FR2979484A1 - Photosite a photodiode pincee - Google Patents
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Abstract
Photosite comprenant, dans un substrat semi-conducteur, une photodiode confinée dans une direction orthogonale à la surface du substrat comportant une zone semi-conductrice de stockage de charges comprenant dans une région semi-conductrice supérieure ayant un premier type de conductivité (P) un caisson principal (Nw1) d'un second type de conductivité (N) opposé au premier et pincé selon une première direction (X) parallèle à la surface du substrat. La zone de stockage de charges comprend en outre des moyens semi-conducteurs enterrés sous et au contact du caisson principal (Nw1) ayant le second type de conductivité (N).
Description
B11-2386FR 1 Photosite à photodiode pincée L'invention concerne les dispositifs d'imagerie à réseau matriciel de photosites, et plus particulièrement les photosites à photodiode confinée verticalement et comportant une zone de stockage de charges pincée latéralement. Un dispositif d'imagerie, ou capteur, est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié puis numérisé par un convertisseur analogique- numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le dispositif d'imagerie met à profit l'effet photoélectrique. Un dispositif d'imagerie comprend généralement des photosites agencés en matrice, chaque photosite correspondant à un pixel d'une image. Un photosite comprend au moins une zone photosensible, notamment une photodiode, et une zone de lecture des charges accumulées dans la photodiode. Les photons captés par une photodiode d'un photosite sont convertis en paires électrons/trous. Les charges d'un premier type, par exemple les trous, créées dans les zones photosensibles sont drainées en profondeur vers le substrat (p+), les charges d'un second type, par exemple les électrons, sont stockées dans le photosite avant d'être lues grâce à un système électronique.. Généralement, ce système électronique, qui commande la photodiode, comporte, notamment lorsque la photodiode est une photodiode totalement appauvrie («fully depleted» en langue anglaise), un transistor de transfert autorisant le transfert des charges stockées dans la photodiode vers une zone de lecture de charges. Cette zone de lecture de charge forme un noeud de mesure (« Sensing Node » en langue anglaise) au niveau duquel est connectée une électronique de lecture classique comportant notamment un transistor de lecture. Une photodiode fonctionne selon un cycle comprenant au moins une étape d'intégration, une étape de mesure, et une étape de réinitialisation. L'étape d'intégration correspond à la photogénération de charges et leur accumulation lors de l'exposition de la photodiode à la lumière. L'étape de mesure correspond à la génération d'un signal dépendant de la quantité de charges photogénérées accumulées dans la photodiode. L'étape de réinitialisation correspond à l'élimination des charges photogénérées. Sur les figures la à lc est représenté schématiquement un photosite 1 selon l'état de la technique. La figure la illustre, de manière schématique, une vue de dessus du photosite 1, la figure lb présente une vue en coupe selon le plan B-B' du photosite 1 de la figure la, et la figure 1 c présente une vue en coupe selon le plan C-C' du photosite 1 de la figure la. Le photosite 1 comprend, dans un substrat semi-conducteur, une photodiode 2 confinée verticalement. Le photosite 1 est délimité dans le substrat par des tranchées d'isolation 3. La photodiode 2 comporte une zone de stockage de charge définie par un caisson semi-conducteur Nw de conductivité négative N réalisé dans une région semi-conductrice intermédiaire Pw de conductivité positive P comprise verticalement entre une zone semi- conductrice inférieure Pinf et une zone semi-conductrice supérieure Psup toutes deux de conductivité positive P. Le photosite 1 comprend une zone de lecture de charges SN disposée en regard de la zone de stockage de charges de la photodiode 2, à la surface du substrat. La photodiode 2 est une photodiode pincée en ce qu'elle comprend une zone de stockage de charges Nw de conductivité négative N comprise entre deux zones de conductivité positive P, en l'occurrence les zones semi-conductrices intermédiaires Pw, la zone semi-conductrice supérieure Psup et la zone semi-conductrice inférieure Pinf. Le pincement de la photodiode 2 permet de créer un puits de potentiel vertical complètement déserté de porteurs libres dans la zone de stockage de charges NW permettant de réaliser une accumulation des charges photogénérées dans la zone de stockage de charges Nw avant leur transfert vers la zone de lecture de charges SN du photosite 1.
La photodiode 2 comprend une zone de collecte de charge séparée des tranchées d'isolation 3 par une zone de passivation 4 de conductivité positive P et dont la concentration de dopants est très supérieure à la concentration de dopants des zones de conductivité positive P de la zone de collecte. La zone de passivation 4 sépare également la zone semi-conductrice inférieure Pinf de la surface inférieure, ou face arrière Ar, du photosite 1. La passivation de la surface supérieure, ou face avant Av, de la photodiode 2, est réalisée par une surface de passivation 5 qui possède également une concentration de dopants très supérieure à la concentration de dopants des zones de conductivité positive P de la zone de collecte. Le photosite 1 comprend également un transistor de transfert de charges TG surplombant le caisson Nw permettant de réaliser le transfert des charges vers la zone de lecture SN, et un transistor suiveur SF permettant d'amplifier le signal mesuré sur la zone de lecture SN. Le photosite 1 comprend également des moyens d'isolation 6 du noeud de lecture SN qui est disposé entre le caisson Nw et les moyens d'isolation 6, un caisson de passivation 7 disposé sous le noeud de lecture SN, et deux zones d'isolation 8 s'étendant entre les moyens d'isolation 6 et les tranchées d'isolation 3 de manière à isoler le transistor suiveur SF du transistor de transfert de charges TG. Le caisson semi-conducteur Nw formant la zone de stockage de charge est pincé latéralement dans une direction parallèle à la surface du substrat semi-conducteur, Ceci, afin d'augmenter la capacité de stockage de charges Nw de la photodiode 2 en augmentant la concentration de dopants. En pinçant latéralement la zone de stockage de charges Nw, on réduit la largeur du caisson à implanter. Et plus la largeur du caisson Nw est petite plus il est difficile de réaliser une zone de stockage de charges Nw sur toute la profondeur du substrat. . Par conséquent, une partie de la zone de collecte de charges ne comporte pas de puits de potentiel permettant de stocker les charges photogénérées. Les charges créées dans les parties exemptes de puits de potentiel ont une très faible probabilité de recombinaison dans la zone de collecte de charges. Ces charges peuvent se mouvoir jusqu'à passer dans une zone de passivation 4 ou 5 dans laquelle la probabilité de recombinaison est plus élevée. Ces recombinaisons génèrent des pertes de charges dégradant les performances de la photodiode 2.
