Brevet FR3007578A1 — publié le 20141226

B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 1 RÉALISATION D'UN ÉLÉMENT DE CAPTEUR D'IMAGE Domaine La présente invention concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, la réalisation d'un pixel pour dispositif d'acquisition d'image. Exposé de l'art antérieur Les capteurs d'image basés sur des matrices de photodiodes définissant des pixels d'image sont de plus en plus répandus. On associe souvent le terme pixel, qui se réfère en principe à l'image, à l'élément unitaire d'un capteur d'image, c'est-à-dire à une photodiode. Dans certaines applications, on cherche à réaliser des pixels de grande taille (de plus de quelques micromètres de côté). On a déjà proposé de simuler un pixel de grande taille au moyen de plusieurs pixels interconnectés. Toutefois, cela ne permet pas d'obtenir la dynamique et la sensibilité que l'on peut espérer atteindre en augmentant la taille de la photodiode d'un pixel. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise 20 à proposer une nouvelle structure d'élément de capteur d'image qui pallie tout ou partie des inconvénients des éléments usuels. B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 2 Un autre mode de réalisation de la présente description vise à proposer un élément de capteur d'image particulièrement adapté à une taille importante allant de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres. Un autre mode de réalisation de la présente description vise à proposer une solution ne nuisant pas à la rapidité de traitement des signaux. Un autre mode de réalisation de la présente description est de proposer une structure compatible avec les 10 traitements habituels des signaux produits par la photodiode. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, on prévoit un élément de capteur d'image dont la topographie présente, au centre d'une photodiode, une grille de transfert de forme annulaire définissant une zone centrale à 15 l'intérieur de laquelle sont intégrés des transistors. Selon un mode de réalisation, la grille de transfert a une forme octogonale. Selon un mode de réalisation, la zone centrale intègre au moins un transistor de réinitialisation et au moins un 20 transistor monté en source suiveuse. Selon un mode de réalisation, la zone centrale intègre en outre un transistor de lecture. Selon un mode de réalisation, l'élément comporte quatre microlentilles respectivement sur quatre quartiers de 25 l'élément. Selon un mode de réalisation, les côtés ont une dimension comprise entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres, de préférence entre 10 et 30 micromètres. 30 Selon un mode de réalisation, on prévoit également un capteur d'image comportant un réseau matriciel d'éléments. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 3 de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente le schéma électrique d'un mode de réalisation d'un élément de capteur d'image auquel s'applique 5 la présente description ; la figure 2 est une vue de dessus illustrant un exemple de topographie usuelle d'un élément de capteur d'image ; la figure 3 représente la topographie d'un mode de réalisation d'un élément de capteur d'image ; 10 la figure 4 est un agrandissement schématique d'une zone centrale du pixel de la figure 3 ; la figure 5 est une vue de dessus de l'élément de la figure 3 équipé de microlentilles ; et la figure 6 illustre, de façon très schématique, un 15 mode de réalisation d'un capteur d'image. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation 20 décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, les étapes de fabrication des éléments de capteur d'image en matrice pour réaliser un capteur ou un dispositif d'acquisition d'image n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les techniques couramment 25 utilisées dans l'industrie microélectronique. De plus, la génération des signaux de commande et l'exploitation des signaux fournis par le capteur d'image et ses éléments n'ont pas non plus été détaillées, les modes de réalisation décrits étant là encore compatibles avec les techniques usuelles. On utilisera 30 parfois le terme pixel pour désigner un élément d'un capteur d'image, c'est-à-dire un circuit élémentaire traité, du point de vue de l'image exploitée, comme un pixel de celle-ci. Dans la description qui suit, sauf indication contraire, on utilise des qualificatifs de position (droite, 35 gauche, haut, bas, etc.) et d'orientation (vertical, horizontal, B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 4 oblique dessus, dessous, etc.) en considérant arbitrairement l'orientation des figures. Sauf indication contraire, les expressions approximativement, sensiblement et de l'ordre de, signifient à 10 pourcent près. La figure 1 représente le schéma électrique d'un exemple de pixel 1 dit à quatre transistors (41) ou à grille de transfert. Une photodiode (jonction PN) a son anode électriquement connectée à la masse et sa cathode reliée, par l'intermédiaire d'un transistor Ni, généralement MOS à canal N, à un noeud SN de détection (sense node). Le noeud SN est destiné à stocker temporairement un niveau de potentiel représentatif des charges reçues par la photodiode sous l'effet de l'éclairement. Ce noeud SN est relié à la grille d'un transistor N2, généralement MOS à canal N, monté en source suiveuse, entre une borne 12 d'application d'un potentiel d'alimentation (VDD) et un transistor N3, généralement MOS à canal N, de lecture. La source du transistor N3 est connectée à un conducteur 14 de colonne (COL) et reçoit, sur sa grille, un signal de commande READ en lecture. Pour réinitialiser le pixel entre deux périodes d'intégration et de lecture, le noeud SN est, par ailleurs, connecté par l'intermédiaire d'un transistor N4 de réinitialisation, généralement MOS à canal N, à une borne 12' d'application d'un potentiel VRT de réinitialisation. La grille du transistor N4 reçoit un signal RST de commande en réinitialisation. Le plus souvent, les bornes 12 et 12' sont confondues, les potentiels VRT et VDD étant identiques. L'ensemble de l'élément est entouré d'une tranchée d'isolement, STI (Shallow Trench Isolation) ou DTI (Deep Trench Isolation), séparant le pixel des pixels voisins dans l'arrangement matriciel formant le capteur d'image. Le fonctionnement d'un pixel tel qu'illustré en figure 1 est usuel. On fixe une période d'intégration pendant laquelle la diode PD accumule des charges. Puis, le transistor Ni (généralement appelé grille de transfert) est rendu passant pour B12750 - 13-GR2C0-0276FRO1 transférer les charges au noeud SN, les transistors N4 et N3 étant ouverts. La lecture du potentiel sur le noeud SN s'effectue en rendant passant le transistor N3. En fin de lecture, le noeud SN est réinitialisé au potentiel VRT par le 5 transistor N4. La figure 2 représente un exemple de topographie d'un pixel du type de celui représenté en figure 1. La photodiode est réalisée sous la forme d'une jonction de surface carrée. La grille G1 du transistor Ni s'étend le long d'un côté de la photodiode (par exemple le côté droit) et est reliée par un conducteur vertical à une ligne de commande horizontale d'application d'un signal de commande TG. Les trois autres transistors N2, N3 et N4 sont disposés sur un autre côté de la photodiode. Les grilles respectives des transistors N2, N3 et N4 ont été référencées G2, G3 et G4. Dans l'exemple de la figure 2, on suppose que les bornes 12 et 12' sont confondues c'est-à-dire que le potentiel appliqué au drain D2 du transistor N2 est identique au potentiel appliqué au drain D4 du transistor N4. Les sources respectives des transistors N3 et N4 ont été référencées S3 et S4. Dans certaines réalisations, le transistor N3 est omis et la commande en lecture est obtenue par une modulation du signal appliqué sur le drain D2 du transistor N2 qui, dans ce cas, n'est pas identique au potentiel VRT (bornes 12 et 12' distinctes). Une topographie telle qu'illustrée par la figure 2 convient généralement pour des pixels ayant une taille jusqu'à quelques micromètres. Pour des pixels de taille plus importante, cette topographie pose plusieurs problèmes. D'une part, le temps de transfert entre les régions de la photodiode qui sont éloignées de la grille de transfert et le noeud SN devient trop long par rapport à la fréquence des périodes d'intégration. De plus, la taille de la grille de transfert devient vite démesurée. Or, plus le transistor Ni a B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 6 une taille importante, plus la surface disponible pour capter la lumière est réduite pour une taille de pixel donnée. On a déjà proposé d'améliorer la canalisation des charges vers la grille de transfert en jouant sur le dopage de 5 l'anode de la photodiode. Toutefois, cette technique s'avère insuffisante lorsque la taille augmente de trop. Une autre difficulté est de préserver un facteur de transfert de charge élevé (CVF, Charge to Voltage Factor). Ce facteur dépend essentiellement de la valeur de la capacité 10 parasite CSN illustrée en pointillés en figure 1 représentant la capacité du noeud de détection. Plus cette capacité est importante, plus le facteur de transfert est faible. Or, en augmentant la longueur de la grille de transfert au niveau de la photodiode, on accroît également la valeur de la capacité CSN et 15 on dégrade donc le facteur de transfert CVF. En outre, en augmentant la taille des régions des transistors et de la grille de transfert en périphérie d'une photodiode, on nuit à la symétrie du pixel, donc à l'efficacité du dispositif d'acquisition d'image réalisé. 