FR2947381A1 - Capteur photosensible a transfert de charges comportant des electrodes verticales. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur et comportant un réseau matriciel d'électrodes (29) formant des rangées (27) et des colonnes (35), dans lequel les électrodes s'étendent, selon des rangées (27), dans des rainures successives à parois isolées, creusées dans l'épaisseur du substrat et parallèles à la direction (39) de transfert des charges.
Description
B9664 - 08-GR3-334 1 CAPTEUR PHOTOSENSIBLE À TRANSFERT DE CHARGES COMPORTANT DES ÉLECTRODES VERTICALES
Domaine de l'invention La présente invention concerne les dispositifs à transfert de charges ou dispositifs CCD (de l'anglais "Charge Coupled Devices"). Elle vise plus particulièrement un dispositif matriciel CCD à quatre phases. Ci-après, on décrira une application préférée à un capteur d'images CCD, étant entendu que la présente invention peut s'appliquer à tout type de dispositif CCD. Exposé de l'art antérieur Les figures 1A à 1C représentent de façon schématique une portion d'un capteur d'images à transfert de charges. La figure 1A est une vue de dessus, la figure 1B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 1A et la figure 1C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 1A.
Sur un substrat 1 de silicium dopé de type P, est disposée une couche 3 dopée de type N. Le substrat 1 et la couche 3 constituent la zone de photoconversion du capteur. La partie supérieure de la zone de photoconversion est divisée en une pluralité de lignes 5 séparées par des rangées d'isolement 7, constituées par exemple de tranchées remplies d'oxyde. Au dessus de la couche 3, sont disposées des colonnes d'électrodes B9664 - 08-GR3-334
2 isolées 9, par exemple en silicium polycristallin, équidistantes et perpendiculaires aux lignes 5. Une mince couche d'oxyde 11 déposée à la surface de la couche 3, isole les électrodes 9 de la couche 3. Les électrodes 9, convenablement polarisées, définissent dans chaque ligne 5 une succession de puits de potentiel dans lesquels des charges électriques peuvent s'accumuler. Dans l'exemple représenté, un pixel est défini dans chaque ligne par quatre électrodes successives G1 à G4. Le puits de potentiel correspondant à un tel pixel est créé par application d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de 5 V, aux électrodes G2 et G3, et d'un potentiel bas, inférieur au potentiel haut, par exemple de l'ordre de 0 V, aux électrodes G1 et G4. Au cours d'une période d'acquisition d'image, le capteur est éclairé et des électrons, issus de la création, par absorption d'un photon, d'une paire électron-trou dans la zone de photoconversion, s'accumulent dans les puits de potentiel qui se remplissent proportionnellement à l'éclairement du pixel correspondant. La lumière d'éclairement doit traverser les électrodes 9 et la couche d'isolement 11. L'épaisseur de la région active du capteur, constituée essentiellement par le substrat 1 et la couche 3, est suffisante pour absorber les photons quelles que soient leurs longueurs d'onde dans le spectre utile.
Après la période d'acquisition, il est prévu une période de transfert, au cours de laquelle les charges accumulées dans les puits de potentiel sont transférées, dans le sens des flèches 13, en parallèle pour la pluralité de colonnes et en série pour les pixels d'une même ligne 5, vers des circuits de lecture et/ou de mémorisation. Le décalage des charges est assuré par des modifications successives des potentiels appliqués aux électrodes. La figure 2 illustre de façon schématique un mode simple de transfert à quatre phases des charges d'un puits à un puits adjacent par commutation, entre des états haut et bas, de B9664 - 08-GR3-334
3 potentiels c1, 42, c3, 4.4 appliqués aux électrodes G1, G2, G3, G4 de chaque pixel. A un instant tO correspondant à la fin d'une période d'acquisition d'image, des charges, représentées par les zones hachurées de la figure, sont stockées dans des puits de potentiel formés par application d'un potentiel haut sur les électrodes G2 et G3 et d'un potentiel bas sur les électrodes G1 et G4. A un instant tO + T, T étant la période d'horloge de pilotage du transfert des charges, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G2 et G4. Ainsi, le décalage des puits de potentiel entraîne le décalage, en synchronisme, des paquets de charge vers la droite. Pour faciliter le transfert, l'électrode G4 sera mise au potentiel haut avant que l'électrode G2 ne soit mise au potentiel bas. A un instant tO + 2T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G1 et G3. A un instant tO + 3T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G2 et G4. Enfin, à un instant tO + 4T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G1 et G3. Ainsi, à la quatrième période d'horloge après l'instant tO, les charges accumulées dans un puits de potentiel sous un pixel ont été décalées vers un puits de potentiel sous un pixel adjacent de la même ligne. A la sortie du capteur, les paquets de charge décalés peuvent être convertis en tensions électriques par des circuits adaptés, pour former un signal d'image. Bien entendu, la période de transfert est courte par rapport à la période d'acquisition. A titre d'exemple, la période d'acquisition est de l'ordre de 20 à 50 ms et la fréquence d'horloge de commutation des électrodes peut être supérieure à 2 MHz, ce qui donne une durée de transfert inférieure à 2 ms pour une ligne de 1000 pixels et un décalage en quatre phases. Pour réduire la période de transfert, on peut 35 également mettre en oeuvre un décalage en trois phases.
