FR2961347A1

FR2961347A1 - Capteur d'image a multiplication d'electrons

Info

Publication number: FR2961347A1
Application number: FR1002530A
Authority: FR
Inventors: Frederic Mayer
Original assignee: e2v Semiconductors SAS
Current assignee: Teledyne e2v Semiconductors SAS
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-16
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: IL213401A0; JP5994137B2; US8592740B2; JP2012004569A; US20110303822A1; IL213401A; FR2961347B1

Abstract

L'invention concerne les capteurs d'image, et plus particulièrement ceux qui sont destinés à recueillir des images à bas niveau de luminance. On propose un capteur d'image à pixels actifs, chaque pixel comprenant, à la surface d'une couche active semiconductrice (12), une région de photodiode (PHD) adjacente à une grille de transfert (TR) elle-même adjacente à une région de stockage de charges (18), la grille de transfert autorisant, lorsqu'elle reçoit une impulsion de transfert, le transfert de charges de la région de photodiode vers la région de stockage. La région de photodiode est adjacente à une grille d'accélération (GA) isolée de la couche active semiconductrice. Des moyens de commutation sont prévus pour appliquer à la grille d'accélération, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances d'un potentiel haut et d'un potentiel bas induisant un champ électrique alternativement dans un sens et dans l'autre entre la région de photodiode et la région de couche active située sous la grille d'accélération. Les impacts avec les atomes du réseau créent des électrons secondaires, ce qui augmente la sensibilité du capteur.

Description

CAPTEUR D'IMAGE A MULTIPLICATION D'ELECTRONS L'invention concerne les capteurs d'image, et plus particulièrement ceux qui sont destinés à recueillir des images à bas niveau de luminance. Lorsque le niveau de lumière est faible, les pixels d'un capteur d'image matriciel recueillent peu d'électrons ; on est obligé d'augmenter beaucoup la durée d'intégration pour obtenir une image, mais c'est au détriment du rapport signal sur bruit. En technologie CCD (Charge-Coupled Devices) on a déjà proposé d'incorporer au capteur des systèmes de multiplication d'électrons qui créent des électrons supplémentaires à partir des électrons générés naturellement par la lumière. Le signal électrique qui est recueilli ensuite est donc multiplié par un coefficient. Le bruit augmente aussi mais dans un rapport plus faible que le signal. Ces principes de multiplication d'électrons en technologie CCD consistent à augmenter les différences de potentiel présentes entre les grilles de transfert de charges, ce qui accélère les électrons en cours de transfert ; l'énergie qui leur est conférée est suffisante pour que les impacts avec les atomes du matériau semiconducteur fassent passer des électrons de ces atomes de la bande de valence à la bande de conduction. Ces électrons arrachés aux atomes sont eux-mêmes accélérés et peuvent donner lieu à d'autres impacts. Il en résulte un phénomène de multiplication d'électrons. Dans les capteurs CCD on peut le faire car les électrons sont transférés de grille en grille et c'est l'augmentation de la tension sur certaines grilles qui permet d'accélérer fortement les électrons pour provoquer cette multiplication.

Mais dans les capteurs à pixels actifs, comprenant au sein de chaque pixel un circuit (quelques transistors) de conversion charge-tension, ce n'est pas possible car les paquets d'électrons sont convertis en tension immédiatement après chaque période d'intégration. Ils ne sont pas transférés de grille en grille.

