Brevet FR2969821A1 — publié le 20120629

Dispositif d'imagerie matriciel à photosites à commandes monocoup de transfert de charges L'invention concerne les dispositifs d'imagerie notamment à réseau matriciel de photosites, et plus particulièrement la commande groupée de la lecture des photosites. Un dispositif d'imagerie, ou capteur, est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le dispositif d'imagerie met à profit l'effet photoélectrique qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif. Un dispositif d'imagerie comprend généralement des photosites agencés en matrice, chaque photosite correspondant à un pixel d'une image. Un photosite comprend au moins une zone photosensible, notamment une photodiode, et une zone de lecture des charges accumulées dans la photodiode. Les photons captés par une photodiode d'un photosite sont convertis en paires électrons/trous. Les charges de type 1 , par exemple les trous, créées dans les zones photosensibles sont stockées dans le photosite avant d'être lues grâce à un système électronique, les charges de type 2, par exemple les électrons, sont drainées vers les zones de drains N+ Généralement, ce système électronique, qui commande la photodiode, comporte, notamment lorsque la photodiode est une photodiode totalement appauvrie («fully depleted» en langue anglaise), un transistor de transfert autorisant le transfert des charges stockées dans la photodiode vers une zone de lecture de charges. Cette zone de lecture de charges forme un noeud de mesure (« Sensing Node » en langue anglaise) au niveau duquel est connecté une électronique de contrôle classique comportant notamment un transistor de lecture. Une photodiode fonctionne selon un cycle comprenant au moins une étape d'intégration, une étape de mesure, et une étape de réinitialisation. L'étape d'intégration correspond à la photogénération de charges et leur accumulation lors de l'exposition de la photodiode. L'étape de mesure correspond à la génération d'un signal dépendant de la quantité de charges photogénérées accumulées dans la photodiode. L'étape de réinitialisation correspond à l'élimination des charges photogénérées. Pour réaliser une commande monocoup (« global shutter » en langue anglaise) des photosites d'un dispositif d'imagerie comprenant de photosites réalisés de manière classique avec quatre transistors associés à une photodiode, le système électronique de chaque photosite est complexifié en rajoutant notamment un cinquième transistor. Par ailleurs, il est connu par l'article de M. Funaki et al intitulé « New Global Shutter CMOS Imager with 2 Transistors per Pixel » issu de « 2008 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers » de réaliser des photosites n'utilisant que deux transistors, le premier transistor commande le transfert des charges, le second transistor commande la lecture du signal. Le signal délivré par ce transistor de lecture étant modulé par la charge transférée et stockée dans son propre caisson (« charges modulation device » en langue anglaise). Cependant, dans un tel photosite, le transfert de charges est réalisé en surface, et l'électronique de lecture comportant notamment un transistor de transfert de charges et des moyens de lecture de charges est disposée principalement sur la surface du photosite occupant une grande partie de sa surface utile et réduisant par conséquent la surface de la zone photosensible de la photodiode au sein du photosite. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif d'imagerie comportant des photosites dont la zone photosensible est maximisée et pour lequel il est possible de réaliser une commande monocoup du transfert et de la lecture des charges. Selon un aspect, il est proposé un dispositif d'imagerie formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites, chaque photosite comportant une zone semi-conductrice de stockage de charges, une zone semi-conductrice de lecture de charges propre audit photosite, et des moyens de transfert de charges configurés pour autoriser un transfert de charges entre la zone de stockage de charges et la zone de lecture de charges. Selon une caractéristique générale de cet aspect, chaque photosite comprend au moins une première électrode enterrée dont au moins une partie délimite au moins une partie de ladite zone de stockage de charges, et les moyens de transfert de charges de chaque photosite comprennent au moins deuxième