Dans le cas d'une illumination du photosite sur la face arrière Ar notamment, les photons de petite longueur d'onde, comme les photons bleus, créent des charges dans les faibles profondeurs du substrat, c'est-à-dire juste après la surface de la face arrière Ar. Ces charges sont donc créées à une distance de la zone de stockage de charges plus importantes que les charges créées par des photons de plus grande longueur d'onde, comme les photons rouges, qui génèrent des charges à des profondeurs plus importantes du substrat. Les charges créées par les photons bleus ont une probabilité plus importante d'être perdues par recombinaison électronique dans une zone de passivation que les chargées créées par les photons rouges. Selon un mode de réalisation, il est proposé un photosite comprenant des moyens enterrés permettant de réduire les pertes de charge dues aux recombinaisons électroniques dans les zones de passivation entourant la zone de collecte de charge de la photodiode du photosite. Selon un aspect, il est proposé un photosite comprenant, dans un substrat semi-conducteur, une photodiode confinée dans une direction orthogonale à la surface du substrat comportant une zone semi-conductrice de stockage de charge comprenant dans une région semi-conductrice supérieure ayant un premier type de conductivité un caisson principal d'un second type de conductivité opposé au premier et pincé selon une première direction parallèle à la surface du substrat. La photodiode est confinée verticalement, c'est-à-dire orthogonalement à la surface du substrat, en ce qu'elle comprend une zone semi-conductrice d'un type de conductivité comprise entre deux zones semi-conductrices d'un type de conductivité opposé. Selon une caractéristique générale, la zone de stockage de charges comprend en outre des moyens semi-conducteurs enterrés sous et au contact du caisson principal ayant le second type de conductivité. La profondeur du caisson principal pincé latéralement est limitée par les techniques de réalisation. En enterrant immédiatement sous et au contact du caisson principal des moyens semi-conducteurs ayant le même type de conductivité que le caisson principal, en l'occurrence le second type de conductivité, un puits de potentiel est généré dans la zone de collecte de charges sous le caisson principal, augmentant ainsi la zone de stockage de charges dans la direction de la profondeur de la photodiode. Le puits de potentiel supplémentaire ainsi créé, permet de réduire les pertes de charges photogénérées dans la zone de collecte de charges provoquées par la migration des charges à l'extérieure de ladite zone de collecte de charges. De préférence, les moyens enterrés ont une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopants du caisson principal. De cette façon, le puits de potentiel des moyens enterrés est moins profond que le puits de potentiel du caisson principal, ce qui permet, lors du transfert de charges de la zone de stockage de charge vers la zone de lecture de charges, de transférer toutes les charges accumulées dans le puits de potentiel des moyens enterrés vers la zone de lecture via le puits de potentiel du caisson principal. Une telle configuration permet ainsi d'éviter d'avoir des charges résiduelles à l'issu d'un transfert de charges dégradant les performances de la photodiode.
Le photosite comprend de préférence une couche semi- conductrice ayant le premier type de conductivité disposée entre la région semi-conductrice supérieure et une partie inférieure du substrat, les moyens semi-conducteurs enterrés comprenant dans ladite couche semi-conductrice une chaîne verticale d'au moins un caisson semi-conducteur supplémentaire ayant le second type de conductivité chaque caisson supplémentaire de la chaîne verticale compris entre le premier caisson supplémentaire et le dernier caisson supplémentaire de la chaîne verticale étant en contact uniquement avec un caisson supplémentaire précédent et un caisson supplémentaire suivant.
Les moyens enterrés peuvent ainsi comprendre un caisson supplémentaire ou une succession de caissons supplémentaires de même type de conductivité que le caisson principal, chaque caisson étant enterré sous et au contact d'un caisson immédiatement précédent. Chaque caisson supplémentaire permet ainsi d'augmenter, dans la profondeur du substrat, la zone de stockage de charges et de réduire le taux de pertes de charges. Avantageusement, le caisson supplémentaire enterré immédiatement sous et au contact du caisson principal peut avoir une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopant du caisson principal, et chaque autre caisson supplémentaire peut avoir une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopant du caisson supplémentaire sous lequel il est enterré. De cette manière, la succession de caissons semi-conducteurs formée par le caisson principal et les caissons supplémentaires forme une succession de puits de potentiels de valeur minimale décroissante, assurant ainsi un transfert de toutes les charges accumulées dans la zone de stockage de charges lors du transfert entre la zone de stockage de charges et la zone de lecture. Ceci permet d'éviter d'avoir des charges résiduelles à l'issue d'un transfert de charges commandé par le transistor de transfert de charges. Avantageusement, au moins un caisson supplémentaire de la chaîne verticale peut être pincé selon une direction de pincement correspondant à la première direction de manière à augmenter la concentration de dopants du caisson et donc la capacité de stockage de charges dudit caisson supplémentaire. De préférence, chaque caisson supplémentaire pincé selon la première direction est centré selon la première direction avec le caisson sous lequel il est enterré.