L'invention propose un capteur d'image qui utilise des pixels actifs et qui permet quand même une multiplication d'électrons dans le but de fournir des images satisfaisantes même en présence de très bas niveau de lumière. Selon l'invention, on propose un capteur d'image à pixels actifs, chaque pixel comprenant, à la surface d'une couche active semiconductrice, une région de photodiode adjacente à une grille de transfert elle-même adjacente à une région de stockage de charges, la grille de transfert autorisant, lorsqu'elle reçoit une impulsion de transfert, le transfert de charges de la région de photodiode vers la région de stockage, ce capteur étant caractérisé en ce que la région de photodiode est adjacente à une grille d'accélération isolée de la couche active semiconductrice, et en ce que le capteur comprend des moyens de commutation agencés pour appliquer à la grille d'accélération, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances d'un potentiel haut et d'un potentiel bas induisant un champ électrique alternativement dans un sens et dans l'autre entre la région de photodiode et la région de couche active située sous la grille d'accélération. La multiplication d'électrons a lieu pendant l'intégration de charges et dans la photodiode elle-même, en ce sens que les électrons (photogénérés ou résultant déjà d'impacts de porteurs avec les atomes) sont accélérés tour à tour de la photodiode vers la grille d'accélération et de la grille d'accélération vers la photodiode. Au cours de ces trajets, les impacts avec les atomes de la couche semiconductrice de la région de photodiode ou de la région située sous la grille d'accélération font passer d'autres électrons de la bande de valence dans la bande de conduction. Ils perdent de l'énergie lors de ces impacts mais ils sont à nouveau accélérés par le champ électrique présent. Le nombre d'alternances des potentiels appliqués à la grille d'accélération détermine le coefficient de multiplication global obtenu à la fin d'une durée d'intégration T, c'est-à-dire entre deux impulsions de transfert successives de la photodiode vers la région de stockage de charges. La photodiode est une photodiode de type "pinned", c'est-à-dire dotée d'une région superficielle dopée maintenue à un potentiel de référence zéro ; cette région induit dans la photodiode un potentiel de base fixe (en l'absence de charges photogénérées) qui dépend des dopages de la photodiode ; l'alternance de potentiels appliqués à la grille d'accélération comprend un potentiel haut qui induit sous la grille un potentiel de surface plus élevé que le potentiel de base de la photodiode et un potentiel bas qui induit sous la grille un potentiel de surface plus bas que le potentiel de base de la photodiode.

De préférence, la région de photodiode entoure complètement la grille d'accélération. Cependant elle peut aussi être adjacente à un bord de la photodiode. II peut y avoir deux grilles d'accélération (non adjacentes) commandées par des potentiels alternativement haut et bas. Elles sont de préférence chacune entourée complètement par la région de photodiode. Les deux grilles sont de préférence portées à des potentiels en opposition de phase pendant la série d'alternances. Il peut aussi y avoir plus de deux grilles d'accélération séparées les unes des autres par des portions de la région de photodiode.

La grille de transfert entre la région de photodiode et la région de stockage est, comme la grille d'accélération, isolée de la couche active semiconductrice par une couche isolante. On prévoit de préférence que l'épaisseur de couche isolante présente sous la grille d'accélération est supérieure à l'épaisseur de couche isolante présente sous la grille de transfert, pour permettre d'appliquer sur la grille d'accélération un potentiel plus élevé que sur la grille de transfert.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux 25 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente en coupe verticale la structure générale d'un capteur d'image à pixels actifs ; - la figure 2 représente en coupe verticale la structure d'un pixel modifié selon l'invention ; 30 - la figure 3 représente le diagramme des potentiels successifs apparaissant au cours de deux alternances de commutation de la grille d'accélération ; - la figure 4 représente en vue de dessus un exemple de disposition des éléments du pixel de la figure 2 ; - la figure 5 représente en coupe verticale un pixel d'un capteur selon l'invention formé sur un substrat aminci éclairé par la face arrière; - la figure 6 représente une vue de dessus d'un pixel modifié ayant deux grilles d'accélération fonctionnant en alternance.

Sur la figure 1 on a représenté les éléments principaux d'un pixel actif de technologie CMOS classique. Le pixel est formé dans un substrat 10 qui comprend de préférence une couche active semiconductrice 12 de type P peu dopée (le symbole P- est utilisé pour désigner ce faible dopage) formée à la surface d'une couche plus dopée (P+). Le pixel est isolé des pixels voisins par une barrière isolante 13 qui l'entoure complètement. Cette barrière peut être une tranchée isolante superficielle au-dessus d'un caisson de type P. Le pixel comprend une région de photodiode PHD qui est délimitée par les contours d'une région semiconductrice de type N implantée dans une partie de la profondeur de la couche active 12. Cette région implantée est surmontée par une région superficielle 16 de type P+, qui est maintenue à un potentiel de référence zéro. Le potentiel de référence zéro est celui qui est appliqué à la couche active P-. Dans le cas le plus simple, c'est le potentiel du substrat de type P+ situé sous la couche active et appliquant son propre potentiel à la couche active ; le maintien de la région superficielle 16 à ce potentiel zéro est réalisé par exemple par le fait que la région 16 touche une diffusion profonde 15 de type P+ qui rejoint le substrat 10. Un contact électrique peut aussi être prévu sur cette diffusion 15 pour appliquer par ce contact un potentiel zéro à la région 16. Une région de stockage de charges 18 est prévue en dehors de la région de photodiode PHD ; elle en est séparée par une grille isolée TR qui permet d'autoriser ou d'interdire un transfert des charges stockées dans la photodiode vers la région de stockage. La région de stockage de charges 18 est une diffusion de type N dans la couche active 12. Un contact est formé sur la région de stockage, pour permettre d'appliquer le potentiel de cette région sur la grille d'un transistor suiveur non représenté, afin de transformer en niveau de tension électrique la quantité de charges contenue dans la région de stockage.

