Brevet FR2888667A1 — publié le 20070119

CAPTEUR D'IMAGE A COUCHE PHOTOSENSIBLE CONTINUE L'invention concerne les capteurs d'image électroniques à réseau matriciel de points photosensibles. Plusieurs technologies de réalisation de capteurs d'image (ou imageurs) électroniques sur substrat semiconducteur existent aujourd'hui: technologie CCD (pour "Charge Coupled Device", c'est-à-dire dispositifs à transfert de charges), et technologie CMOS fondée sur les mêmes principes (transistors MOS complémentaires) que les circuits intégrés numériques. La technologie CMOS présente l'avantage de pouvoir réaliser sur une même puce de circuit intégré l'imageur proprement dit et les circuits de commande o ou de traitement d'image associés à l'imageur. Dans la technologie CMOS à pixel actif, chaque détecteur élémentaire comprend non seulement une photodiode mais aussi un petit circuit actif de quelques transistors qui occupe une certaine partie de la surface du pixel, de sorte que la surface photosensible de chaque pixel n'occupe en pratique que 30 à 40% de la surface totale allouée au pixel. L'évolution des capteurs d'image vers des pixels de plus en plus petits a amené une autre conception d'imageur consistant à utiliser une couche photosensible continue située au-dessus des circuits à transistors qui forment chaque pixel, avec une électrode continue (commune à tous les pixels) en contact avec la face supérieure de la couche et une électrode individuelle par pixel, en contact avec la face inférieure de la couche et reliée au circuit à transistors qui forme le pixel et qui est au- dessous de cette électrode individuelle. Comme la couche photosensible est continue, ce qui distingue les pixels les uns des autres ce sont les électrodes individuelles en contact avec la face inférieure de la couche; chaque électrode individuelle recueille les charges engendrées dans la couche au voisinage immédiat de l'électrode. Un avantage de cette technologie est que la totalité de la surface de la couche participe à la génération et au recueil des charges engendrées par la lumière. II est en effet difficile d'avoir le matériau de la couche photosensible en silicium monocristallin comme c'est le cas dans les technologies CCD et CMOS; en effet il doit être déposé après la fabrication des circuits de traitement des charges à transistors, et il est difficile de former une couche de silicium monocristallin au-dessus de ces circuits, d'une part parce qu'il n'y a pas de germe monocristallin apparent et d'autre part parce qu'on détériorerait les circuits déjà formés compte-tenu des hautes températures nécessaires à l'obtention d'une couche monocristalline. Cependant, il est envisageable de reporter une couche monocristalline sur un circuit de traitement des charges, par une technologie de report de couche. On ne peut guère utiliser du silicium polycristallin (dont la structure est en pratique une juxtaposition de grains monocristallins) à cause de ses mauvaises propriétés d'absorption de la lumière et à cause des 1 o inhomogénéités de conduction entre grains cristallins. On dépose par conséquent d'autres matériaux et notamment du silicium amorphe hydrogéné aSi:H carboné ou non qui présente de bonnes caractéristiques d'absorption de la lumière. Le dépôt de ce type de matériau se fait en phase gazeuse par décomposition de silane à environ 200 C, ce qui est compatible avec les circuits sous-jacents. Un problème se pose alors du fait qu'il n'y a pas séparation physique des pixels dans la couche photosensible: la continuité physique de la couche photosensible engendre un risque de diaphotie électrique entre pixels adjacents. La diaphotie la plus classique résulte du fait que les électrons engendrés dans les zones frontières entre deux pixels adjacents peuvent aller vers l'un ou vers l'autre des pixels, en fonction des champs électriques qui les attirent vers une électrode ou vers l'autre; il y a un risque de mélange des informations de quantité de lumière relatives à ces deux pixels, ce qui détériore la qualité de l'image électronique obtenue, que ce soit en résolution et même en qualité colorimétrique dans le cas de capteurs d'image en couleurs: puisque les pixels physiquement adjacents correspondent à des couleurs différentes, la diaphotie engendre un mélange de couleurs. Mais on a découvert qu'un autre risque de diaphotie existait même si les électrons étaient collectés correctement par l'électrode individuelle située en regard de l'endroit où ces électrons ont été générés par la lumière. Ce risque supplémentaire est dû à un phénomène de conduction électrique indésirable entre électrodes lorsque l'image est très contrastée et on explicitera plus loin ce phénomène. L'invention a pour but de réduire ce risque supplémentaire de diaphotie et par conséquent de réduire globalement la diaphotie électrique dans les imageurs à couche photosensible continue située au dessus des circuits de recueil de charges individuels associés à chaque pixel d'image. A cet effet, l'invention propose un capteur d'image comportant une pluralité de