Brevet FR2939965A1 — publié le 20100618

CIRCUIT INTEGRE MATRICIEL ET NOTAMMENT CAPTEUR D'IMAGE DE GRANDE DIMENSION L'invention concerne les circuits intégrés de grande dimension organisés selon une matrice de circuits élémentaires nécessitant pour leur fonctionnement un adressage individuel de chaque circuit élémentaire. Les mémoires de grande capacité entrent dans cette définition, les circuits élémentaires étant les points mémoire individuels ; les capteurs d'image électroniques de grandes dimensions (plusieurs centimètres de côté) entrent également dans cette définition, les circuits élémentaires étant les pixels fournissant un signal représentant l'éclairement d'un point d'image élémentaire ; les afficheurs matriciels peuvent également être concernés. Dans la suite on décrira l'invention principalement à propos des capteurs d'image qui comportent une matrice de pixels organisée en lignes et colonnes. Lorsque le nombre de lignes des capteurs d'image et leur taille augmente, il faut faire particulièrement attention à l'organisation de la matrice de pixels qui permet cette augmentation de nombre de lignes ou de taille. Dans une configuration classique pour une matrice de taille modérée et de résolution modérée, l'organisation est très simple : la matrice comprend X lignes et Y colonnes et il y a un décodeur de ligne permettant de sélectionner une ligne parmi X et un décodeur de colonne permettant de sélectionner une colonne parmi Y. Mais lorsque le nombre de lignes augmente, on peut être amené à changer l'organisation dans le but de lire plus rapidement tous les pixels de la matrice. Une solution consiste par exemple à lire la matrice à la fois à partir du haut et à partir du bas. D'autre part, lorsque la taille du capteur augmente, on est limité par les techniques de photolithographie qui ne permettent pas en pratique d'exposer en une fois toute la surface de la matrice et qui nécessitent plutôt une exposition par morceaux selon la technique dite "stitching" consistant, au cours d'une étape de photolithographie, à exposer successivement plusieurs parties contiguës du circuit intégré. Mais une exposition de la surface par "stitching" peut poser des problèmes pour la réalisation des circuits de décodage de ligne. La présente invention part de ces deux problématiques pour y apporter une solution, mais il faut comprendre que la solution peut être mise en oeuvre pour répondre soit à la première problématique soit à la deuxième, soit aux deux à la fois. On partira de la problématique de la photolithographie par "stitching" pour expliquer l'invention. Dans ce type de photolithographie, adapté à des puces de plusieurs centimètres carrés, on peut utiliser plusieurs masques différents pour exposer successivement, au cours d'une étape de photolithographie, plusieurs zones de la puce, chacune avec son motif propre, jusqu'à exposer toute la surface de la puce puis les puces adjacentes sur la même tranche ("wafer"). Mais on peut aussi, avantageusement, utiliser un seul masque pour exposer plusieurs zones de la puce lorsque ces zones sont rigoureusement identiques. Cela est bien adapté à la réalisation de la matrice de pixels. La matrice peut être considérée comme une juxtaposition de plusieurs blocs identiques comprenant chacun un certain nombre de lignes. Un masque est défini pour un seul bloc, et ce masque peut être déplacé sur la surface à exposer autant de fois qu'il y a de blocs. Mais il y a une difficulté : si on inclut dans un bloc non seulement des lignes de pixels mais aussi les éléments de décodage qui permettent d'adresser ces lignes, les blocs ne peuvent pas être tous identiques. En effet, la partie de décodeur pour un bloc n'est pas rigoureusement identique à la partie de décodeur pour un autre bloc. Les différences sont très petites mais elles existent. Il faudrait donc en principe exposer le décodeur de ligne séparément de la matrice, ce qui oblige à une étape de fabrication supplémentaire ; la matrice serait exposée par blocs successifs, alors que le décodeur de ligne utiliserait un masque spécifique différent. Ce masque spécifique devrait d'ailleurs être de grande taille car le décodeur de ligne occupe toute la hauteur de la matrice. On peut aussi rendre artificiellement