Une autre grille RS, appelée grille de réinitialisation, permet de vider les charges de la région de stockage vers un drain d'évacuation 20 qui est une région de type N+ reliée à un potentiel de réinitialisation positif Vref. Le pixel fonctionne en général de la manière suivante : l'éclairement de la région de photodiode PHD pendant une durée d'intégration T génère des charges électriques (des électrons dans le cas présent mais ce pourrait être des trous si on inversait tous les types de conductivité et les signes des différences de potentiel appliquées). Ces charges sont stockées dans la région N de la photodiode. Avant la fin de la durée T, le potentiel de la région de stockage est réinitialisé à Vref par la grille de réinitialisation RS. A la fin de la durée T, une impulsion de transfert est appliquée à la grille TR et les charges stockées dans la photodiode viennent se déverser dans la région de stockage. Elles sont ensuite lues par le transistor suiveur non représenté, pendant qu'une nouvelle durée d'intégration commence. Selon l'invention, on prévoit des moyens pour déplacer les électrons stockés dans la photodiode vers une région de couche active située sous une grille d'accélération et de les accélérer en sens inverse de cette région vers la photodiode pendant la durée d'intégration en commutant alternativement de multiples fois le potentiel appliqué à la grille d'accélération. Si on part de la structure de pixel représentée à la figure 2 (mais on pourrait partir d'autres structures), on prévoit une grille d'accélération GA adjacente à la région de photodiode. La grille GA est de préférence complètement entourée par la région de photodiode PHD, mais elle pourrait aussi être adjacente à un bord de celle-ci. La grille GA est isolée de la couche active semiconductrice 12 de type P- par une couche isolante, en principe en oxyde de silicium. Cette couche isolante est de préférence plus épaisse que la couche isolante qui sépare la grille de transfert TR de la couche active. En effet, pour la grille de transfert TR il est important que la couche isolante soit très mince pour assurer un transfert le plus efficace possible, mais pour la grille d'accélération un isolant plus épais permet d'appliquer des tensions d'accélération plus élevées que celles qu'on applique à la grille de transfert.

Des isolants de même épaisseur sont cependant possibles.

La figure 4 représente en vue de dessus une disposition possible des éléments du pixel ; la figure 2 est une coupe selon la ligne AA de la figure 4. Pour simplifier, on n'a pas représenté des éléments qui peuvent être classiquement présents dans le pixel et notamment un transistor suiveur pour recopier le potentiel de la région de stockage 18, et un transistor de sélection de ligne, dans le cas d'une matrice de plusieurs lignes de pixels, pour autoriser la connexion de la source du transistor suiveur à un conducteur de colonne de la matrice. Ces éléments sont de toutes façons situés en dehors de la région d'isolation 13 qui entoure la photodiode.

