Brevet FR2824665A1 — publié le 20021115

la première mesure. PHOTODÉTECTEUR DE TYPE CMOS La présente invention concerne la réali sat ion sous forme monolithique de capteurs d' images 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 d' images réalisés en technologie CMOS. Un capteur dimages réalisé en technologie CMOS comprend généralement une matrice de photodétecteurs disposés à l' intersection de lignes et de colonnes. La figure 1 représente schématiquement un premier exemple de photodétecteur de type CMOS. Une photodiode D a son anode reliée à un rail d'alimentation de référence, ou masse du circuit, GND. La cathode de la photodiode D est reliée à un noeud de détection SN. Deux transistors MOS T1 et T2 à canal N ont leur drain relié à un rail d'alimentation haute VDD. La source du transistor T1 et la grille du transistor T2 sont relices au nceud de détection SN. La grille du transistor T1 reçoit un signal de commande de précharge PR. Un transistor MOS T3 à canal N a son drain relié à la source du transistor T2. La source du transistor T3 est reliée par une borne de lecture OUT à un bloc de lecture non représenté. La grille du transistor T3 rec,oit un signal de commande de lecture RD. La figure 2 représente schématiquement un deuxième exemple de photodétecteur de type CMOS. Out re les éléments du photodétecteur de la figure 1, le photodétecteur de la figure 2 comprend un transistor MOS T4 à canal N. La cathode de la photodiode D est relice à la source du transistor T4. Le drain du transistor T4 est relié au noeud de détection SN. La grille du transistor T4 rec,oit un signal de commande de transfert de charges TR. Le fonctionnement et les avantages respectifs des photodétecteurs des figures 1 et 2, connus, ne sont pas décrits ici. La figure 3 représente schématiquement une vue de dessus des régions qui constituent la photodiode D et le transistor T4 de la figure 2. La photodiode D et le transistor T4 sont réalisés dans une même zone active d'un substrat semiconducteur de type P. faiblement dopé. La zone active est délimitée par une zone d'isolement 2 qui peut être réalisoe par exemple à l' aide d'un oxyde de silicTum (SiO2). Une structure de grille isolée 4 de largeur prédéterminée est formée en travers de la zone active. De part et d'autre de la grille 4, dans la surface du substrat, se trouvent des régions de type N de source et de drain du transistor T4. La région de source est réalisoe sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain. Cette région de source de type N forme également avec le substrat sousjacent de type P la jonction de la photodiode. La région de source est recouverte d'une couche 7 fortement dopée de type P en contact avec le substrat. La photodiode D est alors du type dit complètement déplété. Sur la vue de dessus de la figure 3, on voit à droite de la grille 4 la région de drain 6 et à gauche de la grille 4 la couche 7 fortement dopée de type P. La région de source, désignée par la référence 5 ci-après, nest pas visible en figure 3. La figure 4 illustre les niveaux de potentiel selon laxe B-s de la zone disolement portée au potentiel de substrat 8, de la région de source 5 correspondant à la photodiode, d'une zone de canal 10 situce sous la grille 4, et de la région de drain 6 lors de différentes étapes de fonctionnement. Lors d'une étape d'initialisation, le transistor T1 est rendu passant et le drain 6 du transistor T4 est fixé au potentiel VDD. La grille du transistor T4 est à un potentiel haut VTRH et le transistor T4 est conducteur. La zone de canal 10 est à un potentiel VTRH-vT4, o VT4 est la tension de seuil du transistor T4. La tension aux bornes de la photodiode D atteint un niveau de repos dit de déplétion VD fixé par les caractéristiques de la photodiode. La région 5, formant la cathode de la diode D, est au potentiel VD. Lors d'une étape de mesure de lumière, ou d'intégration, les transistors T1 et T4 sont bloqués et le drain 6 du transistor T4 ainsi que la photodiode sont isolés. Des capacités parasites (non représentées) reliées au drain 6 maintiennent le potentiel du drain 6 à VDD. La région 5 de la photodiode D, qui constitue un puits de potentiel, se remplit (zone hachurée a) selon l'éclairement de la photodiode. Cette période correspond à l'intagration du signal dans le photodétecteur. Lors d'une étape de lecture de la lumière mesurée par la photodiode, le transistor T4 est rendu passant (le transistor