Brevet FR2621200A1 — publié le 19890331

La présente invention concerne un appareil perfectionné capteur d'image, ou de prise de vues, du type monolithique à semi- conducteurs possédant, comme partie de conversion photoélectrique, une pellicule photoconductrice formée sur un substrat a balayage CCD (dispositif à couplage de charge). La partie principale d'un appareil de prise de vues CCD du type monolithique possède généralement une structure telle que présentée sur la figure 1. Le numéro de référence 3 désigne un canal enterré du type n sur lequel des grilles de transfert 6 et 7 sont respectivement formées via des pellicules d'isolation de grille 51 et 52, si bien qu'il est constitué un CCD (dispositif à couplage de charge) vertical. Une photodiode 23 servant de partie de conversion photoélectrique pour les éléments d'image, ou pixels, est disposée au voisinage du CCD vertical. Le numéro de référence 2 désigne un élément d'arrêt de canal de type p. La configuration de la partie correspondant à un pixel de cet appareil de prise de vues CCD est telle que représentée sur les figures 2A à 2C. La figure 2A illustre sous la forme d'une région hachurée une partie 1-a de transfert de charge de signal entre la photodiode 23 et le canal enterré 3, la figure 2B illustre sous forme d'une région hachurée le canal enterré 3, et la figure 2C illustre sous forme d'une région hachurée une ouverture 18 de la partie de conversion photoélectrique constituée par la photodiode 23. Comme on pourra le comprendre en observant ces schémas, puisque l'appareil de prise de vues CCD du type monolithique possède un canal enterré 3 et une photodiode 23 tous deux formés sur le même substrat semiconducteur, l'aire de l'ouverture 18 est petite. Ainsi, pour réduire la dimension latérale d'une cellule de pixel, la largeur du canal enterré 3 diminue, de même que l'aire de la photodiode 23, comme représenté sur les figures 3A à 3C. Ceci conduit à une réduction de la sensibilité de l'appareil de prise de vues et à une réduction de la capacité de transfert de charge de signal. Au contraire, un appareil de prise de vues du type mono- lithique à semiconducteurs dans lequel une pellicule photoconduc- trice est formée sur un substrat de balayage CCD comporte une pprtie de transfert de charge de signal qui est séparée de la partie de conversion photoélectrique, si bien qu'il permet de réaLiser efficacement un appareil de prise de vues ayant une densité élevée de pixels. La figure 4 représente la structure de la partie princi- pale d'un semblable appareil de prise de vues CCD du type stra- tifié. Le canal enterré 3 de type n est formé sur un substrat 1 de Si de type p et, sur le canal 3, sont respectivement formées des électrodes de grille de transfert 6 et 7 via des pellicules d'iso- lation de grille 5 et 5 si bien qu'il est constitué un CCD 1 2' vertical. Une couche de source 4 de type n servant à la lecture de la charge de signal de chaque pixel dans le canal enterré 3 est disposée au voisinage du canal 3 du CCD vertical. Puisque la couche de source 4 de type n n'est pas utilisée au titre de la photodiode 23 servant de partie de conversion photoélectrique, il n'est pas nécessaire qu'elle possède une aire importante. Un semblable substrat de balayage CCD reçoit un revêtement d'une première pelli- cule d'isolation 8 dans laquelle un trou de contact 9 est formé, et une électrode relais 11 qui possède un contact avec chaque couche de source 4 est formée dans le trou 9. La structure résultante reçoit un revêtement d'une deuxième pellicule d'isolation 12 dans laquelle un autre trou de contact 13 est formé, puis une électrode de pixel 14 y est formée. Ensuite, une pellicule de a-Si:H non dopé 15 servant de pellicule photoconductrice est déposée sur la structure résultante, et une pellicule de a-SiC:H de type p 16 servant de couche d'empêchement de trou est en outre disposée sur la pellicule 15, une électrode transparente 17 étant formée sur la pellicule 16. Les figures 5A à 5C illustrent des configurations d'une région de pixel unitaire de cet appareil de prise de vues CCD du type stratifié, en correspondance avec les figures 2A à 2C. L'aire d'une ouverture 19 (voir figures 5C, 6C et 7C) déterminée par l'électrode de pixel 14 est notablement plus grande que celle d'une structure du type monolithique. Avec la structure représentee, puisque la pellicule photoconductrice 15 effectue la conversion photoélectrique, la partie autre que la partie CCD vertical servant au transfert d'une charge de signal sur le substrat de balayage CCD peut avoir une petite aire. Ceci peut donc permettre à' l'apparein de prise de vues CCD d'avoir un tracé tel que l'aire au caraL