identiques les blocs de la matrice de pixels, en rendant plus complexe la constitution de chaque pixel : un pixel comprend en général un transistor de sélection de ligne commandé par un conducteur de ligne associé à une ligne de pixels déterminée, ce conducteur de ligne étant relié au décodeur de ligne ; si la matrice est organisée en blocs rigoureusement identiques, on peut alors prévoir que chaque pixel comprend un transistor supplémentaire de sélection de bloc, relié à un autre conducteur de ligne provenant du décodeur de ligne. Une ligne de pixels ne serait commandée en lecture que si les deux conducteurs de ligne sont activés. On peut alors avoir des blocs rigoureusement identiques, incluant des blocs de décodeur de ligne identiques. Mais alors le décodage est plus complexe et surtout chaque pixel est plus complexe. L'invention propose une autre solution d'organisation dans laquelle la matrice peut être composée de plusieurs blocs de tous identiques, chaque bloc incluant à la fois des lignes de pixels et la portion de décodeur de ligne associée à ces lignes. Cette invention est également une solution au problème d'accélération de la lecture des pixels d'une matrice à grand nombre de lignes. Elle est généralement applicable à des circuits matriciels qui ne sont pas nécessairement des capteurs d'image, mais elle est particulièrement intéressante pour les capteurs d'image. Selon l'invention, on propose un circuit intégré comportant un ensemble de circuits élémentaires tous identiques, agencés en X lignes et Y colonnes, chaque ligne de circuits élémentaires étant adressée par un conducteur de ligne relié à un décodeur de ligne, caractérisé en ce que chaque colonne de circuits élémentaires est subdivisée en P blocs (P supérieur à 2) de circuits élémentaires, et en ce qu'il est prévu pour chaque colonne P circuits de lecture élémentaires juxtaposés placés à une même extrémité de cette colonne et associés chacun à un bloc respectif, et P conducteurs de colonne associés chacun à un circuit de lecture élémentaire respectif et un bloc respectif, un conducteur de colonne étant relié au circuit de lecture élémentaire associé et à tous les circuits élémentaires du bloc associé mais pas aux circuits élémentaires des autres blocs. Les blocs de lignes sont juxtaposés entre le haut et le bas de la matrice. Ils sont en principe tous identiques mais on peut aussi envisager que le bloc inférieur et/ou le bloc supérieur soient différents, en nombre de lignes. On prévoit de préférence que chacun des P blocs comprend P 35 tronçons de conducteur s'étendant entre le haut et le bas du bloc, la disposition géométrique des tronçons de conducteurs d'un bloc étant identique à celle des autres blocs, chaque conducteur de colonne comprenant P tronçons de conducteur qui sont mis bout-à bout et qui sont pris chacun dans un bloc respectif. Les tronçons de conducteur sont reliés aux circuits élémentaires qui appartiennent au bloc considéré (et donc à une colonne considérée). Les P tronçons de conducteurs d'un bloc sont de préférence disposés sur deux niveaux de métallisation différents, P-1 tronçons étant réalisés sur l'un des niveaux et un dernier tronçon utilisant le deuxième niveau pour croiser les P-1 premiers. Si on considère un bloc comprenant P tronçons de conducteur, on peut prévoir une disposition particulière de ces tronçons : les P tronçons conducteurs d'un bloc, juxtaposés et arrangés selon un rang de 1 à P, comportent chacun une extrémité inférieure et une extrémité supérieure disposées de façon que l'extrémité inférieure d'un tronçon d'un rang donné situé dans un premier bloc vienne en contact avec l'extrémité supérieure d'un tronçon d'un autre rang situé dans un deuxième bloc placé au-dessus du premier. Le raccordement se fait de préférence selon une permutation circulaire des rangs des tronçons, un tronçon d'un premier rang d'un premier bloc venant en contact avec un tronçon d'un deuxième rang de l'autre bloc, et ainsi de suite. L'invention est applicable de manière particulièrement avantageuse à un capteur d'image matriciel, dans lequel les circuits élémentaires agencés en lignes et colonnes sont des pixels photosensibles, et notamment des pixels actifs comprenant des transistors. Par