Le centrage dans la première direction d'un caisson supplémentaire pincé selon la première direction avec le caisson semiconducteur supplémentaire ou principal sous et au contact duquel il est enterré permet de réduire le risque d'avoir des charges résiduelles à l'issue d'un transfert de charges. En effet, en centrant dans la première direction un caisson supplémentaire pincé selon la première direction par rapport au caisson précédent, on aligne les maxima des puits de potentiel de manière à obtenir une courbe de potentiel ne comprenant pas de barrière de potentiel entre deux caissons semi- conducteurs successifs. Un maximum de puits de potentiel correspondant au creux du puits de potentiel. Avantageusement, au moins un caisson supplémentaire de la chaîne verticale est pincé selon une direction de pincement correspondant à une seconde direction parallèle à la surface du substrat et orthogonale à la première direction. Dans le cas de pixels de petite taille, le transistor de transfert n'est pas au centre du photosite. Par conséquent, le caisson principal sous le transistor de transfert de charge est également décentré par rapport à l'axe central du photosite, de manière à être disposé sous le transistor de transfert de charges. En pinçant un caisson semi-conducteur supplémentaire dans une direction orthogonale à la première direction et parallèle à la surface de substrat, il est possible d'avoir un caisson semi-conducteur supplémentaire dont la largeur dans la première direction occupe presque toute la largeur du substrat disponible et comprenant un pincement latéral dans la seconde dimension. De préférence, chaque caisson supplémentaire pincé selon la seconde direction est centré selon la seconde direction avec le caisson sous lequel il est enterré.
Centrer selon la seconde direction un caisson supplémentaire pincé selon la seconde direction avec le caisson semi-conducteur sous et au contact duquel il est enterré permet d'aligner le maximum de deux puits de potentiel successifs pincés selon la même direction, ou de superposer le maximum de deux puits de potentiel successifs pincés dans deux directions orthogonales, de manière à éviter la formation de barrières de potentiel entre deux caissons semi-conducteurs successifs. De préférence, le caisson principal possède une largeur de pincement dans la direction de pincement du caisson principal chaque caisson supplémentaire pincé possède une largeur de pincement correspondante dans la direction de pincement dudit caisson supplémentaire, la largeur du caisson supplémentaire enterré immédiatement sous et au contact du caisson principal ayant une largeur de pincement supérieure à la largeur de pincement du caisson principal, et chaque autre caisson supplémentaire ayant une largeur de pincement supérieure à la largeur de pincement du caisson supplémentaire sous lequel il est immédiatement enterré. Augmenter la largeur de pincement des caissons semiconducteurs supplémentaires au fur et à mesure qu'ils sont enterrés plus en profondeur dans le substrat permet, avec la concentration de dopage réduite au fur et à mesure que les caissons semi-conducteurs supplémentaires sont enterrés en profondeur, de s'assurer que le puits de potentiel formé par un caisson supplémentaire est moins important le caisson supplémentaire que le puits de potentiel formé par immédiatement au-dessus. Avantageusement, le substrat peut être un substrat semi- conducteur du second type de conductivité, et les moyens enterrés peuvent alors comprendre la partie inférieure du substrat semiconducteur.
En utilisant un substrat du second type de conductivité, le puits de potentiel créé par la partie inférieure du substrat permet d'aider à conserver les charges dans la photodiode et ainsi permet de réduire le taux de pertes de charges. Le photosite comprenant une zone de passivation du premier type de conductivité au niveau des surfaces du substrat, la photodiode est encore une photodiode confinée verticalement. Dans un autre mode de réalisation, le substrat peut être un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductivité. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif d'imagerie formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites tel que décrits ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures la à le, déjà décrites, représentent schématiquement un photosite selon l'état de la technique ; - la figure 2 représente une vue de dessus d'un photosite selon un premier mode de réalisation ; - les figures 3a et 3b représentent deux vues en coupe d'un premier exemple de photosite selon le premier mode de réalisation ; - la figure 4 illustre schématiquement les puits de potentiel générés par le caisson principal et la partie inférieure du substrat du photosite des figures 3a et 3b ; - les figures 5a et 5b représentent deux vues en coupe d'un second exemple de photosite selon le premier mode de réalisation ; - la figure 6 illustre schématiquement les puits de potentiel générés par les caissons semi-conducteurs et la partie inférieure du substrat du photosite des figures 5a et 5b ; - la figure 7 représente une vue de dessus d'un photosite selon un second mode de réalisation ; - la figure 8 illustre schématiquement les puits de potentiel générés par le caisson principal et la partie inférieure du substrat du photosite de la figure 7 ; - les figures 9a et 9b représentent deux vues en coupe d'un second exemple de photosite selon le second mode de réalisation ; - la figure 10 représente une représentation schématique de la disposition du caisson principal et du caisson supplémentaire dans le substrat du photosite des figures 9a et 9b ; - la figure 11 illustre schématiquement les puits de potentiel générés par les caissons semi-conducteurs et la partie inférieure du substrat du photosite des figures 9a et 9b ; - les figures 12a et 12b représentent deux vues en coupe d'un troisième exemple de photosite selon le second mode de réalisation. Sur la figure 2 est représentée une vue de dessus d'un photosite selon un premier mode de réalisation. Dans ce premier mode de réalisation, le photosite 10 comprend une photodiode 20 réalisée dans un substrat semi-conducteur. Le photosite 10 est délimité sur le périmètre extérieur par des tranchées d'isolation 30. Il comprend également un transistor de transfert de charges TG apte à transférer les charges accumulées dans la photodiode 20 vers une zone de lecture SN disposée dans le substrat entre la photodiode 20 et des moyens 60 d'isolations de la zone de lecture de charges SN. Le photosite 10 comprend également un transistor suiveur SF apte à amplifier le signal mesuré sur le noeud de lecture. Dans ce premier mode de réalisation, le photosite 10 possède des dimensions suffisamment grandes pour que le transistor de transfert de charges TG soit disposé au centre de la surface du photosite 10. La photodiode 20 étant disposée dans le substrat du photosite directement sous le transistor de transfert de charges TG, la photodiode 20 est centrée sur la face avant Av du photosite 10.
