Brevet FR2616990A1 — publié le 19881223

Dispositif matriciel t transfert de charges tolérant des fréquences de transfert vertical élevées et utilisation d'un tel dispositif dans un capteur d'image. L'invention se rapporte aux dispositifs matriciels à transfert de charge, et notamment aux photosenseurs pour capteurs d'image. L'un des problèmes rencontrés dans les photosenseurs à transfert de charges par trames est que pendant le transfert des charges de la zone photosensible à la zone mémoire, les différentes lignes sont décalées alors que l'éclairement incident continue à générer des informations en zone photosensible. En con#séquence on obtient un mélange d'information proportionnel à la vitesse de transfert vertical. A titre d'exemple pour une structure à transfert de trame, l'éclairement parasite peut être mis en évidence de la façon suivante : une image constituée de N lignes éclairées sur un fond d'obscurité se traduit lors de la restitution par une traînée de niveau constant au dessus et au dessous des lignes éclairées. Cet effet dit effet de traînage, ou de "smesring" dans la littérature technique anglo-saxonne,- est très gênant aussi bien en vidéo qu'en détection : suivi de cible, poursuite. Pour réduire l'effet de traînage, une solution efficace consiste à placer devant la zone photosensible un obturateur qui élimine tout éclairement durant le transfert, mais avec toutes les contraintes d'encombrement et d'opacité que cela implique une autre solution consiste à réaliser les électrodes par la technique photolitographique à grange résolution, de l'ordre du micromètre. Cette dernière solution ne permet toutefois pas de résoudre le problème des matrices comportant un très grand nombre de points, et nécessitant une surface importante. Par ailleurs, la réduction de la taille du point photosensible élémentaire à l'aide d'une technologie "fine" présente aussi l'inconvénient de réduire le niveau de saturation, et donc la dynamique du photosenseur.Cet effet peut également être réduit par une augmentation de la fréquence de transfert vertical. Simultanément, une augmentation de la fréquence de transfert vertical permet d'augmenter le débit d'information transmises, et cela quel que soit le type dispositif matriciel à transfert de charge, dès lors que le transfert est réalisé dans un registre à transfert de charge vertical. Cependant cette augmentation est aujourd'hui limitée par les constantes de temps réparties le long des lignes, notamment pour les dispositifs à grand nombre de points en ligne, et donc de surface importante : une fréquence trop importante se traduit par une modification du chronogramme des signaux de commande le long des lignes, ce qui entraîne une dégradation des performances du dispositif photosenseur. L'invention a pour objet un dispositif matriciel à transfert de charges qui résout ce problème par une disposition particulière d'électrodes métalliques supplémentaires qui diminue les constantes de temps réparties. Il est alors possible d'augmenter la fréquence de transfert vertical sans perturber les signaux de commande, et de diminuer en conséquence lorsqu'il y a lieu l'effet de traînage, sans réduire la taille du point élémentaire. Selon l'invention un dispositif matriciel à transfert de charges tolérant des fréquences de transfert vertical élevées, comportant un substrat, un réseau de grilles verticales et un réseau d'électrodes de lignes horizontales dont les extrémités sont portées aux potentiels de commande, est caractérisé en ce que, les électrodes de ligne horizontales ayant une résistance non négligeable, au moins un jeu d'électrodes métalliques verticales est disposé à la surface de matrice, ces électrodes étant portées aux mêmes potentiels de commande que les lignes horizontales des points de connexion étant réalisés aux points de croisement de ces électrodes verticales et des électrodes de lignes portées aux mêmes potentiels. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un tel dispositif dans un capteur d'image à transfert de trame, notamment en vue de réduire l'effet de traînage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 est un schéma d'un photosenseur à transfert de charges par transfert de trame, connu La figure 2 est le schéma d'un photosenseur à transfert de trame selon l'invention dans lequel la constante de temps répartie sur une trame est divisée par 4 La figure 3 est le schéma d'un photosenseur à transfert de trame selon l'invention dans lequel la constante de temps répartie sur une ligne est divisée par N La figure 4 est un schéma partiel plus détaillé montrant les électrodes horizontales réalisant l'interconnexion avec les jeux d'électrodes supplémentaires, verticales La figure 5 est une vue partielle détaillée en plan du photosenseur à transfert de trame selon l'invention. Les figures 6a et 6b représentent une vue en coupe transversale selon une ligne de points photosensibles, et le diagramme des potentiels correspondants, d'un photosenseur selon l'invention. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'augmentation de la fréquence de transfert vertical, dans un dispositif matriciel à transfert de charge, est d'un grand intérêt, pour augmenter le débit d'informations transmises, notamment dans les structures à transfert de trame mais également dans toutes les autres structures matricielles où le transport de charges est réalisé par des registres à transfert de charge (DTC ou "CCD" anglais technique) : transfert interligne, C.S.D (pour "Charge Sweep Devise"), TDI (pour "Time Deiay Integration") ; transfert de trame à lecture directe. Pour les capteurs d'images à transfert de trame de la zone photosensible à une zone mémoire, l'augmentation de la fréquence de transfert vertical permet en outre, comme Indiqué ci-dessus de réduire l'effet de traînage vertical dans l'image. Un photosenseur à transfert de trame de type connu, comme celui représenté sur la figure 1 comporte une zone photosensible 10, une zone mémoire 20 et un registre à transfert de charge de lecture 30, dont les charges sont décalées horizontalement vers un amplificateur de sortie vidéo 40. Les potentiels de commande sont appliqués aux différents points de la matrice par des électrodes de ligne généralement en polysilicium, transparentes, portées aux potentiels de commande. Dans un système de transfert à 4 phases de commande ~2P ~3P' Q)3P' -les électrodes de ligne sont successivement reliées à ces 4 phases. Pour permettre de réduire la constante de temps répartie le long de la ligne formée par chaque électrode de commande et le plan de masse, les potentiels ad hoc sont appliqués simultanément aux deux extrémités des électrodes de ligne, pour chaque ligne. Ainsi la constante de temps répartie maximum est égale à la moitié de la constante de temps qui correspondrait à l'application du potentiel à une seule extrémité d'une ligne de la matrice. La même stucs re est utilisée pour la commande de décalage vertical dans la zone mémoire 20, les électrodes horizontales ou lignes étant reliées successivement aux potentiels de quatre phases de commande de la zone mémoire ~1MS ~2M #3Met ~4M par des électrodes disposées de part et d'autre de la matrice. Dans un dispositif à transfert de charge dans lequel on veut augmenter sensiblement la fréquence de transfert vertical, la constante répartie est encore trop importante. En effet, cette constante est proportionnelle à la résistance carrée de la ligne, de l'ordre de 30or2 pour une électrode transparente en poiysillclum La figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention, appliqué à un photosenseur à transfert de trame vers une zone mémoire de trame.Dans ce mode de réalisation, la matrice a la même structure : zone photosensible 10, zone mémoire 20 et registre de lecture de sortie 30 avec amplificateur de sortie 40, mais les potentiels de commande sont appliqués en outre aux lignes par un jeu J, d'électrodes métalliques verticales supplémentaires E~l, E#2, E#, E#4 > situé dans la zone centrale de la matrice. Ces électrodes sont déposées sur des zones non "utiles" de la zone photosensible, par exemple sur les drains de transistors anti-éblouissement situés dans cette zone centrale ou sur des "murs1, d'isolement entre points. Ainsi en plus des électrodes associées aux lignes de part et d'autre de la matrice, ces connexions verticales amènent également les potentiels de commande à peu près aux points milieux des lignes