du phénomène de flou et pour la réalisation d'un obturateur électronique à vitesse variable, une région de canal 61 -7- de type N d'un CCD de transfert vertical pour transférer la charge de signal transférée à partir d'une photodiode vers un CCD de transfert horizontal, un deuxième puits 55 de type P formé sous la région de canal, un canal de transfert 62 pour transférer la charge de signal accumulée dans une photodiode vers une région de canal de type N d'un CCD de transfert vertical, une couche d'arrêt de canal 56 pour séparer chaque cellule, un film de photo-blindage 66 formé sur un substrat10 semiconducteur de la région o la photodiode n'est pas formée, une première électrode de transfert 63 à laquelle sont appliquées une impulsion déclenchant le transfert de la charge de signal accumulée dans une photodiode vers un CCD de transfert vertical et une15 impulsion déclenchant ensuite le transfert de la charge de signal transférée à partir de la photodiode vers un CCD de transfert horizontal, une deuxième électrode de transfert (non représentée) à laquelle est appliquée l'impulsion déclenchant le transfert ultérieur de la20 charge de signal transférée à partir de la photodiode vers un CCD de transfert horizontal, un CCD de transfert horizontal (non représenté) formé autour d'une matrice de cellules de pixels et qui transfère la charge de signal transférée- à partir d'une pluralité de CCD de25 transfert vertical vers un circuit de sortie, et un circuit de sortie (non représenté) pour fournir en sortie la charge de signal transférée à partir d'un CCD de transfert horizontal. La figure 4 représente la répartition du potentiel
électrique le long de la droite IV-IV de la figure 3.
En se référant aux figures 3 et 4, on décrira le fonctionnement d'un drain de débordement et d'un
obturateur du dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD présentant un drain de35 débordement de structure classique.
- 8 - Lorsque de la lumière visible est incidente sur une photodiode 60, la charge de signal, c'est-à-dire des
électrons excités proportionnellement à l'énergie lumineuse incidente, s'accumule dans la photodiode.
Lorsque la charge de signal accumulée dans un puits de potentiel d'une photodiode dépasse la capacité d'accumulation, la charge de signal ne s'écoule que vers le substrat semiconducteur 57 après avoir franchi la barrière de potentiel du premier puits 58 de type P-. 10 Ceci permet donc d'éviter le phénomène d'écoulement de la charge de signal dans la photodiode et le CCD de transfert voisins. Lorsque le substrat semiconducteur 57 joue le rôle de drain évitant le débordement, la répartition du potentiel électrique le long de la droite IV-IV de la figure 3 est représentée en fonction de la tension de débordement VOFD appliquée à un substrat semiconducteur 57 de type N-, par la courbe en trait plein de la figure 4. Si l'on se réfère à présent à la figure 5, la valeur de la charge de signal excitée optiquement et
accumulée dans la photodiode est, jusqu'à la situation de débordement, proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente, et à partir du moment o se produit25 le débordement, reste constante.
Par conséquent, on peut éviter les phénomènes de flou et d'étalement car la charge de signal en excès s'écoule vers le substrat semiconducteur 57 et non dans la photodiode adjacente, vers les CCD de transfert30 adjacents, etc. Cependant, dans le dispositif de prise d'image à semiconducteur classique, le temps pendant lequel s'accumule la charge de signal est égal à une période de champ (16,7 ms). Pour améliorer la résolution d'un sujet35 se déplaçant rapidement, la période d'accumulation de la charge de signal doit cependant être maintenue inférieure à une période de champ. Par conséquent, une fonction d'obturateur électronique au moyen de laquelle -9- la période d'accumulation de la charge de signal est commandée du fait de la mise en oeuvre de la fonction d'obturateur à vitesse variable, est appliquée à un dispositif de prise d'image à semiconducteur (on se 5 référera aux brevets US-A-5 014 132 (titre: CCD Image, inventeur: Kumesama, Tetsuro, Numéro de demande: 383 179), US- A-5 045 906 (titre: SOLID STATE IMAGE PICKUP DEVICE HAVING PHOTO- ELECTRIC CONVERTING REGION VIA SCHOTTKY BARRIER, inventeur: Kazuhisa Nagaya,10 numéro de demande: 559 035) et US-A-4 875 100 (titre: ELECTRONIC SHUTTER FOR A CCD IMAGE SENSOR, inventeur: Kazuya Yonemoto et coll., numéro de demande: 110 844)). Comme décrit dans le brevet US-A-4 875 100, lorsqu'une tension d'obturateur électronique est appliquée au substrat semiconducteur 57 de type N-, la répartition du potentiel électrique peut être illustrée sous la forme de la courbe en pointillés de la figure 4, en fonction de la tension d'obturateur appliquée (AVsHT). Toutes les charges de signal accumulées dans le
puits de potentiel sont ainsi éliminées.
