FR3131439A1 - Capteur d'images - Google Patents
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Abstract
Capteur d'images La présente description concerne un capteur d'images comprenant une pluralité de pixels (100) formés dans et sur un substrat semiconducteur (101), chaque pixel comportant : – au moins une première zone photosensible (103) formée dans le substrat semiconducteur (101) et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ; – une deuxième zone photosensible (105) formée dans le substrat semiconducteur (101) à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible (103) et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ; – au moins une zone de collecte de charges (113) disposée du côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) ; – au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et – au moins une grille de transfert (TG) s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert. Figure pour l'abrégé : Fig. 2
Description
La présente description concerne de façon générale le domaine des dispositifs d'acquisition d'images. La présente description concerne plus particulièrement des dispositifs d'acquisition d'images adaptés à acquérir une image 2D et une image de profondeur d'une scène.
On connaît des dispositifs d'acquisition d'images capables d'acquérir une image 2D et une image de profondeur d'une scène. On connaît notamment des dispositifs comportant des sous-pixels d'image 2D et des sous-pixels de profondeur intégrés dans un réseau de pixels d'un même capteur d'images.
Il existe un besoin d'améliorer les dispositifs d'acquisition d'une image 2D et d'une image de profondeur d'une scène existants. Il serait souhaitable de réaliser un capteur d'images intégrant, dans un même réseau de pixels, des sous-pixels d'image 2D et des sous-pixels de profondeur, le capteur présentant notamment, pour l'acquisition des images de profondeur, une efficacité supérieure à celle des capteurs connus.
Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs d'acquisition d'une image 2D et d'une image de profondeur d'une scène connus.
Pour cela, un mode de réalisation prévoit un capteur d'images comprenant une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur, chaque pixel comportant :
– au moins une première zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ;
– une deuxième zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ;
– au moins une zone de collecte de charges disposée du côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible ;
– au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– au moins une grille de transfert s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert.
– au moins une première zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ;
– une deuxième zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ;
– au moins une zone de collecte de charges disposée du côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible ;
– au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– au moins une grille de transfert s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte en outre une tranchée d'isolation périphérique s'étendant verticalement dans le substrat semiconducteur, depuis ledit côté de la deuxième zone photosensible, et délimitant latéralement ladite au moins une première zone photosensible et la deuxième zone photosensible.
Selon un mode de réalisation, chaque grille de transfert comporte une première tranchée d'isolation s'étendant dans le substrat semiconducteur depuis ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible et pénétrant partiellement dans l'épaisseur de ladite au moins une première zone photosensible.
Selon un mode de réalisation, chaque zone de collecte de charges s'étend latéralement entre la tranchée d'isolation périphérique et la ou l'une des premières tranchées d'isolation.
Selon un mode de réalisation, chaque grille de transfert est entourée par une deuxième tranchée d'isolation s'étendant verticalement dans le substrat depuis ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte en outre au moins une autre grille de transfert s'étendant latéralement sur ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible et au moins une autre zone de collecte de charges.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte quatre premières zones photosensibles.
Selon un mode de réalisation, les premières zones photosensibles sont isolées les unes des autres par une troisième tranchée d'isolation.
Selon un mode de réalisation, la deuxième zone photosensible est sur et en contact avec la première zone photosensible.
Selon un mode de réalisation, le capteur comporte en outre un circuit de contrôle configuré pour appliquer alternativement, sur ladite au moins une grille de transfert :
– un premier potentiel adapté à bloquer un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– un deuxième potentiel, différent du premier potentiel, adapté à permettre un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges.
– un premier potentiel adapté à bloquer un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– un deuxième potentiel, différent du premier potentiel, adapté à permettre un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges.
Selon un mode de réalisation, les premières zones photosensibles des pixels du capteur sont destinées à capturer une image 2D et les deuxièmes zones photosensibles des pixels du capteur sont destinées à capturer une image de profondeur.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un pixel de capteur d'images selon un mode de réalisation ;
la est une vue en coupe, selon le plan AA de la , du pixel de la ;
la est une vue en coupe, selon le plan BB de la , du pixel de la ;
la est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un pixel de capteur d'images selon un autre mode de réalisation ;
la est une vue en coupe, selon le plan AA de la , du pixel de la ;
la est une vue en coupe, selon le plan AA de la , d'une étape d'un procédé de fabrication du pixel de la ;
la est une vue en coupe, selon le plan AA de la , d'une étape du procédé de fabrication du pixel de la ;
la est une vue en coupe, selon le plan BB de la , d'une étape du procédé de fabrication du pixel de la ;
la est une vue en coupe, selon le plan AA de la , d'une étape du procédé de fabrication du pixel de la ; et
la est une vue en coupe, selon le plan BB de la , d'une étape du procédé de fabrication du pixel de la .