une électrode enterrée. Les électrodes enterrées permettent de réaliser un puits de potentiel électrostatique qui assure un confinement des charges dans la profondeur du substrat du photosite et ainsi d'augmenter le volume de confinement des charges par rapport à un confinement limité en surface du photosite. Par ailleurs, l'électrode dont au moins une partie délimite au moins une partie de la zone photosensible permet d'augmenter la zone de collecte de charges, c'est-à-dire la zone de collection des trous par effet électrostatique. De préférence, la zone de stockage de charges de chaque photosite est du même type de conductivité que celui du substrat semi-conducteur et de la zone de lecture de charges, le dopage de la zone de stockage de charges étant supérieur au dopage du substrat semi- conducteur et inférieur au dopage de la zone de lecture de charges. La zone de lecture possède un volume plus petit que le volume de la zone de stockage de charges. En dopant la zone de lecture de manière plus importante que la zone de stockage de charge, il est ainsi possible de stocker la même quantité de charges dans la zone de lecture que dans la zone de stockage de charges. En créant et commandant des puits de potentiel et des barrières de potentiel il est possible de transférer les charges initialement stockées dans la zone de stockage de charges vers la zone de lecture de charges.Avantageusement, chaque photosite comprend au sein du substrat une couche dopée principale ayant le même type de conductivité que celui du substrat et située sous une couche de surface de type de conductivité opposée, la couche de surface et la couche principale formant une photodiode, et une partie de la couche principale formant la zone de stockage de charges. En effet, la jonction PN ainsi créée par cette couche de surface superposée à la couche principale forme une photodiode capable de transformer les photons incidents en photoporteurs par effet photélectrique. Une partie de la couche principale forme la zone de stockage de charges de la photodiode. Chaque photosite comprend préférentiellement des moyens de lecture aptes à mesurer les charges dans la zone de lecture et transmettre un signal correspondant. De préférence, le dispositif comprend une grille de commande disposée au-dessus de la zone de lecture de charges. Cette grille de commande permet de sélectionner le photosite à lire et de commander la lecture de la tension correspondant à la quantité de charges transférées dans la zone de lecture. De plus, les moyens de lecture comprennent préférentiellement un transistor à modulation de tension de seuil dans lequel la zone de lecture forme le caisson dudit transistor, la grille de commande forme la grille dudit transistor, une première portion de la couche de surface forme la source dudit transistor et une seconde portion de la couche de surface forme le drain dudit transistor, la première et la seconde portions de la couche de surface étant séparées par la zone de lecture, et la seconde portion de la couche de surface s'étendant le long de la photodiode. Une mesure de la tension de source du transistor à modulation de tension de seuil est réalisée lors de la lecture. Cette tension de source est une image de la tension dans le caisson dudit transistor, la tension dans le caisson étant proportionnelle au nombre de charges dans le caisson. Avantageusement, les moyens de transfert des photosites du réseau matriciel peuvent être couplés ensemble. I1 est ainsi possible de réaliser une commande monocoup du transfert de charges pour l'ensemble des photosites du réseau matriciel du dispositif d'imagerie. De même, les moyens de modulation de charges des photosites d'une même ligne du réseau matriciel peuvent avantageusement être couplés ensemble. I1 est ainsi possible de réaliser une commande monocoup de la lecture des photosites d'une même ligne d'un réseau matriciel. Les moyens de transfert de charges peuvent avantageusement être électro-statiquement couplés avec la zone de lecture. Avantageusement, la largeur de la zone de lecture d'un photosite est définie par au moins une électrode enterrée. La largeur de la zone de lecture d'un photosite peut ainsi être définie par la première électrode enterrée, l'électrode de confinement, la deuxième électrode enterrée, l'électrode de transfert, ou bien une électrode enterrée supplémentaire, ou la combinaison d'une ou plusieurs de ces