La face avant Av du photosite 10 correspond à la face illustrée SUT la figure 2, c'est-à-dire la face sur laquelle est disposé le transistor de transfert de charges TG et le transistor suiveur SF. Le photosite 10 comprend également une face Arrière Ar opposée à la face avant Av.
Dans le premier mode de réalisation du photosite 10 illustré sur la figure 2, plusieurs configurations sont possibles en profondeur du substrat. Sur les figures 3a et 3b sont illustrées une vue en coupe selon le plan I-I' et une vue en coupe selon le plan II-II' d'un premier exemple de configuration en profondeur du photosite 10 selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 2. La photodiode 20 du photosite 10 comprend un caisson semiconducteur principal Nw 1 de conductivité négative et pincé selon une première direction DIR1 parallèle à la face avant Av, afin d'augmenter la capacité de stockage de charges. Le caisson principal est réalisé dans une région semi-conductrice intermédiaire Pw ayant une conductivité positive P. Le photosite 10 est réalisé dans un substrat Nsub de type de conductivité négative N et dont la concentration de dopants est plus faible que la concentration de dopants du caisson principal Nwl. Le caisson principal Nw est compris verticalement entre une partie inférieure du substrat Nsub et une zone semi-conductrice supérieure Psup de conductivité positive P.
Le substrat Nsub et la région intermédiaire Pw sont séparés des tranchées d'isolation 30 par une zone de passivation 40 de type de conductivité positive P et dont la concentration de dopants est plus importante que la région intermédiaire Pw et la zone supérieure Psup. La zone de passivation 40 est réalisée de manière à recouvrir également la surface de la face arrière Ar. Le photosite 10 comprend également des moyens de passivation 50 de la face avant Av ayant une conductivité positive P et une concentration de dopants semblable à celle de la zone de passivation 40. Un caisson de passivation 70 est disposé sous et au contact de la zone de lecture SN, et des moyens d'isolation 60 sont disposés au contact de la zone de lecture SN entre la zone de lecture SN et une tranchée d'isolation 30. Le caisson de passivation 70 et les moyens d'isolation 60 permettent d'isoler la zone de lecture SN du reste de la photodiode hormis le caisson principal Nwl. Ainsi, seules les charges passant par le caisson principal Nwl peuvent être transférées vers la zone de lecture SN. La photodiode 20 comprend également deux zones d'isolation 80 s'étendant entre les moyens d'isolation 60 et les tranchées d'isolation 30 de manière à isoler le transistor suiveur SF du transistor de transfert de charges TG. La photodiode 20 comprend une zone de collecte de charges comprenant la zone supérieure Psup, la région intermédiaire Pw, le caisson principal Nwl et le substrat semi-conducteur Nsub. Dans ce premier exemple de configuration d'un photosite 10 selon le premier mode de réalisation, la photodiode 20 comprend une zone de stockage de charges comprenant le caisson principal Nwl et la partie inférieure du substrat Nsub, c'est-à-dire la partie de substrat Nsub sous et au contact du caisson principal Nwl. Le substrat Nsub étant dopé négativement, il crée par rapport à la zone de passivation 40 un puits de potentiel permettant de retenir les charges collectées et ainsi réduire le taux de pertes de charges. La photodiode 20 est une photodiode confinée verticalement en ce qu'elle comprend une zone semi-conductrice de conductivité négative, le caisson principal et la partie inférieure du substrat Nsub, comprise entre deux zones semi-conductrices de conductivité positive P, la partie de la zone de passivation 40 recouvrant la face arrière Ar et les moyens de passivation 50 associés à la zone supérieure Psup recouvrant la face avant Av.
