Brevet FR2660821A1 — publié le 19911011

Matrice pliotosensible à transfert de charges adaptée à un balayage progressif et son procédé de fabrication L'invention se rapporte aux photo senseurs à transfert de charge matriciel, et a plus particulierement pour objet une matrice photosensible à transfert de charges particulièrement adaptée à un balayage progressif. Classiquement, les matrices photo sensibles à transfert de charges sont organisées pour fonctionner soit selon un mode de transfert dit de "trame" selon lequel le transfert de charges sur les photosites est effectué simultanément pour toute la trame, soit selon un mode de transfert dit de "ligne" selon lequel les charges sont transférées ligne par ligne. Dans les deux cas, le transfert utilise le fait que les lignes successives constituant une image sont entrelacées dans des trames successives, et qutil existe donc, entre deux lignes d'une même trame lues successivement, une ligne de photo-éléments non utilisée pour cette trame. Ainsi, par exemple pour un transfert de ligne, les photosites sensibles pour deux lignes successives sont séparés, mais la taille d'un étage du registre nécessaire au transfert est de deux photosites. Pour la prise de vues d'image de télévision en haute définition, selon laquelle la matrice de photo-éléments comporte par exemple 1080 lignes et 1920 colonnes de photo-éléments, le balayage ne doit plus être entrelacé mais progressif c'est-à-dire que les lignes successives de photo-éléments constituant la matrice doivent toutes être lues successivement. Pour cela les structures de matrices actuellement connues ne conviennent pas. En effet pour la définition des registres à transfert de charges verticaux, destinés au transfert des charges des photo-éléments jusqu'au registre de sortie horizontal, le pas des registres verticaux pour un balayage progressif doit être égal au pas des lignes de photo-éléments, contrairement au balayage entrelacé où le pas est double comme indiqué ci-dessus, c'est-à-dire où le même étage de transfert est utilisé pour deux lignes de photo-éléments. Lorsque l'accès aux charges formées au niveau du pixel, c'est-à-dire de l'élément d'image, n'est pas obtenu par un transfert de charges mais d'une autre façon, charge ou décharge d'une connexion par exemple, ou lecture en tension, l'analyse progressive de l'image est possible ; c'est le cas par exemple dans les matrices organisées pour la lecture d'une seule ligne sélectionnée, dites à transfert de lignes ou CPD et XY. Cependant cette possibilité est obtenue au détriment des performances car la capacité des connexions intermédiaires nécessaires, de forte valeur, augmente notablement le niveau de bruit, et ceci d'autant plus que la longueur de la connexion et le nombre de lignes de photo-éléments sont importants. L'invention a pour objet une matrice photosensible à transfert de charges, adaptée à un balayage progressif principalement en vue de l'obtention d'images à haute définition et à faible niveau de bruit, ce que ne permettrait pas les matrices à transfert de charges classiques. L'invention utilise la propriété de déplacement des charges des circuits à transfert de charges, c'est-à-dire de transfert des photosites jusqu'au registre de sortie par déplétion totale et utilise l'adressage sélectif ligne des organisations à transfert de lignes ou à adressage XY ; mais, pour permettre le transfert des charges des lignes successives de photo-éléments, l'invention utilise le principe du transfert par une onde de tension. Selon l'invention, une matrice photosensible à transfert de charges, adaptée à un balayage progressif, comportant un ensemble de photosites organisés en n lignes et p colonnes, est caractérisée en ce qu'elle comporte p canaux de transfert de charges verticaux dans lesquels le transfert des charges est commandé par des électrodes lignes séparant les lignes de photosites et élargies au niveau des canaux de transfert verticaux pour les recouvrir, et des moyens de commande de transfert comportant une ligne à retard munie de n sorties équidistantes couplées aux électrodes de lignes et dont l'entrée reçoit une onde de transfert s'étendant à un instant donné sur plusieurs étages de la ligne à retard. L'invention a également pour objet le procédé de fabrication d'une telle matrice. