Brevet FR2969390A1 — publié le 20120622

B10-4464FR 1 Dispositif d'imagerie avec filtrage du rayonnement infrarouge. L'invention concerne les dispositifs d'imagerie, et plus particulièrement le filtrage de rayonnements non désirés tels que le rayonnement infrarouge. Lors d'une capture d'image par un dispositif d'imagerie une large bande de longueurs d'ondes est capturée par le dispositif. Selon la finalité de l'image toutes les longueurs d'ondes ne sont pas utiles. Dans le cas de dispositifs d'imageries tels que des capteurs CMOS ou CCD d'un appareil photographique numérique, par exemple, seul une petite partie du rayonnement capté est utile, cette partie correspondant aux longueurs d'ondes du visible. Le rayonnement infrarouge, par exemple, qui n'est pas désiré dans les images capturées, perturbe alors l'image. En effet, le rayonnement infrarouge génère également des électrons par effet photoélectrique. Ces électrons ainsi générés par le rayonnement infrarouge induisent un signal qui en se mêlant au signal correspondant au rayonnement visible va perturber le signal mesuré, et ajouter une valeur additionnelle parasite au signal utile. La qualité des images en est alors détériorée. En général, pour filtrer le rayonnement infrarouge arrivant sur un photosite, les dispositifs d'imageries tels que des capteurs CMOS ou CCD comprennent un filtre infrarouge disposé au-dessus du photosite, c'est-à-dire entre les rayons incidents et le photosite. Ce filtre infrarouge empêche le rayonnement infrarouge d'atteindre le photosite tandis que le rayonnement visible traverse le filtre et peut atteindre le photosite et générer des paires électron-trou induisant alors un signal mesurable. L'application de tels filtres infrarouge, généralement réalisés en verre ou en matière plastique, complexifie la réalisation d'un dispositif d'imagerie, augmente les coûts de production, et augmente la hauteur globale puisqu'il faut rajouter à la hauteur du photosite, celle du filtre infrarouge superposé. Selon un mode de réalisation, il est proposé de pallier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un dispositif d'imagerie comprenant des photosites équipés de moyens de filtrage intégrés au photosite, et plus particulièrement enterrés sous la photodiode. Selon un aspect, il est proposé un dispositif d'imagerie, comprenant au moins un photosite formé dans un substrat semi-conducteur et équipé d'un dispositif de filtrage d'au moins un rayonnement non désiré. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le dispositif de filtrage comprend des moyens enterrés dans le substrat semi-conducteur à une profondeur dépendant de la longueur d'onde dudit rayonnement non désiré. De préférence, au moins un rayonnement non désiré comprend un rayonnement infrarouge et lesdits moyens enterrés se situent à une profondeur comprise entre 2µm et 51um. Le rayonnement non désiré peut correspondre au rayonnement infrarouge, mais il peut également correspondre à une bande de fréquences plus fine ou plus large comprise dans le rayonnement visible ou invisible. Ledit au moins un photosite comporte préférentiellement une première jonction PN semi-conductrice, et lesdits moyens enterrés comprennent une seconde jonction PN semi-conductrice disposée sous la première jonction semi-conductrice. La seconde jonction PN semi-conductrice des moyens enterrés étant disposé sous la première jonction PN, le rayonnement filtré comprendra, de préférence, des longueurs d'ondes plus grandes que les longueurs d'ondes désirées et mesurées. Les dimensions et la disposition de la seconde jonction PN dépendent donc du rayonnement non désiré qu'on souhaite filtrer. La photodiode d'un photosite classique ne comprend généralement qu'une jonction semi-conductrice. En modifiant la structure de la photodiode lors de la construction du photosite, il est possible de procéder à un filtrage d'un rayonnement non désiré tel qu'un rayonnement infrarouge. L'implantation de la photodiode est ainsi réalisée pour obtenir une superposition de deux jonctions semi-conductrices, une première jonction générant un signal mesuré pour obtenir une image, et une seconde jonction disposée sous la première permettant le filtrage du rayonnement non désiré. En d'autres termes, il est possible de réaliser, dans un substrat possédant des