FR3060250B1 - Capteur d'image pour capter une image en 2d et une profondeur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur d'image comprenant : un pixel de profondeur (PZ) ayant : une zone de détection (PD) ; une première mémoire (mem1) couplée électriquement à la zone de détection par une première grille (310) ; une seconde mémoire (mem2) couplée électriquement à la zone de détection par une seconde grille (314) ; et une troisième mémoire (mem3) couplée électriquement à la zone de détection par une troisième grille (316), chacune des première, deuxième et troisième mémoire étant constituée d'une région dopée prise en sandwich entre des premier et second murs droits parallèles (404, 406), les premier et second murs de chaque mémoire ayant un cœur conducteur adapté à recevoir une tension de polarisation ; et une pluralité de pixels d'image 2D (P1 à P8) disposés de manière adjacente aux pixels de profondeur, dans lesquels les première, deuxième et troisième mémoires s'étendent pour former des murs d'isolement au moins partiels entre les paires adjacentes correspondantes des pixels d'image 2D.

Description

CAPTEUR D'IMAGE POUR CAPTER UNE IMAGE 2D ET UNE PROFONDEUR

Domaine technique

La présente description concerne le domaine des capteurs d'image et plus particulièrement des capteurs d'image aptes à capter une image 2D et des informations de profondeur.

Arrière-plan technique

Des capteurs d'image aptes à capter des informations de profondeur ont été proposés. Par exemple, des détecteurs de temps de vol (ToF) agissent pour émettre un signal lumineux vers une scène image, puis pour détecter le signal lumineux en retour réfléchi par des objets de la scène image. Par le calcul du temps de vol du signal lumineux, on peut estimer la distance au capteur d'objets dans la scène image. A titre d'exemple, les pixels d'un tel capteur peuvent utiliser des SPAD (diodes à avalanche à photon unique).

Dans certaines applications, il serait souhaitable de pouvoir capter à la fois une image 2D d'une scène et une image de profondeur correspondante de la scène.

Alors qu'une solution pour atteindre cet objectif serait d'utiliser des capteurs d'image séparés pour capter l'image 2D et l'image de profondeur, une telle solution n'est pas optimale en raison du fait que ces capteurs d'image auront des points de vue différents de la scène image, ce qui conduit à un défaut d'alignement entre les pixels des images correspondantes. En outre, l'utilisation de deux capteurs augmenterait l'encombrement et le coût du dispositif.

Une autre solution serait, d'intégrer les pixels de l'image 2D et les pixels de profondeur dans un même réseau de détecteurs. Toutefois, un problème est que les pixels de profondeur ont généralement des dimensions notablement plus grandes que les pixels d'image 2D, ce qui rend une telle intégration complexe. Résumé

Un objet de modes de réalisation de la présente description est de traiter au moins partiellement un ou plusieurs problèmes de l'art antérieur.

Selon un aspect, il est prévu un capteur d'image comprenant : un pixel de profondeur ayant : une zone de détection ; une première mémoire couplée électriquement à la zone de détection par une première grille ; une seconde mémoire couplée électriquement à la zone de détection par une seconde grille ; et une troisième mémoire couplée électriquement à la zone de détection par une troisième grille, chacune des première, deuxième et troisième mémoire étant constituée d'une région dopée prise en sandwich entre des premier et second murs droits parallèles, les premier et second murs de chaque mémoire ayant un cœur conducteur adapté à recevoir une tension de polarisation ; et une pluralité de pixels d'image 2D disposés de manière adjacente aux pixels de profondeur, dans lesquels les première, deuxième et troisième mémoires s'étendent pour former des murs d'isolement au moins partiels entre les paires adjacentes correspondantes des pixels d'image 2D.

Selon un mode de réalisation, les murs de la première mémoire s'étendent entre les zones de détection des premier et deuxième pixels de la pluralité de pixels d'image 2D ; les murs de la seconde mémoire s'étendent entre, les zones de détection des troisième et quatrième pixels de la pluralité de pixels d'image 2D ; et les murs de la troisième mémoire s'étendent entre les zones de détection des cinquième et sixième pixels de la pluralité de pixels d'image 2D.

Selon un mode de réalisation, le pixel de profondeur comprend en outre une structure supplémentaire couplée électriquement à la zone de détection du pixel de profondeur par une quatrième grille, la structure supplémentaire comprenant une région de type n prise en sandwich entre des murs parallèles droits, et dans lequel les murs de la structure supplémentaire s'étendent entre les zones de détection des septième et huitième pixels de la pluralité de pixels d'image 2D.

Selon un mode de réalisation, le capteur d'image comprend une pluralité de blocs deux par deux de pixels, au moins certains desdits blocs deux par deux de pixels comprenant le pixel de profondeur et trois pixels d'image 2D.

Selon un mode de réalisation, le capteur d'image consiste en une pluralité de blocs deux par deux de pixels, chaque bloc deux par deux de pixels comprenant le pixel de profondeur et trois pixels d'image 2D,

Selon un mode de réalisation, le capteur d'image comprend un réseau consistant en une pluralité de blocs n par n de pixels d'image 2D et une pluralité de pixels de profondeur indiqués ci-dessus, chaque pixel de profondeur occupant un espace dans le réseau correspondant à 1'espace occupé par un bloc n par n de pixels d'image 2D, où n est un entier supérieur ou égal à 2.