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits (transistors et connexions) des pixels n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation et variantes décrits étant compatibles avec les circuits de pixels usuels. Par ailleurs, les circuits de lecture, ou décodeurs colonnes, les circuits de commande, ou décodeurs lignes, et les applications dans lesquelles peuvent être prévus des capteurs d'images n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation et variantes décrits étant compatibles avec les circuits de lecture et les circuits de commande des capteurs d'images usuels, ainsi qu'avec les applications usuelles mettant en œuvre des capteurs d'images.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
On désigne par "transmittance d'une couche" le rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %.
Dans la suite de la description, "lumière visible" désigne un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 380 nm et 780 nm et "rayonnement infrarouge" désigne un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 780 nm et 15 µm. En outre, "rayonnement infrarouge proche" désigne plus particulièrement un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 780 nm et 1,7 µm.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
La est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un pixel 100 de capteur d'images selon un mode de réalisation. Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe, selon les plans AA et BB de la , respectivement, du pixel 100 de la .
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 est formé dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple en silicium. À titre d'exemple, le substrat 101 présente une épaisseur comprise entre 5 et 20 µm.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte des premières zones photosensibles 103 formées dans le substrat semiconducteur 101. Comme illustré en , chaque zone photosensible 103 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis une face inférieure 101B du substrat 101 et jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur du substrat 101. Dans l'exemple illustré, le pixel 100 comporte plus précisément quatre premières zones photosensibles 103. Chaque zone photosensible 103 présente, vue de dessus, un pourtour de forme sensiblement carrée. Les quatre zones photosensibles 103 sont, dans l'exemple représenté, coplanaires et arrangées, en vue de dessus, selon une forme générale sensiblement carrée. Les zones photosensibles 103 sont par exemple formées dans une région du substrat 101 dopée d'un premier type de conductivité, par exemple le type n.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre une deuxième zone photosensible 105 formée dans le substrat semiconducteur 101. La deuxième zone photosensible 105 est située à l'aplomb des premières zones photosensibles 103 (au-dessus des premières zones photosensibles 103, dans l'orientation des figures 2 et 3). Comme illustré en figures 2 et 3, la zone photosensible 105 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis une face supérieure 101T du substrat 101, opposée à la face inférieure 101B. Vue de dessus, la zone photosensible 105 présente un pourtour de forme sensiblement carrée. Dans cet exemple, la zone photosensible 105 présente des dimensions latérales sensiblement égales à celles du carré formé par les quatre zones photosensibles 103. La zone photosensible 105 est par exemple formée dans une région du substrat 101 dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, le type p dans cet exemple. À titre d’exemple, le substrat 101 présente, dans la région où est formée la zone photosensible 105, un taux de dopage compris entre 1 x 1010et 1 x 101 7at./cm3. Dans cet exemple, la deuxième zone photosensible 105 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure des premières zones photosensibles 103 sous-jacentes.
Chaque zone photosensible 103, 105 est par exemple destinée à collecter des photons, lors de phases d'illumination du capteur d'images dont fait partie le pixel 100, et à convertir ces photons en paires électron-trou. Dans cet exemple, les premières zones photosensibles 103 sont adaptées à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes et la deuxième zone photosensible 105 est adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueur d'ondes. Les premières zones photosensibles 103 sont par exemple destinées à capturer des images 2D et la deuxième zone photosensible 105 est par exemple destinée à capturer des images de profondeur. À titre d'exemple, les zones photosensibles 103 du pixel 100 sont adaptées à capter de la lumière visible, par exemple de la lumière bleue, et la zone photosensible 105 du pixel 100 est adaptée à capter un rayonnement infrarouge, par exemple un rayonnement infrarouge proche.
Dans l'exemple représenté où les premières zones photosensibles et la deuxième zone photosensible sont en le même matériau, par exemple le silicium, la lumière visible et le rayonnement infrarouge sont absorbés majoritairement à des profondeurs différentes dans le substrat 101 depuis sa face inférieure 101B. Dans cet exemple, la profondeur d'absorption majoritaire de la lumière visible est inférieure à celle du rayonnement infrarouge. À titre d'exemple, la deuxième zone photosensible présente une épaisseur supérieure à celle des premières zones photosensibles, afin d'optimiser l'absorption du rayonnement infrarouge dans la deuxième zone photosensible. À titre de variante, on peut prévoir que les premières zones photosensibles soient en un premier matériau, par exemple le silicium, et que la deuxième zone photosensible soit en un deuxième matériau différent du premier matériau, par exemple le germanium ou un alliage silicium-germanium. Les premier et deuxième matériaux sont alors respectivement adaptés à absorber majoritairement des rayonnements infrarouge et visible.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre une tranchée d'isolation périphérique 107, par exemple une tranchée d'isolation capacitive, délimitant latéralement la deuxième zone photosensible 105 et l'arrangement formé par les premières zones photosensibles 103. Plus précisément, dans cet exemple, la tranchée d'isolation périphérique 107 entoure entièrement la zone photosensible 105 et présente, en vue de dessus, un contour de forme sensiblement carrée.