conséquent, en résumé, on comprend qu'on décompose une colonne de circuits élémentaires (mais toutes les colonnes sont traitées de la même manière) en P blocs et on met autant de circuits de lecture élémentaires par colonne qu'il y a de blocs dans la hauteur de la matrice. Les circuits de lecture élémentaires dans une colonne peuvent être sélectionnés par un décodeur spécifique si on veut accéder à l'information d'un pixel unique situé au croisement d'une ligne (adressée par un décodeur de ligne) et d'une colonne ; si le capteur est fait par photorépétition de blocs identiques, ce décodeur spécifique ne fait pas partie du motif de blocs photorépétés, alors que le décodeur de ligne de la matrice fait partie du motif de blocs photorépétés et adresse donc simultanément P lignes lorsqu'il reçoit une adresse. Cette architecture peut être utilisée indépendamment des questions de photorépétition de motifs. Elle a en effet un intérêt tout particulier pour permettre une lecture très rapide dans le cas de matrices de à grand nombre de lignes ; en effet, on peut prévoir alors que les P circuits de lecture élémentaires placés en pied de colonne fournissent des signaux de sortie simultanément, c'est-à-dire qu'on peut lire P informations simultanées, issus de P lignes différentes adressées simultanément par le décodeur de ligne ; dans une organisation matricielle standard, on lirait une seule information, issue d'une seule ligne. Dans la configuration selon l'invention où on extrait de la matrice P signaux à la fois, il n'y a pas de décodeur spécifique (ou bien on ne l'utilise pas) pour sélectionner un circuit de lecture élémentaire parmi P, mais on sort les signaux de toute la matrice P fois plus vite que s'il n'y avait qu'un seul circuit élémentaire de lecture par colonne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 20 à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente l'architecture générale d'une matrice selon l'invention ; - la figure 2 représente une organisation de conducteurs de 25 colonnes adaptée à l'architecture selon l'invention ; - la figure 3 représente l'organisation pratique du raccordement des tronçons de conducteurs de colonne faisant partie de deux blocs adjacents. 30 L'invention sera décrite à propos d'un exemple particulièrement intéressant qui est un capteur d'image matriciel de grande dimension (plusieurs centimètres de côté) comportant plusieurs centaines de lignes et plusieurs centaines de colonnes de pixels. La figure 1 représente le principe de l'invention. La matrice de 35 pixels est désignée par MP. Les lignes de pixels sont régulièrement réparties entre le haut et le bas de la matrice mais on considère que la matrice est divisée en plusieurs groupes de lignes ; les groupes sont désignés respectivement par GR1, GR2, GR3, GR4. II y a X lignes au total et on peut considérer qu'il y a P groupes de M lignes (P supérieur ou égal à 2). La matrice est également constituée en Y colonnes de pixels et on a représenté des colonnes adjacentes Cl, C2, C3, etc. Du fait que la matrice est divisée en P groupes de lignes, chaque colonne de pixels est divisée en P blocs de pixels. Les blocs de pixels respectifs d'une même colonne sont désignés par les références C1 1, C12, C13, C14 pour la première colonne. La matrice est destinée à être réalisée par photorépétition de plusieurs motifs ; dans l'exemple de la figure 1, on suppose que la puce comprend des zones successives ZB1, ZB2, ZB3 et ZB4 rigoureusement identiques et réalisées à chaque étape de photolithographie avec un même motif. Les groupes de lignes GR1 à GR4 font partie respectivement des zones ZB1, ZB2, ZB3, et ZB4. Les éléments de décodeur de ligne permettant de sélectionner les lignes sont eux-mêmes répartis en groupes DEC1 à DEC4 correspondant respectivement aux groupes de lignes et ces groupes font partie des zones ZB1, ZB2, ZB3, et ZB4 respectivement. Les groupes DEC1 à DEC4 d'éléments de décodeur de ligne sont tous rigoureusement identiques. La sélection d'une adresse codée sur m bits sélectionne une ligne parmi M (ligne de rang 0 à M-1) dans chacun des groupes de lignes ; elle sélectionne donc P lignes à la fois. Le nombre P de zones répétées à l'identique peut typiquement être compris entre 2 