Brevet FR2820883A1 — publié le 20020816

circuit. PXOTODIODE À GRANDE CAPACITÉ La présente invention concerne la réalisation sous forme monolithique de capteurs dimages destinés à être utilisés dans des dispositifs de prise de vues tels que, par exemple, des caméras, des camescopes, des microscopes numériques ou encore des appareils photographiques numériques. Plus particulièrement, la présente invention concerne des capteurs dimages à base de semiconducteurs comportant un unique élément de stockage et de photodétection. La figure 1 illustre partiellement une partie d'une ligne d'une matrice dun capteur d' images. A chaque ligne de la matrice sont associés un dispositif de précharge et un dispositif de lecture. Le dispositif de précharge est constitué d'un tran- sistor MOS à canal N M1, interposé entre un rail dalimentation Vdd et un noeud de fin de ligne I. La grille du transistor de précharge M1 est propre à recevoir un signal de commande de précharge Rs. Le dispositif de lecture est constitué de la connexion en série de deux transistors MOS à canal N. Le drain d'un premier de ces transistors de lecture, ci-après M2, est connocté au rail dalimentation Vdd. La source du deuxième tran sistor de lecture M3 est connoctée à la borne d'entrce P d'un circuit de traitement électronique. La grille du premier transis- tor de lecture M2 est relice au noeud de fin de ligne I. La grille du deuxième transistor de lecture M3 est propre à recevoir un signal de lecture Rd. La ligne comporte une pluralité de photodiodes. En figure 1, une seule photodiode D2, la plus proche du noeud I, est représentée. Le noeud I est associé à une diode de stockage de charge D1. L' anode de chaque diode D1, D2... est reliée à un rail d'alimentation de référence ou masse du circuit GND. La cathade de la diode D1 est reliée directement au nceud I. Ensuite, les cathodes de deux diodes consécutives D1 et D2 sont séparces par un transistor MOS à canal N de transfert de charge, tel que le transistor M4 entre les diodes D1 et D2. La grille du transistor de transfert M4 est propre à recevoir un signal de commande de transfert de charge T. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Un cycle de photodétection commence par une phase de précharge pendant laquelle on impose à la diode D1 un niveau de tension de référence. Cette précharge s'effectue en maintenant bloqué le deuxième transistor de lecture M3 et en rendant passant le transistor de précharge M1. Une fois la précharge effectuée, le transistor de précharge M1 est bloqué. Puis le système est maintenu tel quel, tous les transistors étant bloqués. Un certain temps après la fin de la précharge, on lit l'état au noeud I, ctest à dire létat de charge de référence réel de la diode D1. Pour évaluer ltétat de charge, on provoque pendant un très court instant St la fermeture du deuxième transistor de lecture M3. Le cycle se poursuit par un transfert vers le noeud I des charges photogénérées, c'est-à-dire crcées et stockées en présence dun rayonnement, dans la photodiode amont D2. Ce transfert s'effectue en rendant passant le transistor de transfert M4. Le transtert fini, le transistor M4 est bloqué et la diode D2 recommence à photogénérer et stocker des charges qui seront ultérieurement transférées vers le noeud 1. Simultanément, à la fin du transfert, on lit le nouvel état de charge de la diode D1. Le signal de sortie transmis à la borne P dépend alors du pincement du canal du premier transistor de lecture M2, qui est directement fonction de la charge stockée dans la photodiode. La lecture finie, le transistor M3 est bloqué et le cycle recommence par une précharge de la diode D1. La figure 2 illustre, en vue en coupe partielle et schématique, une réalisation sous forme monolithique de lensem- ble d'une photodiode D2 et du transistor de transfert M4 de la figure 1. Ces éléments sont réalisés dans une même zone active dun substrat semiconducteur 1 dun premier type de conductivité, par exemple de type P. faiblement dopé (P-). Ce substrat corres- pond par exemple à une couche épitaxiée sur une plaquette de silicium. La zone active est délimitée par des zones disolement de champ 2 par exemple en oxyde de silicium (SiO2) et correspond à un caisson 3 de même type de conductivité que le substrat 1 sous-jacent, mais plus fortement dopé. Audessus de la surface du caisson 3 est formée une structure de grille isolée 4 éventuel- lement munie despaceurs latéraux. De part et d'autre de la grille 4, à la surface du caisson 3, se trouvent des régions de source 5 et de drain 6 du type de conductivité opposé, par exem- ple N. La région de drain 6, à droite de la grille 4, est fortement dopée (N+). La région de source 5 est réalisée sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain 6 et forme avec le caisson 3 sousjacent la jonction de la photodiode D2. La grille 4 et le drain 6 sont solidaires de métallisations (non représentées) qui permettent de mettre en contact ces régions respectivement avec le signal de commande de transfert T et la grille du transistor M2 (noeud I), respectivement. La structure est complétée par des régions de type P 8 et 9 forte ment dopées (P+). Les régions 8 et 9, sous-jacentes