La tranchée d'isolation périphérique 107 permet d'isoler électriquement les zones photosensibles 103 et 105 du pixel 100 par rapport aux zones photosensibles des pixels voisins, non représentés en figures 1 à 3. La tranchée d'isolation périphérique 107 est formée dans le substrat 101. Dans l'orientation des figures 2 et 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis la face supérieure 101T du substrat 101 et jusqu'à la face inférieure 101B du substrat 101. En d'autres termes, la tranchée d'isolation périphérique 107 s'étend verticalement, dans cet exemple, sur toute l'épaisseur du substrat 101 et débouche du côté des faces supérieure 101T et inférieure 101B du substrat 101.
La tranchée d'isolation périphérique 107 présente par exemple une largeur comprise entre 200 et 600 nm, et une profondeur comprise entre 1 et 20 µm. Dans l'exemple illustré en figures 2 et 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 présente une profondeur égale à l'épaisseur du substrat 101.
Bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 1 à 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 comporte par exemple une région électriquement conductrice dont les parois latérales sont revêtues d'une couche électriquement isolante. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 107 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la région électriquement conductrice de la tranchée 107 est en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique et la couche électriquement isolante de la tranchée 107 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. À titre d'exemple, la tranchée d'isolation périphérique 107 est une tranchée de type CDTI (de l'anglais "Capacitive Deep Trench Isolation"), ou tranchée profonde d'isolation capacitive.
Dans l'exemple représenté, les premières zones photosensibles 103 du pixel 100 sont séparées les unes des autres par une tranchée d'isolation 109, par exemple une tranchée d'isolation capacitive, par exemple de type CDTI. Dans cet exemple, le pixel 100 comporte plus précisément une tranchée d'isolation 109 présentant, en vue de dessus, une forme générale en croix sensiblement centrée par rapport au pixel 100. Comme illustré en figures 2 et 3, la tranchée d'isolation 109 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis la face inférieure 101B du substrat 101 jusqu'à la zone photosensible 105, sans toutefois déboucher du côté de la face supérieure 101T du substrat 101, la tranchée d'isolation 109 présentant par exemple, comme illustré en figures 2 et 3, une hauteur sensiblement égale à l'épaisseur des premières zones photosensibles 103. Dans l'exemple représenté, chaque première zone photosensible 103 est ainsi bordée latéralement par la tranchée d'isolation périphérique 107 et par la tranchée d'isolation 109. À titre d'exemple, la tranchée 109 présente une structure analogue à celle de la tranchée 107. Plus précisément, la tranchée 109 peut par exemple présenter une région électriquement conductrice, par exemple une région métallique, ou une région chargée, par exemple en silicium polycristallin chargé, dont les flancs sont revêtus d'une couche électriquement isolante. À titre de variante, la tranchée 109 est une tranchée d'isolation chargée, par exemple de type DTI (de l'anglais "Deep Trench Isolation"), ou tranchée profonde d'isolation chargée. Dans ce cas, la tranchée 109 est par exemple dépourvue de région électriquement conductrice.
Dans l'exemple illustré en figures 1 à 3, le pixel 100 comporte en outre quatre grilles de transfert verticales TG comprenant chacune une tranchée d'isolation 111, par exemple une tranchée d'isolation capacitive. Dans cet exemple, chaque tranchée d'isolation 111 présente, en vue de dessus, une forme générale en L. Comme illustré en figures 2 et 3, chaque tranchée d'isolation 111 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis la face supérieure 101T du substrat 101 jusqu'à l'une des premières zones photosensibles 103, et pénètre partiellement dans la zone photosensible 103 jusqu'à une profondeur inférieure à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. En d'autres termes, chaque tranchée d'isolation 111 s'interrompt dans l'épaisseur du substrat 101 et ne débouche pas du côté de la face inférieure 101B du substrat 101. À titre d'exemple, chaque tranchée d'isolation 111 présente une profondeur comprise entre 3 et 18 µm.
Dans cet exemple, les tranchées d'isolation 111 sont, en vue de dessus, situées aux quatre coins du carré formé par la tranchée d'isolation périphérique 107. Les tranchées d'isolation 111 sont plus précisément disposées de sorte à délimiter des régions du substrat 101 présentant, en vue de dessus, une forme sensiblement carrée. Dans l'exemple illustré en , des parties du substrat 101 sont intercalées entre les extrémités du L formé par chaque tranchée d'isolation 111 et les parois de la tranchée d'isolation périphérique 107 situées en vis-à-vis.