Selon un mode de réalisation, chaque pixel d'image 2D est isolé du pixel d'image 2D adjacent par des murs d'isolement correspondant, au moins certains desdits murs d'isolement étant formés par lesdites première, deuxième et troisième mémoires, et un ou plus desdits murs d'isolement étant formé par une tranchée d'isolement.

Selon un mode de réalisation, chacune des première, deuxième et troisième mémoires a un facteur de forme d'au moins 4.

Selon un mode de réalisation, la longueur de la zone de stockage de charge de chacun desdites première, deuxième et troisième mémoires est plus grande que la largeur du pixel de profondeur.

Selon un mode de réalisation, le pixel de profondeur et le pixel d'image 2D sont formés dans une couche de semi-conducteur disposée sur une couche d'isolement enterrée.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif de formation d'image comprenant : le capteur d'image ci-dessus ; et un circuit de transmission de signal lumineux configuré pour émettre de la lumière dans la gamme du proche infrarouge.

Selon un mode de réalisation, le pixel de profondeur est couvert d'un filtre ayant une bande passante limitée à la gamme du proche infrarouge.

Brève description des figures

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation faite à titre d'exemple et non de limitation en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente schématiquement un dispositif de formation d'image comprenant un capteur combiné d'image 2D et de profondeur selon un mode de réalisation ; la figure 2 est un graphique illustrant des exemples d'intensité lumineuse d'un signal lumineux émis et renvoyé selon un mode de réalisation ; la figure 3 représente schématiquement le circuit d'un pixel capable de détecter des informations de profondeur selon un mode de réalisation ; la figure 4 est une vue de dessus d'un pixel apte à détecter des informations de profondeur selon un mode de réalisation ; la figure 5A est une vue en coupe selon une ligne A-A' -A" de la figure 4 selon un mode de réalisation. les figures 5B à 5E illustre des tensions électrostatiques dans la structure de la figure 5A pendant différentes phases de fonctionnement selon un mode de réalisation ; la figure 6 est une vue en coupe selon une ligne B-B' du pixel de la figure 4 selon un mode de réalisation ; les figures 7A à 7C sont des vues de dessus de la configuration d'une partie d'un capteur combiné 2D et de profondeur selon des modes de réalisation ; la figure 8 est un graphique représentant la transmission de filtres RGB (rouge, vert, bleu) et NIR (proche infrarouge) selon un mode de réalisation ; et la figure 9 est une vue en perspective d'un dispositif de formation d'image mis en œuvre dans un circuit 3D selon un mode de réalisation.

Description détaillée

Dans la description suivante, le terme "connecté" est utilisé pour désigner une connexion directe entre des éléments de circuit tandis que le terme "couplé" est utilisé pour désigner une connexion qui peut être directe ou peut avoir lieu par l'intermédiaire d'un ou plusieurs éléments intermédiaires tels que des résistances, des condensateurs, et des transistors. Le terme "environ" est utilisé pour désigner une tolérance de ± 10 % de la valeur en question.

La figure 1 représente schématiquement un dispositif de formation d'image 100 comprenant un capteur combiné 102 d'image 2D et de profondeur. Le dispositif 100 comprend par exemple un circuit d'émission de signal lumineux 104 qui pilote une diode photoémettrice (LED) 106. La LED émet par exemple de la lumière à une longueur d'onde dans le spectre du proche infrarouge, par exemple dans la plage de 700 à 1000 pm. Le signal lumineux produit par la LED 106 est par exemple émis vers la scène image par l'intermédiaire d'une ou plusieurs lentilles (non représentées en figure 1). La lumière du signal lumineux réfléchie à partir de la scène image est captée par le capteur d'image 102, par exemple par l'intermédiaire d'un objectif de formation d'image 107 et d'un réseau de microlentilles 108, qui focalise la lumière sur les pixels individuels du capteur d'image 102.

Le capteur 102 comprend par exemple plusieurs pixels aptes à recevoir le signal lumineux réfléchi par la scène image et à détecter la phase du signal reçu pour former une image de profondeur. Ces pixels seront appelés ci-après pixels de profondeur. Le capteur d'image 102 comprend en outre plusieurs pixels aptes à capter de la lumière visible à partir de la scène image pour former une image 2D, ces pixels étant appelés ici pixels d'image 2D.

Un processeur 110 du dispositif de formation d'image 100 est par exemple couplé au capteur d'image 102 et au circuit de transmission du signal lumineux 104 et détermine, sur la base des signaux captés par les pixels de profondeur du capteur 102 les distances correspondantes des objets dans la scène image. L'image 2D captée par le capteur d'image 102 et l'image de profondeur produite par le processeur 110 sont par exemple mémorisées dans une mémoire 112 du dispositif de formation d'image 100.

La figure 2 est un graphique représentant, par une courbe en pointillés 202, un exemple de l'intensité lumineuse du signal lumineux émis par la photodiode 106 vers la scène image, et, par une courbe en trait plein 204, un exemple de l'intensité lumineuse du signal lumineux reçu par l'un des pixels de profondeur du capteur d'image 102. Bien que, pour simplifier la comparaison, ces signaux soient représentés en figure 2 comme ayant la même intensité, en pratique le signal lumineux reçu par chaque pixel de profondeur est susceptible d'être notablement moins intense que le signal émis. Dans l'exemple de la figure 2, le signal lumineux a la forme d'une onde sinusoïdale. Toutefois, dans des variantes de réalisation, il pourrait avoir une forme périodique différente, par exemple constituée d'une somme d'ondes sinusoïdales.

