FR2980641A1 - Capteur d'image a multiplication d'electrons par grilles verticales - Google Patents

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 photodiode est adjacente à deux grilles d'accélération (GA, GB) s'étendant verticalement en profondeur dans la couche active entre deux pixels adjacents. Les grilles d'accélération sont isolées de la photodiode par une couche plane verticale isolante (22). Elles reçoivent, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances de potentiels haut et bas, en opposition de phase, induisant des champs électriques opposés, alternativement dans un sens et dans l'autre, entre les grilles et la photodiode.

Description

CAPTEUR D'IMAGE A MULTIPLICATION D'ELECTRONS PAR GRILLES VERTICALES 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 5 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 10 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 15 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 20 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. 25 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. 30 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 au moins deux grilles d'accélération (GA, GB) s'étendant verticalement en profondeur dans la couche active dans un plan perpendiculaire à la surface du capteur entre deux pixels adjacents, les grilles d'accélération étant isolées de la région de photodiode par une couche plane verticale isolante, et en ce que le capteur comprend des moyens de commutation agencés pour appliquer aux deux grilles d'accélération, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances de potentiels haut et bas, en opposition de phase, induisant des champs électriques opposés, alternativement dans un sens et dans l'autre, entre les grilles et la photodiode.

La multiplication d'électrons a lieu pendant l'intégration de charges ; elle se produit 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 dans un sens tendant à les rapprocher des grilles d'accélération et dans un sens tendant à les éloigner, et ceci en opposition de phase pour les deux grilles de sorte que les électrons tendent aussi à aller d'une grille vers l'autre et à revenir en sens inverse. Au cours de ces multiples trajets, les impacts avec les atomes de la couche semiconductrice de la région de photodiode 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 aux grilles d'accélération et la valeur des potentiels utilisés sont les facteurs qui déterminent 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. Les deux grilles peuvent être alignées le long d'un même bord de la photodiode ou être placées sur des bords différents, y compris des bords opposés de la photodiode. Chaque grille est de préférence adjacente aux deux photodiodes de deux pixels adjacents, c'est-à-dire que les mêmes grilles réalisent une multiplication d'électrons simultanément dans les deux pixels adjacents. 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 région de photodiode un potentiel de base fixe ou potentiel interne en l'absence de charges photogénérées, qui dépend des dopages de la photodiode ; l'alternance de potentiels appliqués aux grilles d'accélération comprend un potentiel haut supérieur au potentiel de référence, qui induit dans la photodiode à proximité de la grille un potentiel plus élevé que le potentiel de base de la photodiode, et un potentiel bas inférieur au potentiel de référence, qui induit sous la grille un potentiel de surface plus bas que le potentiel de base de la photodiode. De préférence une troisième grille est interposée entre les deux premières grilles et est maintenue à un potentiel fixe intermédiaire entre le potentiel haut et le potentiel bas. Dans ce cas, les trois grilles peuvent être par exemple alignées le long d'un même bord de la photodiode ou être réparties sur plusieurs bords, par exemple placées sur trois bords consécutifs.