électrodes. Avantageusement, la zone de lecture d'un photosite est isolée des photosites voisins par au moins une électrode enterrée. Ainsi, la zone de lecture d'un photosite peut être isolée des autres photosites par la première électrode enterrée, l'électrode de confinement, la deuxième électrode enterrée, l'électrode de transfert, ou bien une électrode enterrée supplémentaire, ou la combinaison d'une ou plusieurs de ces électrodes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente schématiquement un photosite d'un dispositif d'imagerie selon un premier mode de réalisation ; - Les figures 2 à 4 illustrent des vues en coupe du photosite de la figure 1 respectivement selon les plans II-II', III-III' et IV-IV' ; - La figure 5 présente un exemple de courbe de potentiel d'un photosite d'un dispositif d'imagerie dans un plan de coupe III-III' pour le premier mode de réalisation; - La figure 6 représente schématiquement un photosite d'un dispositif d'imagerie selon un second mode de réalisation ; - Les figures 7 à 9 illustrent des vues en coupe du photosite de la figure 6 respectivement selon les plans VII-VII', VIII-VIII' et IX-IX' ; - La figure 10 présente de manière schématique un exemple de dispositif d'imagerie matriciel à photosites à commandes monocoup de transfert de charges. Sur la figure 1 est représenté de manière schématique un photosite d'un dispositif d'imagerie selon un premier mode de 15 réalisation. La représentation schématique correspond à une vue de dessus du photosite. Le photosite comprend une zone photosensible 1 délimitée au moins en partie par une électrode principale 2, et une zone de lecture de charges 3 délimitée au moins en partie par une électrode de 20 transfert de charges 4. Dans ce premier mode de réalisation, l'électrode principale 2 peut comporter une ou plusieurs électrodes. De même, l'électrode de transfert de charges 4 peut comporter une ou plusieurs électrodes. L'électrode principale 2 est conformée de manière à délimiter 25 la zone photosensible 1 à l'exception d'une zone de transfert de charges 5 délimitée par l'électrode de transfert de charges 4. La zone de transfert de charges 5 correspond à une partie de la zone photosensible adjacente la zone de lecture 3 et comprise entre deux portions de l'électrode de transfert de charges 4. 30 L'électrode principale 2 et l'électrode de transfert de charges 4 forment ainsi un ensemble quasi fermé. Au-dessus de la zone de lecture 3, est représentée en pointillé une grille de commande 6 permettant de sélectionner le photosite à lire et de commander la lecture dudit photosite. 10 La grille de commande est également représentée sur la figure 2. Sur la figure 2 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 1 selon le plan II-II' coupant la zone photosensible 1. Le photosite est réalisé dans un substrat 8 dopé P à une première valeur de dopage Psub. Deux portions de l'électrode principale 2 enterrée dans le substrat 8 délimitent la zone photosensible 1. L'électrode principale 2 comporte une grille électriquement conductrice enterrée dans la direction de la profondeur du substrat 8 et isolée du substrat 8. La zone photosensible 1 comporte une couche principale 9 dopée P à une seconde valeur de dopage Pl supérieure à la valeur de dopage Psub du substrat 8. La couche principale 9 est implantée dans le substrat 8 semi-conducteur de manière à être superposée à une couche inférieure du substrat 8a. La zone photosensible 1 comporte également une couche de surface 10 dopée N, implantée dans le substrat 8 au niveau de la surface, de manière à être superposée à la couche principale 9. La superposition de la couche de surface 10 dopée N sur la couche principale 9 dopée P forme une photodiode comportant une jonction PN, un portion de la couche principale 9 formant la zone de stockage de charges 90. En effet, c'est dans cette portion de la couche principale 9 dopée P comprise entre la couche de surface 10, dopée N, et la couche de substrat 8a, dopée P à une valeur Psub inférieure à la valeur Pl de dopage de la couche principale 9, que les charges créées par effet photoélectrique sont stockées. Sur la figure 3 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 1 selon le plan III-III' coupant à la fois la zone de lecture de charges 3 et la zone photosensible 1. On retrouve sur cette figure 3, la zone photosensible 1 réalisée dans le substrat 8 délimitée en partie par