horizontales de la zone photosensible. Des points de connexion sont prévus entre les électrodes verticales et les électrodes de ligne horizontales pour réaliser les connexions nécessaires, comme il sera expliqué plus en détails ci-après. Ainsi la constante de temps répartie est divisée par 4 par rapport à celle qui correspondrait à la longueur totale de la ligne. La figure 3 représente schématiquement un second mode de réalisation de l'invention dans lequel les potentiels de commande sont appliqués en 5 points des lignes horizontales, en plus des deux extrémités des lignes, par 5 jeux J1 J5 d'électrodes métalliques verticales E~11...E#41,..., E#15 ...E#45, interconnectées et reliées à ces potentiels de commande à l'extérieur de la zone photosensible Comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, dans la zone photosensible les jeux de connexions métalliques verticales sont de préférence déposées au dessus de zones non photosensibles, par exemple au dessus de drains de transistors anti-éblouissement pour les matrices avec anti-éblouissement, ou au dessus de murs d'isolement pour les matrices sans structure d'anti-éblouissement. Ainsi ces jeux d'électrodes supplémentaires n'affectent pas la sensibilité du dispositif. Dans la zone mémoire, comme dans les dispositifs matriciels à transfert de charge non photosensibles, type mémoires, la localisation des jeux d'électrodes métalliques supplémentaires peut être quelconque.Dans l'exemple représenté, elles ont été disposées de la même manière que dans la zone photosensible par souci de simplification, notamment lors du procédé de fabrication. Ainsi la constante répartie est divisée par 12, soit par N = 2 x n + 2, si n est le nombre de jeux de connexions verticales supplémentaires, la même disposition est prévue dans la zone mémoire La figure 4, détail de la figure 3, est un schéma montrant les interconnexions horizontales des jeux de connexions supplémentaires verticales à relier aux plots auxquels sont appliquées les différentes phases de commande. Cette structure étant applicable à la zone photosensible comme à la zone mémoire, les indices P et M de ces phases de commande n'ont pas été précisés sur le schéma de la figure 4.Sur cette figure on distingue les 5 jeux de 4 connexions métalliques verticales, en aluminium par exemple, reliées à l'extérieur de la zone de transfert aux quatre phases de commande #i' ~2 ) ~3, et En Enfait, la strl. > ture matriciefle d'électrodes de ligne en polysilicium et de colonnes se prolonge en dehors des zones strictement utiles, zone photosensible et zone mémoire, notamment dans la zone image dans une zone masquée optiquement qui constitue la référence d'obscurité.En conséquence dans cette structure, les lignes sont utilisées pour réaliser l'interconnexion des jeux d'électrodes de la manière suivante : comme dans la zone utile (zone photosensible ou zone mémoire), des contacts sont ménagés entre les lignes supplémentaires extérieures à la zone utile, ~1, ~2, ~3' et etles électrodes métalliques verticales correspondantes, par exemple aux points notés P1, P2, P3, P4. De plus, des électrodes métalliques horizontales E'~l, E' E' et ET ~4 représentées par des bandes; sont également déposées au dessus des lignes horizontales représentées par des traits, et interrompues seulement aux intersections avec les réseaux verticaux.A chaque interruption, un contact est pris entre l'électrode métallique horizontale E' ~ et la ligne sous jacente, par exemple aux points A, B, C, D pour la ligne ~2. Dans la zone centrale de la matrice ces électrodes métalliques horizontales peuvent également être interrompues du fait que ces électrodes rejoignent les plots d'application des potentiels de commande des deux côtés de la matrice. Les pointillés représentent ces tronçons d'électrodes métalliques horizontales qui quipeuvent être supprimés. Dans la zone mémoire, ces interconnexions horizontales des jeux d'électrodes métalliques verticales peuvent être situées n'importe où du fait du masquage optique total des cette région. L'accès des réseaux verticaux aux extrémités de la matrice est équilibré, résistances d'accès égale, pour conserver un chronogramme de commande correct entre les différents