Brevet FR2963163A1 — publié le 20120127

B10-1913FR 1 Procédé de réinitialisation d'un photosite et photosite correspondant L'invention concerne les photosites, notamment les photosites à illumination en face arrière, et plus particulièrement leur réinitialisation. L'invention s'applique notamment aux dispositifs d'imagerie à illumination en face arrière. Un photosite comprend au moins une photodiode et une zone de tranchées d'isolation de la ou des photodiodes. La figure 1 illustre un dispositif d'imagerie à illumination en face avant, tel que par exemple celui décrit dans l'article de Matsunaga et al., Electron Devices, IEEE Transactions, May 1991, 38 - 5, pp. 1044 - 1047 et l'article de Yamashita et al., Electron Devices Meeting, 1988. IEDM '88. Technical Digest., International, 1988, pp. 78 - 81. Ce dispositif est à illumination en face avant. Par dispositif à illumination en face avant, on entend un dispositif dans lequel les photons traversent la partie d'interconnexion (comportant notamment des pistes métalliques ou niveaux de métal, séparés par des couches diélectriques et interconnectées pour certaines d'entre elles par des vias entre les niveaux de métal) située au dessus des composants actifs et notamment le transistor de lecture, avant d'arriver sur la photodiode. Cette partie d'interconnexion est communément désignée par l'homme du métier sous le vocable anglo-saxon de BEOL (Back End of Line). Le dispositif comprend un substrat 1 présentant un dopage de type n, dans lequel une zone 2 de dopage p est réalisée, par exemple par implantation. Au dessus d'une telle structure, sont réalisés une zone active 3 au sein de laquelle a lieu la dissociation des charges par effet photoélectrique, et deux zones (4,5) de dopage P+, situées de part et d'autre de la zone active de façon à former les régions de source et de drain d'un transistor ayant ici deux grilles (6, 7) superposées. En fonctionnement, les charges sont accumulées dans la zone active 3 au cours d'un cycle. Les charges sont accumulées parce que la zone 2 de dopage p forme une barrière de potentiel empêchant les charges de rejoindre le substrat 1. Les charges accumulées sont mesurées par intégration par le transistor. Au début d'un nouveau cycle, la charge photogénérée accumulée doit être dissipée. Pour cela, une impulsion de potentiel est appliquée au niveau de la grille 6 afin de supprimer le puits de potentiel dans la zone active 3. Le puits de potentiel supprimé, les charges photogénérées peuvent traverser la zone 2 afin d'être évacuées dans le substrat 1 agissant comme une zone de drainage. L'évolution actuelle en matière de dispositifs d'imagerie favorise les dispositifs à illumination en face arrière pour leur rendement quantique élevé. Le rendement quantique est le rapport entre le nombre de charges photogénérées et le nombre de photons incidents. Un dispositif d'imagerie à illumination en face arrière est un dispositif d'imagerie dans lequel les photons arrivent directement sur la photodiode, ladite partie d'interconnexion étant réalisée du coté de la photodiode opposé au coté par lequel les photons arrivent, ledit substrat ayant été retiré lors de la réalisation du composant. Cependant, l'enseignement de l'état de la technique n'est pas compatible avec de tels dispositifs d'imagerie à illumination par la face arrière. En effet, dans le cas d'une configuration de la photodiode dite illumination par la face arrière, le substrat n'est plus présent et ne peut donc plus être utilisé en tant que zone de drainage. Selon un mode de mise en oeuvre, il est proposé un procédé de réinitialisation pour des dispositifs bénéficiant d'une illumination en face arrière. Par réinitialisation, on entend la dissipation de la charge photogénérée emmagasinée dans le dispositif. Selon un aspect, on définit un procédé de réinitialisation d'un photosite, dans lequel la réinitialisation des charges photogénérées accumulées dans le photosite comprend une recombinaison des charges photogénérées avec des charges de polarité opposée. Un tel procédé présente l'avantage de ne pas requérir de couche de drainage pour la réinitialisation des charges photogénérées. Selon un mode de mise en oeuvre, le photosite peut être limitée latéralement par au moins deux tranchées d'isolation profonde réalisées dans une région semiconductrice et possédant chacune une partie interne électriquement conductrice ; la recombinaison peut comprendre une création dans ladite région semiconductrice et au voisinage extérieur de l'une au moins des tranchées d'isolation profonde, de charges de polarité opposée à celle desdites charges photogénérées, et un déplacement desdites charges photogénérées vers les charges générées. Ladite création peut comprendre l'application d'une différence de potentiel entre la région seminconductrice et la partie