T1 étant maintenu bloqué). La zone de canal 10 est au potentiel VTRH-vT4. Les charges accumulées dans la région 5 sont alors transférces dans la région 6 dont le potentiel varie (zone hachurée Q). La variation de potentiel de la région 6 entraîne une modification de conduction du transistor T2 qui correspond à la quantité de charge transférce. L'utilisation d'une photodiode D de type complément déplété permet de manière connue de supprimer le bruit d'initialisation ou de précharge introduit par le transistor MOS T1. Pour que la photodiode soit de type complètement déplété, les profils de dopage sont choisis de telle sorte que la région 5, pincce entre la couche et le substrat 8, est désertée. En 1' absence de rayonnement, la région 5, formant la cathode de la photodiode, est maintenue à un potentiel en régime de déplétion VD. Le potentiel VD dépend du nombre de charges repoussées en dedors de la région 5 de type N par la déplétion de la région 5. Le potentiel VD peut être ajusté par les profils de dopage de la couche 7, de la région 5 et du substrat 8. Le potentiel VD est choisi, comme l'illustre la figure 4, à une valeur inférieure au potentiel VTRH-VT4 du canal 10 du transistor T4 lorsque le transistor T4 est rendu conducteur, de manière à permettre le transfert complet des charges de la région 5 vers le drain 6. Pour que la photodiode D fonctionne correctement, la couche 7 et le substrat 8 doivent être maintenus au même potentiel, c'est-à-dire qu'il doit exister un bon contact entre ces régions. Dans l'état de la technique, la couche 7 est par exemple en contact latéral avec le substrat 8, mais la qualité d'un tel contact latéral est liée à un ajustement minutieux du processus de fabrication, notamment lors de la création de la région 5 et de la couche 7. Une modification du processus de fabrication causant une réduction de la surface de la couche 7 par rapport à la surface de la région 5 peut entraîner une détérioration voire une disparition du contact entre le substrat 8 et la couche 7, et entraîner un dysfonctionnement de la photodiode D. Un objet de la présente invention est de prévoir un photodétecteur de type CMOS qui soit simple à réaliser et qui soit robuste au regard d'éventuelles modifications du processus de fabrication. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un photodétecteur formé dans une zone active d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, comportant un transistor MOS et une photodiode constituée de la jonction entre le substrat et une région dun deuxième type de conductivité constituant aussi la source du transistor MOS, une couche du premier type de conductivité fortement dopée recouvrant la région de source et une portion du substrat, ladite portion du substrat étant délimitée par une ouverture de la région de source s'étendant de façon centrée à partir du côté de la région de source opposé à la région de canal du transistor, vers cette région de canal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ouverture de la région de source est rectangulaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ouverture de la région de source a une largeur croissant de l'intérieur vers le bord de la région de source. 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. et le substrat et ladite couche sont maintenus à un potentiel de référence du circuit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'épaisseur de la région de source et les dopages respectifs de la région de source et de ladite couche sont tels que la zone de charge d'espace entre la région de source et ladite couche occupe toute l'épaisseur de la région de source. La présente invention vise également un photodétecteur comportant une photodiode dont l' anode est reliée à un potentiel de référence, un transistor MOS de transfert dont la source est reliée à la cathode de la photodiode, un transistor MOS de précharge dont la source est relice au drain du transistor MOS de transfert et dont le drain est maintenu à un potentiel d'alimentation, un transistor MOS de commande dont le drain est maintenu au potentiel d'alimentation et dont la grille est relice au drain du transistor MOS de transfert, et un transistor MOS de lecture dont le drain est relié à la source du transistor MOS de commande, la photodiode et le transistor de transfert étant respectivement une photodiode et un transistor MOS tels que décrits précédemment. La pré sente invent ion vi se