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4 Un inconvénient du capteur CCD décrit ci-dessus est que la lumière doit traverser les électrodes de commande de transfert en silicium polycristallin. Une partie des photons est donc absorbée dans les électrodes ce qui réduit la sensibilité du capteur, notamment dans la gamme des bleus. En effet, les photons bleus sont absorbés sur une courte distance tandis que les photons rouges pénètrent plus profondément dans le silicium. Pour pallier cet inconvénient on peut disposer les électrodes de transfert à côté de la région de photoconversion plutôt qu'au dessus. Toutefois cette solution présente l'inconvénient d'augmenter l'encombrement pour une taille de région de photo-conversion donnée. Un autre inconvénient de ce type de capteur réside dans le fait que la capacité de stockage de charges associée à chaque pixel est limitée par la surface des électrodes et par d'éventuelles recombinaisons de porteurs. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des 20 capteurs d'images à transfert de charge classiques. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une structure de capteur à sensibilité améliorée et à faible encombrement. Un objet d'un mode de réalisation de la présente 25 invention est de proposer un tel capteur facile réaliser. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur et comportant un réseau matriciel d'électrodes formant des rangées et des colonnes, dans lequel : 30 les électrodes s'étendent, selon des rangées, dans des rainures successives à parois isolées, creusées dans l'épaisseur du substrat et parallèles à la direction de transfert des charges. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'images comprenant un dispositif à transfert B9664 - 08-GR3-334
de charges tel que susmentionné, adapté à recevoir un rayonnement lumineux. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un élément d'image correspond à l'espace compris entre quatre 5 électrodes successives d'une rangée et quatre électrodes successives en regard d'une rangée adjacente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les électrodes d'une même colonne sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en quatre phases. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un élément d'image correspond à l'espace compris entre trois électrodes successives d'une rangée et trois électrodes successives en regard d'une rangée adjacente.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les électrodes d'une même colonne sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en trois phases. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie supérieure du substrat comporte une première couche semiconductrice dopée d'un premier type de conductivité d'un premier niveau de dopage, et une deuxième couche semiconductrice dopée d'un second type de conductivité, recouvrant la première couche.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, une troisième couche semiconductrice dopée du premier type de conductivité, d'un niveau de dopage supérieur au premier niveau, recouvre la deuxième couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 les électrodes sont en silicium polycristallin dopé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une extrémité de chaque ligne est reliée à un dispositif de lecture adapté à convertir les charges en un signal électrique d'image.
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6 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 : la figure 1A, précédemment décrite, est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un capteur CCD ; la figure 1B, précédemment décrite, est une vue en 10 coupe selon le plan B-B de la figure 1A; la figure 1C, précédemment décrite, est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 1A ; la figure 2, précédemment décrite, illustre de façon schématique le transfert des charges dans un capteur CCD à 15 quatre phases ; la figure 3A est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un capteur CCD selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3B est une vue en coupe selon le plan B-B de 20 la figure 3A ; la figure 3C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 3A ; et la figure 4 est une vue en perspective partielle du capteur des figures 3A à 3C. 25 Description détaillée Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans le capteur décrit ici, les électrodes de 30 transfert des charges sont disposées verticalement, en profondeur dans la zone de photoconversion du substrat. Les figures 3A à 3C représentent de façon schématique une portion d'un capteur d'images à transfert de charges. La figure 3A est une vue de dessus, la figure 3B est une vue en B9664 - 08-GR3-334
7 coupe selon le plan B-B de la figure 3A, et la figure 3C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 3A. La figure 4 est une vue en perspective représentant de façon schématique une partie des figures 3A à 3C.