interne électriquement conductrice de ladite au moins une tranchée d'isolation profonde. On peut appliquer ladite différence de potentiel entre la région de drain d'un transistor réalisé dans et sur ladite région semiconductrice et ladite au moins une tranchée d'isolation profonde. Ledit déplacement peut comprendre une application d'une différence de potentiel entre les parties internes électriquement conductrices des deux tranchées d'isolation profonde. La différence de potentiel appliquée entre au moins deux tranchées d'isolation profonde peut changer de valeur de façon périodique. Une application d'une différence de potentiel alternative permet de régénérer des charges qui vont être impliquées dans la recombinaison avec des charges photogénérées. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif microélectronique comprenant un photosite destiné à accumuler des charges photogénérées, et des moyens de recombinaison configurés pour recombiner les charges photogénérées avec des charges de polarité opposée. Le dispositif peut comprendre au moins deux tranchées d'isolation profonde limitant latéralement le photosite, lesdites tranchées étant réalisées dans une région semiconductrice destinée à accumuler les charges photogénérées, chaque tranchée possédant une partie interne électriquement conductrice, et les moyens de recombinaison comprennent des premiers moyens configurés pour créer au voisinage extérieur de l'une au moins des tranchées d'isolation profonde des charges de polarité opposée à celle desdites charges photogénérées et des deuxièmes moyens pour déplacer lesdites charges photogénérées vers les charges créées. Les premiers moyens peuvent comprendre des moyens aptes à appliquer une différence de potentiel entre la région semiconductrice au voisinage extérieur d'une tranchée d'isolation profonde et la partie interne électriquement conductrice de ladite tranchée d'isolation profonde. Les deuxièmes moyens peuvent comprendre des moyens électriques couplés aux tranchées d'isolation profonde et apte à appliquer une différence de potentiel entre les parties intérieurement conductrices desdites tranchées d'isolation profonde. Le dispositif peut comprendre un transistor formé directement sur le photosite, dans lequel une zone semiconductrice dopée relie le drain du transistor à l'interface entre la région semiconductrice située au voisinage d'une tranchée d'isolation profonde, et la couche de matériau diélectrique de ladite tranchée d'isolation profonde. La zone semiconductrice dopée présente l'avantage de renouveler les charges créées qui sont détruites par recombinaison avec des charges photogénérées. Selon un autre aspect, il est proposé un imageur comprenant au moins un dispositif microélectronique tel que défini ci-avant. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, illustre un dispositif d'imagerie selon l'état de la technique antérieur, - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif d'imagerie selon l'invention, - la figure 3 illustre un schéma électrique équivalent du dispositif d'imagerie de la figure 2, - la figure 4 illustre un exemple de schéma temporel des signaux appliqués aux différentes bornes de commande d'un dispositif d'imagerie selon l'invention, - la figure 5 illustre des exemples des différents potentiels au sein d'un dispositif d'imagerie selon l'invention lors de la création des charges, et - la figure 6 illustre des exemples des différents potentiels au sein d'un dispositif d'imagerie selon l'invention lors du déplacement des charges photogénérées. Sur la figure 2, un dispositif DIS d'imagerie comporte une région semiconductrice 10 par exemple du silicium dopé P- adjacente à une couche 11 de dopage N- formant une photodiode PN destinée à être illuminée en face arrière, c'est-à-dire au travers de la couche 11. L'extension latérale du dispositif d'imagerie est délimitée par des tranchées d'isolation profonde (12, 13), elles-mêmes entourées de tranchées d'isolation peu profonde 14. Les tranchées d'isolation profonde (12, 13) sont des tranchées comprenant une couche extérieure de matériau diélectrique (12b, 13b) remplies d'un matériau électriquement conducteur (12a, 13a). La partie interne électriquement conductrice 12a, la couche de diélectrique 12b et la région semiconductrice 10 située au voisinage de la couche de diélectrique 12b forment une structure capacitive du type métal-oxyde-semiconducteur (MOS). La partie interne électriquement conductrice 13a, la couche de diélectrique 13b et la région semiconductrice 10 située au voisinage de la couche de diélectrique 13b forment également une structure capacitive. On appelle photosite la structure comprenant notamment la photodiode PN (10,11) et les capacités MOS (12a,12b,10 et 13a,13b,10). Un transistor de transfert est formé en surface de la région semiconductrice 