circuits de détection élémentaires juxtaposés sur un substrat, une couche photosensible continue commune à tous les circuits, chaque circuit de détection comportant une électrode individuelle respective en contact avec la couche continue pour recueillir des charges générées dans la couche io à proximité de cette électrode, ce capteur étant caractérisé en ce que l'électrode individuelle de chaque circuit de détection est entourée par une grille conductrice de contrôle électrostatique, isolée des électrodes individuelles et portée à un potentiel tendant à dépléter la région de couche continue située entre les électrodes individuelles adjacentes; cette grille est située à un niveau en dessous du niveau des électrodes individuelles et non au même niveau qu'elles. La grille forme de préférence un réseau maillé continu de lignes et colonnes au pas des pixels, qui entoure les électrodes individuelles en étant située au-dessous d'elles. Elle est de préférence portée au potentiel le plus négatif d'alimentation de l'imageur (typiquement à un potentiel de 0 volt si l'imageur est alimenté entre 0 volt et 5 volts). La grille est située au-dessous du niveau des électrodes individuelles et non au même niveau, pour créer un effet électrostatique entre les électrodes par élaboration d'une zone déplétée. La largeur des barreaux de la grille est de préférence légèrement supérieure à l'espace qui sépare deux électrodes individuelles, afin d'assurer un recouvrement complet de l'espace entre les électrodes, malgré les possibles décalages lors de leur élaboration. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe latérale schématique d'un capteur d'image à couche photosensible continue; - la figure 2 représente une coupe latérale d'un capteur d'image selon l'invention; - la figure 3 représente en vue de dessus la grille conductrice entourant les électrodes individuelles correspondant à chaque pixel. 5 Sur la figure 1 on a représenté de manière simplifiée la structure physique générale d'un capteur d'image à couche photosensible continue. Le capteur comprend un ensemble de pixels juxtaposés P1, P2, P3, chaque pixel correspondant à un point d'image; l'ensemble peut être une barrette linéaire (dans le cas d'un scanner), mais c'est plus souvent une matrice en réseau de lignes et colonnes de points d'image. Chaque pixel comprend d'une part un élément de conversion photoélectrique (en pratique une photodiode) et d'autre part un circuit de traitement des charges engendrées au niveau du point d'image (en pratique un petit circuit actif de quelques transistors par pixel). Pour un capteur couleur, il y a un réseau de filtres colorés au-dessus des pixels, des pixels adjacents étant recouverts par des filtres de couleur différente. Le circuit de traitement des charges est un circuit réalisé en général en technologie CMOS dans un substrat semiconducteur. Les charges sont recueillies sur un noeud flottant pendant une phase d'intégration de charges. Puis elles sont lues ligne par ligne sous forme d'une sélection d'une ligne respective, d'une transmission de signal des pixels de cette ligne vers les colonnes de la matrice et d'une lecture des signaux en bas des colonnes après chaque sélection de ligne. L'élément de conversion photoélectrique est une couche semiconductrice continue 10 recouvrant tous les circuits de traitement, de préférence en silicium amorphe hydrogéné, aSi:H carboné ou non, ou aSi:H avec du germanium, ou encore en germanium. Cette couche 10 forme une photodiode continue dont la partie inférieure 11, en contact avec les circuits de traitement de charges, est d'un premier type de conductivité (en principe de type N très peu dopé ou même pratiquement intrinsèque) et dont la partie supérieure 12 est dopée d'un type opposé (P). Typiquement, la hauteur de la couche photosensible peut être de l'ordre de 200 à 1500 nm, la profondeur de la partie dopée 12 étant de l'ordre de 5 à 50 nm. Le dopage de la partie supérieure est réalisé en même temps que le dépôt de silicium amorphe hydrogéné, par introduction de bore dans le gaz précurseur (silane) à la fin du dépôt de la couche 10. Le noeud flottant sur lequel les charges électriques générées par l'éclairement sont recueillies pendant la phase d'intégration de charges est une électrode individuelle El, E2, E3 associée à chaque pixel respectif. Cette électrode est en contact avec la partie inférieure 11 de la couche photosensible 10, et elle est connectée au circuit de traitement CMOS situé au-dessous d'elle, de sorte que les charges recueillies peuvent être traitées et transmises par le circuit de traitement d'un pixel lors de la sélection de la i o ligne correspondant à ce pixel. Au-dessus de la couche 12 dopée de type P, on a placé une électrode continue transparente 20 qui est portée à un potentiel permettant de maintenir une polarisation inverse systématique de la photodiode. Typiquement, l'électrode 20 est portée à la masse si le capteur est alimenté entre la masse et une tension positive de 5 volts. En fonctionnement, les électrodes individuelles sont