Plus généralement, la première grille peut être subdivisée en plusieurs premières grilles séparées les unes des autres et recevant la même alternance de potentiels ; et de même en ce qui concerne la deuxième grille et la troisième grille. Par exemple, un ensemble de trois grilles (deux grilles recevant des potentiels opposés et une troisième placée entre elles et recevant un potentiel fixe intermédiaire) peut être prévu le long d'un premier bord, un deuxième ensemble de trois grilles le long d'un deuxième bord, et un troisième ensemble de trois grilles le long d'un troisième bord. 2 98064 1 4 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 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente en coupe verticale la structure générale 5 d'un capteur d'image à pixels actifs ; - la figure 2 représente en coupe verticale la structure d'un pixel modifié selon l'invention ; - la figure 3 représente une vue horizontale du pixel, montrant trois grilles verticales séparant deux pixels adjacents ; 10 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 15 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 plus dopé que la couche active. Le pixel comprend une région de photodiode PHD qui est 20 délimitée par les contours d'une région semiconductrice 14 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 plus dopée 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 25 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 à certains endroits (non visibles sur la figure) une diffusion profonde de type P+ qui rejoint le substrat 10. Un contact électrique 30 peut aussi être prévu sur cette diffusion profonde 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 35 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. Dans la configuration représentée, on a supposé que deux pixels adjacents étaient placés dos-à-dos, orientés en sens inverse l'un de l'autre, et c'est pourquoi on voit sur la figure 1 deux photodiodes PHD, appartenant à deux pixels différents adjacents, qui sont séparées seulement par une barrière isolante 13. 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 paires électrons-trous. Les électrons (avec les types de conductivité et potentiels considérés ici, mais ce pourraient être les trous si on inversait tous les types de conductivité et les signes des différences de potentiel appliquées) sont stockées dans la région N 14 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 conférer, pendant la phase d'intégration elle-même, une accélération forte et alternée aux électrons qui s'accumulent dans la photodiode pendant cette phase. Ces moyens comprennent des grilles d'accélération enterrées verticales qui sont des électrodes s'étendant dans la profondeur de la couche active, de préférence dans toute l'épaisseur de celle-ci, et des moyens pour commuter le potentiel de ces grilles de manière à créer une alternance de champs électriques dans la région où s'accumulent les électrons. De préférence, les grilles sont disposées entre les photodiodes de deux pixels adjacents.

La figure 2 représente la modification correspondante du pixel de la figure 1. A la place de la région 13 qui sépare les deux photodiodes PHD, on a placé une ou plusieurs grilles enterrées (une seule est visible et désignée par GC sur la figure 2). Les grilles sont isolées de la couche active par une couche isolante plane verticale 22 qui entoure chaque grille. Cette couche isole également les grilles les unes des autres pour permettre de leur appliquer des potentiels différents. Cette couche isolante 22 est de préférence en oxyde de silicium. Les grilles sont de préférence en silicium polycristallin (mais elles pourraient être en métal) ; elles affleurent à la surface de la couche active ou à proximité de cette surface et des contacts électriques (non représentés) sont prévus en surface pour leur appliquer les potentiels désirés. Les grilles sont aussi étroites que la technologie de fabrication le permet. La figure 3 représente en vue de dessus une disposition possible des différents éléments du pixel ; 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. Deux grilles d'accélération principales GA, GB sont représentées et une grille intermédiaire (facultative) GC est placée entre les deux grilles.