Chaque tranchée d'isolation 111 présente par exemple une structure analogue à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. Plus précisément, bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 1 à 3, chaque tranchée d'isolation 111 comporte par exemple une région électriquement conductrice, par exemple en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique. La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple en le même matériau que la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. En outre, chaque tranchée 111 comporte par exemple une couche électriquement isolante revêtant les parois latérales et la face inférieure de la région électriquement conductrice. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 111 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la couche électriquement isolante de chaque tranchée 111 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. La couche électriquement isolante de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple en le même matériau que la couche électriquement isolante de la tranchée d'isolation périphérique 107.
La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple électriquement isolée de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cela permet par exemple de polariser la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 indépendamment de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des zones 113 de collecte de charges disposées du côté du substrat opposé aux premières zones photosensibles 103, c'est-à-dire du côté de la face 101T du substrat. Dans l'orientation de la , les zones de collecte de charges 113 s'étendent verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T, jusqu'à une profondeur inférieure à celle des tranchées d'isolation 111. Dans cet exemple, chaque zone de collecte de charges 113 est entourée par l'une des tranchées d'isolation 111 et par la tranchée d'isolation périphérique 107. À titre d'exemple, chaque zone de collecte de charges 113 présente, vue de dessus, une forme sensiblement carrée. Chaque zone de collecte de charges 113 est par exemple plus fortement dopée du deuxième type de conductivité, dans cet exemple le type p (p+), que la zone photosensible 105. À titre d'exemple, le substrat 101 présente, à l'endroit où est formée chaque zone de collecte de charges 113, un taux de dopage compris entre 1 x 1016et 5 x 1020at./cm3.
Dans l'exemple représenté, chaque première zone photosensible 103 comporte une région 115 dopée du deuxième type de conductivité, le type p dans cet exemple. Les régions 115 sont par exemple fortement dopées de type p (p+). Dans cet exemple, les régions 115 s'étendent verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis une face des zones photosensibles 103 située du côté de la zone photosensible 105 jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur des zones photosensibles 103. À l'intérieur de chaque première zone photosensible 103, la région 115 forme, avec une partie du substrat 101 dopée du premier type de conductivité, le type n dans cet exemple, une photodiode. La région 115 permet en outre de bloquer des transferts de charges depuis les zones photosensibles 103 vers la zone photosensible 105 du pixel 101. À titre de variante, la région 115 peut être omise, par exemple dans un cas où la grille de transfert verticale TG est proche de la tranchée d'isolation 109.
Dans l'exemple représenté, la zone photosensible 105 comporte une région 117 dopée du premier type de conductivité, le type n dans cet exemple. Dans cet exemple, la région 117 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la deuxième zone photosensible 105. Dans l'exemple illustré en , la région 117 présente une forme sensiblement carrée et est sensiblement centrée par rapport à la tranchée d'isolation périphérique 107 du pixel 100. À l'intérieur de la deuxième zone photosensible 105, la région 117 forme, avec une partie du substrat 101 dopée du deuxième type de conductivité, le type p dans cet exemple, une photodiode.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des zones 119 de collecte de charges disposées du côté du substrat opposé aux premières zones photosensibles 103, c'est-à-dire du côté de la face supérieure 101T du substrat. Dans l'orientation de la , les zones de collecte de charges 119 s'étendent verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la région 117. Dans cet exemple, le pixel 100 comporte plus précisément trois zones de collecte de charges 119 situées chacune entre l'un des côtés de la région 117 et l'un des côtés de la tranchée d'isolation périphérique 107.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des grilles de transfert 121, par exemple des grilles de transfert planaires, situées sur et en contact avec la face supérieure 101T du substrat 101. Chaque grille de transfert 121 est par exemple située à l'aplomb d'une partie du substrat 101 comprise entre la région 117 et l'une des zones de collecte de charges 119. À titre de variante, on pourrait prévoir des nombres de grilles de transfert 121 et de zones de collecte de charges 119 différents de ceux représentés, par exemple quatre zones de collecte de charges 119 associées respectivement à quatre grilles de transfert 121.
Dans cet exemple, les zones photosensibles 103 et 105 sont destinées à être illuminées depuis la face inférieure 101B du substrat 101. Comme illustré en figures 2 et 3, le pixel 100 peut en outre comporter des filtres couleur 123 situés sur et en contact avec la face inférieure 101B du substrat 101. Dans l'exemple représenté, chaque filtre couleur 123 est situé à l'aplomb de l'une des premières zones photosensibles 103. Chaque filtre couleur 123 est par exemple transparent à une partie uniquement du spectre visible, par exemple à de la lumière bleue, et à au moins une partie du spectre infrarouge, par exemple au rayonnement infrarouge proche. Bien que cela n'ait pas été représenté en figures 1 à 3, le pixel 100 peut en outre comporter une ou plusieurs couches de passivation, par exemple intercalées entre la face inférieure 101B du substrat 101 et les filtres couleur 123, et d'autres éléments optiques tels qu'une ou plusieurs microlentilles.