l'électrode principale 2. La zone photosensible 1 est délimitée d'autre part par la zone de lecture 3 comportant un caisson 11 semi-conducteur implanté dans la couche principale 9, et dopé P à une troisième valeur de dopage P2 supérieure à la seconde valeur de dopage Pl de la couche principale 9. Ce caisson 11 est couplé de manière électrostatique à l'électrode de transfert 4. La portion de la couche principale 9 située sous le caisson 11 semi-conducteur de la zone de lecture 3 n'est pas comprise dans la zone de stockage de charge 90. Le caisson 11 de la zone de lecture de charges 3 est destiné à recevoir les charges transférées depuis la zone de stockage de charge 90 par l'électrode de transfert de charges 4. Le caisson 11 est électriquement flottant, contrairement à un transistor classique dont le caisson est polarisé à une tension. Le caisson 11 du transistor étant flottant, la tension de polarisation intrinsèque peut ainsi être modifiée en fonction de la tension appliquée à l'électrode de transfert 4. La tension de polarisation intrinsèque du caisson peut ainsi être couplée avec l'électrode de transfert 4, ce couplage favorisant le transfert des charges de la zone de stockage de charges 90 vers la zone de lecture 3, où un puits de potentiel permet de stocker les charges dans la zone de lecture 3. Au-dessus du caisson 11 de la zone de lecture 3 est disposé la grille de commande 6 des moyens de lecture de charges photogénérées dans ce site. Le dispositif d'imagerie comprend des moyens de lecture de charges comprenant un transistor à modulation de tension de seuil. Comme illustré sur les figures 1 et 3, le caisson 11 de la zone de lecture de charges 3 forme le caisson (« body » en langue anglaise) du transistor à modulation de tension de seuil, la grille de commande 6 forme la grille du transistor, un première portion 7 de la couche de surface 10 forme la source du transistor, et une seconde portion 12 de la couche de surface 10 forme le drain du transistor. La première portion 7 de la couche de surface 10 correspond à la couche de surface 10 comprise entre l'électrode de transfert de charges 4 et la partie apparente en surface de la zone de lecture de charges 3. La source du transistor formée par cette première portion 7 est reliée à la colonne correspondante du réseau matriciel. La seconde portion 12 de la couche de surface 10 correspond à la couche de surface 10 comprise entre l'électrode principale 2 et la partie apparente en surface de la zone de lecture de charges 3. Le drain du transistor à modulation de tension de seuil s'étend ainsi au-dessus de la zone photosensible 1 et fixe la tension de référence de la photodiode. En fonctionnement, le photosite capte des photons dans la zone photosensible 1, et stocke les trous générés par effet photoélectrique dans la zone de stockage de charges 90 de la zone photosensible 1, avant de les transférer à l'aide de l'électrode de transfert de charges 4 vers la zone de lecture de charges 3. Une fois le transfert terminé, pour réaliser la mesure de la quantité de charges transférées, une tension d'activation de lecture est appliquée à la grille de commande 6. La lecture est alors réalisée par une mesure de la tension de la source du transistor à modulation de tension de seuil, c'est-à-dire la première portion 7, la tension de la zone de source étant une image de la tension de la zone de lecture 3, la tension de zone de lecture 3 étant définie par la quantité de charges transférées dans la zone de lecture 3. Sur la figure 4 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 1 selon le plan IV-IV' coupant la zone de lecture 3. Comme illustré sur cette figure 4, le caisson 11 semi-conducteur de la zone de lecture 3 est compris entre deux portions de l'électrode de transfert de charges 4 et superposé à la couche principale 9 semi-conductrice. L'application ou non d'un potentiel électrique à l'électrode de transfert de charges 4 permet de modifier le potentiel intrinsèque du caisson 11 et d'autoriser ou non le transfert de charges entre la zone de stockage de charges 90 et la zone de lecture 3 de charges. La figure 5 présente un exemple de courbe de potentiel d'un photosite d'un dispositif d'imagerie dans un plan de coupe III-III' pour le premier mode de réalisation. Comme cela est illustré, en conditions d'accumulation de charges, une première tension est appliquée à l'électrode de transfert 4 de manière