préchargées à la tension positive d'alimentation et se déchargent progressivement au fur et à mesure qu'elles collectent des électrons engendrés par l'éclairement et en proportion de cet éclairement. Si le capteur est un capteur couleur, la mosaïque de filtres colorés est située au-dessus de l'électrode continue 20, alignée par rapport aux électrodes individuelles E1, E2, E3. L'électrode 20 est typiquement en oxyde d'indium étain (ITO), d'épaisseur de l'ordre de 50 à 100nm, ou plus si on veut assurer une meilleure conduction électrique. Les électrodes individuelles peuvent être en nitrure de titane ou un métal permettant un contact électrique lorsqu'il est en contact avec le silicium intrinsèque ou quasi-intrinsèque de la couche 11. Sur la figure 1, on a symbolisé les circuits de traitement de la manière suivante: le substrat semiconducteur dans lequel ils sont formés est désigné par 40; des transistors sont formés dans ce substrat et symbolisés par des régions de source ou drain 42 diffusées dans le substrat; des grilles de transistors, au-dessus des intervalles entre source et drain, sont désignées par 44. Des niveaux conducteurs d'interconnexion sont formés au- dessus des transistors, et des couches isolantes superposées, globalement désignées par la référence 45 séparent les niveaux conducteurs les uns des autres. On a représenté pour simplifier seulement un premier niveau de conducteurs 46 et un avant- dernier niveau de conducteurs 48, le dernier niveau étant celui des électrodes individuelles E1, E2, E3. D'autres niveaux conducteurs existent en pratique entre le premier et l'avant-dernier car les interconnexions à réaliser sont très nombreuses et les croisements sont complexes. Une technologie CMOS classique utilise par exemple six niveaux de conducteurs superposés tels que 46 et 48, qui servent à interconnecter les transistors d'un même pixel, les transistors des pixels d'une même ligne, et les transistors des pixels d'une même colonne. Les niveaux peuvent être interconnectés entre eux de place en place par des vias traversant les couches isolantes; ils sont symbolisés sur la figure par des vias 47 entre les niveaux 46 et 48, et des vias 49 entre le niveau 48 et les électrodes individuelles E1, E2, E3. Le dessin représenté n'est donné que pour illustrer le principe général d'une structure de capteur d'image à couche photosensible continue. Les niveaux conducteurs peuvent être en aluminium ou cuivre, et les vias peuvent être en tungstène ou en cuivre. Le principe de la couche photosensible continue permet d'utiliser presque toute la surface du capteur pour détecter les charges, par opposition aux structures photosensibles dans lesquelles l'élément de conversion de charge est incorporé au circuit de traitement de charges et ne peut donc occuper qu'une partie limitée de la surface du pixel. Mais alors, pour bien utiliser toute la surface de la couche continue, il faut en pratique que les électrodes individuelles de recueil des charges occupent aussi presque toute la surface. Les électrodes sont donc découpées en carrés ou hexagones individuels proches les uns des autres, la distance entre deux électrodes adjacentes étant aussi faible que possible. Pendant l'intégration de charges, les potentiels de ces électrodes individuelles varient en fonction de l'éclairement reçu: les électrodes sont toutes chargées à un potentiel de précharge positif (le potentiel de l'alimentation) et se déchargent progressivement en fonction de l'éclairement. S'il y a un fort contraste dans l'image, on peut se trouver avec un pixel peu éclairé qui reste proche du potentiel maximal et un pixel voisin très éclairé qui passe à un potentiel proche de zéro. On peut alors avoir deux électrodes adjacentes à des potentiels très différents, et une zone semiconductrice intrinsèque ou peu dopée entre les deux. Les potentiels qui existent au-dessous de cette zone intrinsèque, à cause des électrodes sous-jacentes portées à différents potentiels, ou à cause des charges électriques inévitablement présentes dans les couches isolantes situées sous cette zone, peuvent provoquer un effet de transistor MOS conducteur, c'est-à-dire créer un canal de conduction entre les deux électrodes adjacentes. Ce canal provoque une fuite de courant de l'électrode la plus positive vers l'électrode la moins positive. Cette fuite est une cause de diaphotie très gênante puisque, même si les charges sont correctement dirigées (sans diaphotie) vers chacune des électrodes qui doit les recueillir, une diaphotie se crée ensuite du fait de ce canal conducteur entre deux électrodes adjacentes. La figure 2 représente une vue schématique du capteur d'image selon l'invention. Une grille de contrôle électrostatique 50 est formée audessous de l'intervalle qui sépare les électrodes individuelles adjacentes El et E2, E2 et E3, etc. Cette grille 50 est portée à un potentiel qui tend à dépléter la zone semiconductrice intrinsèque ou N séparant les électrodes El et E2. Le potentiel appliqué est de préférence le potentiel le plus négatif du circuit (potentiel de masse si l'alimentation du capteur se fait entre la masse et une tension positive par rapport à la masse). La déplétion de l'intervalle semiconducteur entre électrodes adjacentes évite la formation d'un canal conducteur entre ces électrodes et évite donc la diaphotie due au contraste mentionnée ci-dessus. La grille de contrôle entoure de préférence chaque électrode individuelle afin de dépléter l'intervalle entre cette électrode et les électrodes adjacentes tout autour de l'électrode. II en résulte une configuration de grille de contrôle qui est de préférence celle qui est représentée à la figure 3 en vue horizontale: la grille est un maillage rectangulaire où chaque électrode individuelle est entourée par une portion d'une grille commune à toutes les électrodes constituée par des lignes et colonnes qui se croisent et qui sont réparties au pas des pixels. Cette grille est reliée, de préférence en dehors de la zone correspondant à la matrice de pixels, à une borne 52 dont le potentiel est choisi comme indiqué ci-dessus, de préférence la borne d'alimentation négative du capteur. Comme on peut le voir sur la figure, la largeur D des barreaux de la grille est de préférence légèrement supérieure à la distance d qui sépare des électrodes adjacentes, afin de bien contrôler le potentiel dans tout l'espace séparant deux électrodes adjacentes. La grille peut être formée dans un des niveaux conducteurs qui servent à la constitution des circuits de traitement (en général réalisés en technologie CMOS) et dans ce cas c'est de préférence le dernier niveau conducteur qui est utilisé pour former la grille (en considérant qu'un niveau supplémentaire forme les électrodes individuelles de recueil des charges, en général réalisées avec une autre technologie). Cependant, si cela est nécessaire, notamment pour des raisons de disponibilité de place dans le dessin du circuit, on peut prévoir que la grille est formée par un niveau conducteur spécifique supplémentaire, intermédiaire entre le dernier niveau nécessaire à la technologie CMOS utilisée et le niveau des électrodes individuelles de recueil des charges. Sur la figure 3, on a représenté une borne de connexion à la périphérie de la matrice de pixels 52 pour porter la grille au potentiel choisi. Si le potentiel choisi est le potentiel de la masse, on peut aussi connecter la grille à la masse à l'intérieur de chaque circuit de détection individuelle car, en général, une connexion à un potentiel de masse existe au niveau de chaque circuit de détection individuel pour permettre le fonctionnement de ce circuit. La grille sera en général portée au potentiel de la masse pour des raisons de simplicité, mais si on veut choisir un potentiel optimal différent de celui de la masse, on choisira un potentiel tel que les bandes de valence et de conduction dans le silicium intrinsèque soient les plus plates possibles jusqu'à l'interface entre l'isolant et le silicium. Dans des cas particuliers, on peut envisager que la grille soit décomposée en zones distinctes isolées les unes des autres et commandées par une borne 52 respective, pour pouvoir appliquer un potentiel différent selon la zone d'image considérée. REVENDICATIONS 1. Capteur d'image comportant une pluralité de circuits de détection élémentaires juxtaposés sur un substrat (40), et une couche photosensible continue (10) commune à tous les circuits, chaque circuit de détection comportant une électrode individuelle respective (E1, E2, E3) en contact avec la couche continue pour recueillir des charges générées dans la couche à proximité de cette électrode, caractérisé en ce que l'électrode individuelle de chaque circuit de détection est entourée par une grille conductrice de contrôle électrostatique (50) isolée des électrodes individuelles et située à un niveau au-dessous d'elles et portée à un potentiel tendant à dépléter la région de couche continue située entre cette électrode individuelle et les électrodes individuelles adjacentes 2. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille forme un réseau maillé continu de lignes et colonnes au pas des pixels, qui entoure les électrodes individuelles en étant situé au- dessous d'elles. 3. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la grille est portée au potentiel le plus négatif 20 d'alimentation du capteur. 4. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur des barreaux de la grille est légèrement supérieure à la distance séparant deux électrodes individuelles adjacentes. 5. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche continue recouvre des circuits de traitement de charges et en ce que la grille est formée dans un des niveaux conducteurs qui servent à la constitution des circuits de traitement de charges, avantageusement le niveau le plus proche de celui-des électrodes individuelles (El, E2, E3). 6. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche photosensible continue est en matériau semiconducteur. 7. Capteur d'image selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est du silicium amorphe hydrogéné.