Sur la figure 4 sont présentées des courbes de potentiels selon la première direction DIR1 parallèle à la surface du substrat, selon la seconde direction DRI2 parallèle à la surface du substrat, et selon la profondeur z dans le substrat. Sur les graphiques représentant les courbes de potentiels selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2, la courbe en trait d'axe représente le puits de potentiel généré par la partie inférieure du substrat Nsub, tandis que la courbe en traits croisés représente le puits de potentiel généré par le caisson principal Nwl. On remarque que le premier mode de réalisation dans lequel le caisson principal est centré permet d'avoir le maximum du puits de potentiel du caisson principal Nwl centré avec le maximum du puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2. Sur le troisième graphique a été représentée l'évolution du potentiel dans la direction de la profondeur du substrat entre la face avant Av et la face arrière Ar. On peut voir que le puits de potentiel du caisson principal Nwl est plus important que le puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub. Ceci permet, lors du transfert de charges de la zone de stockage de charges à la zone de lecture de charges SN, c'est-à-dire lors de l'application sur la grille du transistor de charges TG d'un potentiel VTGON au leu de VTGOFF, d'avoir le transfert de toutes les charges, et de ne pas avoir de charges résiduelles à l'issue du transfert de charges. Sur le graphique a été représentée en tiret la courbe de potentiel lorsque le transistor de transfert de charges TG est bloqué avec un potentiel VTGOFF, c'est-à-dire lorsque la photodiode 20 est en accumulation de charges, et en trait plein la courbe de potentiel lorsque le transistor de transfert de charges TG est passant avec un potentiel VTGON appliqué sur la grille du transistor de transfert de charges TG. Sur les figures 5a et 5b sont illustrées une vue en coupe selon le plan I-I' et une vue en coupe selon le plan II-II' d'un second exemple de configuration en profondeur du photosite 10 selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 2.
Les éléments possédant les mêmes références que sur les figures 2, 3a et 3b sont identiques. Dans ce second exemple de configuration, un caisson semiconducteur supplémentaire Nw2 a été ajouté entre le caisson principal Nwl et la partie inférieure du substrat Nsub. Pour cela, la partie inférieure du substrat Nsub a été réduite en dimension dans la direction z de la profondeur. Le caisson supplémentaire Nw2 est réalisé dans une région semi-conductrice supplémentaire Pw2 ayant une conductivité positive P dont la concentration de dopants est plus faible que celle de la zone de passivation 40.
Afin d'augmenter la capacité de stockage de la zone de stockage de charges alors composée du caisson principal Nwl, du caisson supplémentaire Nw2 et de la partie inférieure du substrat Nsub, le caisson supplémentaire Nw2 est pincé dans la première direction DIR1, c'est-à-dire dans la même direction de pincement que la direction de pincement du caisson principal Nwl. Le pincement latéral dans la première direction DIR1 du caisson supplémentaire Nw2 permet d'augmenter la concentration de dopants par rapport à une configuration ou le caisson supplémentaire Nw2 ne serait pas pincé latéralement, ce qui reviendrait à une configuration équivalente au premier exemple de configuration illustré sur les figures 3a et 3b. L'augmentation de la concentration de dopants permet d'augmenter la capacité de stockage de charges du caisson supplémentaire Nw2. Le caisson supplémentaire est pincé latéralement selon la première direction DIR1 avec une largeur de pincement W2 plus petit que la largeur de pincement W1 du caisson principal Nwl. De plus, la concentration de dopants du caisson supplémentaire Nw2 est inférieure à la concentration de dopants du caisson principal Nwl. Ces deux caractéristiques permettent de s'assurer que le puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2 est moins profond que le puits de potentiel du caisson principal Nwl. De plus, le caisson supplémentaire Nw2 est centré dans la première direction avec le caisson principal Nwl, de manière à assurer le transfert de toutes les charges accumulées dans le puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2 vers le caisson principal Nwl. En effet, le centrage du caisson supplémentaire Nw2 avec le caisson principal Nwl permet d'éviter la formation d'une éventuelle barrière de potentiel provoquant l'apparition de charges résiduelles à l'issue d'un transfert de charges.
Le caisson principal étant centré par rapport au photosite 10 dans ce premier mode de réalisation, la partie inférieure du substrat est centrée avec le caisson principal Nwl et le caisson supplémentaire Nw2. Cette configuration permet donc d'augmenter la capacité de stockage de la zone de stockage de charges par rapport à la configuration plus simple du premier exemple illustré sur les figures 3a et 3b, tout en évitant d'avoir des charges résiduelles. Sur la figure 6 sont présentées des courbes de potentiels selon la première direction DIR1 parallèle à la surface du substrat, selon la seconde direction DIR2 parallèle à la surface du substrat, et selon la profondeur z dans le substrat. Sur les graphiques représentant les courbes de potentiels selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2, la courbe en trait d'axe représente le puits de potentiel généré par la partie inférieure du substrat Nsub, la courbe en trait plein représente le puits de potentiel généré par le caisson supplémentaire Nw2, et la courbe en trait croisé représente le puits de potentiel généré par le caisson principal Nwl. On remarque que dans ce second exemple de configuration du premier mode de réalisation, le maximum du puits de potentiel du caisson principal Nwl est centré avec le maximum du puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2 et le maximum du puits de la partie inférieure du substrat Nsub selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2.