Bien que cela n'ait pas été illustré, au moins un plot conducteur peut être situé sur et en contact avec la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Ce plot conducteur permet de polariser la région électriquement conductrice de la tranchée 107. À titre d'exemple, la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107 est portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -2 V. Cela tend à provoquer une accumulation de trous le long des parois latérales de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cette accumulation de trous permet notamment d'éviter que des trous photogénérés dans la zone photosensible 105 ne soient piégés à l'interface entre le substrat 101 et la tranchée d'isolation périphérique 107 et permet en outre de fournir un potentiel adapté au fonctionnement de la photodiode de chacun des pixels d'image 2D.
En outre, bien que cela n'ait pas été représenté en figures 1 à 3, on peut prévoir un autre plot conducteur situé sur et en contact avec la face supérieure 101T du substrat 101, par exemple à proximité de l'une des zones de collecte de charges 119, et une région fortement dopée du deuxième type de conductivité (région p+, dans cet exemple) s'étendant sous la face supérieure 101T du substrat 101 à l'aplomb du plot conducteur. La région fortement dopée du deuxième type de conductivité est par exemple soumise, par le plot conducteur, à un potentiel sensiblement nul. Cela permet de fournir les trous s'accumulant le long des parois latérales de la tranchée d'isolation périphérique 107.
Le pixel 100 peut en outre comporter au moins un autre plot conducteur situé sur et en contact avec la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111. Ces plots conducteurs sont par exemple destinés à polariser les régions électriquement conductrices des tranchées 111.
Lors d'une phase d'exposition du pixel 100, des paires électron-trou sont par exemple créées à l'intérieur de chaque zone photosensible 103. Durant cette phase, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -1,5 V, par un circuit de contrôle (non représenté). Pendant la phase d'exposition du capteur, l'application de ce potentiel sur la région électriquement conductrice de chaque tranchée 111 permet de former une barrière de potentiel dans une région de transfert située à l'intérieur de chaque grille de transfert verticale TG, entre la zone photosensible 103 et la zone de collecte 113. Dans l'exemple représenté, la région de transfert est bordée par les parois latérales internes de la tranchée d'isolation périphérique 107 et de la tranchée d'isolation 111, et s'étend verticalement, dans l'épaisseur du substrat 101, sous la zone de collecte 113.
La présence de la barrière de potentiel dans la région de transfert permet, au cours de la phase d'exposition, de bloquer un transfert d'électrons photogénérés depuis la zone photosensible 103 vers la zone de collecte 113. Cette barrière de potentiel résulte de la présence, le long des parois latérales des tranchées d'isolation 107 et 111, d'une couche d'inversion attirant les trous, dans cet exemple.
Lors d'une phase de lecture postérieure à la phase d'exposition, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple portée à un potentiel supérieur au potentiel appliqué pendant la phase d'exposition, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 0,5 V, par le circuit de contrôle (non représenté). L'application de ce potentiel sur la région électriquement conductrice de chaque tranchée 111 permet d'abaisser, voire de supprimer, la barrière de potentiel dans la région de transfert entre les zones photosensibles 103 et les zones de collecte de charges 113. La disparition de la barrière de potentiel permet, pendant la phase de lecture, un transfert 125 d'électrons photogénérés depuis les zones photosensibles 103 vers les zones de collecte 113. À titre d'exemple, les zones de collecte de charges 113 sont portées chacune à un potentiel fixe, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 2,5 V, lors des phases d'exposition et de lecture. Cela permet d'attirer les électrons photogénérés vers les zones 113 lors de la phase de lecture.
En outre, lors d'une phase d'exposition du pixel 100, des paires électron-trou sont par exemple créées à l'intérieur de la zone photosensible 105. Au cours de cette phase, les électrons photogénérés dans la zone 105 sont par exemple transférés, tour à tour, vers les différentes zones de collecte de charges 119 du pixel 100. Pour cela, l'une des grilles de transfert planaires 121 est par exemple portée à un premier potentiel permettant de transférer les électrons photogénérés depuis la zone 105 vers l'une des zone 119, tandis que les autres grilles 121 sont portées à un deuxième potentiel permettant de bloquer le transfert des électrons vers les autres zones 119. Puis, une autre grille 121 est portée au premier potentiel, les autres grilles étant alors portées au deuxième potentiel, et ainsi de suite jusqu'à ce que toutes les grilles 121 aient été successivement portées au premier potentiel. Lors d'une même phase d'exposition, on ouvre ainsi séquentiellement les grilles 121 du pixel 100, par exemple en appliquant sur ces grilles des signaux de commande déphasés les uns par rapport aux autres, afin de permettre le transfert des électrons photogénérés depuis la zone photosensible 105 vers une seule zone de collecte 119 à la fois. Cette séquence d'ouverture des grilles de transfert 121 est par exemple répétée à de nombreuses reprises durant la phase d'exposition. Cela permet par exemple au pixel 100 de mettre en œuvre des mesures de distance par temps de vol, par exemple des mesures de temps de vol indirectes ("indirect Time of Flight" - iToF, en anglais). À titre d'exemple, la fréquence d'ouverture de chaque grille de transfert 121 est comprise entre 10 et 300 MHz et chaque phase d'exposition comporte un nombre de périodes d'ouverture des grilles de transfert 121 compris entre dix mille et un million.