La figure 6 est un simple chronogramme d'une opération d'obturateur électronique. En général, la période d'accumulation de la charge de signal par la photodiode est égale à une période de champ, c'est-à-25 dire à 1/60ème de seconde. Lorsqu'un obturateur électronique fonctionne de telle manière que des impulsions de tension d'obturation ayant une amplitude AVSHT sont additionnées en continu à une tension de débordement (VOFD) au cours d'un temps To, la charge de30 signal s'accumule pendant une période de 1/60-T0 secondes. La valeur de la charge accumulée peut ainsi
être commandée.
Cependant, un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant la structure classique à débordement pose les problèmes suivants. En premier lieu, le substrat semiconducteur 57 de type N- qui effectue une opération de débordement de type vertical, est formé par implantation d'impuretés à faible
- 10 -
concentration. Par conséquent, lorsqu'une opération de débordement doit être effectuée, une tension élevée doit être appliquée au substrat semiconducteur. En second lieu, lorsqu'une opération d'obturation est effectuée dans une structure de débordement de type vertical, une impulsion d'obturation à haute tension est également nécessaire pour commander la barrière de potentiel du premier puits 58 de type P-. En troisième lieu, comme le substrat semiconducteur de type N- qui effectue une10 opération de débordement est formé sur toute l'étendue de la puce, la réalisation d'un circuit sur la puce est difficile lorsque des circuits PMOS et CMOS doivent être formés à l'extérieur de la zone de détection d'image d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur.15 Résumé de l'invention La présente invention a pour but de fournir un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD
ayant une structure de débordement dans lequel une opération de débordement et une opération d'obturation20 électronique sont possibles même dans des conditions de faible tension.
Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de prise d'image à semiconducteur
du type CCD ayant une structure à drain de débordement25 qui permet la réalisation d'un circuit sur la puce.
Pour atteindre ces buts, l'invention propose un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD
ayant un drain de débordement formé autour de la surface d'un substrat semiconducteur et d'une partie30 photoréceptrice formée sous le drain de débordement et la région photoréceptrice.
Il est souhaitable que le drain de débordement soit constitué par la première région de diffusion d'impuretés qui est d'un premier type de conductivité,35 et que la partie photoréceptrice soit constituée par la deuxième région à diffusion d'impuretés qui est d'un deuxième type de conductivité pour supprimer le courant d'obscurité, par la troisième région à diffusion
- il -
dl'impuretés qui est du premier type de conductivité et dans laquelle une charge de signal est excitée par de la lumière incidente qui s'accumule, par la quatrième région à diffusion d'impuretés qui est du second type de 5 conductivité et par la cinquième région de diffusion d'impuretés qui est du premier type de conductivité. Le premier type de conductivité est ici le type N. Il est préférable que la concentration en impuretés de la première région à diffusion d'impuretés soit supérieure à celle de la deuxième région à diffusion d'impuretés, que la concentration en impuretés de la deuxième région à diffusion d'impuretés soit supérieure à celle de la troisième région à diffusion d'impuretés, que la concentration en impuretés de la troisième région à diffusion d'impuretés soit supérieure à celle de la quatrième région à diffusion d'impuretés, et que la
concentration en impuretés de la quatrième région à diffusion d'impuretés soit supérieure à celle de la cinquième région à diffusion d'impuretés.20 Dans un premier mode de réalisation, le drain de débordement est connecté à une partie du film de photo-
blindage formé sur le substrat semiconducteur mais pas à la région photoréceptrice. Le film de photo-blindage est constitué d'aluminium ou de silicium polycristallin.25 Dans un deuxième mode de réalisation, la partie photoréceptrice est constituée par la troisième région à diffusion d'impuretés qui est du premier type de conductivité et dans laquelle s'accumule une charge de signal excitée par de la lumière incidente, par la30 quatrième région à diffusion d'impuretés qui est du deuxième type de conductivité et par la cinquième région à diffusion d'impuretés qui est du premier type de conductivité. Dans ce cas, la deuxième région à diffusion d'impuretés qui est du deuxième type de35 conductivité et qui sert à supprimer le courant d'obscurité, et le drain de débordement, sont formés sur la partie photoréceptrice. De plus, une couche de jonction constituée par la sixième région à diffusion - 12 - d'impuretés qui est du deuxième type de conductivité, est formée entre le drain de débordement et la partie photoréceptrice. Dans un troisième mode de réalisation, une couche formant moyen d'application d'une polarisation, constituée d'un matériau qui peut établir un contact ohmique lorsqu'il est déposé sur le drain de débordement, par exemple de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou du silicium polycristallin transparents, est
formée sur le drain de débordement.