et 10. Il est de préférence très inférieur au nombre M des lignes de pixels présentes dans chaque zone ZB1 à ZB4. Dans ce qui suit on prend à titre d'exemple P=4. Le nombre M peut typiquement être égal à une ou plusieurs centaines. On a représenté au bas de la matrice une circuiterie LECT de lecture des signaux issus de la matrice. On a représenté également sous forme d'un rectangle avec la référence CTRL tous les circuits de contrôle servant à faire fonctionner le capteur d'image. Ces circuits fournissent divers signaux et notamment tous les signaux nécessaires à l'adressage des lignes de la matrice (une adresse émise à destination des décodeurs de ligne, cette adresse étant codée sur m bits pour désigner une ligne parmi M) et éventuellement les signaux nécessaires à l'adressage des colonnes (une adresse codée sur y bits pour désigner une colonne parmi Y). Habituellement, le décodeur de ligne permet de sélectionner une ligne unique parmi X, et on trouve au pied de la matrice un circuit de lecture élémentaire par colonne de pixels et un conducteur de colonne qui relie tous les pixels d'une même colonne à ce circuit de lecture élémentaire. Seul le pixel correspondant à la ligne sélectionnée fournit un signal sur le conducteur de colonne à destination du circuit de lecture élémentaire associé à la colonne. Selon l'invention, on prévoit au pied de chaque colonne de pixels P circuits de lecture élémentaires CL1, CL2, CL3, CL4 associés à cette colonne. Plus précisément, chacun des P blocs de pixels d'une même colonne est relié à un circuit de lecture élémentaire respectif. Un conducteur de colonne respectif, non représenté sur la figure 1 pour ne pas alourdir le schéma, est associé à un bloc respectif de pixels et est relié à tous les pixels de ce bloc et au circuit de lecture correspondant mais pas aux pixels des autres blocs de la colonne ni aux circuits de lecture élémentaires correspondant aux autres blocs. Le circuit de contrôle général CTRL peut comprendre des moyens pour sélectionner un bloc parmi P et cette sélection consiste dans la sélection d'un circuit de lecture élémentaire parmi P, ceci dans le cas où on veut extraire de la matrice l'information correspondant à un pixel déterminé au croisement d'une ligne et d'une colonne ; dans ce cas, le circuit de contrôle CTRL fournit à tous les éléments de décodeurs de ligne une adresse parmi M (adresse sur m bits), et il sélectionne en même temps un seul circuit de lecture élémentaire parmi P dans la colonne sélectionnée ; les P-1 circuits de lecture non sélectionnés dans la colonne sélectionnée restent inactifs. Cette architecture de décodage permet de constituer une structure dans laquelle les groupes de lignes GR1, GR2, GR3, GR4 sont rigoureusement identiques les uns aux autres, y compris dans la partie décodeur DEC1, DEC2, DEC 3, DEC4. Ces groupes peuvent donc être réalisés par des étapes de photolithographie partielle par raboutage, avec le déplacement pas à pas d'un même masque. Mais même si la structure matricielle de X lignes et Y colonnes n'est pas réalisée par des étapes de photolithographie par "stitching", l'invention procure un autre résultat, à savoir la possibilité d'obtenir une lecture plus rapide du contenu de la matrice si on sort en parallèle du circuit de lecture les P informations correspondant aux P pixels sélectionnés simultanément par le décodeur de ligne. Dans ce cas il n'est pas nécessaire que les circuits de contrôle CTRL comprennent des moyens pour sélectionner un circuit de lecture élémentaire parmi P. Selon une caractéristique secondaire de l'invention, on propose que la disposition géométrique des conducteurs de colonne d'un bloc soit exactement identique à la disposition géométrique des conducteurs des autres blocs. On s'est aperçu en effet que la subdivision des colonnes en P blocs de pixels raccordés à P conducteurs de colonne différents risquait de créer un bruit d'image fixe résultant de l'existence de structures de pixels variables dans la matrice selon la position du pixel dans la colonne, et plus précisément selon l'appartenance du pixel à tel ou tel des P blocs de pixels. Dans la disposition de la figure 1, on pourrait imaginer que le conducteur de colonne (pour la colonne Cl) qui relie