dimensions généralement prévues pour réaliser une seule jonction semi-conductrice d'un photosite, une double jonction semi-conductrice. La jonction semi-conductrice enterrée permet de réaliser un filtrage du rayonnement, en piégeant les électrons générés par effet photoélectrique par le rayonnement incident au niveau de cette jonction enterrée. Avantageusement, le dispositif de filtrage peut comprendre en outre des moyens de polarisation configurés pour polariser la deuxième jonction à une tension supérieure à la tension de polarisation de la première jonction. Cette polarisation de la seconde jonction semi-conductrice à une tension supérieure à la tension de polarisation de la première jonction semi-conductrice permet de confiner dans la seconde jonction les électrons créés dans cette même jonction. La collecte de ces électrons est ainsi améliorée par cette différence de tension de polarisation. Par ailleurs, étant donné la profondeur à laquelle se situe la seconde jonction, les électrons créés dans cette seconde jonction ont principalement été générés par du rayonnement non désiré, tel que du rayonnement infrarouge. Ce piégeage d'électrons permet ainsi filtrer le rayonnement non désiré. Avantageusement, le dispositif peut comprendre au moins un ensemble de photosites adjacents équipés chacun d'un dispositif de filtrage, et les moyens enterrés desdits dispositif de filtrage des photosites adjacents peuvent être couplés ensemble. Le dispositif peut également avantageusement comprendre deux couches semi-conductrices continues de type de conductivité opposé, incorporant lesdites deuxièmes jonctions PN desdits moyens enterrés associés auxdits photosites adjacents. Avantageusement, le dispositif peut comprendre un premier groupe de photosites non équipés desdits dispositifs de filtrage, et un deuxième groupe de photosites équipés chacun d'un dispositif de filtrage. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de filtrage d'au moins un rayonnement non désiré illuminant au moins un photosite réalisé dans un substrat semi-conducteur. Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, on réalise ledit filtrage dans ledit substrat semi-conducteur à une profondeur dépendant de la longueur d'onde dudit rayonnement non désiré. De préférence, ledit au moins un rayonnement non désiré comprend un rayonnement infrarouge et on réalise ledit filtrage dans ledit substrat semi-conducteur à une profondeur comprise entre 2µm et 5µm. Avantageusement, le filtrage peut comprendre un piégeage des électrons créés dans une seconde jonction semi-conductrice disposée sous une première jonction semi-conductrice du photosite. De préférence, on polarise la seconde jonction semi-conductrice à un potentiel de polarisation supérieur au potentiel de polarisation de la première jonction semi-conductrice. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 présente un schéma électrique d'un photosite semi-conducteur équipé d'un dispositif de filtrage selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre une coupe verticale d'une double jonction formée dans un substrat semi-conducteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre graphiquement un exemple de taux d'absorption des photons au travers de l'épaisseur du semi-conducteur en fonction de leur longueur d'onde du rayonnement incident ; - la figure 4 illustre graphiquement un exemple de taux de génération de paires électron-trou au travers de l'épaisseur du semi-conducteur en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident ; - la figure 5 représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif d'imagerie comprenant un ensemble de photosites équipés de dispositifs de filtrage selon un premier mode de réalisation ; - la figure 6 représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif d'imagerie selon un second mode de réalisation, comprenant des photosites équipés de dispositifs de filtrage et des photosites non équipés de dispositifs de filtrage. Sur la figure 1 est représenté un schéma électrique d'un photosite semi-conducteur équipé d'un dispositif de filtrage selon un mode de réalisation de l'invention. Le photosite semi-conducteur comprend une première jonction PN 1 semi-conductrice formant des premiers moyens de collecte de charge permettant de transformer le rayonnement incident, principalement