De même que la grille de transfert est immédiatement adjacente à la région de photodiode, sans interposition de région d'isolation 13, la grille d'accélération est également immédiatement adjacente à la photodiode. Ainsi les charges peuvent circuler entre la région N de la photodiode et la région P- située sous la grille d'accélération, en fonction des potentiels respectifs de ces deux régions. Des moyens de commutation de potentiel sont prévus pour appliquer directement à la grille d'accélération GA une série d'alternances d'un potentiel haut et d'un potentiel bas. Ces moyens de commutation ne sont pas représentés car ils ne sont pas situés dans le pixel. Si le capteur comporte une matrice de pixels, ces moyens de commutation sont communs à toute la matrice et les grilles d'accélération GA de tous les pixels peuvent être reliées toutes ensemble à ces moyens de commutation. La série d'alternances est appliquée pendant la durée d'intégration T qui sépare deux transferts successifs de charges (par la grille de transfert) entre la région de photodiode PHD et la région de stockage 18. La figure 3 représente schématiquement le diagramme des potentiels présents dans le semiconducteur pendant la série d'alternances. Conformément à l'habitude de représentation des diagrammes de potentiel lorsque les charges considérées sont des électrons, les potentiels positifs vont en croissant vers le bas de la figure. II y a pendant la période d'intégration T une série d'alternances de deux phases différentes résultant de l'application alternée d'un potentiel haut et d'un potentiel bas à la grille d'accélération. Le haut de la figure 4 représente la première phase ; le bas de la figure 4 représente la deuxième phase. On peut prévoir de nombreuses alternances pendant une durée d'intégration T, par exemple plusieurs centaines ou plusieurs milliers d'alternances. Avant la fin de la durée d'intégration, l'alternance des potentiels est arrêtée, la grille est maintenue au niveau bas (pour qu'il n'y ait plus d'électrons sous la grille d'accélération) et l'impulsion de transfert est appliquée à la grille de transfert pour vider vers la région de stockage 18 les charges contenues dans la photodiode ; cette impulsion définit la fin de la durée d'intégration courante et le début d'une nouvelle durée d'intégration lorsque le potentiel de la grille de transfert remonte. Les alternances de potentiels sur la grille d'accélération peuvent reprendre après la fin de l'impulsion de transfert, mais il n'est pas indispensable de commencer immédiatement après la fin de l'impulsion de transfert. Le potentiel de la région superficielle P+ 16 de la photodiode est maintenu à zéro par le fait que cette région est reliée au potentiel du substrat. Il en résulte un potentiel de référence Vclmp dans la région de photodiode en l'absence de charges générées par l'éclairement. Première alternance : le potentiel haut appliqué à la grille d'accélération GA engendre un puits de potentiel adjacent à la région de photodiode et les charges générées par l'éclairement se déversent de la région de photodiode vers ce puits. Des électrons secondaires sont engendrés par les impacts avec les atomes du réseau lors de ce déversement, en quantité proportionnelle à l'énergie d'accélération conférée aux électrons, donc d'autant plus grande que le potentiel de la grille d'accélération est plus élevé. Pendant la durée d'intégration, la grille de transfert TR est à un potentiel bas créant une barrière de potentiel, de sorte que les électrons générés par l'éclairement ou les électrons secondaires sont confinés dans la région de la photodiode et dans la région située sous la grille d'accélération. Deuxième alternance : la grille d'accélération est portée à un potentiel bas ; le fond du puits de potentiel présent dans la région située sous la grille remonte au-dessus du niveau du potentiel dans la région N de la photodiode. Les charges qui étaient présentes sous la grille GA retombent dans la région N de la photodiode. Elles restent confinées dans cette région en raison des barrières constituées par la région d'isolation 13 et la grille de transfert TR qui à un potentiel bas.

Ainsi de suite les charges générées dans la photodiode subissent des aller-retours à chaque alternance du potentiel appliqué à la grille d'accélération. Les accélérations subies par les électrons dans chaque trajet engendrent des électrons secondaires. D'où un effet de multiplication d'électrons et donc une augmentation de la sensibilité du pixel. On peut prévoir que l'utilisation d'une alternance de potentiels est déclenchée seulement en cas de très faible éclairement. Par exemple, en fonction du niveau d'éclairement détecté, on déclenche ou on ne déclenche pas la série d'alternances de potentiels. Si on ne la déclenche pas, on laisse la grille d'accélération au niveau bas. Et si on la déclenche, on peut prévoir que le nombre d'alternances est variable en fonction du niveau d'éclairement détecté. On notera qu'on peut prévoir d'appliquer une impulsion de tension négative sur la grille d'accélération à la fin de la durée d'intégration, pour dépiéger les électrons qui auraient pu être piégés dans la couche isolante sous la grille au cours des alternances. Une telle impulsion négative pourrait même être appliquée à la fin de chaque alternance. La région semiconductrice 12 de type P- située sous la grille d'accélération GA est photosensible comme la région de la photodiode, bien qu'elle soit moins sensible dans le bleu à cause de la présence de la grille qui fait écran à la lumière ; les porteurs photogénérés sous la grille sont stockés sous la grille ou attirés dans la région de photodiode selon le potentiel de la grille. Pour cette raison, la présence de la grille n'affecte pratiquement pas la surface utile photosensible du pixel, donc sa sensibilité, même si la grille ne fait pas partie de la photodiode. De plus, si la technologie utilisée est une technologie de capteur sur substrat de silicium aminci éclairé par la face arrière, il n'y a même plus de réduction de sensibilité dans le bleu puisque la grille ne fait plus écran à la lumière. On remarque aussi que l'application d'une tension relativement élevée sur la grille d'accélération tend à augmenter la zone de charge d'espace (région déplétée de porteurs) sous la région N de la photodiode, ce qui augmente la sensibilité dans le rouge en évitant des recombinaisons de porteurs en profondeur dans la région P- c'est-à-dire loin de la région N. La figure 5 représente une coupe verticale d'un pixel analogue à celui de la figure 2 mais formé sur un substrat aminci éclairé par la face arrière. Dans les techniques d'amincissement, les divers éléments du capteur sont fabriqués dans la couche active 12 par la face avant du substrat qui porte la couche active, puis cette face avant est reportée sur un autre substrat 30 et la face arrière est amincie jusqu'à quelques micromètres d'épaisseur de couche active 12. Une couche isolante de planarisation 32 est interposée entre la face avant de la couche active 12 et le substrat de report 30.