à créer une barrière de potentiel empêchant toute circulation de charges entre la zone photosensible 1 et la zone de lecture 3. Le puits de potentiel créé par la polarisation de l'électrode principale 2 et le dopage Pl de la couche principale 9 permet de stocker les trous créés par effet photoélectrique par les photons incidents. Lors du transfert, un second potentiel est appliqué à l'électrode de transfert 4 de manière à supprimer la barrière de potentiel, et modifier le potentiel intrinsèque de la zone de lecture 3. La modification du potentiel intrinsèque de la zone de lecture 3 est modifiée de sorte à créer un puits de potentiel plus important que le puits de potentiel de la zone photosensible 1. Ainsi le transfert des trous de la zone photosensible 1 à la zone de lecture 3 est possible. En appliquant à nouveau la première tension à l'électrode de transfert 4, la barrière de potentiel est à nouveau créée et le potentiel intrinsèque de la zone de lecture 3 est à nouveau modifié. Cependant, la zone de lecture comportant maintenant des charges, la tension de polarisation intrinsèque à la zone de lecture est différente de la tension de polarisation intrinsèque lorsque la zone de lecture 3 est vide. L'image de cette différence de tension de polarisation est ensuite lue sur la source du transistor à modulation de tension de seuil des moyens de lecture. Sur la figure 6 est représenté de manière schématique un photosite d'un dispositif d'imagerie selon un second mode de réalisation. La représentation schématique correspond à une vue de dessus du photosite. Les éléments portant les mêmes références que les éléments des figures 1 à 4 sont similaires. Dans ce second mode de réalisation, le photosite comprend ainsi une zone photosensible 1 délimitée, d'une part, par une première partie d'une électrode principale 2 et d'autre part par des moyens de transfert de charges formés d'une paire d'électrode de transfert de charges 4, et une zone de lecture de charges 3 délimitée par l'électrode de transfert de charges 4, d'une part, et par une seconde partie de l'électrode principale 2, d'autre part. Dans ce second mode de réalisation, l'électrode principale 2 peut également comporter une ou plusieurs électrodes. L'électrode principale 2 est conformée de manière à délimiter à la fois la zone photosensible 1 et la zone de lecture de charges 3. A l'intérieur de la zone délimitée par l'électrode principale 2 est disposé la paire d'électrodes de transfert de charges 4 couplées ensemble. La zone de transfert de charges 5 correspond à une partie de la zone photosensible 1 adjacente la zone de lecture 3 et comprise entre la paire d'électrodes de transfert de charges 4. Au-dessus de la zone de lecture 3, est représenté en pointillé, la grille de commande 6 des moyens de lecture basés sur la modulation de la tension de seuil induite par les charges photogénérées dans le photosite. Sur la figure 7 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 6 selon le plan VII-VII' coupant la zone photosensible 1. La coupe dans le plan VII-VII' du photosite selon le second mode de réalisation est identique à la coupe dans le plan II-II' du photosite selon le premier mode de réalisation. Sur la figure 8 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 6 selon le plan VIII-VIII' coupant à la fois la zone de lecture de charges 3 et la zone photosensible 1. Comme illustré sur cette figure, les portions de la zone photosensible 1 réalisée dans le substrat 8 sont délimitées par l'électrode principale 2 et par les électrodes de transfert 4. La zone de lecture 3 comporte un caisson 11 semi-conducteur implanté dans la première couche 9 et dopé P à une troisième valeur de dopage P2 supérieure à la seconde valeur de dopage Pl de la première couche 9. Le caisson 11 de la zone de lecture 3 est délimité dans cette coupe par les deux électrodes de transfert de charges 4. Au-dessus de la zone de lecture 3 est disposé la grille de commande 6 des moyens de lecture aptes à lire la modulation de la tension du caisson 11. Sur la figure 9 a été représentée une vue en coupe du photosite de la figure 6 selon le plan IX-IX' coupant la zone de lecture 3 et la zone photosensible 1. Comme illustré sur cette figure 9, le caisson 11 semi- conducteur de la zone de lecture 3 est compris entre une électrode de transfert de charges 4 et l'électrode principale 2, et est superposé à la couche principale 9 