enterré 3 est rendue aussi grande que possible du fait de la réduction de l'aire de l'éLément d'arrêt de canal 2, ccmme recre- senté sur les figures 6A-6C. Par conséquent, il est facile d'augmenter la quantité de charges de signaL transférées c'ur facteur de 1,5 à 2 par comparaison avec un appareil de prise oe vues CCD du type monolithique. Toutefois, dans un semblable appareil de prise de vues CCD du type stratifié, la réduction de la dimension latérale du pixel, comme indiqué sur les figures 7A à 7C, modifie considéra- blement la largeur du canal enterré 3, ce qui, pour la raison détaillée ci-après, influence négativement le transfert de charge de signal. La figure 8 représente les résultats de mesure au potentiel du canal (avec une tension de grille nulle) en fonction de la variation de la largeur de canal sur le masque d'un transistor MOS à canal enterré. La figure 9 représente la structure du transistor MOS, et les numéros de référence utilisés sur les figures 1 à 4 y désignent des parties correspondantes. Comme cela résulte de manière évidente de la figure 8, le potentiel du canal enterré diminue lorsque la largeur de canal diminue, et il peut devenir difficile de simplement parler d'un canal enterré dans une région o la largeur de canal est inférieure à 1 pm. Il s'agit de ce que l'on appelle l'effet de canal étroit. Les résultats de mesure montrent que, dans un CCD stratifié ayant un canal enterré tel que représenté sur les figures 7A à 7C, le potentiel de canal au niveau d'une région présentant une étroite largeur de cana: est faible. Avec des électrodes de transfert disposées de la manière représentée par exemple sur la figure 10, la distribution du potentiel au niveau de la section droite C-C' serait telle que représenté sur la figure 11. Plus spécialement, lorsque les charges sont transférées d'une deuxième électrode 7-a de grille de trans- fert de couche à une région située sous une première électrode 6 de grille de transfert de couche, la distribution est telle qu'indiquée par la ligne à pointillé simple et, lorsque le transfert de charge s'effectue de l'électrode 6 à une région située sous une deuxième électrode 7-b de grille de translert, la distri- bution est telle qu'indiquée par la ligne en trait interrompu. Dans ces conditions, une barrière de potentiel exclut une pa-tie de La charge de signal et il n'est pas possible d'obtenir une repro- duction appropriée de l'image. Avec des électrodes disposées de la manière représentée sur la figure 12, la distribution du potentiel serait telle que représentée sur la figure 13. Dans ce cas, il se produit également un transfert incomplet de la charge. Pz.u empêcher ce transfert de charge incomplet, il est neécessaie d'aligner les parties bords de la première électrode 6 de grille de transfert de couche avec les frontières au niveau desquelles la largeur de canal varie, comme representé sur la figure 14. Ceci produit la distribution de potentiel représentée sur la figure 15, laquelle peut empêcher le transfert de charge incomplet ci- dessJs mentionné. Toutefois, avec cette disposition des électrodes, le transfert de charge inverse devient impossible comme pour le cas de la structure d'excitation à deux phases dans laquelle un gradin de potentiel est formé dans l'une des électrodes de grille de trans- fert. Par exemple, un drain de débordement est produit au niveau du bord du CCD vertical opposé au côté du CCD horizontal, ce qui rend impossible le balayage des charges inutiles par la fonction de transfert en sens opposé à celui de la lecture des charges de signal. Comme décrit cidessus; avec les appareils de prise ce vues CCD du type stratifié classiques, l'effet de canal étroit devient prépondérant et entraîne une réduction de la dimension de la cellule de pixel, tandis qu'il se forme, en particulier, ur gradin de potentiel de canal dans l'une des électrodes de grille de transfert de manière à ainsi empêcher un transfert de charge bidi- rectionnel. C'est donc un but de l'invention de fournir un apparei' de prise de vues monolithique à semiconducteurs du type stratifié d performance élevée, qui surmonte les problèmes ci-dessus exposes et assure le transfert d'une grande quantité de charges de signal en 26'21200 faisant Le meilleur usage de l'aire du substrat afin s'éviter l'effet de canal étroit. Pour réaliser ce but, un appareil capteur d'image, ou de prise de vues, du type monolithique à semiconducteurs selon l'invention comprend: un substrat semiconducteur; plusieurs canaux enterrés qui sont disposés à intervalles prédéterminés dans une région supérieure du substrat semicon- ducteur, chaaue canal enterré étant formé suivant une configuration en zigzag