également un photodétecteur comportant une photodiode dont l' anode est relice à un potentiel de référence, un transistor MOS de précharge dont la source est relice à la cathode de la photodiode et dont le drain est maintenu à un potentiel d'alimentation, et un moyen de lecture comprenant un transistor MOS de commande dont la grille est relice à la source du transistor MOS de précharge et un transistor MOS de lecture relié en série avec le transistor MOS de commande entre le potentiel d'alimentation et une borne de lecture, caractérisé en ce que la photodiode et le transistor de précharge sont respectivement une photodiode et un transistor MOS tels que décrits précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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, précédemment décrite, représente schématiquement un premier photodétecteur de type CMOS; la figure 2, précédemment décrite, représente schématiquement un deuxième photodétecteur de type CMOS; la figure 3 précédemment décrite, représente schématiquement une vue de dessus de la photodiode D et du transistor T4 de la figure 2; La figure 4, précédemment décrite, illustre les niveaux de potentiel de différentes régions de la figure 3; la figure 5 représente schématiquement une vue de dessus d'une photodiode et dun transistor MOS d'un photodétecteur selon la présente invention; les figures 6A, 6B, 6C et 6D représentent schématiquement des vues en coupe de la photodiode et du transistor MOS de la figure 5; la figure 7 illustre les niveaux de potentiel de différentes régions de la photodiode et du transistor de la figure 5; et la figure 8 représente schématiquement une vue de dessus d'une photodiode et d'un transistor MOS d'un photodétecteur selon une variante de la présente invention. De mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de la présente invention ont été représentés aux différentes figures. En outre, pour des raisons de lisibilité, les figures représentant les différentes régions de semiconducteur ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 5 représente schématiquement une w e de dessus des régions qui constituent la photodiode D et le transistor T4 dun photodétecteur selon la présente invention, de même type que le photodétecteur de la figure 2. La photodiode D et le transistor T4 sont réalisés dans une même zone active d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, par exemple de type P. faiblement dopé. Ce substrat correspond par exemple à une couche épitaxiée sur une plaquette de silicium. La zone active, sensiblement rectangulaire, est délimitée par une zone d'isolement de champ 2 par exemple en oxyde de silicium (SiO2). Une structure de grille isolée 4 de largeur prédétermince est formoe en travers de la zone active. De part et d'autre de la grille 4, dans la surface du substrat, se trouvent des régions de type N de source 5 et de drain 6 du transistor MOS. La région de source 5 est réalisce sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain 6 et forme avec le substrat sous-jacent la jonction de la photodiode D. Une couche 7 de type P. peu profonde et plus fortement depée (P+) que la région N. occupe la totalité de la surface de la zone active situce à gauche de la grille 4 en figure 5. Selon la présente invention, la région 5 présente une ouverture 12 de manière à créer entre le substrat 8 et la couche 7 une zone de contact ayant la forme d'une bande étroite centrée, perpendiculaire à la grille 4. L'ouverture 12 s'étend à partir du bord de la zone disolement de champ 2 opposé à la grille sans atteindre la grille 4. Le contact introduit entre le substrat 8 et la couche 7 par l'ouverture 12 niest pas susceptible de disparaître à la suite d'une légère variation de processus de fabrication. La présente invention permet ainsi de garantir un contact robuste entre le substrat 8 et la couche 7. La figure 6A représente schématiquement une vue en coupe selon la ligne AA de la figure 5, parallèlement à la grille du transistor T4 et suffisamment loin de la grille 4 pour couper l'ouverture 12 de la région 5. La zone active du substrat 8, délimitée à gauche et à droite de la figure par la zone disolement de champ 2, est recouverte par la région 7. La région subtend sous la couche 7, de part et dautre de l'ouverture 12. La figure 6B représente schématiquement une vue en coupe selon la ligne BB de la figure 5, parallèlement à la lo grille du transistor T4 et