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 illustre le principe de la lecture de charges stockées sous des grilles par une commande au moyen d'une onde de tension La figure 2 illustre la structure générale de la matrice à transfert de charges adaptée à un balayage progressif selon l'invention; Les figures 3a, 3b et 3c représentent l'évolution des tensions sous les électrodes lignes en fonction du temps et de leur position Les figures 4a, 4b et 4c sont des diagrammes explicatifs du fonctionnement de la matrice selon l'invention La figure 5 illustre un exemple de circuit de validation de l'adressage ligne par la ligne à retard Les figures 6a et 6b représentent en détails, respectivement en plan et en coupe, la structure de la matrice photosensible au niveau d'un élément photosensible. Selon l'invention, le transfert des charges depuis un site photosensible jusqu'au registre de sortie horizontal est effectué de la manière suivante : une onde de tension est transmise à la surface du silicium et entraîne les charges électriques situées dans un canal vertical du type "DTC" ("CCD" en anglais) c 'est-à-dire circuit à transfert de charges. La longueur 1 de cette onde dans le sens du transfert est de plusieurs dizaines de microns, c ctest-à-dire qu'elle s'étend sur plusieurs lignes, et sa vitesse dans le cas de l'application envisagée pour une matrice photosensible à haute définition est élevée, de l'ordre de 104 mètres par seconde. La propagation de cette onde pourrait être commandée à l'aide d'une grille unique allongée dans le sens du transfert vertical YY', cette grille formant une ligne RC à résistance et capacité réparties. Mais du fait que l'atténuation du champ électrique longitudinal qui commande le transfert est beaucoup trop important compte tenu de la longueur de la grille, cette grille unique allongée est en pratique remplacée par une série d'électrodes réparties sur la zone de transfert, une électrode étant disposée sur chaque ligne de photo-éléments, et ces électrodes étant commandées à l'aide d'une ligne à retard digitale, disposée latéralement à la matrice > et dans laquelle se propage l'onde de commande de transfert. La figure 1 illustre le principe de lecture des charges stockées sous les sites photosensibles des lignes successives, les électrodes E1, E2 ... E i ... E n étant associées aux lignes de photoéléments et respectivement reliées aux sorties de retard 0, , 2t, (n-1) t de la ligne à retard digitale à n-l étages, R2, R3 ... R., Rn Comme illustré par la figure 1, la longueur l de l'onde de tension appliquée à l'entrée de la ligne à retard est telle qu'elle porte à chaque instant le potentiel de plusieurs électrodes successives, sur la figure 1 trois électrodes, à un potentiel V positif. Compte-tenu de la charge représentée par chaque électrode et du temps de transit de l'onde dans la ligne à retard, de l'ordre de ins par étage, des circuits d'interface sont disposés entre chaque étage de la ligne à retard et les électrodes de lignes E1 ... Ei ... En comme le montre la figure 2 qui illustre la structure de la matrice avec organisation du transfert vertical par onde de tension. La ligne à retard digitale LAR dont le premier étage reçoit l'onde de tension a ses prises de sorties reliées à des circuits d'interface CI associés. Pour la sélection des lignes de photosites, un registre d'adressage ligne RADL a ses différents étages également connectés aux électrodes de ligne E. via les circuits d'interface, CI.. i i Chaque photosite est constitué d'une diode polarisée en inverse commandée par un transistor MOS dont la grille est reliée à l'électrode horizontale E i correspondante, tandis que l'autre électrode est reliée à un canal vertical (colonne) de transfert associé, hachuré sur la figure 2. Les sorties des canaux de transfert verticaux sont reliés aux étages correspondants du registre horizontal de sortie RH, dont le dernier étage est relié à un amplificateur de sortie A, fournissant la tension lue Vs. La longueur l de l'onde de tension, c'est-à-dire la durée T de l'impulsion générant cette onde, en rapport avec les temps de montée et de descente à la sortie des circuits d'interface, et le temps de propagation ): à travers un étage de la ligne à retard LAR définissent le nombre N d'électrodes sous lesquelles se répartissent les charges N = T/t. L'onde peut s'étendre sur une centaine de lignes. L'efficacité de transfert est équivalente à celle d'un registre avec transfert de charges en volume, dans la mesure où la vitesse de propagation de l'onde reste inférieure à la vitesse de déplacement des électrons sous l'effet du champ longitudinal produit dans le silicium par cette onde. Pour une matrice haute définition de format 1 pouce, (hauteur d'image = 7mm), la vitesse moyenne des charges est VMOY = 0.7x106 cm/s. Pour que les charges suivent effectivement le mouvement de l'onde, le champ électrique longitudinal doit être supérieur à Emin tel que Emin VMoy/ll = 