Sur le troisième graphique a été représentée l'évolution du potentiel dans la direction z de la profondeur du substrat entre la face avant Av et la face arrière Ar. On peut voir que le puits de potentiel du caisson principal Nwl est plus important que le puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2 qui est plus important que le puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub. Ceci permet, lors du transfert de charges de la zone de stockage de charges à la zone de lecture de charges SN d'avoir le transfert de toutes les charges, et de ne pas avoir de charges résiduelles à l'issue du transfert de charges. Dans une variante du second exemple du premier mode de réalisation, il est possible de réaliser le photosite dans un substrat semi-conducteur de conductivité positive. Dans ce cas, la capacité de stockage de charges est réduite et le taux de pertes de charges augmenté par rapport au second exemple de configuration du premier mode de réalisation étant donné que la zone de stockage de charges est réduite dans la direction de la profondeur. Sur la figure 7 est présentée une vue de dessus, c'est-à-dire de la face avant Av, d'un photosite 100 selon un second mode de réalisation comprenant une photodiode 200 réalisé dans un substrat semi-conducteur. Le photosite 100 est délimité sur le périmètre extérieur par des tranchées d'isolation 300 et comprend également un transistor de transfert TG apte à transférer les charges accumulées dans la photodiode 200 vers une zone de lecture SN disposée entre la photodiode 200 et des moyens d'isolations 600 de la zone de lecture de charges SN et un transistor suiveur SF apte à amplifier le signal mesuré sur le noeud de lecture SN. Dans ce second mode de réalisation, le photosite 100 comprend des dimensions plus petites que le photosite 10 du première mode de réalisation, ne permettent pas de centrer le transistor de transfert TG au-dessus de la face avant Av du photosite 100, empêchant, par conséquent, le centrage de la photodiode 200 avec le substrat, et plus particulièrement le centrage du caisson principal Nwl compris dans la photodiode 200 avec la partie inférieure du substrat Nsub. Ceci a pour conséquences de provoquer l'apparition de charges résiduelles à l'issue du transfert de charges. Sur la figure 8 sont présentées des courbes de potentiels selon la première direction DIR1 parallèle à la surface du substrat, selon la seconde direction DIR2 parallèle à la surface du substrat, et selon la profondeur z dans le substrat.
Sur les graphiques représentant les courbes de potentiels selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2, la courbe en trait d'axe représente le puits de potentiel généré par la partie inférieure du substrat Nsub, et la courbe en trait croisé représente le puits de potentiel généré par le caisson principal Nwl.
On remarque que le second mode de réalisation, dans lequel le caisson principal n'est pas centré, ne permet pas d'avoir le maximum du puits de potentiel du caisson principal Nwl centré avec le maximum du puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2.
Ceci a pour conséquence de créer une barrière de potentiel dans le sens de la profondeur z ne permettant pas de transférer toutes les charges d'un puits à l'autre et générant alors l'apparition de charges résiduelles à l'issue d'une étape de transfert de charges. Sur le troisième graphique a été représentée l'évolution du potentiel dans une direction relative à la profondeur du substrat entre la face avant Av et la face arrière Ar. Pour une meilleure compréhension du phénomène physique, la direction z n'est pas exactement perpendiculaire à la surface du substrat mais passe par le maximum des deux puits de potentiel.
On voit bien l'apparition d'une barrière de potentiel entre le puits de potentiel du caisson principal Nwl et le puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub. Dans ce premier exemple de configuration, la capacité de stockage de charges est augmentée et le taux de pertes de charges dues aux recombinaisons est amélioré, mais des charges résiduelles existent. Pour pallier ce problème de charges résiduelles, un second exemple de configuration est proposé sur les figures 9a et 9b.
Sur les figures 9a et 9b sont illustrées une vue en coupe selon le plan III-III' et une vue en coupe selon le plan IV-IV' d'un second exemple de configuration en profondeur du photosite selon le second mode de réalisation illustré sur la figure 7. Dans ce second exemple de configuration, un caisson semi- conducteur supplémentaire Nw2 a été ajouté entre le caisson principal Nwl et la partie inférieure du substrat Nsub par rapport au premier exemple de configuration illustré sur les figures 8a et 8b. Pour cela, la partie inférieure du substrat Nsub a été réduite en dimension dans le sens de la profondeur. Le caisson supplémentaire Nw2 est réalisé dans une région semi-conductrice supplémentaire Pw2 ayant une conductivité positive P dont la concentration de dopants est plus faible que celle de la zone de passivation 40. Afin d'augmenter la capacité de stockage de la zone de stockage de charges alors composée du caisson principal Nwl, du caisson supplémentaire Nw2 et de la partie inférieure du substrat Nsub, le caisson supplémentaire Nw2 est pincé latéralement. Afin d'améliorer le transfert de charges du puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2 au caisson principal Nwl, le caisson supplémentaire est pincé dans la seconde direction DIR1, c'est-à-dire dans une direction parallèle à la face avant et orthogonale à la direction de pincement du caisson principal Nwl, et centré dans la seconde direction avec le caisson principal. De cette manière, il est possible de centrer le caisson supplémentaire Nw2 avec le caisson principal