Dans un quatrième mode de réalisation, la partie photoréceptrice est constituée par la deuxième région à diffusion d'impuretés qui est du deuxième type de conductivité et qui sert à supprimer le courant15 d'obscurité, par la troisième région à diffusion d'impuretés qui est du premier type de conductivité et dans laquelle s'accumule une charge de signal excitée par de la lumière incidente, et par la quatrième région à diffusion d'impuretés qui est du deuxième type de conductivité. Dans ce cas, la concentration en impuretés de la deuxième région à diffusion d'impuretés est
supérieure à celle de la troisième région à diffusion d'impuretés, alors que la concentration en impuretés de la première région à diffusion d'impuretés est25 supérieure à celle de la deuxième région à diffusion d'impuretés.
Brève description des dessins Les buts et avantages de la présente invention décrits ci-dessus ressortiront plus clairement de la
description détaillée d'un mode de réalisation préféré de celle-ci présenté en référence aux dessins annexés,
dans lesquels: la figure 1 est une vue d'agencement des pixels d'un dispositif classique de prise d'image à semiconducteur du type CCD; la -figure 2 est une vue en coupe le long de la droite II-II de la figure 1 et représentant le dispositif classique de prise d'image à semiconducteur - 13 - du type CCD utilisant un système de transfert entre lignes; la figure 3 est une vue en coupe correspondant à la figure 2 et représentant le dispositif classique de prise d'image à semiconducteur du type CCD avec la structure classique de drain de débordement; la figure 4 est un diagramme représentant la répartition de potentiel le long de la droite IV-IV de la figure 3;10 la figure 5 est un diagramme représentant la relation entre une charge de signal et l'éclairement produit par la lumière incidente sur une photodiode; la figure 6 est un chronogramme illustrant l'opération d'obturateur électronique dans une structure à drain de débordement; la figure 7 est une vue en coupe représentant la structure à drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué conformément au mode de réalisation 1 de la présente20 invention; la figure 8 est un diagramme représentant la répartition de potentiel le long de la droite VIII-VIII des figures 7 et 10; la figure 9 est une vue en coupe représentant la structure à drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué conformément au mode de réalisation 2 de la présente invention; la figure 10 est une vue en coupe représentant la structure à drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué conformément au mode de réalisation 3 de la présente invention; et la figure 11 est une vue en coupe représentant la structure à drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué
conformément au mode de réalisation 4 de la présente invention.
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Description détaillée de l'invention
La présente invention est décrite ci-après de façon plus détaillée en référence aux dessins annexés.