Plutôt que d'être basé sur un réseau de SPAD, les pixels de profondeur de la présente description sont basés sur des photodétecteurs utilisés pour détecter la phase du signal lumineux reçu. Il y a un déphasage <PyoF sntre 1θ signal lumineux émis et le signal lumineux reçu, qui représente le temps de vol (ToF) du signal lumineux en provenance de la photodiode 106 vers le capteur d'image 102 par l'intermédiaire d'un objet de la scène image qui réfléchit le signal lumineux. Une estimation de la distance d à l'objet dans la scène image peut ainsi être calculée en utilisant l'équation : , Clight d ~ ’W’70" où cyj_ght désigne la vitesse de la lumière, et f la fréquence du signal lumineux.

Le déphasage <Ptof est Par exemple estimé sur la base d'un échantillonnage du signal capté par un pixel de profondeur pendant au moins trois fenêtres d'échantillonnage distinctes pendant chaque période du signal lumineux. Une technique basée sur la détection de quatre échantillons par période est décrite plus en détail dans la publication de R. Lange et de P. Seitz intitulée "Solid-state TOF range caméra", IEE J. on Quantum Electronics, vol. 37, No.3, March 2001, dont le contenu sera considéré comme faisant partie intégrante de la présente description dans la mesure permise par la loi. Le présent mode de réalisation est par exemple basé sur la détection de trois échantillons par période.

Les échantillons de chaque fenêtre d'échantillonnage sont par exemple intégrés sur un grand nombre de périodes par exemple sur environ 100 000 périodes, ou plus généralement entre 10 000 et 10 millions de périodes. Chaque fenêtre d'échantillonnage a par exemple une durée allant jusqu'à un tiers de la période du signal lumineux. Ces fenêtres d'échantillonnage sont nommées Cg, C]_ et C2 en figure 2, et dans l'exemple de la figure 2, chaque fenêtre d'échantillonnage est d'une même durée et les trois fenêtres d'échantillonnage ont un temps de cycle total égal à la période du signal lumineux. Plus généralement, il peut, ou non, y avoir un intervalle de temps séparant une fenêtre d'échantillonnage de la suivante et, dans certains cas, il pourrait y avoir un chevauchement entre les fenêtres d'échantillonnage. Chaque fenêtre d'échantillonnage a par exemple une durée comprise entre 25 et 40% de la période du signal lumineux dans le cas d'un pixel capturant trois échantillons par période.

Le minutage des fenêtres d'échantillonnage Cq à C2 est commandé de manière à être synchronisé avec le minutage du signal lumineux émis. Par exemple, le circuit d'émission de signal lumineux 104 génère un signal lumineux basé sur un signal d'horloge CLK, et le capteur d'image 102 reçoit le même signal d'horloge CLK pour commander le temps de fin de chaque fenêtre d'échantillonnage en utilisant par exemple des éléments de retard pour introduire les déphasages appropriés.

En se basant sur les échantillons intégrés du signal lumineux, et pour une onde lumineuse purement sinusoïdale, le déphasage (JPtof du signal lumineux peut être déterminé en utilisant l'équation suivante :

. f Wz-cJ

Dans certains modes de réalisation, la fréquence f du signal lumineux est de 25 MHz, ou plus généralement comprise entre 20 et 200 MHz.

La figure 3 est un diagramme de circuit illustrant un exemple de circuit 300 de pixel ToF. Un tel circuit est décrit plus en de détail dans la demande de brevet français de numéro de demande FR 15/63457 (référence du mandataire : B14596), dont le contenu sera considéré comme faisant partie intégrante de la présente description dans la mesure permise par la loi. Par exemple, un chronogramme illustrant un exemple de fonctionnement de ce circuit est présenté en figure 3 de FR 15/63457, et le même exemple de fonctionnement s'applique dans le contexte de la présente demande.

Le circuit 300 comprend un élément photosensible PD couplé entre un nœud 302 et une source d'alimentation de référence, l'élément photosensible étant par exemple une photodiode. Le nœud 302 est couplé à un nœud de détection SN par l'intermédiaire de la connexion parallèle de trois circuits d'échantillonnage 304, 306, 308. Le circuit d'échantillonnage 304 comprend une mémoire merrq couplée au nœud 302 par une porte de transfert 310 qui est par exemple un transistor MOS à canal n. La mémoire mem]_ est aussi couplée au nœud de détection SN par une porte de transfert supplémentaire 312, qui est aussi par exemple un transistor MOS à canal n. La porte de transfert 310 est commandée par un signal Vmerrq appliqué à son nœud de commande, et la porte de transfert 312 est commandée par un signal Vsn]_ appliqué à son noeud de commande. Les circuits d'échantillonnage 306 et 308 comprennent des éléments de circuit similaires au circuit d'échantillonnage 304, et en particulier les circuits 306, 308 comprennent respectivement des mémoires rneny?, mem3, des portes de transfert 314, 316 commandées respectivement par des signaux Vmem2/Vmem3' et des portes de transfert 318, 320 commandées respectivement par des signaux Vsn2, Vsn3· Les mémoires mertq, mem2 et mem3 fournissent des zones de stockage de charge dans lesquelles une charge transférée depuis l'élément photosensible PD est temporairement stockée.