le rayonnement visible, en des paires électrons-trous par effet photoélectrique, et ainsi de générer un signal à partir des électrons proportionnel au nombre de photons incidents reçus. Cette première jonction 1 est représentée sur le schéma électrique par un condensateur Cl et une diode Dl montées en parallèle. La première jonction 1 est couplée, dans l'exemple illustré à une électronique de commande comportant ici un ensemble de quatre transistors commandés TG, RD, Reset et Selection. Le signal généré par cette première jonction 1 est transféré via un transistor de transfert TG (en anglais Transfer Gate) vers un noeud de mesure SN (en anglais Sensing Node). Le noeud de mesure SN est formé d'une somme de condensateurs C sur lesquels la tension est mesurée lorsqu'un transistor de mesure RD (en anglais Read out Gate), également couplé au noeud de mesure SN, est activé. Le noeud de mesure SN est également couplé à un transistor de remise à zéro Reset permettant de réinitialiser la première jonction 1. Le transistor de mesure RD et le transistor de remise à zéro Reset sont couplés ensemble à la tension d'alimentation Vdd. Enfin le transistor de lecture RD est également couplé à un transistor de sélection Selection commandé par des moyens de commande du réseau matriciel capable de commander les photosites en fonction de la colonne et de la ligne. Le photosite semi-conducteur comprend également une seconde jonction 2 semi-conductrice formant des seconds moyens de collecte de charge permettant de transformer le rayonnement parvenant sur cette seconde jonction 2, principalement le rayonnement infrarouge, en paire électron-trou par effet photoélectrique, et ainsi de générer un signal à partir des électrons proportionnel au nombre de photons reçus. Cette seconde jonction 2 est polarisée à une tension V2 qui permet d'évacuer les électrons générés. La première jonction 1 et la seconde jonction 2 reçoivent chacune un rayonnement effectif différent étant donné leur disposition au sein du photosite. En effet comme cela est illustré sur la figure 2, la première jonction 1 et la seconde jonction 2 sont superposées l'une sur l'autre, la première jonction 1 étant disposée au-dessus de la seconde jonction 2. La figure 2 illustre une coupe verticale d'une double jonction formée dans un substrat semi-conducteur selon un mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure 2 est représenté un substrat 3 semi-conducteur comprenant la première jonction 1 semi-conductrice superposée sur la seconde jonction semi-conductrice 2. Le substrat 3 est un substrat semi-conducteur possédant des dimensions standard, notamment en hauteur, et initialement dopé P. Pour obtenir la double jonction, on réalise tout d'abord une première implantation d'une couche 20 dopée N, par exemple de phosphore dosé entre 4.1012 et 8.1012 at/cm2 à une énergie comprise entre 2 et 5 MeV. Cette première implantation est réalisée de sorte à être superposée sur une couche 21 dopée P de substrat 3 possédant une épaisseur comprise entre 3 et 10 µm. On réalise ensuite successivement une seconde implantation d'une couche 12 dopée P, par exemple de Bore dosé entre 1.1012 et 5.1012 at/cm2 à une énergie comprise entre 10 et 50 keV, une troisième implantation d'une couche 10 dopée N, par exemple d'Arsenic dosé entre 4.1012 et 8.1012 at/cm2 à une énergie comprise entre 100 et 300 keV, et une quatrième implantation d'une couche 11 dopée P, par exemple de Bore à une dose entre 4.1012 et 8.1012 at/cm2 à une énergie comprise entre 4 et 15 keV. On obtient ainsi une superposition d'une photodiode pincée comportant successivement les couches 11, 10 et 12 dopées respectivement P, N et P et définissant la première jonction PN 1 au niveau des couches 10 et 11, les couches 11 et 12 étant connectées au même potentiel, par exemple la masse, et d'une autre photodiode comprenant une seconde jonction PN 2 comportant les couches 20 et 21 respectivement dopées N et P. La superposition des couches 10 et 12 forme une jonction PN de surface permettant de limiter le courant d'obscurité, le courant d'obscurité correspondant à un courant induit par des défauts de surface. Les différentes implantations sont réalisées de façon à obtenir une première jonction PN 1 située à une profondeur comprise entre 0 et 0,5 µm, et une seconde jonction PN 2 située à une profondeur comprise entre 2 et 5 µm. Le filtrage du rayonnement grâce à l'utilisation d'une jonction semi-conductrice enterrée dans un substrat semi-conducteur sous une jonction principale, comme la seconde jonction 2 implantée sous la première jonction 1, est explicité à l'aide des figures 3 et 4. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement sur un graphique le taux d'absorption des photons et le taux de génération de paires électron-trou au travers de l'épaisseur d'un substrat semi-conducteur en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident. Le graphique de la figure 3 présente sur trois courbes R, G et B l'évolution de la puissance optique (en ordonnée) en fonction de la profondeur de substrat traversée (en abscisse, en micromètres) pour trois longueurs d'ondes distinctes. La longueur d'onde considérée pour la courbe B correspond à du bleu (450 nm), la longueur d'onde considérée pour la courbe G correspond à du vert (550 nm) et la longueur d'onde considérée pour la courbe R correspond à du rouge (650 nm), l'infrarouge correspondant à des longueurs d'ondes supérieures à 650 nm. En ordonnée, la puissance optique est normalisée par rapport à la puissance du rayonnement incident avant l'entrée dans le substrat pour chaque longueur d'onde. A la lecture de ce graphique, on observe que la décroissance de la puissance optique du rayonnement incident est d'autant plus importante que la longueur d'onde du rayonnement est petite. Ainsi, un rayonnement de petite longueur d'onde est absorbé plus rapidement qu'un rayonnement de grande longueur d'onde. En effet, dans cet exemple la puissance optique du rayonnement bleu, courbe B, décroît plus vite que celle du rouge, courbe R, la puissance optique du rayonnement bleu étant quasi nulle après que les rayons incidents ont traversé 1,2 µm de substrat, alors que la puissance optique du rayonnement rouge n'a diminué que de moitié à une profondeur de 2,5 µm. Par conséquent, à une profondeur de substrat importante, par exemple plus de 2 µm, le rayonnement infrarouge qui possède des longueurs d'ondes supérieures aux longueurs d'ondes du visibles aura été beaucoup moins absorbé que le rayonnement visible, et le rayonnement infrarouge sera donc majoritaire à cette profondeur par rapport au rayonnement visible. Le graphique de la figure 4 présente pour les trois mêmes longueurs d'ondes que sur la figure 3 l'évolution du taux relatif de génération de paires électron-trou (en ordonnée) en fonction de la profondeur de substrat traversée (en abscisse, en micromètres). A la lecture de ce graphique, on observe que les faibles longueurs d'ondes ont un taux de génération de paires électron-trou plus élevé en surface, c'est-à-dire à faible profondeur du substrat, que les grandes longueurs d'ondes, alors qu'en profondeur, c'est-à-dire à une profondeur importante du substrat, les grandes longueurs d'ondes ont un taux de génération de paires électron-trou plus élevé que les faibles longueurs d'ondes. Ainsi, on peut observer que sur les premiers micromètres de substrat la majorité des paires électron-trou générées par le rayonnement incident seront générées par le rayonnement visible, les paires électron-trou générées par le rayonnement infrarouge étant négligeable. Alors qu'en profondeur, à partir d'environ 2 µm par exemple, les paires électron-trou générées seront majoritairement générées par le rayonnement infrarouge, les paires électron-trou générées par le rayonnement visible étant négligeable, la puissance du rayonnement visible étant moindre (figure 3) et le taux de génération de paires électron-trou étant également moindre que celle pour le rayonnement infrarouge. Ainsi sur la figure 2, on comprend que les paires électron-trou générées par le rayonnement incident au niveau de la première jonction 1 sont générées principalement par le rayonnement visible, tandis que les paires électron-trou générées au niveau de la seconde jonction 2 sont principalement générées par le rayonnement infrarouge. Les électrons issus du rayonnement infrarouge générés au niveau de la seconde jonction 2 sont alors évacués du photosite, tandis que les électrons de la première jonction générés principalement par le rayonnement visible créent un signal qui est mesuré au noeud de mesure SN. Ce