Mode de réalisation 1 La figure 7 est une vue en coupe représentant une structure de drain de débordement du dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué conformément au mode de réalisation 1 de la présente invention. Ce dispositif de prise d'image est constitué10 d'une partie photoréceptrice formée par un substrat semiconducteur 7 de type N- (c'est-à-dire la cinquième région à diffusion d'impuretés du premier type de conductivité) auquel est appliquée une tension continue, un premier puits 8 de type P- (c'est-à-dire la quatrième15 région à diffusion d'impuretés du deuxième type de conductivité) formé vers la surface du substrat semiconducteur et qui joue le rôle de barrière de potentiel empêchant les débordements afin de supprimer le phénomène de flou, une photodiode 10 de type N+20 (c'est-à-dire la troisième région à diffusion d'impuretés du premier type de conductivité) formée vers la surface du premier puits et dans laquelle s'accumule la charge de signal excitée par la lumière incidente, et une couche 9 de suppression de courant d'obscurité de25 type P+ (c'est-à- dire la deuxième région à diffusion d'impuretés du deuxième type de conductivité) formée par implantation à haute concentration d'ions bore dans la photodiode de façon qu'elle présente une structure avantageuse pour réduire le courant d'obscurité,30 supprimer le phénomène de flou et permettre une fonction d'obturateur électronique à vitesse variable, un drain de débordement 4 de type N++ (c'est-à-dire la première région à diffusion d'impuretés du premier type de conductivité) formé par implantation de l'impureté de35 type N à haute concentration dans la couche de suppression de courant d'obscurité de type P+ et qui joue le rôle de drain empêchant les débordements, une région de canal 11 de type N d'un CCD de transfert - vertical pour transférer la charge de signal provenant d'une photodiode vers un CCD de transfert horizontal, un deuxième puits 5 de type P formé sous la région de canal, un canal de transfert 12 pour transférer la 5 charge de signal accumulée dans la photodiode vers une région de canal de type N d'un CCD de transfert vertical, une couche d'arrêt de canal 6 pour séparer chaque cellule, un film de photo-blindage 16 formé dans les régions qui excluent la partie photoréceptrice de10 façon à assurer une protection contre la lumière incidente et qui est connecté au drain de débordement 4 de façon à jouer partiellement le rôle de moyen d'application d'une tension de débordement, de premières électrodes detransfert 13 auxquelles sont appliquées une impulsion déclenchant le transfert de la charge de signal accumulée dans une photodiode vers un CCD de transfert vertical et une impulsion pour déclencher ensuite le transfert de la charge de signal provenant d'une photodiode vers un CCD de transfert horizontal,20 une deuxième électrode de transfert (non représentée) à laquelle est appliquée l'impulsion qui déclenche ensuite le transfert de la charge de signal provenant d'une photodiode vers un CCD de transfert horizontal, un CCD de transfert horizontal (non représenté) formé autour25 d'une matrice de cellules de pixels pour transférer la charge de signal provenant de la pluralité de CCD de
transfert vertical vers un étage de sortie, et un étage de sortie (non représenté) pour fournir en sortie la charge de signal transférée en provenance du CCD de30 transfert horizontal.
Dans la structure présentée ci-dessus, il est souhaitable que le film de photo-blindage 16 soit constitué d'aluminium ou de silicium polycristallin et que la concentration en impuretés du drain de35 débordement 4 soit supérieure à celle de la couche 9 de suppression du courant d'obscurité. De plus, il est particulièrement souhaitable que la concentration en impuretés de la couche 9 de suppression du courant
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d'obscurité soit supérieure à celle de la photodiode 10, que la concentration en impuretés de la photodiode 10 soit supérieure à celle du premier puits 8, et que la concentration en impuretés du premier puits 8 soit supérieure à celle du substrat semiconducteur 7. La figure 8 est un diagramme représentant la répartition de potentiel le long de la droite VIII-VIII de la figure 7. Dans cette figure, une tension continue prédéterminée étant appliquée à la région de substrat 710 de type N- o le puits de potentiel servant à l'accumulation d'une capacité prédéterminée de charge de signal (zone "C" de la figure 8) est formé dans la région 10 de la photodiode, lorsqu'une tension de débordement (VOFD) est appliquée à la région 4 du drain15 de débordement de type N++ de façon que le premier puits 9 de type P+ jouant le rôle de barrière empêchant le fonctionnement du drain de débordement puisse être appauvri, la répartition du potentiel formée par la première région de puits et par la couche de suppression20 du courant d'obscurité, est illustrée par la courbe en trait plein de la figure 8. La charge de signal accumulée dans la photodiode est ainsi déchargée dans la direction de la région 4 du drain de débordement ayant une faible barrière de potentiel.25 Comme le dopage en impuretés de la région 4 du drain de débordement conduit à une forte concentration en impuretés dans cette région, la barrière de potentiel de la région 9 de suppression du courant d'obscurité est facilement abaissée même lors de l'application de la30 tension de drain de débordement (VOFD) moins élevée. Le débordement de la charge de signal accumulée dans la région 10 de la photodiode est ainsi possible. Dans la figure 8, la courbe en pointillés illustre le potentiel observé lorsque la tension appliquée comporte une tension d'obturateur électronique (AVsHT). L'opération d'obturation électronique est également
possible sous de faibles tensions pour la même raison qu'à propos de l'opération de drain de débordement.