Le circuit 300 comprend en outre un circuit de sortie formé d'un transistor à source suiveuse 322, d'un transistor de sélection 324 et d'un transistor de réinitialisation 326, ces transistors étant par exemple des transistors MOS à canal n. Le nœud de détection SN est couplé au nœud de commande du transistor 322, qui a par exemple son drain couplé à la source de tension d'alimentation Vdd, et sa source couplée à une ligne de sortie 328 du circuit de pixels 300 par le transistor 324 qui est commandé par un signal Vsel appliqué à sa grille. Le nœud de détection SN est aussi couplé à la source de tension d'alimentation Vdd à travers le transistor 326 qui est commandé par un signal Vres appliqué à sa grille. Dans des variantes de réalisation, le circuit de sortie pourrait être partagé par plusieurs pixels, le nœud de détection SN étant par exemple couplé au circuit d'échantillonnage d'un ou plusieurs pixels adjacents.

Le circuit 300 comprend en outre par exemple un transistor 330 couplant le nœud 302 à la source de tension d'alimentation Vdd et permettant à l'élément photosensible PD d'être réinitialisé. Le transistor 330 est par exemple commandé par un signal Vrespg.

Pour déterminer le déphasage <PtoF entre le signal lumineux émis et le signal lumineux reçu par le pixel, le signal lumineux reçu est échantillonné en transférant, successivement et à intervalle régulier, des charges photogénérées dans l'élément photosensible PD pendant la première fenêtre d'échantillonnage C0 vers la mémoire memp, des charges photogénérées dans l'élément photosensible PD pendant la deuxième fenêtre d'échantillonnage Cl vers la mémoire menr? et des charges photogénérés dans l'élément photosensible PD pendant la troisième fenêtre d'échantillonnage C2 vers la mémoire memg. Ces trois transferts successifs sont répétés un grand nombre de fois, par exemple 100 000 fois avant que les signaux stockés par les mémoires memp mem2 et memg soient successivement lus par le circuit de sortie.

La figure 4 est une vue de dessus d'un bloc trois par trois 400 de pixels formant une partie du capteur d'image 102 de la figure 1 selon un exemple de réalisation. Dans l'exemple de la figure 4, un pixel central PZ est un pixel de profondeur pour détecter le signal de retour du signal lumineux émis vers la scène image dans le cas d'un pixel capturant quatre échantillons par période. Les huit pixels PI à P8 l'entourant sont par exemple des pixels d'images 2D pour capter une image lumineuse visible 2D projetée depuis la scène image.

Le pixel de profondeur a des dimensions relativement grandes par rapport aux mémoires meirq à mem4 pour stocker les échantillons. Cela est avantageusement réalisé en positionnant ces mémoires le long des côtés respectifs du pixel de profondeur, et en étendant ces mémoires au-delà des limites du pixel de profondeur de manière à ce qu' elles forment des murs d'isolement qui agissent comme des barrières de charge entre les zones photosensibles des pixels environnants. Comme cela sera décrit plus en détail ci-dessous, les mémoires merrq à mermj sont par exemple des zones mémoires formées par des régions verticales de stockage de charge définies par des murs parallèles ayant des électrodes isolés auxquelles peut être appliquée une tension de polarisation de manière à autoriser le stockage des électrons. Les zones mémoires sont, de manière avantageuse, protégées de la lumière comme cela sera décrit en plus de détail ci-dessous.

Comme cela est représenté dans l'exemple de la figure 4, la zone mémoire meirq s'étend par exemple le long d'un côté gauche du pixel de profondeur et ensuite entre les pixels PI, P2 formant les pixels supérieur-gauche et supérieur-centre du bloc trois par trois de pixels 400. La zone mémoire mem2 s'étend par exemple le long d'un bord haut du pixel de profondeur et ensuite entre les pixels P3, P4 formant les pixels supérieur-droit et droit-centre du bloc trois par trois de pixels 400. La zone mémoire memg s'étend par exemple le long d'un côté droit du pixel de profondeur, et ensuite entre les pixels P5, P6 formant les pixels inférieur-droit et inférieur-centre du bloc trois par trois de pixels 400. La zone mémoire mençj s'étend par exemple le long du côté bas du pixel de profondeur et s'étend ensuite entre les pixels P7, P8 formant les pixels inférieur-gauche et gauche-centre du bloc trois par trois de pixels 400.

Dans certains modes de réalisation, plutôt que de stocker un quatrième échantillon, la zone mémoire mem4 pourrait être utilisée dans un objectif de réinitialisation de la photodiode et/ou d'anti-éblouissement.

Chacune des zones mémoire menq à memq comprend par exemple par un volume de stockage 402 pris en sandwich entre une paire de murs droits et parallèles 404, 406. Les murs 404, 406 sont par exemple des tranchées d'isolement actives formées d'un cœur conducteur recouvert d'une couche isolante. Le cœur conducteur a par exemple la forme d'un mur s ' étendant sur la longueur et la profondeur de la tranchée d'isolement active. Une tension de polarisation est par exemple appliquée au cœur conducteur de chaque mur de telle manière qu'une charge puisse être stockée dans les volumes de stockage 402 des zones mémoire merrq à mertbj. Dans certains modes de réalisation, la tension de polarisation est une tension négative, par exemple d'environ -2. V, de manière à réduire le signal d'obscurité.