les pixels du bloc Cl l au circuit de lecture élémentaire CL1 s'étend seulement sur la hauteur du bloc Cl et est donc beaucoup plus court que le conducteur de colonne qui relie les pixels du bloc C14 au circuit de lecture CL4. Mais selon l'invention, on préfère que le premier conducteur mentionné s'étende jusqu'aux pixels du bloc C14 même s'il ne leur est pas raccordé, pour présenter la même longueur et la même capacité parasite que le conducteur raccordé aux pixels du bloc C14. Et la configuration géométrique de ces deux conducteurs de colonne est de préférence identique à la configuration géométrique de tous les conducteurs de colonne de la matrice. De préférence, on prévoit que les P conducteurs de colonne sont disposés sur deux niveaux de métallisation différents, P-1 conducteurs s'étendant parallèlement les uns aux autres sur l'un des niveaux et un dernier conducteur croisant les P-1 premiers sur le deuxième niveau. Et on prévoit de préférence aussi que les P circuits de lecture élémentaires sont disposés côte à côte au pied d'une colonne de pixels (comme cela est représenté à la figure 1 et à la figure 2). La figure 2 représente une disposition possible des conducteurs de colonne pour optimiser la régularité de la disposition des pixels dans toute la matrice, en vue de réduire le plus possible le bruit de motif fixe. Pour ne pas alourdir le schéma, on n'a pas représenté les pixels individuels situés au carrefour d'un conducteur de ligne et d'un conducteur de colonne. On a représenté seulement des points symboliques à chaque carrefour. Chaque point à l'intersection d'une ligne et d'une colonne représente le pixel qui est relié au conducteur de ligne respectif (pour être sélectionné par ce conducteur) et qui est par ailleurs relié au conducteur de colonne (pour fournir sur ce conducteur un signal représentant l'éclairement). Cette représentation symbolique ne signifie pas que le conducteur de ligne est relié au conducteur de colonne. Elle signifie seulement que le pixel est relié à ces deux conducteurs. La représentation symbolique de la figure 2 ne prend pas en compte la régularité de répartition des pixels en ligne et en colonne. En effet, pour rendre le schéma plus lisible, on a nettement séparé les uns des autres chacun des P blocs de M pixels dans une colonne ; on a également nettement séparé les colonnes les unes des autres. Dans la réalité, l'espacement entre deux pixels d'une même colonne est à peu près égal à l'espacement entre deux pixels d'une même ligne, et ceci aussi bien lorsque les deux pixels en colonne appartiennent au même bloc de M et lorsqu'ils appartiennent à deux blocs différents. Enfin, les conducteurs de colonne sont représentés avec un espacement latéral exagéré entre eux pour faciliter la lisibilité. Sur la figure 2, on a représenté une subdivision des pixels des colonnes en P=4 blocs juxtaposés. Les pixels de chaque bloc sont reliés à un conducteur de colonne respectif CC1 à CC4 lui-même relié respectivement à un circuit de lecture élémentaire associé CL4 à CL4. Chacun des P conducteurs de colonne est réalisé par l'aboutement de P tronçons de conducteur appartenant chacun à un bloc respectif. Et chaque bloc comprend à cet effet P tronçons de conducteur destinés à réaliser les conducteurs de colonne. Un motif élémentaire de dessin de tronçons de conducteurs est répété à l'identique pour chacun des P blocs de pixels d'une colonne, et d'ailleurs aussi à l'identique pour les autres colonnes. Ce motif est représenté sur la figure 2 dans un cadre pointillé désigné par la référence Mt. Ce motif est répété sur les P blocs pour assurer la symétrie de réalisation des P blocs, alors que du point de vue fonctionnel il ne serait pas nécessaire de prolonger tous les conducteurs de colonne jusqu'en haut de la matrice puisque seul l'un d'eux est connecté aux pixels du haut de la matrice. Une manière préférée de réaliser ce motif répété de conducteurs de colonne est de prévoir qu'à l'intérieur d'un motif répété les P conducteurs sont réalisés dans un premier niveau de métallisation, à l'exception d'un des P conducteurs, lequel comporte au moins une partie réalisée dans un deuxième niveau de métallisation pour pouvoir croiser les autres. Sur la figure 2, cette