Au cours de la phase d'exposition, les grilles 121 qui sont portées au deuxième potentiel imposent une barrière de potentiel dans une région de transfert située entre la région 117 de la zone photosensible 105 et les zones de collecte 119 associées à ces grilles. Cette barrière de potentiel résulte de la présence, sous les grilles de transfert planaires 121 portées au deuxième potentiel, d'une couche d'inversion attirant les trous, dans cet exemple. À l'inverse, la grille 121 qui est portée au premier potentiel abaisse, voire supprime, la barrière de potentiel dans la région de transfert située entre la région 117 et la zone de collecte de charges 119 associée à cette grille. À titre d'exemple, le premier potentiel est positif, par exemple égal à environ 0,5 V, et le deuxième potentiel est inférieur au premier potentiel, par exemple négatif, par exemple égal à environ -2 V.
À titre d'exemple, les zones de collecte de charges 119 sont portées chacune à un potentiel fixe de départ, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 2,5 V, préalablement à la phase d'exposition. Cela permet d'attirer les électrons photogénérés vers les zones 119 lors de la phase d'exposition. Durant la phase d'exposition, le potentiel de chaque zone 119 diminue en fonction d'un nombre d'électrons transférés depuis la zone photosensible 105 vers cette zone 119. À la fin de la phase d'exposition, le potentiel des zones 119 est par exemple mesuré pour déterminer la quantité totale de charges ayant été intégrées par chaque zone 119 pendant la phase d'exposition. Une fois la mesure terminée, les zones de collecte de charges sont par exemple portées à nouveau au potentiel de départ avant la phase d'exposition suivante.
Dans l'exemple représenté où le pixel 100 comporte trois grilles de transfert planaires 121 respectivement associées à trois zones de collecte de charges 119, l'une des grilles de transfert planaires 121 et la zone de collecte de charges 119 associée à cette grille peuvent jouer un rôle de dispositif anti-éblouissement ("antiblooming", en anglais). Plus précisément, l'une des grilles de transfert planaires peut être commandée de sorte à permettre une évacuation de charges photogénérées excédentaires lorsque le pixel 100 est en phase de lecture.
Un avantage du pixel 100 décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 à 3 tient au fait que les premières zones photosensibles semiconductrices 103 et la deuxième zone photosensible semiconductrice 105 sont superposées sans couche intermédiaire, la deuxième zone photosensible 105 étant sur et en contact des premières zones photosensibles. Cela permet notamment de limiter les pertes lors de la transmission de la lumière depuis les premières zones photosensibles 103 vers la deuxième zone photosensible 105, par exemple par rapport à un pixel dans lequel les zones photosensibles 103 et 105 seraient préalablement réalisées chacune sur des substrats différents, ces substrats étant par la suite reportés l'un sur l'autre. En particulier, l'absence de structures d'interconnexion situées entre les premières zones photosensibles et la deuxième zone photosensible et formées par exemple dans des niveaux de métallisation séparés les uns des autres par des couches isolantes permet de limiter les pertes en transmission.
La est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un pixel 200 de capteur d'images selon un autre mode de réalisation. La est une vue en coupe, selon le plan AA de la , du pixel 200 de la .
Le pixel 200 des figures 4 et 5 comprend des éléments communs avec le pixel 100 des figures 1 à 3. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après. Le pixel 200 des figures 4 et 5 diffère du pixel 100 des figures 1 à 3 en ce que le pixel 200 comporte en outre des tranchées d'isolation 201, par exemple des tranchées d'isolation capacitives, entourant les tranchées d'isolation 111.
Dans cet exemple, le pixel 100 comporte plus précisément quatre tranchées d'isolation 201 présentant chacune, en vue de dessus, une forme générale en L. Comme illustré en , chaque tranchée d'isolation 201 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis la face supérieure 101T du substrat 101 jusqu'à une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur de la deuxième zone photosensible 105. Dans cet exemple, les tranchées d'isolation 201 ne pénètrent pas à l'intérieur des premières zones photosensibles 103. À titre d'exemple, chaque tranchée d'isolation 201 présente une profondeur comprise entre 3 et 18 µm.