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Conformément au mode de réalisation 1 de la présente invention, comme le drain de débordement 4 à haute concentration est formé sur chaque photodiode 10 d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur, un 5 courant continu de polarisation peut être appliqué au substrat semiconducteur 7 de type N, contrairement à l'art antérieur. Par conséquent, des circuits PMOS et CMOS peuvent être réalisés dans la partie formant circuit périphérique (c'est-à-dire dans la zone qui10 exclut la région constituée par la matrice de cellules) d'une puce, ce qui permet de réaliser un circuit sur la puce d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur. En outre, comme le drain de débordement 4 est dopé en impuretés à une concentration supérieure à celle de la15 couche 9 de suppression de courant d'obscurité de type P+, la barrière de potentiel produite par la couche 9 de
suppression du courant d'obscurité de type P+ peut être commandée de façon suffisante par une faible tension de drain de débordement et par une tension d'obturateur20 électronique.
Mode de réalisation 2 La figure 9 est une vue en coupe représentant la structure d'un drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD réalisé25 conformément au mode de réalisation 2 de la présente invention. Dans cette figure, un drain de débordement est formé sur chaque photodiode afin de produire l'effet du mode de réalisation 1, alors que la couche de suppression de courant d'obscurité formée sous le drain30 de débordement du mode de réalisation 1 est formée dans la partie supérieure du semiconducteur du mode de réalisation 2, ce qui favorise la suppression du courant d'obscurité. Pour supprimer le courant d'obscurité produit à la surface du substrat semiconducteur, la couche 9 de suppression de courant d'obscurité de type P+ est formée sur la majeure partie de la surface de la photodiode 10, alors que le drain de débordement 4 de type N++ est
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formé le long d'un bord supérieur de la photodiode 10, par exemple sur les côtés de la couche d'arrêt de canal 6. Une couche de jonction 3 de type P est alors formée entre la photodiode 10 et le drain de débordement 4 pour permettre un ajustement facile de la barrière de potentiel électrique entre la photodiode 10 de type N et le drain de débordement 4 de type N++. Le film de photo- blindage 16, qui est formé dans les régions excluant la partie photoréceptrice, est électriquement relié au10 drain de débordement 4 de type N++ afin de jouer le rôle de moyen d'application des tensions de drain de débordement et d'obturateur électronique. Si la tension appliquée au drain de débordement est telle que la répartition du potentiel entre le drain de débordement 4 de type N++, la couche de jonction 3 de type P, la photodiode 10 du premier puits 8 et le substrat semiconducteur 7 de la figure 9 soit identique à celle illustrée dans le graphique de la figure 8, le drain de débordement 4 de type N++ agit en tant que
drain évitant les débordements.
Mode de réalisation 3 La figure 10 est une vue en coupe représentant la structure d'un drain de débordement d'un dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD fabriqué25 conformément au mode de réalisation 3 de la présente invention. La structure du dispositif du mode de réalisation 3 est pratiquement identique à celle du mode de réalisation 1, excepté qu'une couche ohmique 2 jouant le rôle de moyen d'application d'une tension de drain de30 débordement est formée par dép6t d'un matériau capable d'établir un contact ohmique lorsqu'il est déposé sur le drain de débordement, sur toute la surface du drain de débordement 4 de type N++. Dans le cas présent, le matériau servant à constituer la couche ohmique 2 peut35 être un ITO présentant d'excellentes caractéristiques de transmissivité de la lumière (transparence) ou une couche mince de silicium polycristallin et est déposé - 19 - sur toute la surface du substrat avant la formation du filmin de photo-blindage 16. A ce stade, lorsqu'une tension est appliquée au drain de débordement de façon que la répartition de potentiel le long de la droite VIII-VIII de la figure 10 soit telle qu'illustrée par la représentation graphique de la figure 8, le drain de débordement 4 de type N++ agit comme drain empêchant les débordements. Mode de réalisation 4 La figure 11 est une vue en coupe représentant une structure de drain de débordement du dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD réalisée conformément au mode de réalisation 4 de la présente invention. La structure du dispositif du mode de15 réalisation 4 est pratiquement identique à celle du mode de réalisation 1, excepté que le mode de réalisation 4 utilise le premier puits 8 de type P- comme substrat semiconducteur au lieu du substrat semiconducteur 7 de type N- du mode de réalisation 1.20 Du fait de la structure du drain de débordement de la présente invention, comme un drain de débordement est respectivement formé sur chaque photodiode d'un substrat semiconducteur, il est possible de maintenir le substrat semiconducteur sous une tension constante. De plus, il25 est également possible de réaliser un circuit périphérique au moyen d'un transistor PMOS ou autre, dans la zone de détection d'image environnant un dispositif de prise d'image à semiconducteur. Cela signifie qu'un dispositif de prise d'image à30 semiconducteur peut être fabriqué au moyen de circuits réalisés sur la puce. De plus, comme la région du drain
de débordement est formée par dopage d'impuretés à haute concentration, la fonction de drain de débordement et d'obturateur électronique peut être réalisée dans des35 conditions de tension relativement faible.
