Brevet FR2860921A1 — publié le 20050415

CONDENSATEUR MEMOIRE D'UN TYPE POUR IMAGEUR A SEMI-CONDUCTEURS L'invention concerne d'une façon générale les imageurs à semi-conducteurs et, plus particulièrement, un condensateur mémoire d'un type pour imageurs à semi-conducteurs. Les imageurs à rayonnement à semi-conducteurs comprennent d'une façon typique un dispositif d'imagerie à grand panneau plat comportant une pluralité de pixels disposés en rangées et colonnes. Chaque pixel comporte d'une façon typique un photodétecteur tel qu'une photodiode couplée, par l'intermédiaire d'un transistor de commutation (par exemple un transistor à couche mince à effet de champ), à deux lignes d'adressage séparées, une ligne de balayage et une ligne de données. Dans chaque rangée de pixels, chaque transistor de commutation respectif est couplé à une ligne de balayage commune par l'intermédiaire de l'électrode de grille de ce transistor. Dans chaque colonne de pixels, l'électrode de lecture du transistor (par exemple, l'électrode de source du transistor) est couplée à une ligne de données. Pendant le fonctionnement nominal, un rayonnement (tel qu'un flux de rayons x) est émis de manière pulsée et les rayons x qui traversent le sujet examiné frappent la matrice d'imagerie. Le rayonnement est incident sur une matière de scintillateur et les photodétecteurs des pixels mesurent (par le biais d'une variation de la charge dans la diode) la quantité de lumière générée par l'interaction du rayonnement x avec le scintillateur. Selon une autre possibilité, les rayons x peuvent directement générer des paires électrons-trous dans le photodétecteur (ce qu'on appelle ordinairement "détection directe"). Les données de charge des photodétecteurs sont extraites en validant séquentiellement des rangées de pixels (en appliquant un signal à la ligne de balayage, ce qui rend conducteurs les transistors de commutation couplés à cette ligne de balayage), et en extrayant le signal des pixels respectifs ainsi validés via des lignes de données respectives (le signal de charge de la photodiode étant couplé à la ligne de données par l'intermédiaire du transistor de commutation conducteur et de l'électrode de lecture correspondante couplée à une ligne de données). De la sorte, l'accès à un pixel donné peut être réalisé par une combinaison de validation d'une ligne de balayage couplée au pixel et de lecture sur la ligne de donnée au pixel. Un premier problème posé par de tels imageurs à rayonnement à semiconducteurs est leur étendue dynamique limitée. L'étendue dynamique peut 2860921 2 ordinairement être accrue par une augmentation de la polarisation des diodes et de la capacité des diodes. Le fait d'accroître la polarisation d'une diode a généralement pour effet une aggravation des fuites depuis la diode et des fuites depuis le TEC lorsque la diode est presque saturée ou sursaturée et peut nécessiter de fortes tensions de commande de grille du transistor pour réduire les fuites. Une autre solution typique pour accroître la dynamique consiste à accroître la capacité de la diode. L'augmentation de la capacité d'une diode peut nécessiter une couche i plus mince de la diode, car la capacité d'une diode est inversement proportionnelle à l'épaisseur d'une diode. La diminution de l'épaisseur de la couche i d'une diode a pour conséquence une aggravation des courants de fuites, ce qui n'est pas souhaitable. Par conséquent, il serait souhaitable de réaliser une augmentation de la dynamique pour le détecteur sans accroître les fuites à partir de la diode, les fuites à partir du TEC et les courts-circuits dans les pixels. Dans une forme de réalisation, la présente invention propose un condensateur mémoire permettant d'accroître la dynamique d'un imageur. L'imageur comprend une pluralité de pixels disposés sur un substrat selon un motif de matrice d'imagerie comportant des rangées et des colonnes, chacun des pixels comportant un photodétecteur respectif couplé à un transistor de commutation respectif à couche mince. L'imageur comporte en outre une pluralité de lignes de balayage disposées à un premier niveau par rapport au substrat sur un premier axe de la combinaison de matrice d'imagerie, chaque rangée de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie ayant une ligne de balayage respective, chacune des lignes de balayage respectives étant couplée à une électrode de grille respective dans le transistor de commutation à couche mince pour chaque pixel disposé sur la rangée respective de pixels dans la combinaison de matrice d'imagerie. Plusieurs lignes de données sont disposées à un deuxième niveau par rapport au substrat sur un deuxième axe de la combinaison de matrice d'imagerie, chaque colonne de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie ayant une ligne de données correspondante, chacune des lignes de données respectives étant couplée à une électrode de source respective dans les transistors de commutation à couche mince pour chaque pixel disposé dans la colonne respective de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie. Chaque pixel comporte en outre un condensateur mémoire couplé en parallèle avec le photodétecteur, le condensateur mémoire