La coupe de la figure 2 est faite selon la ligne AA de la figure 3 et passe ici à travers la grille GC qui, si elle est présente, est constituée de la même manière et en même temps que les deux autres. L'ensemble des grilles sépare les photodiodes des pixels adjacents. Si les grilles n'occupaient pas complètement la frontière entre les deux photodiodes, cette frontière serait complétée par une structure isolante classique telle que 13. Dans la solution préférée, les grilles sont alignées dans un même plan vertical général comme le montre la figure 3. Des moyens de commutation de potentiel sont prévus pour appliquer directement aux grilles d'accélération principales GA et GB une 35 série d'alternances d'un potentiel haut et d'un potentiel bas, en opposition de phase pour les deux grilles. 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 et GB de tous les pixels peuvent être reliées toutes ensemble à ces moyens de commutation, par des lignes conductrices en contact ponctuellement avec la partie supérieure des grilles. Alternativement, les grilles d'accélération d'une même ligne de pixels peuvent être commandée indépendamment de celles des autres grilles. La série d'alternances est appliquée pendant tout ou partie de la durée d'intégration T qui sépare deux transferts successifs de charges (par la grille de transfert TR) entre la région de photodiode PHD et la région de stockage 18. 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 région de photodiode un potentiel de base fixe (en l'absence de charges accumulées) qui dépend des dopages de la photodiode ; l'alternance de potentiels appliqués aux grilles d'accélération comprend un potentiel haut qui induit dans la photodiode à proximité de la grille un potentiel 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. Lorsqu'une troisième grille GC est présente, elle est de préférence portée à un potentiel intermédiaire entre le potentiel haut et le potentiel bas. Grâce à leur configuration verticale, leur très faible épaisseur, et 25 leur position entre deux photodiodes adjacentes, les grilles de multiplication GA et GB (ainsi que GC) occupent une surface minimale qui gêne très peu la production d'électrons par la lumière. Lorsque l'alternance de potentiels est appliquée, les électrons sont attirés avec un champ électrique d'autant plus fort que les potentiels sont 30 plus forts vers la grille au potentiel le plus haut ; lors de la phase suivante de l'alternance ils sont attirés vers l'autre grille. La vitesse qu'ils acquièrent crée les impacts qui engendrent la multiplication progressive d'électrons. Les électrons ne passent pas d'une photodiode à la photodiode adjacente du fait de la profondeur de la grille qui s'étend au-dessous de la profondeur des régions N de la photodiode et qui s'étend de préférence à travers toute la profondeur de la couche active P. Sur la figure 3, on a représenté toutes les grilles de multiplication 5 sur un seul côté de la photodiode, plus précisément un côté qui sépare deux pixels adjacents d'une même ligne. Les grilles pourraient être sur un côté qui sépare deux pixels adjacents d'une même colonne, ou réparties sur deux ou plusieurs côtés du pixel. Par exemple, un groupe de deux ou trois grilles GA, GB, GC seraient placées d'un côté et un autre groupe de deux ou trois grilles 10 sur un côté opposé. On peut à titre d'exemple prévoir aussi que les deux grilles de multiplication sont sur deux bords opposés de la photodiode, la troisième grille étant sur un troisième bord joignant les deux bords opposés. Le chronogramme de fonctionnement de ce pixel est classique, à 15 l'exception du fait qu'on y rajoute une alternance de potentiels sur les grilles de multiplication GA et GB pendant tout ou partie de la durée d'intégration de charges dans la photodiode. Typiquement, on suppose qu'il y a une électrode de réinitialisation du potentiel de la photodiode (non représentée sur les figures mais classique 20 dans les capteurs d'image à pixels actifs à cinq transistors. On fonctionne alors en mode dit « global shutter » dans laquelle les durées d'intégration sont simultanées pour toutes les lignes. Le chronogramme d'une période d'intégration commence par une impulsion de réinitialisation du potentiel de la photodiode à un niveau de 25 référence ; la fin de cette impulsion définit le début de l'intégration de charges dans la photodiode sous l'effet de la lumière éclairant le pixel. Puis, pendant tout ou partie de la durée d'intégration on applique des potentiels alternés aux grilles GA et GB pour effectuer une multiplication d'électrons.