Il est en outre clair que les descriptions présentées ci-dessus portent sur les modes de
réalisation préférés du dispositif décrit et que l'on
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peut effectuer divers changements et modifications tout
en respectant le cadre défini par les revendications
annexées.
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Claims (15)
1. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement (4) formé autour
de la surface d'un substrat semiconducteur et une partie 5 photoréceptrice formée sous le drain de débordement (4) et une région photoréceptrice.
2. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la
revendication 1, dans lequel ledit drain de débordement10 (4) est une première région de diffusion d'impuretés (4) d'un premier type de conductivité.
3. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 2, dans lequel ladite partie15 photoréceptrice est constituée d'une deuxième région (19) à diffusion d'impuretés d'un deuxième type de conductivité, d'une troisième région (10) à diffusion d'impuretés d'un premier type de conductivité et dans laquelle s'accumule une charge de signal excitée par de20 la lumière incidente, d'une quatrième région (8) à diffusion d'impuretés d'un deuxième type de conductivité, et d'une cinquième région (7) à diffusion d'impuretés d'un premier type de conductivité.
4. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 3, dans lequel la concentration en
impuretés de ladite première région (4) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de la deuxième région (9) à diffusion d'impuretés.
5. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 4, dans lequel la concentration en impuretés de ladite deuxième région (9) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de ladite troisième35 région (10) à diffusion d'impuretés, la concentration en impuretés de ladite troisième région (10) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de ladite quatrième région (8) à diffusion d'impuretés, et la concentration - 22 - en impuretés de ladite quatrième région (8) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de ladite cinquième région (7) à diffusion d'impuretés.
6. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 3, dans lequel ladite troisième région (10) à diffusion d'impuretés est formée par dopage par une impureté de type N.
7. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 1, dans lequel ledit drain (4) de
débordement est connecté à une partie d'un film de photo-blindage formé sur ledit substrat semiconducteur, à l'exclusion de ladite région photoréceptrice.
8. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 7, dans lequel ledit film (16) de photo- blindage est constitué d'aluminium ou de silicium polycristallin.20
9. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la
revendication 7, dans lequel une couche (12) formant moyen d'application d'une tension de polarisation est constituée par un matériau capable de former un contact25 ohmique lorsqu'il est déposé sur ledit drain de débordement (4).
10. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 9, dans lequel ladite couche (12) formant30 moyen d'application d'une tension de polarisation est formée d'oxyde d'indium et d'étain ou de silicium polycristallin transparents.
11. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 2, dans lequel ladite partie photoréceptrice est constituée d'une deuxième région (9) à diffusion d'impuretés d'un deuxième type de conductivité pour supprimer le courant d'obscurité,
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d'une troisième région (10) à diffusion d'impuretés d'un
premier type de conductivité, et d'une quatrième région (8) à diffusion d'impuretés d'un deuxième type de conductivité.
12. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 11, dans lequel la concentration en impuretés de ladite deuxième région (9) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de ladite troisième10 région (10) à diffusion d'impuretés, et la concentration en impuretés de ladite première région (4) à diffusion d'impuretés est supérieure à celle de ladite deuxième région (19) à diffusion d'impuretés.
13. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 2, dans lequel ladite partie photoréceptrice est constituée d'une troisième région (10) à diffusion d'impuretés ayant un premier type de conductivité et dans laquelle s'accumule une charge de signal excitée par de la lumière incidente, d'une quatrième région (8) à diffusion d'impuretés d'un
deuxième type de conductivité, et d'une cinquième région (7) à diffusion d'impuretés d'un premier type de conductivité.
14. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la
revendication 13, dans lequel une deuxième région (9) à diffusion d'impuretés d'un deuxième type de conductivité pour supprimer un courant d'obscurité et un drain de30 débordement (4) sont respectivement formés sur ladite partie photoréceptrice.
15. Dispositif de prise d'image à semiconducteur du type CCD ayant un drain de débordement selon la revendication 14, comprenant en outre une couche d'arrêt35 (3) constituée d'une sixième région (3) à diffusion d'impuretés ayant une deuxième conductivité, disposée
entre ledit drain de débordement (4) et ladite partie photo réceptrice.
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Patent Citations (4)
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