10. Des zones de source 16 et de drain 15 sont réalisées dans des dopages de type N+, chacune étant directement adjacente à une tranchée d'isolation peu profonde 14 (STI, de l'anglais Shallow Trench Isolation), tout en étant séparées par une zone active 17. Le transistor comprend une grille de commande 18 située au dessus de la zone active 17 et isolée du reste du dispositif par une couche d'isolant 19. Une zone semiconductrice dopée N+ 20 relie la source 15 du transistor à l'interface 12c entre la région semiconductrice 10 et la couche de diélectrique 12b. Des contacts sur les parties internes électriquement conductrices des tranchées ainsi que sur la région de grille et de drain permettent d'appliquer respectivement sur ces régions des tensions Vrst2, Vrstl, Vgate et Vdd. Un contact sur la région de source permet de mesurer la tension Vcol sur cette région de source. Un imageur, ou capteur d'image, IMG, comprend au moins un dispositif DIS et généralement une matrice de photosites. Un tel capteur est avantageusement un capteur à illumination en face arrière. Sur la figure 3, on peut voir les éléments électriques équivalents du dispositif d'imagerie décrit en rapport à la figure 2. On retrouve d'une part le transistor de lecture 22 et d'autre part les structures capacitives précitées. Le substrat 10 n'est pas connecté à la masse, mais est soumis à un potentiel flottant par l'intermédiaire des structures capacitives. La figure 4 illustre les phases de fonctionnement du photosite. La première phase est la phase d'intégration. Lors de la phase d'intégration, le transistor de lecture est bloqué, des charges sont photogénérées et accumulées dans le photosite. La phase suivante est une première phase de lecture, notée CDS1, au cours de laquelle une première valeur de tension de collecteur Vcol est mesurée. Pour cela, la tension de grille Vgate est modifiée pour débloquer le transistor. A l'issue de cette mesure, la tension de grille Vgate est modifiée à nouveau pour bloquer le transistor. I1 s'en suit une phase de réinitialisation des charges photogénérées, au cours de laquelle, par exemple, le potentiel Vrstl appliqué sur la première tranchée d'isolation profonde 12 varie alternativement entre une valeur haute et une valeur basse. Simultanément, le potentiel Vrst2 appliqué sur la deuxième tranchée d'isolation profonde 13 est maintenu constant à une valeur haute. L'application de ces potentiels permet, lorsqu'ils sont égaux, de créer des charges de polarité opposée à celle des charges photogénérées et lorsqu'ils sont différents de déplacer les charges photogénérées et de stimuler leur recombinaison avec les charges de polarité opposée retenues dans cette zone sur des sites de piégeage de charges. Les sites de piégeage de charges comprennent les défauts structuraux présents à l'interface entre la couche de diélectrique (12b,13b) et la région semiconductrice 10. Ces défauts structuraux apparaissent spontanément et peuvent être créés par différentes méthodes connues de l'homme du métier, comme par exemple un bombardement localisé par faisceau de particules. L'application de potentiels différents permet également de repousser, sous effet électrostatique, les électrons accumulés à l'interface et d'attirer les trous vers cette interface, favorisant au cours de cette période transitoire, la recombinaison des paires électrons-trous. La dernière phase est une deuxième phase de lecture, notée CDS2, au cours de laquelle une deuxième valeur de tension Vcol est mesurée. Pour cela, la tension de grille Vgate est modifiée pour débloquer le transistor. A l'issue de cette mesure, la tension de grille Vgate est modifiée à nouveau pour bloquer le transistor. La deuxième valeur de tension Vcol caractérise la déplétion totale de la région 10. La région 10 étant de dopage N, les porteurs majoritaires qu'elle contient sont des électrons. Au sein de ces porteurs majoritaires, une partie est dite libre, ou charges libres de part leur aptitude à se déplacer dans le réseau cristallin de la région 10. Lorsque la région 10 est totalement déplétée, les porteurs majoritaires sont dépourvus de charges libres. Seule reste la charge correspondant aux dopants qui auront perdus leur charge libre. Le signal utile correspond à la différence entre les deux valeurs de tension Vcol. A l'issue de cette dernière phase, le photosite est disponible pour une nouvelle phase d'intégration. La figure 5 illustre la création de charges de polarité opposée à celle des charges photogénérées et des premiers moyens de création de charges. Par effet photoélectrique, des charges photogénérées sont créées lors de l'exposition du dispositif à un rayonnement électromagnétique, par exemple de la lumière. Ici, les charges photogénérées sont des trous. Pour créer une couche d'électrons avec lesquels on pourra