20 Les inventeurs prévoient de réaliser une topographie particulière dans laquelle la grille de transfert est placée au centre du pixel (au centre de la photodiode). La figure 3 représente une topographie d'un mode de réalisation d'un élément 1 de capteur d'image. 25 La figure 4 est un agrandissement schématique d'une zone centrale 3 du pixel. Selon ce mode de réalisation, les transistors associés à l'élément de capteur d'image sont réalisés au centre du pixel. Par exemple, la grille G1 du transistor Ni, ou grille 30 de transfert, a une forme annulaire, de préférence octogonale, centrée sur le centre de la photodiode PD. L'élément 1 est réalisé à l'intérieur d'une tranchée d'isolement STI (ou DTI) de forme carrée, délimitant la photodiode, donc le pixel, par rapport aux pixels voisins. On notera donc que les quartiers de 35 la photodiode ne sont pas isolés les uns des autres. B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 7 Tous les transistors (N2, N3, N4) sont réalisés à l'intérieur de l'espace défini par la grille Gl. Par ailleurs, le noeud de mesure SN est également réparti à l'intérieur de cet espace. Dans l'exemple des figures 3 et 4, le noeud SN est réalisé en quatre portions alignées avec les diagonales de la structure. En variante, on pourra prévoir un autre nombre de portions, par exemple huit, deux alignées avec la verticale, deux alignées avec l'horizontale et deux alignées avec chacune des diagonales. Un tel mode de réalisation, de préférence octogonal, de la grille de transfert améliore considérablement le facteur de transfert de charge de la structure tout en réduisant la valeur de la capacité parasite CSN. En particulier, pour une taille de pixel donnée, la longueur de la grille de transfert G1 est inférieure à celle qu'il serait nécessaire de réaliser dans une structure du type de celle de la figure 2. En outre, de par la position centrale de la grille de transfert, la distance sur laquelle les charges sont transférées est réduite et en conséquence l'efficacité du transfert est améliorée. De préférence, pour des raisons de symétrie, le transistor N2 comporte deux grilles G2, la région de source S2 commune au transistor N3 étant approximativement au centre de la structure. Dans l'exemple d'orientation donnée aux figures, les grilles G2 sont alignées horizontalement avec le centre de la structure. Les grilles G3 et G4 des transistors N3 et N4 sont, par exemple, alignées verticalement avec le centre de la structure. Les connexions électriques respectent le schéma électrique de la figure 1 et ressortent mieux de la vue agrandie de la figure 4. Par exemple, les portions de noeud SN sont interconnectées aux grilles G2 par deux pistes verticales 21 et 23 reliées par une piste horizontale 24 connectant également la source S4 du transistor N4. Comme dans l'exemple de la figure 2, on suppose que les drains D2 et D4 des transistors N2 et N4 sont interconnectés (piste 25) et reliés à la borne 12. La B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 8 grille G3 du transistor N3 est reliée à un conducteur 26 traversant la structure horizontalement pour recevoir le signal READ. Le signal TG est appliqué sur la grille G1 à l'aide d'un ou plusieurs conducteurs horizontaux. La grille G4 du transistor N4 est reliée à un conducteur 27 traversant horizontalement la structure pour recevoir le signal RST. La source S3 du transistor N3 est reliée à un conducteur 28 destiné à être connecté au conducteur de colonne COL. A la différence d'une topographie dans laquelle la 10 grille de transfert serait susceptible d'être partagée entre plusieurs pixels en étant réalisée au centre de la structure, on est ici en présence d'une unique photodiode, la tranchée d'isolement TDI étant périphérique à l'ensemble de la structure. Pour favoriser l'écoulement des charges depuis les 