partie est représentée en traits tiretés alors que les autres conducteurs sont représentés en traits pleins. Dans la configuration préférée, représentée à la figure 2, le motif répété des P conducteurs servant à réaliser les conducteurs de colonne CC1 à CC4 est tel que le raccordement des P conducteurs d'un motif avec les P conducteurs d'un motif adjacent réalise une connexion selon une permutation circulaire. Cette connexion par permutation circulaire est expliquée en référence à la figure 3 : si on appelle A1, A2, A3, A4, les P conducteurs, de rang 1 à 4, d'un motif, tous identiques d'un motif à l'autre, les tracés de ces conducteurs sont tels que : l'extrémité inférieure du conducteur Al (rang 1) d'un motif Mt1 placé au-dessus d'un motif adjacent Mt2 vienne en contact avec l'extrémité supérieure du conducteur A2 (rang 2) du motif Mt2 ; l'extrémité inférieure du conducteur A2 du motif supérieur Mt, vienne contacter l'extrémité supérieure du conducteur A3 (rang 3) du motif Mt2 ; et ainsi de suite par permutation circulaire, jusqu'à l'extrémité inférieure du conducteur A4 (rang 4) du motif Mt1 qui vient contacter l'extrémité supérieure du conducteur Al (rang 1) du motif Mt2. Dans cet exemple, c'est le conducteur Al de chaque motif qui comporte une partie en traits tiretés croisant tous les autres conducteurs et réalisée à cet effet sur un niveau métallique différent des autres.35 REVENDICATIONS1. Circuit intégré comportant un ensemble de circuits élémentaires tous identiques, agencés en X lignes et Y colonnes, chaque ligne de circuits élémentaires étant adressée par un conducteur de ligne relié à un décodeur de ligne, caractérisé en ce que chaque colonne de circuits élémentaires est subdivisée en P blocs (Cl à 014), P supérieur à 2, de circuits élémentaires, et en ce qu'il est prévu, pour chaque colonne, P circuits de lecture élémentaires (CL1 à CL4) juxtaposés, placés à une même extrémité de cette colonne et associés chacun à un bloc respectif, et P conducteurs de colonne (CC1 à CC4) associés chacun à un circuit de lecture élémentaire respectif et un bloc respectif, un conducteur de colonne étant relié au circuit de lecture élémentaire associé et à tous les circuits élémentaires du bloc associé mais pas aux circuits élémentaires des autres blocs. 2. Circuit intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs de lignes sont juxtaposés entre le haut et le bas de la matrice. 3. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les circuits de lecture élémentaires associés à une colonne sont placés côte à côte en ligne. 4. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des P blocs comprend P tronçons de conducteur s'étendant entre le haut et le bas du bloc, la disposition géométrique des tronçons de conducteurs d'un bloc étant identique à celle des autres blocs, chaque conducteur de colonne comprenant P tronçons de conducteur qui sont mis bout-à bout et qui sont pris chacun dans un bloc respectif. 5. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé 30 en ce que les P tronçons de conducteurs d'un bloc sont disposés sur deux niveaux de métallisation différents, P-1 tronçons étant réalisés sur l'un desniveaux et un dernier tronçon utilisant le deuxième niveau pour croiser les P-1 premiers. 6. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les P tronçons conducteurs d'un bloc (AI à A4), juxtaposés et arrangés selon un rang de 1 à P, comportent chacun une extrémité inférieure et une extrémité supérieure disposées de façon que l'extrémité inférieure d'un tronçon d'un rang donné situé dans un premier bloc (Mt1) vienne en contact avec l'extrémité supérieure d'un tronçon d'un autre rang situé dans un deuxième bloc (Mt2) placé au-dessus du premier. 7. Circuit intégré selon la revendication 6, caractérisé en ce que le raccordement entre les tronçons conducteurs de deux blocs adjacents est fait selon une permutation circulaire des rangs des tronçons, un tronçon d'un premier rang d'un premier bloc venant en contact avec un tronçon d'un deuxième rang de l'autre bloc, et ainsi de suite. 8. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les circuits élémentaires de la matrice sont des pixels 20 photosensibles, le circuit intégré étant un capteur d'image matriciel.