recombiner les trous photogénérés, on applique sur les tranchées d'isolation profonde (12, 13) un potentiel supérieur au potentiel appliqué sur le drain 15. La structure métal-oxyde-semiconducteur (MOS) définie par une partie interne électriquement conductrice 12a, une couche diélectrique 12b et une région semiconductrice 10, est alors considérée comme une capacité polarisée en inversion. Les électrons de la région semiconductrice 10 sont attirés vers l'interface 12c avec la couche diélectrique 12b. Par ailleurs, l'interface 12c est reliée à l'interface 13c. L'interface 12c et l'interface 13c sont alors portées au même potentiel. Le phénomène de capacité polarisée en inversion se manifeste donc également dans la structure MOS comprenant la partie interne électriquement conductrice 12a, la couche diélectrique 12b et la région semiconductrice 10. Avec l'application des potentiels décrits ci-dessus, on obtient donc au voisinage de la surface extérieure des tranchées d'isolation profonde, des couches (12d, 13d) de charges (ici des électrons) de polarité opposée à la polarité des charges photogénérées. Ces charges sont également et principalement fournies par le drain du transistor surfacique, ce drain se comportant comme la source de charges d'inversion d'une capacité MOS réalisée avec les tranchées profondes. Des valeurs possibles sont un potentiel égal à +3V sur les tranchées d'isolation profonde (12, 13) et un potentiel de Vd = +2.5V sur le drain 15. Lorsque les potentiels appliqués sur les tranchées d'isolation profonde (12, 13) deviennent différents, l'effet permettant la création de charges de polarité opposée à celle des charges photogénérées est rompu. Les charges créées de polarité opposée disparaissent, à l'exception de certaines, qui demeurent piégées dans des sites de piégeage de charges. La figure 6 illustre le déplacement des charges photogénérées et les deuxièmes moyens de déplacement des charges photogénérées. A ce stade de la réinitialisation, le dispositif d'imagerie comprend des charges photogénérées 21 présentes dans la région semiconductrice 10 et des charges créées (12d, 13d) présentes aux interfaces (12c, 13c). Le procédé de réinitialisation se poursuit avec le déplacement des charges photogénérées vers les interfaces (12c, 13c) en générant un champ électrique. Les charges photogénérées, dont une des caractéristiques est de pouvoir se déplacer librement, sont soumises à une force de Coulomb. Les charges photogénérées se déplacent alors colinéairement au champ électrique généré. Pour générer un champ électrique, on modifie le potentiel d'au moins une des tranchées d'isolation profonde de façon à créer un gradient spatial de potentiel entre au moins deux tranchées d'isolation profonde (12, 13). On peut par exemple appliquer un potentiel Vrstl = +3V sur une première tranchée d'isolation profonde 12 et un potentiel Vrst2 = -1V sur une deuxième tranchée d'isolation profonde 13. I1 apparaît alors un gradient de potentiel permettant d'attirer les charges photogénérées vers la deuxième électrode capacitive d'isolation profonde 13, les charges photogénérées étant ici des trous. Lorsque les charges photogénérées arrivent au voisinage de l'interface 13c, une recombinaison électron-trou a lieu avec les électrons 13d créés et restés localisés sur les pièges de charges présents dans cette zone. Toutefois, la quantité d'électrons 13d disponibles peut être insuffisante pour permettre la recombinaison de toutes les charges photogénérées. I1 est alors intéressant d'attirer les charges photogénérées vers la première tranchée d'isolation profonde 12. Pour cela, on change la direction du gradient de potentiel, par exemple en appliquant un potentiel Vrstl = -1V sur la première tranchée d'isolation profonde 12, un potentiel Vrst2 = +3V sur la deuxième tranchée d'isolation profonde 13 tout en maintenant un potentiel de Vd = +2.5V sur le drain 15. Lors de la durée du trajet des charges photogénérées de l'interface 13c vers l'interface 12c, les électrons présents à l'interface peuvent être renouvelés depuis le drain 15 du transistor par l'intermédiaire de la zone semiconductrice 20 dopée N-, de la première interface 12c et de la couche 11 dopée N-. Lors de l'arrivée des charges photogénérées au voisinage de l'interface 12c, une recombinaison électron-trou a lieu. I1 est ainsi possible d'alterner les recombinaisons sur les interfaces (12c,13c) jusqu'à réinitialisation complète des charges photogénérées. Durant toute la phase de réinitialisation, on bloque le transistor en appliquant un potentiel Vgate = -1V sur la grille de commande. Par ailleurs, les charges photogénérées déplacées au voisinage des interfaces (12c, 13c), qui ne subiraient pas une recombinaison, peuvent être piégées par les sites de piégeage de charges présents dans cette zone de la même façon que