Dans la réalisation qui précède on a prévu une grille d'accélération adjacente à la région de photodiode, mais on peut aussi prévoir deux grilles d'accélération séparées l'une de l'autre, ou même plus de deux grilles. La figure 6 représente une configuration avec deux grilles. Les deux grilles fonctionnent de préférence en opposition de phase pour renforcer l'effet d'accélération. Toutefois, à la fin de la série d'alternances, avant l'émission de l'impulsion de transfert, on prévoit que les deux grilles sont placées au niveau de potentiel bas. De préférence, chacune des grilles d'accélération est entièrement entourée par la région de photodiode, mais dans certains cas on peut préférer que les grilles soient placées sur un bord de la région de photodiode. Par exemple, pour des pixels de grande dimension, on peut préférer placer des grilles aux quatre coins de la région de photodiode, dans le but de mieux repousser les électrons lors du transfert de charges vers la région de stockage ; les grilles étant au potentiel bas au moment du transfert, elles aident à repousser les électrons en évitant que des poches de potentiel ne se forment dans les coins.

Claims

REVENDICATIONS1. Capteur d'image à pixels actifs, chaque pixel comprenant, à la surface d'une couche active semiconductrice (12), une région de photodiode (PHD) adjacente à une grille de transfert (TR) elle-même adjacente à une région de stockage de charges (18), la grille de transfert autorisant, lorsqu'elle reçoit une impulsion de transfert, le transfert de charges de la région de photodiode vers la région de stockage, ce capteur étant caractérisé en ce que la région de photodiode est adjacente à une grille d'accélération (GA) isolée de la couche active semiconductrice, et en ce que le capteur comprend des moyens de commutation agencés pour appliquer à la grille d'accélération, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances d'un potentiel haut et d'un potentiel bas induisant un champ électrique alternativement dans un sens et dans l'autre entre la région de photodiode et la région de couche active située sous la grille d'accélération.
2. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de photodiode comprend une région (14) d'un premier type de conductivité (N) recouverte par une région superficielle (16) du type opposé maintenue à un potentiel de référence zéro, et en ce que le potentiel haut de l'alternance est plus élevé que le potentiel de référence zéro et le potentiel bas est plus bas que le potentiel de référence zéro.
3. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la région de photodiode entoure complètement la grille d'accélération.
4. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la grille d'accélération est placée dans un coin de la région de photodiode.
5. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une autre grille d'accélération non30adjacente à la première, commandée alternativement par un potentiel haut et un potentiel bas.
6. Capteur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce 5 que les deux grilles d'accélération sont commandées en opposition de phase pendant la série d'alternances.
7. Capteur d'image selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les grilles d'accélération sont chacune entourée 10 complètement par la région de photodiode.
8. Capteur d'image selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les grilles d'accélération sont placées chacune dans un coin de la région de photodiode.
9. Capteur d'image selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend plus de deux grilles d'accélération séparées les unes des autres par des portions de la région de photodiode. 20
10. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la grille de transfert entre la région de photodiode et la région de stockage est isolée de la couche active semiconductrice par une première couche isolante, et la grille d'accélération est isolée de la couche active semiconductrice par une deuxième couche isolante, l'épaisseur de la 25 deuxième couche isolante étant supérieure à celle de la première couche isolante. 15