comprenant une électrode de signal et une 2860921 3 électrode commune de condensateur et un diélectrique disposé entre l'électrode de signal de condensateur et l'électrode commune de condensateur. L'invention, et nombre des avantages qui s'y attachent, apparaîtront facilement plus clairement en référence à la description détaillée ciaprès, faite en considération des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1A est une vue en plan d'une partie d'un imageur selon la technique antérieure; la Fig. 1B est une vue partielle en coupe transversale d'un exemple de pixel, prise suivant la ligne I-I de la Fig. lA; la Fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale d'un pixel mis en oeuvre selon un aspect de l'invention; et la Fig. 3 est une vue partielle en coupe transversale d'un pixel mis en oeuvre selon la présente invention, représentant une pluralité de trous d'interconnexion et une pluralité de trous. Un imageur 100 à rayonnement à semi-conducteurs comprend une pluralité de pixels 110 (dont un exemple représentatif est illustré sur la Fig. 1 A) qui sont disposés sous la forme d'une combinaison de matrice d'imagerie comportant des rangées et des colonnes de pixels 110. Dans une forme de réalisation, l'imageur est un imageur à rayons x, mais les principes de la présente invention se prêtent néanmoins à une utilisation dans d'autres types d'imageurs à rayonnement. A titre d'exemple nullement limitatif, l'imageur 100 a un premier axe 101 qui est l'axe sur lequel sont alignées les rangées de pixels, et un deuxième axe 102 qui est l'axe sur lequel sont alignées les colonnes de pixels. Chaque pixel 110 comporte un photodétecteur 120 et un transistor de commutation 130 à couche mince. Le photodétecteur 120 comprend de façon typique une photodiode partiellement constituée par une électrode inférieure 122 de pixel qui correspond sensiblement à la zone active (c'est-à-dire photosensible) du dispositif. Le transistor de commutation 130 est typiquement constitué par un transistor à effet de champ (TEC) à couche mince ayant une électrode de grille 132, une électrode de drain 134 et une électrode de source (ou électrode de lecture) 136. L'imageur 100 comprend en outre une pluralité de lignes 140 de données et de lignes de balayage 150 (collectivement appelées lignes d'addressage). Au moins une ligne de balayage 150 est disposée sur le premier axe 101 pour chaque rangée de pixels de la combinaison 2860921 4 de matrice d'imagerie. Chaque ligne de balayage est couplée aux électrodes de grilles respectives 132 des pixels de cette rangée de pixels. Au moins une ligne 140 de données est disposée sur le deuxième axe 102 pour chaque colonne de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie et est couplée aux électrodes de lecture respectives 136 de pixels dans cette colonne de pixels. Une vue partielle en coupe transversale d'un pixel 110 représenté sur la Fig. lA est présentée sur la Fig. 1B. La photodiode 120 comporte une première couche 121 de matière diélectrique, une électrode 122 de pixel et un corps 124 en matière photosensible. La photodiode 120 est disposée par-dessus un substrat 105. La première couche 121 de matière diélectrique est typiquement disposée entre l'électrode 122 de pixel et le substrat 105. Le corps 124 en matière photosensible (typiquement constitué de silicium amorphe) est électriquement couplé à une électrode commune 126 de diode qui est disposée par-dessus la matrice d'imagerie. L'électrode commune 126 de diode comporte un matériau optiquement transmissif et électriquement conducteur tel qu'un oxyde d'étain dopé à l'indium ou analogue ou, selon une autre possibilité, peut être constitué par une étroite bande de métal opaque. Une deuxième couche 123 de matière diélectrique, typiquement constituée par du nitrure de silicium ou analogue, s'étend sur une partie des parois latérales du corps 124 en matière photosensible, et une troisième couche de diélectrique 125, constituée par un polyimide ou analogue, est disposée entre l'électrode commune 136 de diode et d'autres composants de la matrice d'imagerie (à l'exception du point de contact avec le corps 124 en matière photosensible via un trou d'interconnexion dans la deuxième couche 123 de matière diélectrique et la troisième couche de diélectrique 125). La Fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale d'un pixel 210 d'un imageur (non représenté) selon une forme de réalisation de la présente invention. L'imageur est semblable à l'imageur 100 représenté sur les figures 1A-1B, sauf que l'imageur de la Fig. 2 comporte des pixels ayant un condensateur mémoire 211 couplé en parallèle avec le photodétecteur 205. Le condensateur mémoire accroît la dynamique de l'imageur. L'imageur comporte une pluralité de pixels 210 disposés sur un substrat dans une combinaison de matrice d'imagerie comprenant des rangées et des colonnes. Dans une forme de réalisation, le substrat est du verre. Chaque pixel comporte un photodétecteur respectif 205 couplé à un transistor de commutation respectif 230 à couche mince. Une couche de diélectrique 225 est disposée entre le 2860921 5 photodétecteur et les autres composants du pixel. Le transistor à couche mince