15 différentes régions de la photodiode jusqu'à la grille de transfert, on prévoit une adaptation des niveaux de dopage afin de créer des canaux d'écoulement de charge (30, figure 3). Les canaux ont, par exemple, une forme conique s'élargissant vers la grille de transfert. On pourra toutefois prévoir des canaux 20 rectilignes voir des canaux multi-doigts. De façon habituelle dans une réalisation matricielle, les différents conducteurs d'alimentation, de commande et de lecture du pixel sont organisés en lignes et en colonnes. La figure 5 est une vue de dessus d'une topographie 25 reprenant les éléments de la figure 3, dans laquelle on a illustré la présence de quatre microlentilles 32 de focalisation sur les quatre quartiers du pixel. Les microlentilles sont centrées sur les quartiers respectifs du pixel et non sur le centre du pixel faute de quoi, la focalisation interviendrait 30 dans la zone 3 des transistors. Cette figure fait ressortir un avantage de cette topographie qui est de rendre un pixel de dimensions importantes (plus de 10 gm de côté) compatible avec l'utilisation de plusieurs microlentilles de focalisation. On améliore ainsi la sensibilité du pixel. B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 9 La figure 6 représente, de façon très schématique, un exemple de réalisation d'une structure matricielle de plusieurs éléments 1 du type illustré par la figure 3. On retrouve, au centre de chaque pixel, une structure 3 de transistors intégrés telle qu'illustrée par les figures 3 et 4. Pour simplifier la représentation, les interconnexions en lignes et en colonnes n'ont pas été illustrées. Ces interconnexions sont en elles-mêmes usuelles, les modes de réalisation décrits respectant le nombre et l'exploitation des signaux d'un pixel usuel. Les modes de réalisation décrits ci-dessus permettent d'augmenter considérablement la taille des pixels sans nuire au facteur de transfert de charge ni au rapport d'encombrement des transistors par rapport à la photodiode. En particulier, la symétrie obtenue dans la structure proposée est particulièrement avantageuse. Un autre avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils sont compatibles avec les générations et exploitations usuelles des signaux de commande d'un pixel. Un autre avantage des modes de réalisation qui ont été 20 décrits est qu'ils sont en outre compatibles avec les technologies de fabrication habituelles des capteurs d'image. A titre d'exemple particulier de réalisation, un pixel tel qu'illustré par les modes de réalisation précédents a une taille comprise entre quelques micromètres et quelques dizaines 25 de micromètres de côté, typiquement entre 10 et 30 micromètres. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'on ait fait référence à une réalisation préférée de la grille de transfert de forme octogonale, on 30 pourra prévoir une forme circulaire ou tout autre forme polygonale adaptée. La réalisation octogonale présente cependant l'avantage que les régions de la grille de transfert sont, au niveau de chaque quartier de la photodiode, particulièrement adaptées à optimiser la collection des charges. Enfin, la mise 35 en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits B12750 - 13-GR2C0-0276FR01 10 est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des techniques de fabrication en elles-mêmes usuelles. REVENDICATIONS1. Elément (1) de capteur d'image dont la topographie présente, au centre d'une photodiode (PD), une grille de transfert (G1) de forme annulaire définissant une zone centrale (3) à l'intérieur de laquelle sont intégrés des transistors (N2, N3, N4). 2. Elément selon la revendication 1, dans lequel la grille de transfert (G1) a une fo= octogonale. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la zone centrale (3) intègre au moins un transistor (N4) de 10 réinitialisation et au moins un transistor (N2) monté en source suiveuse. 4. Elément selon la revendication 3, dans lequel la zone centrale (3) intègre en outre un transistor (N3) de lecture. 15 5. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant quatre microlentilles (32) respectivement sur quatre quartiers de l'élément. 6. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont les côtés ont une dimension comprise entre quelques 20 micromètres et quelques dizaines de micromètres, de préférence entre 10 et 30 micromètres. 7. Capteur d'image comportant un réseau matriciel d'éléments conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.