présentant une largeur de canal presque constante; des électrodes de transfert formées respectivement via des pellicules d'isolation de grille sur les canaux; des couches de source pour différents pixels, disposées respectivement au voisinage des canaux afin de fournir les charges de signal des différents pixels à des canaux enterrés respectifs se trouvant dans la région supérieure du substrat semiconducteur, les couches de source étant formées suivant une configuration telhe que les couches de'source qui sont horizontalement adjacentes entre elles sont décalées les unes des autres de 1/2 pas de pixel suivant la direction verticale; des premières électrodes disposées via une premièee pellicule d'isolation sur le substrat semiconducteur dotée des électrodes de transfert et en contact avec les couches de source; une pellicule photoconductrice disposée sur les premières électrodes; et des deuxièmes électrodes disposées de manière stratifiée sur la pellicule photoconductrice. Selon la disposition ci-dessus présentée, les couches de source de lecture de charge servant à réunir les CCD sont décalées de 1/2 pas de pixel, si bien qu'il est possible de faire le meilleur usage de l'aire offerte sur le substrat pour servir de canaux enterrés sans subir l'influence de l'effet de canal étroit et d'assurer un grand transfert de charges de signal. En outre, puisque le CCD vertical autorise un transfert de charge bidirec- tionnel, il est facile d'employer le système pour produire un draAi de débordement sur le côté opposé du CCD horizontal afin d'evacuer par baLayage les charges en excès. Ceci donne a l'appareil de prise de vues monoLithique à semiconducteurs une fonction d'obturateur électronique et une fonction de limitation du fLou d'image. De plus, puisque les électrodes des pixels sont disposées a la manière d'une grille carrée, le traitement de signal n'est pas complexe et cet appareil de prise de vues monolithique à semiconducteurs peut être efficacement utilisé pour une caméra vidéo à performance éLevée. La description suivante, conçue à titre d'illustation de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en section droite montrant la structure de la partie essentielle d'un appareil de prise de vues CCD classique; - les figures 2A à 2C sont des schémas simplifiés illus- trant grossièrement les différents éléments d'une cellule de pixel appartenant à la structure représentee sur la figure 1; - les figures 3A à 3C sont des schémas simplifies de cette même cellule de pixel présentant une dimension latérale réduite; - la figure 4 est une vue en section droite montrant la structure de la partie essentielle d'un appareil de prise de vues CCD du type stratifié classique; - les figures 5A à 5C sont des schémas simplifiés illus- trant grossièrement les différents éléments d'une cellule de pixel appartenant à la structure représentée sur la figure 4; - les figures 6A à 6C sont des schémas simplifiés illus- trant la cellule de pixel dont le canal enterré tel que représenté sur les figures 5A à 5C a été élargi à la dimension maximale; - les figures 7A à 7C sont des schémas simplifiés repré- sentant cette même cellule de pixel avec une dimension latérale réduite; la figure 8 est un schéma représentant la relation mesurée entre la largeur de canal sur le masque d'un transistor MOS à canal enterré et le potentiel de canal; 262 1 200 - la figure 9 est une vue en section droite montrant la structure d'un transistor MOS utilisé pour la mesure de la figure 8; - la figure 10 est un schéma montrant la relation geomée- trique existant entre les électrodes de grille de transfert et une configuration d'élément d'arrêt de canal telle que représentée sur la figure 4; - la figure 11 est un schéma illustrant le potentiel de canal existant dans la section droite C-C de la structure de la figure 10; - la figure 12 est un schéma illustrant la relatio, géométrique qui existe entre les électrodes de grille de transfert et une configuration d'élément d'arrêt de canal, qui diffère de celle représentée sur la figure 10; - la figure 13 est un schéma illustrant le potentieL de canal existant dans la section droite C-C' de la structure de la figure 12; - la f.igure 14 est un schéma illustrant La reLa=tcn géométrique qui existe entre les électrodes de grille de transfert et une configuration d'élément d'arrêt de canal, qui aifere de celle de la figure 12; - la figure 15 est un schéma illustrant le potentiel de canal existant dans la section droite C-C" de la structure repre- sentée sur la figure 14; - la figure 16 est une vue en plan simplifiée montrant la partie essentielle d'un appareil de prise de vues CCD du type stratifié selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 17 est une vue en section droite prise suivant la ligne XVII-XVII de la figure 16; - la figure 18 est une vue en section droite prise suivant la ligne XVIII-XVIII de la figure 16; - la figure 19 est une vue en plan simplifiée illustrant grossièrement une configuration de canaux enterrés de l'appareil de prise de vues CCD du type stratifié selon un mode de réalisation; 2 6 2 1 2 0 0 - la figure 20 est une vue en plan simplifiée illustrant grossièrement une partie de transfert de charge de ce mode de réalisation; - la figure 21 est une vue en plan simplifiée montrant, à l'aide de lignes de hachure, les configurations des électrodes de grille de transfert 6 et 7 formées par Les pellicules de silicium polycristallin des première et deuxième couches, telles que repré- sentées sur les figures 17 et 18; - la figure 22 est une vue en plan simplifiée montrant, à l'aide de lignes de hachure, les trous de contact 9 et les couches de type n 10 formées dans les trous via une diffusion d'impureté dans le mode de réalisation ci-dessus indiqué; - La figure 23 est une vue en plan simplifiée montrant, à l'aide de lignes de hachure, la configuration des électrodes de relais 11 dans ce mode de réalisation; la figure 24 est une vue en plan simplifiée montrant, à l'aide de lignes de hachure, les couches de source de lecture de charge 4 dont la-disposition a été corrigée dans le mode de réa.i- sation ci-dessus présenté; et - la figure 25 est une vue en plan simplifiée montrant, à l'aide de lignes de hachure, la configuration en grille carrée des électrodes de pixel 14 du mode de réalisation ci-dessus présenté. Sur la figure 16, est représentée une vue en plan simpli- fiée montrant la partie principale d'un appareil de prise de vues CCD du type stratifié selon un mode de réalisation de l'invention, les figures 17 et 18 étant des sections droites de la figure 16 suivant les lignes XVII-XVII et XVIII-XVIII. Puisque la structure de base de l'appareil est la même que celle de la structure classique représentee sur la figure 4, on donne les mêmes numéros de référence aux parties correspondantes. Alors que ces schémas ne représentent que la structure de la section photosensible o est formé un réseau de CCD verticaux, il est bien connu qu'un CCD horizontal est disposé au niveau de la partie bord du CCD vertical. Selon une autre possibilité, une partie d'emmagasinage temporaire peut être placée entre les CCD vertical et horizontal. Dans ce mode de réalisation, les couches de source 4 servant à la lecture des charges sont verticalement décalées Les unes des autres d'un pas correspondant à 1/2 pixeL, comme repré- senté sur la figure 4. Par conséquent, comme indiqué par les lignes de hachure de la figure 19, les canaux enterrés 3 du CCD vertical sont formés suivant une configuration en zigzag donnant une largeur de canal presque constante. La figure 20 illustre, à l'aide de lignes de hachure, les parties de transfert 1-a qui transfèrent les charges aux canaux enterrés du CCD. Comme cela résulte clairement de l'examen du schéma, les sections de transfert 1-a possèdent une configuration telle que les directions de lecture des charges diffèrent de 90 toutes les deux rangées. Une telle configuration est nécessaire pour pouvoir disposer linéairement les électrodes 6 et 7 de grille de transfert comme pour L'appareil classique. La figure 21 montre, à l'aide de lignes de hachure, les configurations des électrodes de grille de transfert 6 et 7 respectivement formées par la pellicule de silicium polycristallin de la première couche et La pellicule be silicium polycristallin de la deuxième couche, et la figure 22 montre, à l'aide de lignes de hachure, Les trous de contact 9 qui permettent que les électrodes de relais 11 soient en contact avec les couches de source 4, ainsi que les couches de type n 10 qui sont formées par diffusion d'impureté dans les régions des trous de contact. Lorsque les régions de source 4 possèdent la configu- ration ci-dessus indiquée, qui est réfléchie directement sur les électrodes de pixel ou ta configuration d'ouverture, une ligne de pixels aura une configuration en zigzag. Par conséquent, il est nécessaire de compenser l'écart d'alignement des ouvertures par un moyen quelconque de traitement de signal après la lecture des. charges de signal. Ainsi, pour compenser l'écart vertical de 1/2 pas de pixel, les signaux lus doivent être temporairement emmaga- sinés pour être soumis à la compensation d'écart à l'aide des signaux lus après une période horizontale. Ceci est très peu commode lorsque la quantité de pixels est notablement importante et que la vitesse de lecture des signaux est aussi