Les murs 404 sont par exemple des murs internes qui sont moins haut que les murs externes 406, une extrémité 408 des murs 404 étant espacée du côté du mur 404 d'une zone mémoire adjacente par une ouverture 410, et' l'autre extrémité 411 s'étendant par exemple sur le côté d'un mur supplémentaire 412 (seulement partiellement illustré en figure 4) du côté éloigné des pixels environnants. Les murs externes 406 s'étendent par exemple du côté du mur 404 d'une zone mémoire adjacente au côté du mur 412 correspondant. Une zone de contact 414 est par exemple adjacente à l'extrémité formée entre les murs 404, 406 de chaque zone mémoire.

On notera que les murs 404 et 406 de chaque zone mémoire sont tous des murs droits. Ainsi les volumes de stockage 402 de chaque mémoire s'étendent en ligne droite, sans angles ou courbures. Cela facilite avantageusement le transfert de charges dans ces volumes de stockage 402 et l'évacuation de charges depuis ces volumes de stockage 402.

En outre, les volumes de stockage ont par exemple un facteur de forme relativement grand. Par exemple, la zone mémoire memç a un facteur de forme défini par I^/W^ où 1^ est la longueur du volume de stockage 402 depuis le côté interne de la grille du transistor 312 jusqu'au niveau de l'extrémité 408 du mur 404, et Wm est la largeur du volume de stockage 402 entre les côtés externes des murs 404, 406. Ce facteur de forme est par exemple égal à au moins 3 et dans certains modes de réalisation, il est égal à 5 ou plus. Chacune des autres zones mémoire meny?, mem3, mem4 a par exemple un facteur de forme similaire. Un tel facteur de forme a par exemple l'avantage d'assurer une capacité de stockage de charge relativement grande et une évacuation de charge efficace.

La longueur du volume de stockage 402 est par exemple plus grande que la largeur w de chaque côté du pixel de profondeur. Les dimensions du pixel de profondeur sont par exemple les mêmes que les dimensions des pixels d'image 2D. Par exemple, la largeur w de chacun des pixels de profondeur et de chacun des pixels d'image 2D est inférieure à 10 pm, et par exemple inférieure à 5 μιτι.

Les portes de transfert 310, 314, 316 et 416 sont par exemple adjacentes aux ouvertures 410 correspondantes dans les murs internes 404 des zones mémoire meiq à mem4. La zone photosensible du pixel de profondeur PZ inclut par exemple une région centrale 415 de collection de charge et des régions sous les portes de transfert 310, 314, 316 et 416 des zones mémoire meirq à mem4· Ainsi, quand une tension est appliquée à l'une des portes de transfert 310, 314, 316, ou 416, la charge présente dans la zone photosensible sera transférée à la zone mémoire correspondante à travers l'ouverture 410 correspondante dans le mur 404.

On notera que la zone photosensible de la photodiode PD est relativement petite, plus petite que les dimensions du pixel. Les présents inventeurs ont trouvé que cela n'est pas néfaste à la capture correcte des photons comme de toute manière les taux d'échantillonnage des portes de transfert sont tels que les charges photosensibles n'ont qu'un temps court pour être évacuées, et donc de grandes dimensions de pixel ne mènent pas nécessairement à un signal augmenté. En outre, l'utilisation de microlentilles telles que celles référencées 108 en figure 1 peuvent compenser une zone photosensible relativement petite en augmentant la sensibilité.

La figure 5A est une vue en coupe selon une ligne A-A' -A" parcourant la structure de la figure 4, et en particulier s'étendant sur la longueur de la mémoire memp et ensuite faisant un virage vers la droite au travers l'ouverture 410 et de la porte de transfert 310. Les autres zones mémoires meirv? à mem4 ont par exemple une structure similaire.

La zone photosensible comprend par exemple une région 541 de type n, ayant un niveau de dopage Ng, formé sur un substrat semi-conducteur 543 de type p. Dans certains modes de réalisation, plutôt que d'être le substrat, la couche 543 de type p pourrait être une couche SOI (Silicon on insulator) formée par épitaxie et positionnée,sur une couche 544 d'oxyde enterré (BOX) (représenté par des pointillées en figure 5A). La zone de collection de charge est par exemple constituée d'une région 545 de type n ayant un niveau de dopage N2 qui est supérieur à Np La région 545 est par exemple couverte par une couche 547 fortement dopée de type p (P+), qui forme par exemple une couche de passivation.

Un des murs d'isolement 412 est illustré en figure 5A et comprend un cœur conducteur 551, formé par exemple de silicium polycristallin entouré d'une couche isolante 553, par exemple en oxyde de silicium.

La zone memg comprend par exemple un caisson 557 de type n ayant un niveau de dopage N5 supérieur à Ng, recouvert d'une couche P+ 547. La zone mémoire memg est par exemple séparée de la zone de collection de charge 545 par la région 541 couverte par une grille 559 du transistor de transfert 310, cette grille étant séparée de la région 541 par une couche 561 d'isolement de grille. En outre, la zone mémoire memg est par exemple séparée de la zone de contact 414 par une région 562 de type n, couverte par une grille 563 du transistor 312, la grille 563 étant séparée de la région 561 par un isolant de grille 565.

La zone mémoire memg comprend aussi par exemple une région 567 de type n positionnée entre le caisson 557 de type n et la porte de transfert 310. Cette région 567 a par exemple un niveau de dopage N4 supérieur à Ng et inférieur à N5, et est couverte par la couche P+ 547. Dans certains modes de réalisation, la région 541 s'étend jusqu'à la région 567 de la zone mémoire memg. Cependant, dans l'exemple de la figure 5A, une région 569 de type n supplémentaire est formé sous la grille 310 et sépare les régions 541 et 567. La région 569 a par exemple un niveau de dopage N3 supérieur à Ng et inférieur à N4 et N5. Dans certains modes de réalisation, le niveau de dopage N3 est aussi inférieur à N2.