Sur un substrat 21 de silicium dopé de type P, est disposée une couche 23 dopée de type N. La couche 23 et éventuellement la partie supérieure du substrat 21 constituent la zone de photoconversion du capteur. Une mince couche 33 dopée de type P est formée à la surface de la couche 23. La couche 33 a notamment pour rôle d'éviter la présence d'une interface entre la face supérieure de la couche 23 et une couche supérieure (non représentée) d'oxyde de silicium. En effet, la présence d'une interface entre la couche 23 contenant des porteurs de charge et une couche d'oxyde de silicium conduirait à une réduction du nombre de porteurs par piégeage à l'interface ou à une augmentation du courant d'obscurité. Un deuxième rôle de la couche 33 est de maintenir une tension de référence dans la couche 23. La partie supérieure de la zone de photoconversion est divisée en une pluralité de lignes 25 séparées par des rangées 27 d'électrodes isolées 29, s'étendant verticalement à travers les couches 33, 23 et 21. Chaque rangée d'électrodes 29 est constituée par exemple de cavités parallélépipédiques successives et alignées, ou rainures, emplies de silicium polycristallin dopé, isolé du substrat par une couche d'oxyde 31. Les électrodes 29 de deux rangées 27 adjacentes sont en regard deux à deux et forment des colonnes 35 d'électrodes. Les électrodes 29, convenablement polarisées, définissent dans chaque ligne 25 une succession de puits de potentiel dans lesquels des charges électriques peuvent s'accumuler. Dans l'exemple représenté, un pixel est défini par la région comprise entre quatre électrodes successives G1 à G4 d'une première rangée 27, et les quatre électrodes correspondantes G1 à G4 d'une seconde rangée 27 adjacente à la première rangée. Le puits de potentiel correspondant est créé par application d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de B9664 - 08-GR3-334
8 V aux électrodes G2 et aux électrodes G3, et d'un potentiel bas, inférieur au potentiel haut, par exemple de l'ordre de 0 V, aux électrodes G1 et aux électrodes G4. Tout autre mode de polarisation des électrodes pendant la phase d'acquisition est 5 envisageable. On pourra par exemple choisir une polarisation adaptée à réduire les courants d'obscurité. En pratique, dans cet exemple, toutes les électrodes d'une même colonne 35 sont reliées entre elles et sont mises à un même potentiel.
Il convient de disposer convenablement les électrodes pour éviter d'éventuelles fuites de charges d'une ligne de pixels vers une ligne adjacente. On choisira par exemple de préférence de positionner les électrodes de façon que l'écart entre deux électrodes adjacentes d'une même colonne soit supérieur à l'écart entre deux électrodes adjacentes d'une même ligne. Au cours d'une période d'acquisition d'image, la face supérieure du capteur est éclairée et des électrons, issus de la création, par absorption d'un photon, d'une paire électron-trou dans la zone de photoconversion, s'accumulent dans les puits de potentiel qui se remplissent proportionnellement à l'éclairement du pixel correspondant. Le substrat 21 est relié, en fonctionnement, à un potentiel de référence, par exemple la masse, permettant l'écoulement des trous issus de la photoconversion.
La profondeur des électrodes 29 est de préférence choisie de façon à limiter les phénomènes de diaphotie, c'est-à-dire que cette profondeur est de préférence égale à la profondeur de la zone dans laquelle les photons incidents sont en majorité susceptibles de créer des paires électron-trou (par exemple 9 m pour du rouge). La polarisation des électrodes est telle que les électrons photogénérés s'accumulent dans la couche 23 de type N, dans un volume 37 délimité de façon schématique par des traits en pointillés en figure 3C. On notera qu'il n'existe pas d'interface directe entre le volume 37 d'accumulation des B9664 - 08-GR3-334
9 électrons et la couche d'oxyde 31 d'isolation des électrodes 29, ni avec un couche d'oxyde supérieure, ce qui évite des pertes de charge à l'interface. Pour obtenir une capacité de stockage de charges maximale entre les électrodes, l'épaisseur de la couche 23 est de préférence proche de la profondeur des électrodes 29. Ainsi, la zone de photoconversion est essentiellement constituée par la couche 23 de type N. Après la période d'acquisition, il est prévu une période de transfert, au cours de laquelle les charges accumulées dans les puits de potentiel sont transférées, dans le sens des flèches 39, en parallèle pour la pluralité de colonnes et en série pour les pixels d'une même ligne 25, vers des circuits de lecture et/ou de mémorisation à la périphérie du capteur. Le décalage des charges est assuré par des modifications de potentiel successives appropriées appliquées aux électrodes, en quatre phases, de la façon décrite en relation avec la figure 2, ou en trois phases. Un avantage du capteur CCD décrit est qu'il est simple à réaliser. A titre d'exemple, on forme par épitaxie une couche semiconductrice dopée de type N sur un substrat dopé de type P. On dope de type P