signal ainsi mesuré est un signal correspondant au rayonnement visible filtré de la majeure partie du rayonnement infrarouge. Par ailleurs, la première jonction 1 est polarisée de manière intrinsèque à une première tension de polarisation V1 positive, tandis que la seconde jonction 2 est polarisée à une seconde tension de polarisation V2 positive. Afin d'améliorer le piégeage des électrons issus du rayonnement infrarouge dans la seconde jonction 2 et d'éviter qu'ils ne migrent vers la première jonction 1, la seconde tension de polarisation V2 est supérieure à la première jonction de polarisation intrinsèque V1. La première tension de polarisation V1 est générée intrinsèquement par le dopage de la photodiode pincée. Sur la figure 1, la première tension de polarisation V1 est la tension flottante définie par dopage de la diode pincée. Sur la figure 5 est représenté de manière schématique une vue en coupe d'un dispositif d'imagerie comprenant un ensemble de photosites 100 équipés de dispositifs de filtrage selon un premier mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'imagerie comprend, sur une même ligne ou un même colonne d'un réseau matriciel de photosites, un ensemble de photosites 100 équipés de dispositifs de filtrage. Chaque photosite 100 formé dans un substrat 3 semi-conducteur, initialement de conductivité positive, comprend une première jonction 1 semi-conductrice comportant une couche 10 de conductivité négative comprise entre deux couches 11 et 12 de conductivité positive formant une photodiode pincée, et une seconde jonction 2 semi-conductrice, enterrée dans le substrat 3 et disposée sous la première jonction 1, comportant une couche 20 de conductivité négative implantée au-dessus d'une couche 21 de conductivité positive, formant une autre photodiode. Les dispositifs de filtrages des photosites 100, c'est-à-dire les secondes jonctions 2, sont réalisés de manière à être mis en commun. Ainsi, la couche 20 de conductivité négative de la seconde jonction 2 est une couche continue réalisée en profondeur dans le substrat 3 de manière à obtenir une seconde jonction 2 continue sur toute la ligne ou sur toute la colonne de photosites. La couche 20 de la seconde jonction 2 continue est polarisée à la seconde tension de polarisation V2 de manière à évacuer les électrons générés au niveau de la seconde jonction 2. La première jonction 1 de chaque photosite 100, et plus particulièrement la couche 10 dopée N, est isolée de la première jonction 1 des photosites 100 adjacents. Pour cela, un mur d'isolation 4, en dioxyde de silicium par exemple, est implanté entre les premières jonctions 1 des photosites 100. Sur la figure 6 est représenté de manière schématique une vue en coupe d'un dispositif d'imagerie selon un second mode de réalisation, comprenant des photosites 101 équipés de dispositifs de filtrage et des photosites 110 non équipés de dispositifs de filtrage. Dans ce second mode de réalisation, le dispositif d'imagerie comprend, sur une même ligne ou un même colonne d'un réseau matriciel de photosites, une alternance de photosites 101 équipés de dispositifs de filtrage avec des photosites 110 non équipés de dispositifs de filtrage. Chaque photosite 101 formé dans un substrat 3 semi-conducteur, initialement dopé P, comprend une première jonction 1 semi-conductrice comportant une couche 10 dopée N comprise entre deux couches 11 et 12 dopées P formant une photodiode pincée, et une seconde jonction 2 semi-conductrice, enterrée dans le substrat 3 et disposée sous la première jonction 1, comportant une couche 20 dopée N implantée au-dessus d'une couche 21 dopée P, formant une autre photodiode. L'implantation de la couche 20 de la seconde jonction 2 est réalisée de manière à ce que les couches 11 et 21 respectivement des première et seconde jonctions 1 et 2 soient couplées ensemble. La première jonction 1 est réalisée de manière à conserver un accès à la couche 20 de la seconde jonction 2 en surface du photosite 100. La couche 20 de la seconde jonction 2 est configurée en formé de L avec une partie remontant en surface du substrat 3 de manière à polariser la seconde jonction 2 à la seconde tension de polarisation V2. La couche 10 de la première jonction 1 est isolée de la couche 20 de la seconde jonction 2 par un mur d'isolation 40. De part