0.7x106/1350 = 0,05 V/pin. Si l'on suppose que l'onde procure une transition de 10 volts dans le silicium, cette transition peut être répartie sur une distance maximale DMAX = 10/0,05 = 200 m. Pour une matrice comportant 1080 lignes au pas de 7 m, le temps imparti au transfert vertical d'une ligne est à peu près de Ces et implique un retard élémentaire = 1,us/1080, soit à peu près lns. Le temps de commutation Tf d'une ligne sera donc inférieur à 200pin x /7pins soit Tf dtinterface, la charge représentée par une électrode ligne étant inférieure à 10pu. Le fonctionnement de la matrice représentée schématiquement sur la figure 2 est le suivant : le photoélément est constitué de la diode polarisée en inverse, photosensible ou reliée à une couche photosensible. Le transfert des charges du photoélément vers le canal colonne est obtenu par l'ouverture du transistor MOS dont la grille, électrode de ligne E., assure également le transfert des charges dans le canal colonne associé à ce photoélément.L'accès au signal formé sur une ligne de photoéléments est le suivant : après la période de lecture de la ligne précédente, au début de l'intervalle de suppression ligne, une première impulsion I1 est envoyée dans la ligne à retard LAR de façon que l'onde correspondante entraîne les charges parasites (dues au suréclairement "blooming", ou dues au fait que les registres de lecture peuvent être photosensibles "smearing" ou dues au courant d'obscurité) vers les drains VD situés aux extrémités des colonnes. Cette première impulsion I1 a également pour effet de remettre à zéro la ligne de photoéléments qui vient d'être lue.Le registre d'adressage ligne RADL qui comporte un "1" dans l'étage associée à la ligne qui vient d'être lue est alors décalé d'une ligne et une deuxième impulsion 12 est envoyée dans la ligne à retard. Le passage de cette onde au niveau de la nouvelle ligne adressée crée sur celle-ci une surtension utilisée pour l'ouverture du transistor MOS du pixel et le transfert des charges utiles dans le canal colonne. Ces charges sont ensuite entraînées par cette deuxième onde vers l'extrémité du canal où elles sont dirigées via le registre horizontal vers la sortie de signal. Les figures 3a, 3b et 3c représentent l'évolution des tensions sur différentes électrodes en fonction du temps et de leur position. Sur la figure 3a l'électrode E. adressée pour la lecture de la ligne L. voit son potentiel V augmenté jusqu'à ce que, comme illustré par la figure 3b le transistor MOS correspondant soit ouvert et que les charges stockées soient donc transférées au canal colonne. Puis, au fur et a mesure que l'onde se propage, les charges sont entraînés dans le canal colonne par l'onde de tension comme illustré par la figure 3c. Pour que les charges ne s'étalent pas sur toute la hauteur de colonne correspondante avant l'arrivée de l'onde de tension, il est intéressant que l'onde arrive au niveau de la ligne adressée au moment de l'adressage. De façon à effectuer correctement le transfert des charges dans le canal, il est important que l'impulsion de tension nécessaire à la lecture du photoélément soit achevée avant la fin du passage de la deuxième onde ; cela peut nécessiter une validation de l'adressage ligne par le signal qui parcourt la ligne à retard LAR. Une possibilité de réalisation du dispositif correspondant est représentée sur la figure 5 où la sortie d'un étage de rang i, du registre d'adressage ligne RADL est reliée à l'entrée d'une porte ET, l'autre entrée de la porte ET étant reliée à l'étage de rang i-n de la ligne à retard. La sortie de l'étage de rang i de la ligne à retard LAR (point A) et la sortie de la porte ET (point B) sont reliées aux entrées d'un circuit additionneur dont la sortie est reliée à l'électrode E.. Les tensions correspondantes en A, B et E. sont également représentées sur cette figure 5. Les figures 6a et 6b illustrent respectivement en plan et en coupe la structure possible d'un point élémentaire d'une telle matrice, décrite plus en détails ci-après en liaison avec son procédé de fabrication Dans une première étape, sur un substrat nu de type P sont formés par implantation de type N des canaux Cv pour le transfert vertical en volume par décalage. Dans une seconde étape on réalise sur le substrat les deux niveaux de grille silicium pour former les électrodes horizontales E.. les électrodes de rangs impairs étant formées sur le premier niveau de silicium Sil et les électrodes de rangs pairs étant formées sur le deuxième niveau de silicium Si2. Ces électrodes sont continues dans le sens horizontal, comme le montre les figures 2 et Ga et s'étendent autour