étages d une même colonne La figure 5 est un schéma encore plus détaillé d'une zone comportant ces lignes d'interconnexions horizontales des jeux d'électrodes supplémentaires verticaux qui montre que, du fait que les lignes consécutives se recouvrent partiellement il n'est pas possible de réaliser des électrodes métalliques horizontales pour l'interconnexion des jeux d'électrodes verticales au dessus de lignes consécutives. En conséquence les électrodes métalliques horizontales E'# pour deux phases consécutives sont localisées au dessus de lignes espacées de 4 lignes. Cette figure montre les lignes horizontales successives reliées à #1, #2, #3, ~4, C#g~~~1 les grilles d'isolement verticales Gg, et des électrodes verticales, drain D et grilles G1, G2 formant dispositifs anti-éblouissement. Comme indiqué ci-dessus, dans une telle structure. les électrodes métalliques verticales sont disposées au dessus des drains des trammstors d'anti-éblouissement. Elles sont hachurées sur la figure 5, comme les électrodes métalliques horizontales destinées à l'interconnexlon des jeux d'électrodes verticales.Les points P1, P2, A, indiqués sur cette figure sont les points analogues aux points Pl, P2, A marqués sur la figure 4, même s'ils ne sont pas disposés exactement de la même manière du fait que les détails représentés sur les figures 4 et 5 sont orientés différemment du fait qu'ils détaillent respectivement une zone du dessus de la zone photosensible de la figure 3 et une zone sous la zone mémoire. Comme représenté sur la figure 5, toutes les lignes reliées à un même potentiel, soit ~1 ou #2 sur la figure ont des contacts avec les électrodes métalliques verticales, ce qui donne les points de contact marqués P'1 et P'2 sur la figure. La zone photosensible et la zone mémoire ont la même structure que celle détaillée sur la figue 5 à l'exception des électrodesmétalliques horizontales. Cette structure est représentée en coupe selon une ligne de 'a zone photnsensible sur la figure 6a, et le diagramme des potentiels V correspondant est représenté sur la figure 6b. Dans le substrat 1 de type P sont formés les drains des transistors MOS d'anti-éblouissement , par diffusion N . Puis après dépôt d'une couche d'oxyde, les différentes grilles verticales sont formées, à un niveau noté niveau "O" . Pour simplifier la figure l'oxyde séparant les différents niveaux nta pas été représenté. Ces grilles sont d'une part les grilles d'isolement Gg, d'autre part les grilles G1 et G2 des transistors MOS. Après dépôt d'une autre couche d'oxyde, les électrodes de ligne horizontales au niveau "1" soit celles reliées à ~l et sont formées, en polysilicium par exemple. Puis après dépôt d'une autre couche c'oxyde les électrodes de ligne horizontales au niveau "2" soit celles reliées à ~2 et ~4 par exemple. A titre d'exemple on a supposé que la coupe de la figure 6a était faite selon une ligne reliée à Enfin, les électrodes métalliques verticales sont déposées au dessus des structures d'anti-éblouissement en ménageant dans l'oxyde déposé sur les électrodes de ligne des zones de contact.On a supposé sur la figure que les électrodes verticales représentées étaient des électrodes E~1 et E~2 à relier à ~1 et #2 . On remarque donc sur la coupe le contact ligne ~1 électrode métallique verticale ~1 c'est-à-dire un point de contact de type P1.Cette disposition (dépôt au dessus des drains) a été choisie du fait que les transistors MOS séparent deux points d'une ligne, soit i-1 et i d'une part, et 1+1 et 1+2 d'autre part sur la figure 5 des grilles d'isolement séparant les points 1-2 et 1-1, i et 1+1 etc...; les électrodes n'empiètent donc pas sur la zone photosensible. 