Nwl dans une direction des deux directions parallèle à la face avant Av, en l'occurrence la seconde direction DIR2. En centrant le caisson supplémentaire Nw2 avec le caisson principal Nwl dans une direction, le transfert de charges est ainsi amélioré, le maximum des puits de potentiel étant centré dans une direction, ce qui implique que dans une direction il n'y a pas de barrière de potentiel pouvant gêner le transfert des charges d'un puits de potentiel à l'autre. Le caisson supplémentaire possède également une largeur de pincement W2, dans sa direction de pincement, soit la seconde direction DIR2, inférieure à la largeur de pincement W1 du caisson principal dans sa direction de pincement, soit la première direction DIR1. De plus, la concentration de dopants du caisson supplémentaire Nw2 est inférieure à la concentration de dopants du caisson principal Nwl. Ces deux caractéristiques permettent ainsi d'avoir un puits de potentiel moins profond que le puits de potentiel du caisson principal Nwl, et ainsi de s'assurer du transfert de toutes les charges. Cette configuration permet donc d'augmenter la capacité de stockage de la zone de stockage de charges par rapport à la configuration plus simple du premier exemple illustré sur les figures 3a et 3b, tout en évitant d'avoir des charges résiduelles. Ceci est obtenu grâce à la réalisation d'un chemin exempt de barrières de potentiel existant et permettant le transfert de toutes les charges stockées dans la photodiode 200. On peut voir en effet sur la figure 10, sur laquelle est a été représenté schématiquement la superposition du caisson principal Nwl, du caisson supplémentaire Nw2, et de la partie inférieure du substrat Nsub. Le maximum du puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub se situe au centre du carré Nsub par lequel passe un axe médian s'étendant le long de la première direction DIR1 du caisson supplémentaire Nw2 correspondant au maximum du puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2. Le maximum du puits de potentiel s'étendant sur tout l'axe médian, celui-ci croise le maximum du puits de potentiel du caisson principal Nwl. Le maximum du puits de potentiel du caisson principal Nwl s'étend en effet le long d'un axe médian s'étendant dans la seconde direction DIR2 et séparant le caisson principal en deux portions égales. Sur la figure 11 sont présentées des courbes de potentiels selon la première direction DIR1 parallèle à la surface du substrat, selon la seconde direction DIR2 parallèle à la surface du susbtrat, et selon la profondeur z dans le substrat. Sur les graphiques représentant les courbes de potentiels selon la première direction DIR1 et selon la seconde direction DIR2, la courbe en trait d'axe représente le puits de potentiel généré par la partie inférieure du substrat Nsub, la courbe en trait plein représente le puits de potentiel généré par le caisson supplémentaire Nw2, et la courbe en trait croisé représente le puits de potentiel généré par le caisson principal Nwl.
On remarque dans ce second exemple de configuration, les courbes de puits de potentiels du caisson principal Nwl et du caisson supplémentaire Nw2 ne sont pas centrées dans la première direction DIR1 mais elles le sont dans la première direction DIR2, ce qui permet de réaliser un transfert de charges dans la seconde direction DIR2 sans laisser de charges résiduelles. Le puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub est centré dans la première direction DIR1 et dans la seconde direction DIR2, ce qui permet de réaliser un transfert de charges sans avoir de charges résiduelles. En ayant ainsi les puits de potentiel de deux caissons semi- conducteurs successifs centrés dans une direction, un transfert de charges peut être réalisé entièrement sans laisser de charges résiduelles à l'issue du transfert de charges. Sur le troisième graphique a été représentée l'évolution du potentiel dans la direction z de la profondeur du substrat entre la face avant Av et la face arrière Ar. On peut voir que le puits de potentiel du caisson principal Nwl est plus important que le puits de potentiel du caisson supplémentaire Nw2, qui est lui même plus important que le puits de potentiel de la partie inférieure du substrat Nsub. Ceci permet, lors du transfert de charges de la zone de stockage de charges à la zone de lecture de charges SN d'avoir le transfert de toutes les charges, et de ne pas avoir de charges résiduelles à l'issue du transfert de charges. Afin d'augmenter encore la capacité de stockage de charges du second exemple de configuration dans le second mode de réalisation du photosite 100, le caisson supplémentaire Nw2 peut être remplacé par une succession de plusieurs caissons semi-conducteurs supplémentaires superposés pour former une chaîne verticale sous et au contact du caisson principal Nwl.
Une telle configuration est illustrée schématiquement sur les figures 12a et 12b. Les moyens enterrés comprennent trois caissons semi-conducteurs supplémentaire Nw2 à Nw4 et la partie inférieure du substrat Nsub. Le premier caisson supplémentaire Nw2 est sous et au contact du caisson principal Nwl. Il est réalisé dans une première région supplémentaire Pw2 de conductivité positive P, et possède une conductivité négative N dont la concentration en dopants est inférieure à la concentration de dopants du caisson principal Nwl. Le premier caisson supplémentaire Nw2 est pincé dans la première direction DIR1 avec une largeur de pincement W2 plus grande que la largeur de pincement W1 du caisson principal Nwl. Ces caractéristiques permettent au premier caisson supplémentaire Nw2 d'avoir un puits de potentiel moins profond que le puits de potentiel du caisson principal Nwl et centré dans la première et la seconde direction DIR1 et DIR2.