Dans cet exemple, les tranchées d'isolation 201 sont, en vue de dessus, situées aux quatre coins du carré formé par la tranchée d'isolation périphérique 107. Les tranchées d'isolation 201 sont plus précisément disposées de sorte à délimiter des régions du substrat 101 présentant, en vue de dessus, une forme sensiblement carrée. Dans l'exemple illustré en , des parties du substrat 101 sont intercalées entre les extrémités du L formé par chaque tranchée d'isolation 201 et les parois de la tranchée d'isolation périphérique 107 situées en vis-à-vis.
Chaque tranchée d'isolation 201 présente par exemple une structure analogue à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. Plus précisément, bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 4 et 5, chaque tranchée d'isolation 201 comporte par exemple une région électriquement conductrice, par exemple en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique. La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple en le même matériau que la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. En outre, chaque tranchée 201 comporte par exemple une couche électriquement isolante revêtant les parois latérales et la face inférieure de la région électriquement conductrice. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 201 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la couche électriquement isolante de chaque tranchée 201 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. La couche électriquement isolante de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple en le même matériau que la couche électriquement isolante de la tranchée d'isolation périphérique 107.
La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple électriquement isolée de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cela permet par exemple de polariser la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 indépendamment de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. À titre de variante, les régions électriquement conductrices des tranchées d'isolation 201 peuvent être en contact avec la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107.
Durant les phases d'exposition et de lecture du pixel 200, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -2 V. Cela tend à provoquer une accumulation de trous le long des parois latérales des tranchées d'isolation 201. Cette accumulation de trous permet notamment d'éviter, lors de la phase de lecture des premières zones photosensibles 103, que des trous photogénérés dans la deuxième zone photosensible 105 ne soient piégés à l'interface entre le substrat 101 et les tranchées d'isolation 111. Dans le cas du pixel 200, les régions 115 peuvent en outre être omises du fait de la présence des tranchées d'isolation 201.
Un avantage du pixel 200 décrit ci-dessus en relation avec les figures 4 et 5 tient au fait que les tranchées d'isolation 201 permettent de commander les grilles verticales TG associées aux premières zones photosensibles 103 tout en évitant que des charges photogénérées ne soient piégées à l'interface entre le substrat 101 et les tranchées d'isolation 111. Cela permet avantageusement au pixel 200 d'acquérir simultanément des images 2D et des images de profondeur.
Les figures 6 à 10 sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication du pixel 100 selon un mode de réalisation.
La est une vue en coupe, selon le plan AA de la , illustrant une structure obtenue à l'issue d'une étape d'implantation ionique, du côté d'une face supérieure 601T d'un substrat semiconducteur 601, et d'une étape d'épitaxie d'une couche 603 revêtant la face supérieure 601T du substrat semiconducteur 601.
Le substrat semiconducteur 601 est par exemple une plaquette ou un morceau de plaquette dont seule une partie est représentée en . À titre d'exemple, le substrat 601 est en un matériau semiconducteur, par exemple le silicium. Le substrat 601 est par exemple dopé du premier type de conductivité, le type n dans cet exemple.
Dans l'exemple représenté, on forme plus précisément, lors de l'étape d'implantation ionique, un caisson 605 s'étendant verticalement dans l'épaisseur du substrat 601 depuis sa face supérieure 601T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur du substrat 601. À titre d'exemple, dans le cas où le substrat semiconducteur 601 est en silicium, le caisson 605 est réalisé par implantation d'ions bore (B3+) de sorte à obtenir un dopage de type p.
La couche 603 est ensuite formée, par croissance épitaxiale, sur et en contact avec la face supérieure 601T du substrat semiconducteur 601. La couche 603 est dopée du deuxième type de conductivité, le type p dans cet exemple. À titre d'exemple, la couche 603 est en le même matériau que le substrat semiconducteur 601.
Le substrat semiconducteur 601 et la couche 603 forment par exemple conjointement le substrat semiconducteur 100 du pixel 100 des figures 1 à 3.
La est une vue en coupe, selon le plan AA de la , illustrant une étape ultérieure de réalisation de la tranchée d'isolation périphérique 107 et des tranchées d'isolation 111. Dans l'exemple illustré en , les tranchées d'isolation 111 bordent le caisson 605.
La est une vue en coupe, selon le plan BB de la , illustrant une étape ultérieure d'implantation ionique du côté de la face supérieure 101T du substrat 101.
Dans l'exemple représenté, on forme plus précisément, lors de l'étape d'implantation ionique, un caisson correspondant à la région 117 s'étendant verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T. Plus précisément, dans cet exemple, la région 117 s'étend verticalement depuis la face 101T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la couche 603.