30 La fin de la période d'intégration est définie par la fin d'une impulsion de transfert appliquée à l'électrode de transfert TR de tous les pixels de la matrice ; les charges de la photodiode sont transférées dans le noeud de stockage 18 de chaque pixel. Le potentiel du noeud de stockage 18 résultant de ce transfert de 35 charges est ensuite lu ligne par ligne : pour une ligne donnée il est reporté sur un conducteur de colonne et recueilli par un échantillonneur en pied de colonne. Après chaque lecture d'une ligne, le potentiel du noeud de stockage est réinitialisé à une valeur de référence par l'application d'une impulsion de réinitialisation sur la grille RS ; le potentiel de réinitialisation est recueilli par l'échantillonneur bloqueur en pied de colonne et une mesure différentielle est établie entre le potentiel lu et le potentiel de réinitialisation. Puis cette double lecture est répétée pour la ligne suivante, et ainsi de suite. Le chronogramme pourrait aussi être un chronogramme en mode dit « rolling shutter » dans lequel les durées d'intégration des différentes lignes sont identiques mais non simultanées, avec le défaut de créer du traînage d'image mais avec l'avantage de réduire le bruit de réinitialisation. Le transfert de charges par l'électrode de transfert TR se fait alors ligne par ligne et on peut faire une réinitialisation du noeud de stockage et une lecture du potentiel de réinitialisation juste avant le transfert de charges dans le noeud de stockage et la lecture du potentiel qui en résulte. Les grilles sont aussi étroites que possible pour ne pas réduire la surface occupée par la photodiode dans le pixel. Il suffit qu'elles comportent à leur partie supérieure une zone assez large pour y placer un contact électrique, pour amener le potentiel alternatif nécessaire à leur fonctionnement. A titre d'exemple, la profondeur des grilles verticales enterrées GA, GB, GC peut être d'environ 1,5 à 2 micromètres, leur largeur de 0,3 micromètre, leur longueur de 1,5 à 3 micromètres, pour des pixels d'environ 25 micromètres carrés. Elles sont en silicium polycristallin et la couche isolante qui les sépare de la couche active peut avoir une épaisseur de 10 à 50 nanomètres. Cette épaisseur est choisie pour supporter des tensions de 7 à 8 volts, voire plus entre la couche active et les grilles. Cette épaisseur est supérieure à l'épaisseur de couche isolante entre la grille de transfert TR et la couche active, cette dernière épaisseur devant être minimisée (de l'ordre de 5 à 10 nanomètres par exemple) pour assurer un bon transfert de charges. La fabrication des grilles enterrées se fait de préférence en 35 utilisant notamment les étapes suivantes : - photolithographie d'une résine déposée sur la couche active en silicium monocristallin pour définir des ouvertures ayant un peu plus que la largeur et la longueur souhaitées pour chacune des grilles ; - gravure directionnelle verticale de la couche active sur la profondeur désirée pour définir des tranchées correspondant au volume de chaque grille ; - oxydation thermique du silicium dans les tranchées pour former la couche isolante 22 qui séparera la grille de la couche active ; - remplissage des tranchées avec du silicium polycristallin dopé qui forme les grilles ; - gravure du silicium polycristallin pour délimiter sa surface supérieure ; - formation d'un contact entre une ligne conductrice et la surface supérieure de la grille pour permettre d'amener un potentiel alterné par cette ligne. Dans la réalisation qui précède, les grilles sont en silicium 20 polycristallin dopé. Elles pourraient cependant aussi être en métal. 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 25 les grilles d'accélération à un niveau bas. Et si on la déclenche, on peut prévoir que le nombre d'alternances est variable en fonction du niveau d'éclairement détecté. L'invention peut être utilisée avec un capteur d'image éclairé par la face avant, ou avec un capteur d'image sur substrat de silicium aminci 30 éclairé par la face arrière.

Claims (7)

1. 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 au moins deux grilles d'accélération (GA, GB) s'étendant verticalement en profondeur dans la couche active dans un plan perpendiculaire à la surface du capteur entre deux pixels adjacents, les grilles d'accélération étant isolées de la région de photodiode par une couche plane verticale isolante (22), et en ce que le capteur comprend des moyens de commutation agencés pour appliquer aux deux grilles d'accélération, pendant une phase d'intégration précédant l'impulsion de transfert, une série d'alternances de potentiels haut et bas, en opposition de phase, induisant des champs électriques opposés, alternativement dans un sens et dans l'autre, entre les grilles et la photodiode.
2. 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 inférieur ou égal au potentiel de référence zéro.
3. 3. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une même grille d'accélération est adjacente aux deux photodiodes de pixels adjacents.
4. 4. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux grilles sont alignées le long d'un même bord de la photodiode.
5. 5. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième grille (GC) interposée entre les deux premières grilles et maintenue à un potentiel fixe intermédiaire entre le potentiel haut et le potentiel bas.
6. 6. Capteur d'image selon la revendication 5 , caractérisé en ce que les trois grilles sont alignées le long d'un même bord de la photodiode.
7. 7. Capteur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce que les trois grilles sont réparties sur plusieurs bords de la photodiode.