des photosites élémentaires en se chevauchant partiellement pour contrôler entièrement le canal de transfert vertical Tv Dans les zones centrales limitées par ces électrodes, E. et E. sont alors réalisées les photodiodes, par implantation de type N L'étape suivante consiste à déposer des électrodes en aluminium sur les électrodes E. pour les doubler en pratiquant entre l'électrode silicium et l'électrode aluminium un contact, ceci afin de diminuer la résistance série qui serait introduite avec une électrode silicium seule. Pour réaliser ce contact sans atteindre le substrat, du fait que les électrodes E. sont proches du substrat, il peut être nécessaire de déposer, avant les dépôts silicium et même avant de faire l'implantation N pour les canaux verticaux, un oxyde épais dans les zones destinées aux contacts silicium/aluminium. Sur la figure 6a, cet oxyde épais a été représenté sous la zone de contact, et un peu plus large qu'elle. Cet oxyde épais a également un rôle de barrière pour éviter la dispersion des charges d'un photosite vers un photosite voisin. Pour localiser les charges encore mieux, il est possible de déposer l'oxyde épais également sur la zone du substrat non couverte par les électrodes et non implantée N+, c'est-à-dire autour du photosite, ou d'effectuer dans la même zone une implantation P comme illustré sur la figure 6b qui est une coupe selon AA' de la zone élémentaire c'est-à-dire une coupe au niveau du photosite. Une telle implantation peut être faite sans masquage sur I'ensemble, après le dépôt et la gravure des électrodes de silicium. Elle n'affecte pas les photodiodes et permet de contrôler l'implantation dans les zones requises pour bien localiser les charges et isoler la diode. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précisément décrit en particulier en ce qui concerne la réalisation de la matrice. REVENDICATIONS 1. Matrice photo sensible à transfert de charges, adaptée à un balayage progressif, comportant un ensemble de photosites organisés en n lignes et p colonnes, caractérisée en ce qu'elle comporte p canaux de transfert de charges verticaux dans lesquels le transfert des charges est commandé par des électrodes lignes (Ei) séparant les lignes de photosites et élargies au niveau des canaux de transfert verticaux (CVj) pour les recouvrir, et des moyens de commande de transfert comportant une ligne à retard (LAR) munie de n sorties équidistantes couplées aux électrodes de lignes (E.) et dont l'entrée reçoit une onde de transfert s'étendant à un instant donné sur plusieurs étages (R.) de la ligne à retard. 2. Matrice photosensible selon la revendication 1, caractérisée en ce quelle comporte en outre des moyens d'adressage ligne (RADL) également couplés aux électrodes lignes pour commander la lecture des n lignes de la matrice successivement. 3. Matrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que les sorties de la ligne à retard et les sorties de mêmes rangs des moyens d'adressage sont reliées aux entrées de circuits d'interface (CIi ) dont les sorties sont reliées aux électrodes de lignes de rangs correspondants (ex). 4. Matrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque photosite de la matrice comporte une photodiode couplée à un transistor MOS dont la grille est reliée à l'électrode (Ei) associée à la ligne à laquelle appartient à ce photosite, la dernière électrode du transistor étant reliée au canal de transfert vertical (CVj) associé à la colonnes (j) à laquelle appartient ce photosite. 5. Procédé de fabrication d'une matrice photosensible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste, à partir d'un substrat semiconducteur nu - dans une première étape, à former les canaux de transfert verticaux (Cv) par implantation dans le silicium, - dans une seconde étape, à former sur le substrat deux niveaux d'électrodes de ligne en silicium (Si1 et Si2) s'étendant verticalement sur les zones canaux de transfert, les électrodes de rang impair étant formées sur le premier niveau et les électrodes de rang pair sur le deuxième niveau, ou inversement, - dans une troisième étape, à implanter les photodiodes dans les zones centrales limitées par les électrodes (ex). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que des électrodes en aluminium sont déposées après dépôt d'une couche d'isolant au-dessus des électrodes silicium; des zones de contact étant prévues entre électrodes superposées, pour diminuer la résistance série des électrodes (E.). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un oxyde épais est réalisé autour des photosites pour localiser les charges et isoler la diode photosensible.