Bien que cela ne soit pas montré en figure 5A, la mémoire formée par les régions 567 et 557 de type n est par exemple masquée en étant recouverte d'un écran de protection contre la lumière. En outre, dans certains modes de réalisation, l'écran de protection contre la lumière s'étend pour couvrir au moins partiellement la grille 559, et couvre par exemple au moins une partie ou toute la région 569 de type n.

Les figure 5B à 5E représentent des tensions électrostatiques selon la même coupe A-A' -A" à travers la structure de la figure 4 que celle représentée en figure 5A. Dans ces figures, des tensions basses sont représentées par des hauts niveaux des courbes, et inversement.

Les figures 5B à 5D illustrent une phase de transfert de charge de la zone de collection charge 545 à la zone mémoire merrq. La figure 5B illustre une étape dans laquelle les transistors 310 et 312 sont maintenus dans un état bloqué par une tension négative ou nulle appliquée à leurs grilles. La figure 5C illustre une étape durant laquelle la porte de transfert 310 est rendue passante, par exemple par application d'une tension d'alimentation Vdd à sa grille, amenant la tension électrostatique sous la grille 310 à une valeur supérieure à celle de la zone de collection de charge 545 et causant ainsi le transfert des charges vers la région 569 sous la grille. La figure 5D illustre une étape suivante au cours de laquelle la tension appliquée à la grille du transistor 310 est ramenée à un niveau bas, de telle manière que la tension électrostatique de la région contenant les charges transférées tombe en-dessous de celles des régions 567 et 557 de la zone mémoire merrq et ainsi la charge est transférée à la région de stockage de charge de la zone mémoire.

La figure 5E illustre une phase suivante durant laquelle une charge est transférée en dehors de la mémoire par l'intermédiaire de la zone de contact 414. Comme cela est illustré, pour cela, le transistor 312 est commandé par une tension haute, par exemple la tension d'alimentation Vdd, et ainsi la tension électrostatique sous la grille 563 devient supérieure à celle de la zone de stockage de charge 557 de la zone mémoire, et la charge est transférée à la zone de contact 414, qui a par exemple une tension électrostatique supérieure à celle de la zone 557.

La figure 6 est une vue en coupe prise selon une ligne B-B' traversant la structure de la figure 4, et en particulier traversant les pixels P8, PZ et P4, et les zones mémoire merrq et memg de chaque côté du pixel PZ. Les zones mémoire mem2 et mem4 ne sont pas illustrées mais ont par exemple une structure similaire aux zones mémoire menq et memg.

Comme cela est illustré, chacun des pixels P8 et P4 comprend par exemple une photodiode pincée formée d'une couche 650 de type n positionnée sous une couche fortement dopée de type p (P+) 652. Chacun des murs 404, 406 des zones mémoire mem]_, memg est formé par une tranchée recouverte d'une couche 654 d'un isolant tel que de l'oxyde et remplie d'un cœur conducteur 656, formé par exemple d'un siliciure. La largeur des mémoires meirq, memg, depuis les surfaces extérieures des murs 404, 406 est par exemple d'environ 1 pm, ou plus généralement entre 0,8 et 2 pm.

Dans certains modes de réalisation, des filtres de lumière 658, 660, 662 sont positionnés sur les pixels P8, PZ et P4 respectivement. Les filtres 658 et 662 sont par exemple des filtres de couleur, tels que des filtres rouge, vert ou bleu, pour permettre uniquement à la lumière ayant une gamme de longueur d'onde limitée d'entrer dans les pixels d'image 2D. Le filtre 660 est par exemple un filtre NIR permettant uniquement à la lumière dans la gamme de longueur d'onde du proche infrarouge d'entrer dans le pixel PZ.

Des écrans opaques à la lumière 664 sont par exemple positionnés sur chacune des zones mémoire menq, memg de telle manière que la lumière venant de la scène image n'entre pas directement dans ces mémoires et ne génère pas de charges parasites. Les écrans 664 sont par exemple en un métal approprié tel que du tungstène, de l'aluminium ou du cuivre.

La figure 7A est une vue de dessus d'un bloc quatre par quatre 700 de pixels du capteur d'image 102 selon un exemple de réalisation. Dans l'exemple de la figure 7A, chaque bloc deux par deux de pixels est composé de pixels couverts par un filtre vert (G) , un filtre rouge (R) , un filtre bleu (B) , et un filtre NIR (Z) . Les mémoires associées aux pixels de profondeur Z forment des murs d'isolement entre les pixels de couleurs voisins de manière similaire à celle décrite en relation avec l'exemple de la figure 4. Pour simplifier l'illustration, chacune des mémoires est représentée par des rectangles ayant à une extrémité des régions assombries représentant la porte de transfert et la zone de contact pour transférer les charges hors de la mémoire.

Dans l'exemple de la figure 7A, la densité des pixels de profondeur est telle que les mémoires correspondantes constituent des barrières entre tous les pixels du réseau. En effet, la figure 7A illustre certaines mémoires associées à des pixels de profondeur voisins du bloc quatre par quatre. C'est seulement au bord du réseau de pixels que certaines barrières peuvent être manquantes, mais de telles barrières peuvent être implémentées par des tranchées d'isolement, telles que des tranchées d'isolement peu profonde (STI), des tranchées d'isolement profonde (DTI) ou par le même type de murs d'isolement que celui utilisé pour délimiter les mémoires.