Le second caisson supplémentaire Nw3 est sous et au contact du premier caisson supplémentaire Nw2. Il est réalisé dans une seconde région supplémentaire Pw3 de conductivité positive P, et possède une conductivité négative N dont la concentration en dopants est inférieure à la concentration de dopants du premier caisson supplémentaire Nw2. Le second caisson supplémentaire Nw3 est pincé dans la seconde direction DIR2 avec une largeur de pincement W3 plus grande que la largeur de pincement W2 du premier caisson supplémentaire Nw2. Ces caractéristiques permettent au second caisson supplémentaire Nw3 d'avoir un puits de potentiel moins profond que le puits de potentiel premier caisson supplémentaire Nw2 et centré dans la seconde direction DIR2 assurant un chemin de transfert sans barrière de potentiel. Le troisième caisson supplémentaire Nw4 est sous et au contact du second caisson supplémentaire Nw3. Il est réalisé dans une troisième région supplémentaire Pw4 de conductivité positive P, et possède une conductivité négative N dont la concentration en dopants est inférieure à la concentration de dopants du second caisson supplémentaire Nw3. Le troisième caisson supplémentaire Nw4 est pincé dans la seconde direction DIR2 avec une largeur de pincement W4 plus grande que la largeur de pincement W3 du second caisson supplémentaire Nw3. Ces caractéristiques permettent au troisième caisson supplémentaire Nw4 d'avoir un puits de potentiel moins profond que le puits de potentiel second caisson supplémentaire Nw3 et centré dans la première et la seconde direction DIR1 et DIR2 assurant un chemin de transfert sans barrière de potentiel. La partie inférieure du substrat Nsub est centrée avec le troisième caisson supplémentaire Nw4 et possède une concentration inférieure à la concentration de dopants du troisième caisson supplémentaire Nw4, assurant ainsi la génération d'un puits de potentiel moins profond que celui du troisième caisson supplémentaire Nw4 et centré avec ce dernier dans la première et la seconde direction DIR1 et DIR2. Les moyens enterrés d'un photosite 10 du premier mode de réalisation peuvent également comprendre une telle chaîne verticale de caissons semi-conducteurs supplémentaires. Il est ainsi proposé un photosite comprenant une photodiode confinée verticalement comportant une zone de stockage de charges pincée latéralement et une zone comprenant des moyens enterrés permettant de réduire les pertes de charges dues aux recombinaisons électroniques dans les zones de passivation entourant la zone de collecte de charges de la photodiode du photosite et augmentant la capacité de stockage de charges de la photodiode aussi bien pour des photosites de grandes dimensions ayant le transistor de transfert de charges centrés par rapport à la face avant du photosite que pour des photosites de petites dimensions ayant le transistor de transfert de charges décentré par rapport à la face avant du photosite.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Photosite comprenant, dans un substrat semi-conducteur, une photodiode confinée dans une direction orthogonale à la surface du substrat comportant une zone semi-conductrice de stockage de charges comprenant dans une région semi-conductrice supérieure ayant un premier type de conductivité (P) un caisson principal (Nwl) d'un second type de conductivité (N) opposé au premier et pincé selon une première direction (X) parallèle à la surface du substrat, caractérisé en ce que la zone de stockage de charges comprend en outre des moyens semi-conducteurs enterrés sous et au contact du caisson principal (Nwl) ayant le second type de conductivité (N).
- 2. Photosite selon la revendication 1, dans lequel les moyens semi-conducteurs enterrés ont une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopants du caisson principal (Nwl).
- 3. Photosite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une couche semi-conductrice ayant le premier type de conductivité (P) disposée entre la région semi-conductrice supérieure et une partie inférieure du substrat, les moyens semiconducteurs enterrés comprenant dans ladite couche semi-conductrice une chaîne verticale d'au moins un caisson semi-conducteur supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4) ayant le second type de conductivité (N), chaque caisson supplémentaire (Nw3) de la chaîne verticale compris entre le premier caisson supplémentaire (Nw2) et le dernier caisson supplémentaire (Nw4) de la chaîne verticale étant en contact uniquement avec un caisson supplémentaire précédent et un caisson supplémentaire suivant.
- 4. Photosite selon la revendication 3, dans lequel le caisson supplémentaire (Nw2) enterré immédiatement sous et au contact du caisson principal (Nwl) a une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopant du caisson principal (Nwl), et chaque autre caisson supplémentaire (Nw3, Nw4) a une concentration de dopants inférieure à la concentration de dopant du caisson supplémentaire (Nw2, Nw3) sous lequel il est enterré.
- 5. Photosite selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel au moins un caisson supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4) de la chaîne verticale est pincé selon une direction de pincement correspondant à la première direction (X).
- 6. Photosite selon la revendication 5, dans lequel chaque caisson supplémentaire pincé selon la première direction (X) est centré selon la première direction (X) avec le caisson (Nwl, Nw2, Nw3) sous lequel il est enterré.
- 7. Photosite selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel au moins un caisson supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4) de la chaîne verticale est pincé selon une direction de pincement correspondant à une seconde direction (Y) parallèle à la surface du substrat et orthogonale à la première direction (X).
- 8. Photosite selon la revendication 7, dans lequel chaque caisson supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4) pincé selon la seconde direction (Y) est centré selon la seconde direction (Y) avec le caisson (Nwl, Nw2, Nw3) sous lequel il est enterré.
- 9. Photosite selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel le caisson principal possède une largeur de pincement (W1) dans la direction de pincement du caisson principal (Nwl), chaque caisson supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4) pincé possède une largeur de pincement (W2, W3, W4) correspondante dans la direction de pincement dudit caisson supplémentaire (Nw2, Nw3, Nw4), la largeur du caisson supplémentaire (Nw2) enterré immédiatement sous et au contact du caisson principal (Nwl) ayant une largeur de pincement (W2) supérieure à la largeur de pincement (W1) du caisson principal, et chaque autre caisson supplémentaire (Nw3, Nw4) ayant une largeur de pincement (W3, W4) supérieure à la largeur de pincement (W2, W3) du caisson supplémentaire (Nw2, Nw3) sous lequel il est immédiatement enterré.
- 10. Photosite selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat est un substrat semi-conducteur du second type de conductivité (N), et les moyens enterrés comprennent la partie inférieure du substrat semi-conducteur (N-sub).
- 11. Dispositif d'imagerie (DIS) formé dans un substrat semiconducteur comprenant un réseau matriciel de photosites selon l'une des revendications 1 à 10.
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| US20130049155A1 (en) | 2013-02-28 |
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