2 électrodes consécutives soit E1 et E1#2 sont séparées par deux colonnes. Mais l'invention n'est pas limitée å cette disposition.En particulier, les électrodes consécutives d'un jeu d'électrodes verticales pourraient être séparées d'une seule colonne les électrodes pouvant être disposées au dessus des grilles d'isolement Go A l'inverse, les électrodes consécutives d'un jeu drélectrodes verticales pourraient être plus éloignées, et séparées d'un nombre de colonnes supérieur à 2. La figure 6b représente le diagramme des potentiels correspondant et les charges évacuées via le drain d'un transistor pour un point 1-2 à la saturation, les autres points étant par exemple non éclairés (pas de charges). Comme indiqué ci-dessus, l'invention n'est pas. limitée aux capteurs d'image à transfert de trame. Elle s'applique à toutes les structures à transfert de charge dans lesquelles on souhaite augmenter la fréquence de transfert vertical. L'utilisation d'un tel dispositif matriciel est particulièrement intéressante dan un capteur d'image à transfert de trame, pour réduire l'effet de trainage En effet, une mesure de cet effet peut être la suivante si : Vs est le niveau de signal des lignes éclairées VR le niveau de signal parasite dû à l'effet de trainage, N le nombre de lignes éclairées, le reste étant non éclairé (cas d'un spot sur un fond sombre), Tv le temps de passage sous une ligne éclairée pendant le transfert vertical Ti le temps d'intégration, alors S le coefficient de traînage ou de "smearing" peut être estimé par S = TV/Ti et VR= N.S. V5. Pour Ti =20 ms et TV = llls, soit FV (fréquence de transfert vertical) = 1MHz, alors S = 5 x 10-5 Avec FV = 10 MHz, S n'est plus égal qu a 5 x 106 et avec FV = 20 MHz, S n'est plus égal qu'à 2,5 x 106. On réduit donc considérablement l'effet de trainage. REVENDICATIONS 1. Dispositif matriciel à transfert de charges tolérant des fréquences de transfert vertical élevées, comportant un substrat, un réseau de grilles verticales (G0, G1, G2) et un réseau d'électrodes de lignes horizontales dont les extrémités sont portées aux potentiels de commande #2 . ~3, ~4), caractérisé en ce que, les électrodes de ligne horizontales ayant une résistance non négligeable, au moins un jeu d'électrodes métalliques verticales (En1, E#2, En3, E~4) est disposé à la surface de matrice, ces électrodes étant portées aux mêmes potentiels de commande que les lignes horizontales, des points de connexion étant réalisés aux points de croisement de ces électrodes verticales et des électrodes de lignes portées aux mêmes potentiels. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une matrice photosensible, les électrodes métalliques verticales sont disposées sur des zones qui ne participent pas à la sensibilité du dispositif. 3. Dispositif selon la re-endication 2, caractérisé en ce que, des transistors d'anti-éblouissement étant prévus dans la matrice, les électrodes métalliques verticales sont disposées au dessus de drains de ces transistors. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes métalliques verticales sont disposées au dessus de grilles verticales (Go) isolant les photosites élémentaires et délimitant les colonnes de la matrice. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ces électrodes sont réalisées en aluminium. 6. Dispositif selon 11 une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure matricielle s 'étendant au dessus ou au dessous de la zone de la matrice utile au transfert des charges, un jeu d'électrod#s métalliques horizontales est également prévu s'étendant au dessus des électrodes de lignes horizontales correspondantes, interrompues aux croisements avec les jeux d'électrodes verticales, pour l'interconnexion des électrodes métalliques verticales respectivement reliées aux mêmes potentiels, des points de connexion étant prévus avec les lignes correspondantes de part et d'autre de ces jeux d'électrodes. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les résistances d'accès aux extrémités des électrodes de lignes horizontales et aux points de contact de la même ligne via les jeux d'électrodes métalliques verticales sont équilibrées 8. Utilisation d'un dispositif matriciel selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un capteur d'image à transfert de trame comportant une zone photosensible matricielle et une zone mémoire matricielle. 9. Utilisation selon la revendication 8, caractérisée en ce que, dans la zone photosensible, les interconnexions des Jeux d'électrodes métalliques verticales sont réalisées sous une zone de masquage optique de la matrice constituant la référence d'obscurité . 10. Utilisation selon l'une des revendications 8 et 9, avec une fréquence de transfert élevée pour réduire l'effet de trainage vertical.