la partie supérieure de la couche de type N. On réalise par gravure des tranchées étroites dans le substrat. Ces tranchées sont isolées du substrat par une couche d'oxyde puis emplies de silicium polycristallin dopé constituant les électrodes. La face supérieure des électrodes est laissée libre pour former un contact électrique avec l'extérieur. Un autre avantage du capteur CCD décrit est que la lumière d'éclairement du capteur ne traverse pas les électrodes de commande de transfert des charges. La sensibilité du capteur s'en trouve améliorée. En outre, le mode de réalisation proposé n'augmente pas l'encombrement des pixels par rapport aux solutions de l'art antérieur. Selon un autre avantage du capteur CCD décrit, la 35 capacité de stockage de charges associée à un pixel est B9664 - 08-GR3-334
10 supérieure à celle des solutions de l'art antérieur pour une même surface de pixel. En effet, dans le mode de réalisation proposé, la concentration en dopants et le volume de la couche N des puits de potentiel sont plus importants que lorsque les électrodes sont disposées à la surface du capteur. En outre, la capacité de stockage peut être ajustée en augmentant ou en réduisant la distance entre deux rangées d'électrodes. Selon un autre avantage du capteur CCD décrit, les tensions mises en oeuvre pour le transfert des charges peuvent être diminuées par rapport aux solutions de l'art antérieur puisque dans le mode de réalisation proposé deux électrodes adjacentes d'une même colonne coopèrent pour créer les puits de potentiel. 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 a présenté ci-dessus un mode de réalisation d'un capteur CCD éclairé par la face avant. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché pour un capteur CCD éclairé par la face arrière. En outre, l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en inversant les types de conductivité des couches semiconductrices et en modifiant en conséquence les tensions appliquées. Par ailleurs, on a mentionné dans la description ci-dessus des électrodes en silicium polycristallin dopé et des régions isolantes en oxyde de silicium. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le type de matériau conducteur utilisé pour réaliser les électrodes et quel que soit le matériau isolant utilisé pour réaliser les régions isolantes.
On a décrit ci-dessus des modes de réalisation de capteurs d'images à transfert de charges à quatre phases. Toutefois, la présente invention ne s'applique pas uniquement aux dispositifs d'acquisition d'image. L'homme de l'art saura également mettre en oeuvre un registre à décalage à transfert de charges à quatre phases selon un mode de réalisation décrit ci- B9664 - 08-GR3-334
11 dessus, et dans lequel les charges ne sont pas photogénérées mais injectées, par exemple en amont des lignes de transfert.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur (21, 23) et comportant un réseau matriciel d'électrodes (29) formant des rangées (27) et des colonnes (35), dans lequel : les électrodes s'étendent, selon des rangées (27), dans des rainures successives à parois isolées, creusées dans l'épaisseur du substrat et parallèles à la direction (39) de transfert des charges.
- 2. Capteur d'images comprenant un dispositif à 10 transfert de charges selon la revendication 1, adapté à recevoir un rayonnement lumineux.
- 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel un élément d'image correspond à l'espace compris entre quatre électrodes successives d'une rangée et quatre électrodes succes- 15 sives en regard d'une rangée adjacente.
- 4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les électrodes d'une même colonne (35) sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en quatre phases (c1, 42, cD3, c4) . 20
- 5. Capteur selon la revendication 2, dans lequel un élément d'image correspond à l'espace compris entre trois électrodes successives d'une rangée et trois électrodes successives en regard d'une rangée adjacente.
- 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel les 25 électrodes d'une même colonne sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en trois phases.
- 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la partie supérieure du substrat comporte une première couche semiconductrice (21) dopée d'un premier type de 30 conductivité d'un premier niveau de dopage, et une deuxième couche semiconductrice (23) dopée d'un second type de conductivité, recouvrant la première couche.
- 8. Capteur selon la revendication 7, dans lequel une troisième couche (33) semiconductrice dopée du premier type deB9664 - 08-GR3-334 13 conductivité, d'un niveau de dopage supérieur au premier niveau, recouvre la deuxième couche.
- 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel les électrodes sont en silicium polycristallin 5 dopé.
- 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel une extrémité de chaque ligne est reliée à un dispositif de lecture adapté à convertir les charges en un signal électrique d'image.
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