aux zones 2, sont connectées au potentieI de référence ou masse par ltintermé- diaire du caisson 3 et du substrat 1. La photodiode D2 est du type dit complètement déplété et ccmporte, à la surface de sa source 5, une région de type P 7, peu profonde et très fortement dopée (P+). Cette région 7 est en contact latéral (vertical) avec la région 8. Elle est donc maintenue en permanence au niveau de tension de référence. La figure 3 illustre les niveaux de potentiel des différentes régions de la figure 2. La courbe en traits pleins illustre l'état du système après un transfert, après que les transistors MA et M1 ont été rendus passants. La photodiode D2 atteint un niveau de repos dit de déplétion VD fixé par les seules caractéristiques de la diode, comme cela sera expliqué plus en détail ultérieurement. Les régions fortement dopées de lo type P 7, 8 et 9 sont maintenues en permanence au potentiel de référence ou masse, par exemple O V. La région de canal 3 du transistor M4 est à un potentiel VddVT. La région 6 (noeud 1) est à vdd. Quand le transistor M4 est bloqué, sa région de canal passe à 0 V (trait en pointillés). La région 5 de la photodiode D2 constitue alors un puits de potentiel qui se remplit (trait en pointillés) selon l'éclairement de cette photodiode. Ensuite, quand le transistor M4 redevient passant (le transistor M1 étant maintenu bloqué), les charges accumulées dans la région 5 sont transférces dans la région 6 dont le potentiel varie (trait en pointillés). L'utilisation dune photodiode D2 (figures 1, 2) de type complément déplété permet de supprimer tout bruit au niveau de la photodiode D2. Pour ce faire, les profils de dopage sont choisis de telle sorte que la région 5, pincée entre la région de surface 7 et le caisson sous-jacent 3, est désertée. Le potentiel VD en régime de déplétion, c'est-à-dire en l' absence de rayon- nement, est ajusté uniquement par les dopages des régions 7, 5 et 3. Ce potentiel est choisi, ccmme 1'illustre la figure 3, à une valeur inférieure au potentiel du canal du transistor de transfert M4 lors du transfert des charges de la photodiode vers le noeud I. Un inconvénient de tel le s photodiodes rés ide dans le fait que leur capacité est relativement faible. Ceci est parti- culièrement désavantageux avec la diminution des tensions dalimentation Vdd en technologies CMOS. En effet, une réduction d'alimentation de 5 à 3, 3 V impose de fixer la tension de déplé tion VD de la photodiode D2 à environ 1 V. La capacité associce à cette diode est alors trop faible pour obtenir une dynamique suffisante. La présente invention vise donc à proposer une photodiode dont la capacité soit accrue. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un photodétecteur réalisé sous forme monolithique, du type comportant une photodiode, un transistor MOS de précharge, un transistor MOS de commande, un transistor MOS de lecture et un transistor MOS de transfert, la photodiode et le transistor de transfert étant réalisés dans un même substrat dun premier type de conductivité, la photodiode comprenant une première région du deuxième type de conductivité formée en dessous dune deuxième région du premier type de conductivité plus fortement depée que la première région, et au-dessus d'une troisième région du premier type de conductivité plus fortement dopée que le substrat, la première région étant la source du deuxTème type de conductivité du transistor de transfert, les deuxième et troisième régions étant reliées au substrat et étant à un potentiel fixe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le photodétecteur comprend en outre un caisson du premier type de conductivité, plus fortement dopé que le substrat, dans lequel est formé la première région. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type P et le deuxtème type de conductivité est le type N. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat, le caisson et les deuxième et troisième régions sont maintenus à un potentiel de référence du circuit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le photodétecteur comprend de s chaînes de photodiode s rel ices entre elles par des transistors de transfert. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la troisième région est dune épaisseur telle qu'elle fasse partie intégrante de la zone de charge d'espace entre les première et troisième régions. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que dautres de la présente invention 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 figure 1 est un schéma électrique d'un capteur d' images; la figure 2 est une vue en coupe partielle et schéma tique dune partie du circuit de la figure 1 réalisée sous forme monolithique selon lart antérieur; la figure 3 illustre des niveaux de potentiels dans la structure de la figure 2; la figure 4 illustre, en w e en coupe schématique et partielle, la réalisation dune partie du circuit de la figure 1 selon un mode de réalisation de la présente invention; et les figures 5A et 5B illustrent des niveaux de dopage dans les structures des figures 2 et 4, respectivement. De mêmes éléments ont été désignés par les mêmes réfé rences aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les