La figue 7B est une vue de dessus d'un bloc quatre par quatre 710 de pixels du capteur d'image 102 selon une variante de réalisation par rapport au cas de la figure 7A.

Dans l'exemple de la figure 7B, une densité de pixels de profondeur inférieure à celle du mode de réalisation de la figure 7A est prévue. Par exemple, le réseau de pixels est formé de blocs deux par deux de pixels, dont certains comprennent, dans le sens des aiguilles d'une montre, des pixels vert, rouge, vert et bleu, et dont certains comprennent, dans le sens des aiguilles d'une montre, des pixels vert, rouge, de profondeur et bleu. L'espacement relativement élevé entre les pixels de profondeur signifie que les mémoires correspondantes constituent des barrières seulement entre certains des pixels d'image 2D du réseau. Aux endroits où aucune mémoire n'est présente, les pixels sont par exemple séparés par des tranchées d'isolement 712 constituant des barrières entre des pixels adjacents. Ces tranchées d'isolement 712 constituent par exemple des mémoires fantômes, c'est-à-dire qu'elles ont la même structure que celle des mémoires des pixels de profondeur à l'exception de l'ouverture 410 de la figure 4 qui peut être omise. Les cœurs conducteurs formés dans les murs des mémoires fantômes sont par exemple couplés aux mêmes tensions de polarisations continues que les pixels de profondeur.

La figure 7C est une vue de dessus d'un bloc 720 de pixels du capteur d'image 102 selon une variante de réalisation par rapport au cas des figures 7A et 7B.

Dans l'exemple de la figure 7C, chaque pixel de profondeur Z a une surface correspondant à un bloc deux par deux de pixels d'image 2D. Par exemple, les pixels d'image 2D sont agencés en des blocs deux par deux ayant, dans le sens des aiguilles d'une montre, des pixels vert, rouge, vert et bleu. Un bloc deux par deux de pixels d'image est remplacé à des intervalles réguliers par un unique pixel de profondeur. Plus généralement, les pixels d'image 2D peuvent être agencés en blocs n par n de pixels, et chaque pixel de profondeur peut occuper l'espace d'un bloc de pixels n par n, où n est un entier supérieur ou égal à deux.

Dans l'exemple de la figure 7C, chacune des mémoires s'étendant depuis les pixels de profondeur forme une barrière au moins partielle entre plus d'une paire de pixels d'image 2D adjacentes. Bien sûr, bien que la figure 7C illustre un exemple dans lequel chaque pixel de profondeur est entouré de 8 blocs deux par deux de pixels d'image 2D, dans des variantes de réalisation une densité différente de pixels de profondeur serait possible.

Bien sûr, bien que dans les modes de réalisation des figures 7A, 7B et 7C les pixels 2D soient des pixels de couleur vert, rouge et bleu, dans des variantes de réalisation ces pixels pourraient être des pixels non filtrés sans filtre de couleur, ou ayant un filtre qui filtre les longueurs d'onde de proche infrarouge (NIR). Par exemple, un filtre transmettant une gamme de longueurs d'onde d'environ 400 nm à environ 700 nm pourrait être utilisé pour ces pixels.

La figure 8 est un graphique illustrant des exemples de gammes de longueurs d'onde transmise par des filtres de couleur bleu, vert et rouge (BGR) et par un filtre NIR selon un exemple de réalisation. Par exemple, ces filtres sont caractérisés par les gammes de transmission suivantes pour lesquels la transmission est supérieure ou égale à 0,5 : - Bleu : gamme de longueur d'onde d'environ 400 nm à environ 490 nm ; - Vert : gamme de longueur d'onde d'environ 490 nm à environ 590 nm ; - Rouge : gamme de longueur d'onde d'environ 560 nm à environ 660 nm ; - NIR : gamme de longueur d'onde d'environ 780 nm à environ 820 nm.

La figure 9 est une vue en perspective d'un circuit 3D 900 comprenant des dispositifs empilés 902, 904, qui sont par exemple interconnectés par des vias verticaux 3D 906. Le dispositif 902 comprend par exemple le capteur d'image 102, qui est par exemple illuminé par l'arrière. Le circuit 904 comprend par exemple certains ou tous les transistors associés à chaque pixel, tel que le transistor 326 de la figure 3. Le circuit 904 peut en plus ou alternativement comprendre certains ou tous les transistors formant le circuit de sortie associé à chaque pixel tel que le transistor 322 et/ou 324 de la figure 3.

Dans certains modes de réalisation, les signaux de fréquence relativement haute Vmeirq, Vmem2, Vmemg utilisés pour piloter les portes de transfert 310, 314, 316 sont fournis par des fils dans un dispositif différent de l'appareil utilisé pour fournir les signaux pilotant les portes de transfert des pixels d'image 2D. Par exemple, les signaux Vmerrq, Vmemg, Vmemg sont fournis aux pixels du dispositif 902 par des fils sur 1'appareil 904 et à travers les vias verticaux 3D 906 entre les appareils 902, 904. D'autres agencements de transistors et distribution de fils pourraient être utilisés par l'homme du métier pour optimiser la topographie et la densité de réseau de pixels.