La est une vue en coupe, selon le plan AA de la , d'une étape ultérieure de réalisation des zones de collecte de charges 113 et 119 (non visibles en ).
Les zones de collecte de charges 113 et 119 sont par exemple réalisées par implantation ionique localisée du côté de la face supérieure 101T du substrat 101.
La est une vue en coupe, selon le plan BB de la , d'une étape ultérieure de réalisation des grilles de transfert 121.
Les grilles 121 sont par exemple obtenues à l'issue d'une étape de dépôt d'une couche revêtant la face supérieure 101T du substrat 101, suivies d'étapes de photolithographie puis gravure.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, la personne du métier est capable, à partir de la présente description, d'adapter les modes de réalisation décrits à des pixels comportant chacun un nombre de premières zones photosensibles différent de celui représenté en figures 1 à 5. La personne du métier est notamment capable de réaliser des pixels comportant chacun une deuxième zone photosensible superposée à une seule première zone photosensible. Dans ce cas, la tranchée d'isolation 109 peut être omise et une seule grille de transfert verticale peut être prévue. La personne du métier est en outre capable de réaliser des pixels comportant chacun une deuxième zone photosensible superposée à deux premières zones photosensibles, les deux premières zones photosensibles étant par exemple séparées dans ce cas par une seule tranchée d'isolation.
Par ailleurs, les modes de réalisation ne se limitent pas aux exemples de géométries ci-dessus. En particulier, les pixels, les zones photosensibles et les tranchées d'isolation peuvent présenter des géométries différentes de celles indiquées dans la présente description.
En outre, bien que l'on ait décrit ci-dessus des modes de réalisation dans lesquels le pixel comporte trois grilles planaires 121 associées à trois zones de collecte de charges 119, la personne du métier est capable de prévoir un nombre de grilles 121 et de zones 119 en fonction de l'application, par exemple une grille 121 et une zone 119 destinées à l'acquisition de l'image de profondeur, et une grille 121 et une zone 119 destinées à l'anti-éblouissement.
Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la personne du métier est capable d'adapter le procédé décrit en relation avec les figures 6 à 10 pour réaliser le pixel 200 des figures 4 et 5 à partir des indications ci-dessus.
Claims (11)
- Capteur d'images comprenant une pluralité de pixels (100 ; 200) formés dans et sur un substrat semiconducteur (101), chaque pixel comportant :
– au moins une première zone photosensible (103) formée dans le substrat semiconducteur (101) et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ;
– une deuxième zone photosensible (105) formée dans le substrat semiconducteur (101) à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible (103) et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ;
– au moins une zone de collecte de charges (113) disposée du côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) ;
– au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et
– au moins une grille de transfert (TG) s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert. - Capteur selon la revendication 1, dans lequel chaque pixel (100 ; 200) comporte en outre une tranchée d'isolation périphérique (107) s'étendant verticalement dans le substrat semiconducteur (101), depuis ledit côté (101T) de la deuxième zone photosensible (105), et délimitant latéralement ladite au moins une première zone photosensible (103) et la deuxième zone photosensible (105).
- Capteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque grille de transfert (TG) comporte une première tranchée d'isolation (111) s'étendant dans le substrat semiconducteur (101) depuis ledit côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) et pénétrant partiellement dans l'épaisseur de ladite au moins une première zone photosensible (103).
- Capteur selon les revendications 2 et 3, dans lequel chaque zone de collecte de charges (113) s'étend latéralement entre la tranchée d'isolation périphérique (107) et la ou l'une des premières tranchées d'isolation (111).
- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque grille de transfert (TG) est entourée par une deuxième tranchée d'isolation (201) s'étendant verticalement dans le substrat (101) depuis ledit côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103).
- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque pixel (100 ; 200) comporte en outre au moins une autre grille de transfert (121) s'étendant latéralement sur ledit côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) et au moins une autre zone de collecte de charges (119).
- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque pixel (100 ; 200) comporte quatre premières zones photosensibles (103).
- Capteur selon la revendication 7, dans lequel les premières zones photosensibles sont isolées les unes des autres par une troisième tranchée d'isolation (109).
- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la deuxième zone photosensible (105) est sur et en contact avec la première zone photosensible (103).
- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant en outre un circuit de contrôle configuré pour appliquer alternativement, sur ladite au moins une grille de transfert (TG) :
– un premier potentiel adapté à bloquer un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) vers ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et
– un deuxième potentiel, différent du premier potentiel, adapté à permettre un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) vers ladite au moins une zone de collecte de charges (113). - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les premières zones photosensibles (103) des pixels (100 ; 200) du capteur sont destinées à capturer une image 2D et dans lequel les deuxièmes zones photosensibles (105) des pixels du capteur sont destinées à capturer une image de profondeur.
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Patent Citations (3)
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