suffisamment près de la grille 4 pour couper la région 5 en dahors de l'ouverture 12. La zone active du substrat 8, délimitée à gauche et à droite de la figure par la zone d'isolement de champ 2, est recouverte par la région 7. La région 5 s'étend sous la couche 7. La figure 6C représente schématiquement une vue en coupe selon la ligne CC de la figure 7, perpendiculairement à la grille 4 du transistor T4 et non centrée, de manière à couper la région 5 en dehors de l'ouverture 12. La couche 7 s'étend entre la zone disolement de champ 2, sur la gauche de la figure, et la zone de canal 10 située sous la grille 4 du transistor T. La région 5 s'étend sous la couche 7. La région 6, formant le drain du transistor, sétend vers la droite de la figure à partir de la zone de canal 10. La figure 6D représente schématiquement une vue en coupe selon la ligne DD de la figure 7 perpendiculairement à la grille 4 du transistor T4, centrce de manière à couper la région au niveau de l'ouverture 12. L'ouverture 12 s'étend depuis la zone d'isolement de champ 2, sur la gauche de la figure, sans atteindre la zone de canal 10. La région 5 s'étend entre le fond de l'ouverture 12 et la zone 10. La région 6, formant le drain du transistor, s'étend vers la droite de la figure à partir de la zone de canal 10. Un photon qui atteint une photodiode libère une paire électron-trou dans la zone 5 ou dans le substrat 8. La région 5 formant un puits de potentiel, les électrons ainsi libérés s'accumulent dans la région 5. La quantité d'électrons accumulés en une période donnce est proportionnelle à la quantité de lumière reque par la photodiode pendant cette période. Lorsqu'un photon atteint une photodiode selon la présente invention au niveau de l'ouverture 12, l'électron formé est facilement capté par la région 5 situce d'un côté ou de l'autre de l'ouverture 12. La disposition centrée de l'ouverture 12 permet ainsi déviter qu'un électron libéré au niveau de l'ouverture 12 soit capté par un dispositif voisin de la photodiode. Les électrons générés au lo niveau de la zone de contact entre le substrat et la couche 7 d'une photodiode ont ainsi peu de chance d'être captés par une photodiode adjacente contrairement au cas o la zone de contact est une région situce à la périphérie de la source 5. Ceci permet une mesure précise de la lumière reque par chaque photodiode en évitant un phénomène de diffusion entre points adjacents et constitue un avantage supplémentaire de la présente invention. Le potentiel en régime de déplétion de la photodiode dépend, comme on l'a vu précédemment, du nombre total de charges repoussées en dehors de la région 5 de type N du fait de la présence de la couche 7. Le nombre de charges repoussées en dahors de la région 5 d'une photodiode D selon la présente invention est plus réduit au niveau de l'ouverture 12 qu'au niveau du reste de la diode. Il en résulte qu'au niveau de l'ouverture 12, la photodiode D présente un potentiel en régime de déplétion VD' moins élevé que son potentiel en régime de déplétion VD dans le reste de la diode. La figure 7 illustre les niveaux de potentiel des différentes régions constituant la photodiode D et le transistor T4 représentés en figure 5 lors de différentes étapes de fonctionnement. Les étapes d'initialisation, de mesure et de lecture sont les mêmes que ce qui a été décrit en relation avec la figure 4. Lors de l'étape de lecture, la différence de valeurs des potentiels VD et VD' crce dans la région 5 un champ électrique E propre à faciliter le transfert des charges de la région 5 vers la région 6. Ceci permet notamment d'améliorer la vitesse de fonctionnement et la précision dun photodétecteur selon la présente invention, et constitue un avantage supplémentaire de la présente invention. La figure 8 représente schématiquement une vue de dessus des régions qui constituent la photodiode D et le transistor T4 d'un photodétecteur selon une variante de la présente invention. Selon cette variante, au lieu de comporter une ouverture 12 de largeur constante en forme de bande, la région 5 comporte une ouverture 14 dont la largeur croît par paliers vers le bord de la région 5 opposé à la région de canal. Cette forme de l'ouverture 14 entraîne l' existence d'un gradient du potentiel en régime de déplétion, au lieu de la simple variation en palier illustrce en figure 7. Ce gradient de potentiel crce un champ électrique E particulièrement adapté à un transfert de charges rapide et complet entre les régions 5 et 6 lors d'une étape de lecture de la lumière mesurce par la photodiode. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, l'homme de l'art saura ajuster les niveaux et types des différents dopages aux performances recherchées et aux matériaux utilisés en fonction des contraintes dune technologie de fabrication CMOS particulière. 2 5 La présente invention a été décrite en relation avec un photodétecteur du type représenté en figure 2, mais l'homme du métier adaptera sans difficultés la présente invention à un photodétecteur du type représenté en figure 1, notamment en substituant le transistor T1 de la figure 1 au transistor T4 de la figure 2. L'homme du métier adaptera également sans difficultés la présente invention à d'autres structures de photodétecteurs de type CMOS. La présente invention a été décrite en relation avec une diode D et un transistor T4 réalisés dans une zone active 3 5 sensiblement rectangulaire, mais 1'homme du métier adaptera sans difficulties la prAsente invention une zone active ayanL une forge diffrenLe. La prsente invention a Eta dAcrite en relation avec une diode O et un transistor 14 realists dans une zone active d'un substrat semiconducteur, Dais 1homme du metier adaptera sang difficuIts la prAsente invention une diode et un transistor T4 realists dans un caisson de type P d'un substraL SemiconducLeur. REVENDICATIONS 1. Photodétecteur formé dans une zone active dun substrat semiconducteur (8) dun premier type de conductivité, comportant un transistor MOS et une photodiode (D) constituée de la jonction entre le substrat (8) et une région (5) d'un deuxTème type de conductivité constituant aussi la source du transistor MOS, une couche du premier type de conductivité (7) fortement dopée recouvrant la région de source (5) et une portion du substrat (8), caractérisé en ce que ladite portion du substrat est délimitée par une ouverture (12; 14) de la région de source (5) s'étendant de façon centrée à partir du côté de la région de source opposé à la région de canal (10) du transistor, vers cette région de canal. 2. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture de la région de source est rectangulaire. 3. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture de la région de source a une largeur croissant de l'intérieur vers le bord de la région de source (5). 4. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel le premier type de conductivité est le type P et le deuxTème type de conductivité est le type N. et dans lequel le substrat (8) et ladite couche (7) sont maintenus à un potentiel de référence (GND) du circuit. 5. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région de source et les dopages respectifs de la région de source (5) et de ladite couche (7) sont tels que la zone de charge d'espace entre la région de source (5) et ladite couche (7) occupe toute l'épaisseur de la région de source. 6. Photodétecteur comportant une photodiode (D) dont 1' anode est relice à un potentiel de référence (GND), un transistor MOS de transfert (T4) dont la source est relice à la cathode de la photodiode, un transistor MOS de précharge (T1) dont la source est reliée au drain du transistor MOS de transfert (T4) et dont le drain est maintenu à un potentiel dalimentation (VDD), un transistor MOS de commande (T2) dont le drain est maintenu au potentiel d'alimentation (VDD) et dont la grille est reliée au drain du transistor MOS de transfert (T4), et un transistor MOS de lecture (T3) dont le drain est relié à la source du transistor MOS de commande (T2), caractérisé en ce que la photodiode (D) et le transistor de transfert (T4) sont respectivement une photodiode et un transistor MOS selon la revendication 1. 7. Photodétecteur comportant une photodiode (D) dont l' anode est reliée à un potentiel de référence (GND), un transistor MOS de précharge (T1) dont la source est reliée à la cathode de la photodiode et dont le drain est maintenu à un potentiel d'alimentation (VDD), et un moyen de lecture (T2, T3) comprenant un transistor MOS de commande (T2) dont la grille est reliée à la source du transistor MOS de précharge (T1) et un transistor MOS de lecture (T3) relié en série avec le transistor MOS de commande (T2) entre le potentiel d'alimentation (VDD) et une borne de lecture (OUT), caractérisé en ce que la photodiode (D) et le transistor de précharge (T1) sont respectivement une