Un avantage des modes de réalisation décrits ici est que 11 agencement du pixel de profondeur dans le capteur combiné 102 d'image 2D et de profondeur permet à au moins trois mémoires d'être couplées à la zone photosensible du pixel sans augmenter significativement la taille du pixel par rapport aux autres pixels du réseau. De plus, les mémoires fournissent avantageusement des barrières efficaces entre les pixels d'image alentours.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaitront à l'homme de l'art. En particulier, bien qu'un exemple particulier de la topographie de pixel de profondeur ait été décrit en relation avec la figure 4, il sera apparent à l'homme de l'art que des modifications peuvent être faites. Par exemple, la quatrième mémoire mem^ peut être omise dans certains modes de réalisation.

De plus, les mémoires pourraient s'étendre dans la direction opposée à ce qui est montré dans l'exemple de la figure 4, la mémoire memg s'étendant entre les pixels P6 et P7, la mémoire memg s'étendant entre les pixels P8 et Pl, la mémoire memg s'étendant entre les pixels P2 et P3 et la mémoire mem4 s'étendant entre les pixels P4 et P5.

De plus, il sera clair pour l'homme de l’art, que bien que des régions ayant des dopages de type p et de type n aient été décrites, dans des variantes de réalisation certaines ou toutes ces régions peuvent avoir un type de dopage opposé. Par exemple, la région de type n 557 de la figure 5A formant la mémoire pourrait être remplacée une région de type p, et les autres régions de la structure de la figure 5A pourraient être aussi de type du dopage opposé.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Capteur d'image comprenant : un pixel de profondeur (PZ) ayant : une zone de détection (PD) ; une première mémoire (meirq) couplée électriquement à la zone de détection par une première grille (310) ; une seconde mémoire (mem2) couplée électriquement à la zone de détection par une seconde grille (314) ; et une troisième mémoire (memg) couplée électriquement à la zone de détection par une troisième grille (316), chacune des première, deuxième et troisième mémoire étant constituée d'une région dopée (557) prise en sandwich entre des premier et second murs droits parallèles (404, 406) , les premier et second murs de chaque mémoire ayant un cœur conducteur adapté à recevoir une tension de polarisation ; et une pluralité de pixels d'image 2D (Pl à P8) disposés de manière adjacente aux pixels de profondeur, dans lesquels les première, deuxième et troisième mémoires s'étendent pour former des murs d'isolement au moins partiels entre les paires adjacentes correspondantes des pixels d'image 2D.
2. 2. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel : les murs (404, 406) de la première mémoire (mem^) s'étendent entre les zones de détection des premier et deuxième pixels (Pl, P2) de la pluralité de pixels d'image 2D ; les murs (404, 406) de la seconde mémoire (mem2) s'étendent entre les zones de détection des troisième et quatrième pixels (P3, P4) de la pluralité de pixels d'image 2D ; et les murs (404, 406) de la troisième mémoire (memg) s'étendent entre les zones de détection des cinquième et sixième pixels (P5, P6) de la pluralité de pixels d'image 2D.
3. 3. Capteur d'image selon la revendication 2, dans lequel le pixel de profondeur (PZ) comprend en outre une structure supplémentaire (mem4 ) couplée électriquement à la zone de détection (PD) du pixel de profondeur par une quatrième grille (416), la structure supplémentaire comprenant une région de type n prise en sandwich entre des murs parallèles droits (404, 406), et dans lequel les murs de la structure supplémentaire s'étendent entre les zones de détection des septième et huitième pixels (P7, P8) de la pluralité de pixels d'image 2D.
4. 4. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur d'image comprend une pluralité de blocs deux par deux de pixels, au moins certains desdits blocs deux par deux de pixels comprenant le pixel de profondeur selon la revendication 1 et trois pixels d'image 2D.
5. 5. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le capteur d'image consiste en une pluralité de blocs deux par deux de pixels, chaque bloc deux par deux de pixels comprenant le pixel de profondeur selon la revendication 1 et trois pixels d'image 2D.
6. 6. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur d'image comprend un réseau consistant en une pluralité de blocs n par n de pixels d'image 2D et une pluralité de pixels de profondeur selon la revendication 1, chaque pixel de profondeur occupant un espace dans le réseau correspondant à l'espace occupé par un bloc n par n de pixels d'image 2D, où n est un entier supérieur ou égal à 2.
7. 7. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque pixel d'image 2D est isolé du pixel d'image 2D adjacent par des murs d'isolement correspondant, au moins certains desdits murs d'isolement étant formés par lesdites première, deuxième et troisième mémoires, et un ou plus desdits murs d'isolement étant formé par une tranchée d'isolement.
8. 8. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chacune des première, deuxième et troisième mémoires à un facteur de forme d'au moins 4.
9. 9. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications là 8, dans lequel la longueur de la zone de stockage de charge de chacun desdites première, deuxième et troisième mémoires est plus grande que la largeur du pixel de profondeur.
10. 10. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le pixel de profondeur et le pixel d'image 2D sont formés dans une couche (543) de semi-conducteur disposée sur une couche d'isolement enterrée (544).
11. 11. Dispositif de formation d'image comprenant : le capteur d'image de l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; et un circuit de transmission de signal lumineux (104, 106) configuré pour émettre de la lumière dans la gamme du proche infrarouge.
12. 12. Dispositif de formation d'image selon la revendication 11, dans lequel le pixel de profondeur est couvert d'un filtre ayant une bande passante limitée à la gamme du proche infrarouge.