figures 2 et 4 ne sont pas tracées à l'échelle. Une caractéristique de la présente invention est de modifier la structure de chaque photodiode de la facon décrite ci-après en relation avec la figure 4. Selon la présente invention, on forme, sous le fond de la région 5 de cathode de la diode D2, une région enterrée 30 de type P. a région enterrée 30 est donc de méme type de conducti- vité que le caisson périphérique 3 et que le substrat 1 (anode de la diode D2). Toutefois, la région enterrée 30 est plus fortement dopée que le caisson 3. La surface de la source 5 ccmporte une région peu profonde 7 fortement dopée de type P. La région enterrce 30 est plus faiblement dopée que la région 7. Le cycle de fonctionnement de la photodiode selon l' invention est similaire à celui décrit précédemment. L'évolution des niveaux de tension lors dun transfert de la diode D2 vers le noeud I demeure également inchangée. Toutefois, la photodiode selon ltinvention présente avantageusement une capacité accrue. En effet, la présence de la région enterrée 30 entraîne que l'étendue de la zone de charge lo d'espace dans la région de type P est réduite. En prévoyant une région 30 plus fortement dopée que le caisson 3 périphérique, on obtiendra une capacité non nagligeable, plus importante que pour une janction homologue classique entre une région de source 5 et le caisson 3 ou le substrat 1. La présence de la région 30 ajoute une capacité de stockage de charge en parallèle avec la capacité associse à la présence de la région de surface 7. Par conséquent, la charge maximale qui peut être stockée dans une photodiode D2, pour un méme niveau de tension dalimentation, est accrue par rapport à une photodiode classique. Par ailleurs, la présence de la région enterrce 30 permet dassurer une désertion de la région de source 5 alors que le niveau de dopage de celleci est accru par rapport à une structure classique. Un tel accroissement de dopage de la région provoque un accroissement de la capacité associée à la jonction région 5/région 7. Les figures 5A et 5B illustrent les niveaux de dopage en fonction de l'épaisseur e dans une photodiode classique telle qu'illustrce en figure 2 et selon l' invention telle qutillustrce en figure 4, respectivement. De préférence, l'épaisseur de la région 30 est choisie pour que, au repos, cette région 30 soit complètement désertée. En d'autres termes, l'épaisseur de la région 30 est choisie pour que cette région 30 fasse partie intégrante de la zone de charge d'espace entre la région 5 et cette région 30. Ltaccroissement de la capacité associée à la photodiode 2, donc de la charge maximale qui peut être stockée, est particulièrement avantageux. En effet, accroitre le ncmbre de charges qui peuvent être stockées revient à accroître la proportion de signal utile. La dynamique, c'est-à- dire le rapport signal/bruit est donc considérablement amélioré. En termes pratiques, cela signifie que les contrastes sont améliorés et que les photodétecteurs pourront fonctionner dans une plage déclai- rement plus grande. En effet, avec des dispositifs classiques, la saturation, c'est-à-dire la quantité maximale de charge qui peut être atteinte, est atteinte très rapidement. lo Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'homme de l'art saura ajuster les niveaux et types de dopage aux performances recherchées et en matériaux utilisés en fonction des contraintes d'une technologie de fabri cation particulière. REVENDICATIONS 1. Photodétecteur réalisé sous forme monolithique, du type comportant une photodiode (D2), un transistor MOS de pré- charge (M1), un transistor MOS de commande (M2), un transistor MOS de lecture (M3) et un transistor MOS de transfert (M4), la photodiode et le transistor de transfert étant réalisés dans un même substrat (1) dun premier type de conductivité, caractérisé en ce que la photodiode comprend une première région (5) du deuxième type de conductivité formée en dessous d'une deuxième région (7) du premier type de conductivité plus fortement dopée que la première région, et au-dessus dune troisième région (30) du premier type de conductivité plus fortement dopée que le substrat, la première région (5) étant la source du deuxième type de conductivité du transistor de transfert, les deuxièmè (7) et troisième (30) régions étant relices au substrat et étant à un potentiel fixe. 2. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un caisson (3) du premier type de conductivité, plus fortement dopé que ledit substrat, dans lequel est formée ladite première région (5). 3. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier type de conductivité est le type P et le deuxième type de conductivité est le type N. 4. Photodétecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (1), le caisson (3) et les deuxième (7) et troisième (30) régions sont maintenus à un potentiel de référence du circuit. 5. Photodétecteur selon la revendication 1, comprenant des chaînes de photodiodes relices entre elles par des transis tors de transfert (M4). 6. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième région (30) est dune épaisseur telle qutelle fasse partie intagrante de la zone de charge d'espace