est couplé à la ligne 140 de données. Comme indiqué plus haut, le pixel 210 comporte un condensateur mémoire 211 couplé en parallèle avec le photodétecteur 205. Le condensateur mémoire comprend une électrode 216 de signal de condensateur, une électrode commune 212 de condensateur et un diélectrique 214 de condensateur disposé entre l'électrode de signal et l'électrode commune de condensateur, comme représenté sur la Fig. 2. Dans une forme de réalisation, l'électrode 216 de signal de condensateur est constituée par et est conjointement fabriquée à l'aide du même matériau que l'électrode de grille 217 du transistor à couche mince (TCM) 230. Dans une autre forme de réalisation, l'électrode de signal de condensateur comprend au moins deux couches conductrices. Les couches conductrices sont mises en court-circuit à l'aide d'un trou d'interconnexion 218 en métal de source. Dans une autre forme de réalisation, la couche conductrice 219 est utilisée pour former à la fois l'électrode inférieure de pixel du photodétecteur et l'électrode de source du TCM 230. Dans la forme de réalisation illustrée, l'électrode 216 de signal de condensateur et la couche conductrice 219 sont couplées l'une à l'autre par un trou d'interconnexion 218 en métal de source. Autrement dit, l'électrode de signal de condensateur est couplée à l'électrode de source du transistor de commutation à couche mince et à l'électrode inférieure de pixel du photodétecteur à l'aide du trou d'interconnexion en métal de source. Dans la forme de réalisation illustrée, le trou d'interconnexion métallique de la source à la grille n'est pas sous la photodiode 120 ni sur l'électrode commune 212 du condensateur mémoire et les dimensions du trou d'interconnexion 218 sont limitées le plus possible pour obtenir un facteur maximal de remplissage du condensateur mémoire et du photodétecteur. Dans une autre forme de réalisation, le trou d'interconnexion 218 est formé sous la photodiode ou au-dessus de l'électrode 212. Dans une autre forme de réalisation, l'électrode inférieure 219 de pixel est plus petite que l'électrode 216 de signal de condensateur, ce qui assure donc que la capacité de stockage est définie par la zone de chevauchement de l'électrode commune 212 de condensateur, de l'électrode 216 de signal de condensateur et de l'épaisseur de l'unique diélectrique 214 de condensateur. De plus, le diélectrique 214 de condensateur est immédiatement couvert par l'électrode déposée 216 de signal de condensateur et est ainsi protégé contre tout endommagement pendant des opérations de traitement ultérieures qui pourraient 2860921 6 éventuellement provoquer des courts-circuits. Dans un exemple de forme de réalisation, les matières utilisées pour l'électrode 216 de signal et l'électrode commune 212 de condensateur comprennent des couches individuelles ou multiples de molybdène, de chrome, de tantale, de tungstène, d'aluminium ou de titane. Les diélectriques convenant pour la couche 214 comprennent le nitrure de silicium, l'oxyde de silicium et les oxynitrures de silicium. Dans la forme de réalisation illustrée, l'électrode 216 de signal de condensateur est plus grande que l'électrode commune 212 de condensateur du condensateur mémoire. Grâce à l'utilisation de l'électrode 216 de signal de condensateur plus grande, le condensateur mémoire est protégé d'une façon plus complète pendant les processus ultérieurs et assure que la capacité est définie par la surface de l'électrode commune 212 de condensateur et du diélectrique 214. Dans une autre forme de réalisation du pixel 210 (représentée sur la Fig. 2) la matière 212 de l'électrode commune de condensateur est supprimée sous la région 220 du trou d'interconnexion. L'élimination de la matière de la région 220 permet de réduire notablement le risque de courts-circuits du condensateur. Dans une autre forme de réalisation, représentée sur la Fig. 3, le pixel 210 comporte en outre une pluralité de trous d'interconnexion 222 pour coupler le photodétecteur 205 à l'électrode 216 de signal de condensateur. Les trous d'interconnexion 222 sont formés par attaque chimique à travers la couche de diélectrique 225 déposée par-dessus la couche conductrice 219. Le nombre et l'espacement des trous d'interconnexion sont déterminés d'après la constante de temps du photodétecteur. La circulation de la charge entrant dans le photodétecteur et sortant de ce dernier est réalisée grâce à la couche de semi-conducteurs dopés (non représentée) dans le bas du photodétecteur 205. La résistance de cette couche est un facteur qui contribue à la constante de temps RC du photodétecteur. Ainsi, la distance entre les trous d'interconnexion 222 est choisie de façon à réguler la résistance. Pour des applications médicales, des constantes de temps égales ou inférieures à 10 microsecondes sont souhaitables et la constante de temps est déterminée par le produit RC des régions entre les trous d'interconnexion. Dans une forme de réalisation, des distances de 20 à 40 micromètres conviennent. Dans une autre forme de réalisation, plusieurs trous 224 sont formés par attaque chimique dans l'électrode commune 212 de condensateur, dans des régions situées sous les différents trous