semi-conductrice. L'application ou non d'un potentiel électrique à la paire d'électrodes de transfert de charges 4 permet d'autoriser ou non le transfert de charges entre la zone de stockage de charges 90 et la zone de lecture 3 de charges. Sur la figure 10 est représenté de manière schématique un exemple de dispositif d'imagerie matriciel 100 à photosites 110 à commandes monocoup de transfert de charges. Le dispositif d'imagerie 100 comprend une pluralité de photosites 110 organisés selon une matrice. Dans cet exemple, chaque photosite 110 est réalisé selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1. Les électrodes transfert de charges 4 des photosites 110 sont électriquement couplées ensemble de manière à ce que le transfert de charges de chaque photosite soit commandé de manière simultanée par un moyen de commande de transfert TGcontrol. De la même manière, les grilles de commande 6 des photosites 110 sont électriquement couplées ensemble de manière à ce que la mesure de la quantité de charges de chaque photosite soit réalisée de manière séquentielle via un moyen de commande de sélection du photosite CMDcontrol. REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie formé dans un substrat (8) semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites, chaque photosite comportant une zone semi-conductrice de stockage de charges (90), une zone semi-conductrice de lecture de charges (3) propre audit photosite, et des moyens de transfert de charges configurés pour autoriser un transfert de charges entre la zone de stockage de charges (90) et la zone de lecture de charges (3), caractérisé en ce que chaque photosite comprend au moins une première électrode (2) enterrée dont au moins une partie délimite au moins une partie de ladite zone de stockage de charges (90), et les moyens de transfert de charges de chaque photosite comprennent au moins une deuxième une électrode enterrée (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la zone de stockage de charges (90) de chaque photosite est du même type de conductivité que celui du substrat (8) semi-conducteur et de la zone de lecture de charges (3), le dopage (Pl) de la zone de stockage de charges (90) étant supérieur au dopage (Psub) du substrat (8) semi- conducteur et inférieur au dopage (P2) de la zone de lecture de charges (3). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel chaque photosite comprend au sein du substrat (8) une couche dopée principale (9) ayant le même type de conductivité que celui du substrat (8) et située sous une couche de surface (10) de type de conductivité opposée, la couche de surface (10) et la couche principale (9) formant une photodiode, et une partie de la couche principale (9) formant la zone de stockage de charges (90). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque photosite comprend des moyens de lecture aptes à mesurer la quantité de charges dans la zone de lecture (3) et transmettre un signal correspondant. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une grille de commande (6) disposée au-dessus de la zone de lecture de charges (3), et en ce que les moyens de lecture comprennent un transistor à modulation de tension de seuil dans lequel la zone de lecture (3) forme le caisson dudit transistor, la grille de commande (6) forme la grille dudit transistor, une première portion (7) de la couche de surface (10) forme la source dudit transistor et une seconde portion de la couche de surface (10) forme le drain dudit transistor, la première et la seconde portions de la couche de surface (10) étant séparées par la zone de lecture (3), et la seconde portion de la couche de surface (10) s'étendant le long de la photodiode. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de transfert des photosites du réseau matriciel sont couplés ensemble. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les moyens de lecture des photosites d'une même ligne du réseau matriciel sont couplés ensemble. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de transfert de charges sont électro-statiquement couplés avec la zone de lecture (3). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la largeur de la zone de lecture (3) d'un photosite est définie par au moins une électrode enterrée. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la zone de lecture (3) d'un photosite est isolée des photosites voisins par au moins une électrode enterrée.