élevée que dans ur appareil de prise de vues monolithique à semiconducteurs formant un appareil vidéo à performance éLevée. Ainsi, selon ce mode de réaLi- sation, la configuration des trous de contact des électrodes de pixel 14 relativement aux électrodes de relais 11 est spécialement conçue de manière à corriger L'écart de 1/2 pas de pixel de l'ali- gnement des couches de source 4. Ainsi, comme représenté par les lignes de hachure de la figure 23, la configuration des électrodes de relais 11 est étirée afin de corriger l'écart d'alignement des couches de source 4 entre les éLéments du réseau de couches jointives verticalement disposées. De plus, la configuration des trous de contact formés dans la deuxième pellicule d'isolation 12 recouvrant les électrodes de relais 11 est conçue de la manière indiquée par les lignes de hachure de la figure 24 afin de corriger l'écart apparaissant dans la disposition des couches de source 4. Par conséquent, les électrodes de pixel 14 peuvent avoir la confi- guration en grille carrée indiquée par Les lignes de hachure sur la figure 25. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de prise de vues du type monolithique à se7.i- conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur (1); plusieurs canaux enterrés (3) disposés à intervalles prédéterminés dans une région supérieure dudit substrat semicon- ducteur, chaque canal étant formé suivant une configuration en zigzag présentant une largeur de canal presque constante; des électrodes de transfert (6, 7) formées respectivement via des pellicules d'isolation de grille (51, 52) sur lesdits canaux; des couches de source (4) pour différents pixels, disposées respectivement au voisinage desdits canaux, afin de fournir les charges de signal des différents pixels aux canaux enterrés respectifs se trouvant dans ladite région supérieure dudit substrat semiconducteur, lesdites couches de source étant formées suivant une configuration telle que les couches de source qui sont horizontalement adjacentes les unes aux autres sont décalées mutuellement de 1/2 pas de pixel suivant la direction verticale; des premières électrodes (11) disposées via une pellicule d'isolation (8) sur ledit substrat semiconducteur comportant lesdites électrodes de transfert et en contact avec lesdites couches de source; une pellicule photoconductrice (15) disposée sur ladite première électrode; et une deuxième électrode (17) disposée de manière stratifiée sur ladite pellicule photoconductrice. 2. Appareil de prise de vues du type monolithique à semi- conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur (1); plusieurs canaux enterrés (3) disposés à intervalles prédéterminés dans une région supérieure dudit substrat semicon- ducteur, chaque canal enterré étant formé suivant une configuration en zigzag présentant une largeur de canal presque constante; des électrodes de transfert (6, 7) formées respectivement via des pellicules d'isolation de grille (51, 52) sur lesdits canaux enterrés; des couches de source (4) pour différents pixels, respectivement disposées au voisinage desdits canaux enterrés, afin de fournir les charges de signal des différents pixels aux canaux enterrés respectifs se trouvant dans ladite région supérieure dudit substrat semiconducteur, lesdites couches de source étant formées suivant une configuration telle que les couches de source qui sont horizontalement adjacentes les unes aux autres sont décalées mutuellement de 1/2 pas de pixel suivant la direction verticale; des électrodes de relais (11) disposées via une première pellicule d'isolation (8) sur ledit substrat semiconducteur comportant lesdites électrodes de transfert et en contact direct avec lesdites couches de source; des électrodes de pixel (14) disposées suivant une confi- guration en grille carrée sur ledit substrat semiconducteur via une deuxième pellicule d'isolation (12), chacune étant en contact direct avec une partie de celle qui lui est associée parmi lesdites électrodes de relais; une pellicule photoconductrice (15) disposée sur lesdites électrodes de pixel; et une électrode transparente (17) disposée sur ladite pellicule photoconductrice; si bien que ledit décalage de 1/2 pas de pixel est corrigé par sélection de ladite configuration desdites électrodes de pixel et des positions de contact desdites électrodes de pixel relativement à ladite configuration des électrodes de pixel. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une partie de transfert de charge de signal est prévue entre chaque paire associée desdits canaux et desdites couches de source et modifie de 90 la direction de transfert de charge desdites couches de source à des couches adjacentes.