d'interconnexion 222. Grâce à la formation par attaque chimique des trous dans l'électrode commune de condensateur, les courts- 2860921 7 circuits dans le condensateur, provoqués par l'infiltration d'agents d'attaque chimique à travers des piqûres de l'électrode de signal de condensateur, sont supprimés. Dans une forme de réalisation, le nombre de condensateurs en court-circuit est réduit pour passer de plus de mille par panneau de 20 x 20 cm à moins de dix par panneau. Dans la forme illustrée de réalisation du pixel 210, le condensateur mémoire est disposé sous le photodétecteur 120. La disposition du condensateur mémoire sous le photodétecteur assure une superficie maximale du condensateur et donc de la capacité du dispositif. Dans une autre forme de réalisation, le photodétecteur est plus grand que la couche photoconductrice. Les formes de réalisation de l'invention décrites ci-dessus offrent de nombreux avantages, une superficie maximale du condensateur et une superficie maximale du photodétecteur, des fuites minimes au niveau des diodes et une réduction des courts-circuits des condensateurs. 20 25 30 Liste des repères Imageur 101 Premier axe 102 Deuxième axe Pixel Photodétecteur 123 Deuxième couche de diélectrique 125 Troisième couche de diélectrique Transistor de commutation à couche mince 132 Electrode de grille 134 Electrode de drain 136 Electrode de source 140 Ligne de données Ligne de source 210 Pixel 211 Condensateur mémoire 212 Electrode commune de condensateur 214 Diélectrique de condensateur 216 Electrode de signal de condensateur 218 Trou d'interconnexion métallique source/drain 219 Couche conductrice 220 Trou 222 Trou d'interconnexion 224 Trou 225 Couche de diélectrique 230 Transistor de commutation à couche mince 9 REVENDICATIONS 1. Imageur (100), comprenant: une pluralité de pixels (210) disposés sur un substrat dans une combinaison de matrice d'imagerie comprenant des rangées et des colonnes, chacun des pixels comportant un photodétecteur respectif (205) couplé à un transistor de commutation respectif (230) à couche mince; une pluralité de lignes de balayage (150) disposées à un premier niveau par rapport au substrat sur un premier axe de la combinaison de matrice d'imagerie, chaque rangée de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie ayant une ligne de balayage respective, chacune des lignes de balayage respectivesétant couplée à une électrode de grille respective (217) dans le transistor de commutation à couche mince pour chaque pixel disposé le long de la rangée respective de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie; une pluralité de lignes (140) de données disposées à un deuxième niveau par rapport au substrat sur une deuxième axe de la combinaison de matrice d'imagerie, chaque colonne de pixels de la combinaison de matrice d'imagerie ayant une ligne de données correspondante, chacune des lignes respectives de données étant couplée à une électrode de source respective (236) dans les transistors de commutation à couche mince pour chaque pixel disposé le long de la colonne respective de pixels dans la combinaison de matrice d'imagerie; caractérisé en ce chaque pixel comporte un condensateur mémoire (211) couplé en parallèle avec le photodétecteur, le condensateur mémoire comportant une électrode (216) de signal de condensateur et une électrode commune (212) de condensateur et un diélectrique (214) disposé entre l'électrode de signal de condensateur et l'électrode commune de condensateur; et en ce que l'électrode de signal de condensateur est plus grande que l'électrode commune du condensateur mémoire. 2. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de signal de condensateur comporte au moins deux couches conductrices (219), et en ce que les couches conductrices sont couplées l'une à l'autre par un trou d'interconnexion métallique de source (218). 3. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de grille du transistor à couche mince et l'électrode de signal de condensateur sont constituées par une même matière. 2860921 10 4. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches conductrices forment une électrode inférieure de pixel du photodétecteur et l'électrode de source du transistor de commutation à couche mince. 5. Imageur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche conductrice et l'électrode de signal de condensateur sont couplées par le trou d'interconnexion métallique de source. 6. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un trou (224) formé par attaque chimique dans l'électrode commune de condensateur dans une région située sous le trou d'interconnexion métallique de source. 7. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de trous d'interconnexion (222) couplant l'électrode de signal de condensateur au photodétecteur. 8. Imageur selon la revendication 1, comprenant en outre une pluralité de 15 trous (224) formés par attaque chimique dans l'électrode commune dans une région située sous les différents trous d'interconnexion. 9. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur est plus grand que les couches conductrices. 10. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imageur est 20 un imageur à rayons X.