et d'autre d'un photosite 101 ainsi équipé de dispositifs de filtrage sont disposés des photosites 110 non équipés de dispositifs de filtrage. Un photosite 110 comprend une unique jonction 5 comportant une couche 50 dopée N comprise entre deux couches 51 et 52 dopées P, formant une photodiode pincée. Les photosites 101 équipés de dispositifs de filtrage sont isolés des photosites 110 non équipés de dispositifs de filtrage par des murs d'isolation 41 et 42. Dans un autre mode de réalisation, il est également possible de réaliser un dispositif d'imagerie comprenant des photosites équipés de dispositifs de filtrage de gammes de rayonnement différents. Les moyens de filtrage de chaque photosite sont ainsi réalisés à différentes profondeurs, de manière à filtrer le rayonnement non désirable dans le photosite. A titre d'exemple, un photosite configuré pour capter le rayonnement rouge comprendra un dispositif de filtrage comportant des moyens enterrés à une profondeur correspondant au filtrage du rayonnement infrarouge. Un photosite configuré pour capter le rayonnement bleu comprendra un dispositif de filtrage comportant des moyens enterrés à une profondeur correspondant au filtrage du rayonnement vert, du rayonnement rouge, et du rayonnement infrarouge. Un photosite configuré pour capter le rayonnement vert comprendra un dispositif de filtrage comportant des moyens enterrés à une profondeur correspondant au filtrage du rayonnement rouge, et du rayonnement infrarouge. REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie, comprenant au moins un photosite formé dans un substrat (3) semi-conducteur et équipé d'un dispositif de filtrage d'au moins un rayonnement non désiré, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage comprend des moyens enterrés dans le substrat (3) semi-conducteur à une profondeur dépendant de la longueur d'onde dudit rayonnement non désiré. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un rayonnement non désiré comprend un rayonnement infrarouge et lesdits moyens enterrés se situent à une profondeur comprise entre 2µm et 51um. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un photosite comporte une première jonction PN (1) semi- conductrice, et lesdits moyens enterrés comprennent une seconde jonction PN (2) semi-conductrice disposée sous la première jonction PN (1) semi-conductrice. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de filtrage comprend en outre des moyens de polarisation configurés pour polariser la deuxième jonction PN (2) à une tension (V2) supérieure à la tension de polarisation (Vl) de la première jonction PN (1). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un ensemble de photosites (100) adjacents équipés chacun d'un dispositif de filtrage, et les moyens enterrés desdits dispositif de filtrage des photosites adjacents sont couplés ensemble. 6. Dispositif selon les revendications 3 et 5, comprenant deux couches (20, 21) semi-conductrices continues de type de conductivité opposé, incorporant lesdites deuxièmes jonctions PN (2) desdits moyens enterrés associés auxdits photosites (100) adjacents. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant un premier groupe de photosites (110) non équipés desditsdispositifs de filtrage, et un deuxième groupe de photosites (101) équipés chacun d'un dispositif de filtrage. 8. Procédé de filtrage d'au moins un rayonnement non désiré illuminant au moins un photosite réalisé dans un substrat (3) semi- conducteur, caractérisé en ce qu'on réalise ledit filtrage dans ledit substrat (3) semi-conducteur à une profondeur dépendant de la longueur d'onde dudit rayonnement non désiré. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit au moins un rayonnement non désiré comprend un rayonnement infrarouge et on réalise ledit filtrage dans ledit substrat (3) semi-conducteur à une profondeur comprise entre 2µm et 51um. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le filtrage comprend un piégeage des électrons créés dans une seconde jonction semi-conductrice disposée sous une première jonction semi- conductrice du photosite. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on polarise la seconde jonction semi-conductrice à un potentiel (V2) de polarisation supérieur au potentiel de polarisation (Vl) de la première jonction semi-conductrice.