les charges de polarité opposée créées peuvent être piégées. Lors de la création de nouvelles charges destinées à la recombinaison, les charges photogénérées piégées sur les défauts sont alors recombinées. On notera que certains sites de piégeage de charges dits amphotères peuvent piéger simultanément des charges positives et négatives. Ces sites présentent l'intérêt de pouvoir attirer simultanément les charges photogénérées et les charges de polarité opposée. Lorsque les deux types de charge sont attirés, la recombinaison à lieu sur le site de piégeage. Ces sites permettent d'améliorer la probabilité de recombinaison. Comme on peut le voir, le présent dispositif d'imagerie permet une réinitialisation de la charge accumulée par recombinaison desdites charges et non par élimination via une couche de drainage comme dans l'état de l'art antérieur. Par ailleurs, l'utilisation de tranchées d'isolation profonde (12,13) permet de combiner isolation des photosites entre eux et réinitialisation des charges photogénérées. REVENDICATIONS1. Procédé de réinitialisation d'un photosite, dans lequel la réinitialisation des charges photogénérées accumulées dans le photosite comprend une recombinaison des charges photogénérées (21) avec des charges de polarité opposée (12d, 13d). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le photosite est limitée latéralement par au moins deux tranchées d'isolation profonde (12, 13) réalisées dans une région semiconductrice (10) et possédant chacune une partie interne électriquement conductrice (12a), et ladite recombinaison comprend : - une création dans ladite région semiconductrice et au voisinage extérieur de l'une au moins des tranchées d'isolation profonde (12, 13), de charges de polarité opposée à celle desdites charges photogénérées, - un déplacement desdites charges photogénérées vers les charges créées. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite création comprend l'application d'une différence de potentiel entre la région seminconductrice (10) et la partie interne électriquement conductrice (12a) de ladite au moins une tranchée d'isolation profonde (12). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on applique ladite différence de potentiel entre la région de drain (15) d'un transistor réalisé dans et sur ladite région semiconductrice (10) et ladite au moins une tranchée d'isolation profonde (12,13). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ledit déplacement comprend une application d'une différence de potentiel entre les parties internes électriquement conductrices (12a,13a) des deux tranchées d'isolation profonde (12, 13). 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la différence de potentiel appliquée entre au moins deux tranchées d'isolation profonde (12, 13) change de valeur de façon périodique. 7. Dispositif microélectronique comprenant un photosite destinée à accumuler des charges photogénérées, et des moyens de recombinaison configurés pour recombiner des charges photogénérées avec des charges de polarité opposée. 8. Dispositif selon la revendication 7 comprenant au moins deux tranchées d'isolation profonde (12,13) limitant latéralement le photosite, lesdites tranchées étant réalisées dans une région semiconductrice destinée à accumuler lesdites charges photogénérées, chaque tranchée possédant une partie interne électriquement conductrice, et les moyens de recombinaison comprennent des premiers moyens configurés pour créer au voisinage extérieur de l'une au moins des tranchées d'isolation profonde (12, 13) des charges de polarité opposée à celle desdites charges photogénérées et des deuxièmes moyens pour déplacer lesdites charges photogénérées vers les charges créées. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les premiers moyens comprennent des moyens aptes à appliquer une différence de potentiel entre la région semiconductrice (10) au voisinage extérieur d'une tranchée d'isolation profonde (12, 13) et la partie interne électriquement conductrice (12a, 13a) de ladite tranchée d'isolation profonde (12, 13), et les deuxièmes moyens comprennent des moyens électriques couplés aux tranchées d'isolation profonde (12, 13) et aptes à appliquer une différence de potentiel entre les parties intérieurement conductrices (12a,13a) desdites tranchées d'isolation profonde (12, 13). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, comprenant un transistor formé directement sur le photosite, dans lequel une zone semiconductrice dopée (20) relie le drain (15) du transistor à l'interface (12c) entre la région semiconductrice (10) située au voisinage d'une tranchée d'isolation profonde (12, 13), et la couche de matériau diélectrique (12b, 13b) de ladite tranchée d'isolation profonde (12, 13). 11. Imageur comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications 7 à 10.