Brevet FR3030884A1 — publié le 20160624

STRUCTURE DE PIXEL A MULTIPLES PHOTOSITES Domaine technique L'invention est relative aux capteurs d'image, et plus particulièrement à des capteurs d'image utilisables dans un système de mise au point automatique à détection de phase. Arrière-plan La figure 1 représente schématiquement des éléments d'un système de mise au point automatique à détection de phase. Le système comprend deux séries de pixels photosensibles parallèles Pa et Pb placées dans le plan image d'un système optique ou lentille L. Les pixels de la première série Pa ont leur moitié droite masquée par une couche de métal M, tandis que les pixels de la deuxième série ont leur moitié gauche masquée. Chaque pixel est en outre surmonté d'une lentille de collimation de la taille du pixel. Avec cette configuration, compte tenu de l'inclinaison des rayons arrivant aux pixels et des lentilles de collimation, les pixels de la première série Pa voient essentiellement les rayons lumineux passant par la moitié gauche de la lentille L, tandis que les pixels de la deuxième série Pb voient essentiellement les rayons passant par la moitié droite de la lentille L. Si le réglage de mise au point de la lentille L n'est pas correct, les images saisies par les deux séries de pixels sont spatialement déphasées. Le système de mise au point 20 automatique est conçu pour mesurer ce déphasage et corriger le réglage de la lentille pour tendre vers l'alignement des deux images. Le fait de physiquement masquer chaque pixel photosensible dénature les caractéristiques des pixels, de sorte que leur intégration dans un capteur d'image principal peut diminuer la qualité de l'image et nécessiter un traitement correctif Ainsi, 25 de tels pixels masqués ont souvent été prévus dans un capteur séparé dédié à la mise au point. Plutôt que de réaliser un masquage physique des pixels, on peut envisager un masquage électronique en utilisant des pixels doubles, ayant deux photosites, comme cela est décrit dans la demande de brevet US 2014-0078337. De tels pixels peuvent être intégrés 30 dans le capteur d'image principal. Alors, pendant une phase de mise au point, le système utilise un seul des photosites des pixels doubles, celui de gauche ou de droite selon la rangée. Pour la prise de vue finale, le système utilise les deux photosites de chaque pixel et additionne les mesures. Cependant, dans une même surface et une même technologie de fabrication, un pixel double est moins performant qu'un pixel simple, notamment en termes de facteur de 5 conversion charge-tension, couramment désigné par CVF. Le facteur de conversion CVF contribue notamment à une bonne dynamique de l'image. Résumé On prévoit de façon générale un pixel de capteur d'image comprenant une matrice de quatre photosites ; une paroi d'isolation transversale séparant la matrice en deux rangées 10 de deux photosites ; une paroi d'isolation longitudinale séparant la matrice en deux colonnes de deux photosites, les deux extrémités de la paroi longitudinale étant en retrait par rapport aux bords de la matrice ; des premier et deuxième noeuds de conversion agencés dans les espaces laissés entre la paroi longitudinale et les bords de la matrice, chaque noeud de conversion étant commun à deux photosites adjacents ; et 15 une grille de transfert indépendante entre chaque photosite et le noeud de conversion correspondant. Les grilles de transfert peuvent être localisées autour des noeuds de conversion. Les noeuds de conversion peuvent être aux plus petites dimensions réalisables dans la technologie utilisée pour fabriquer le pixel. 20 Les deux extrémités de la paroi transversale peuvent être en contact avec les bords de la matrice. La matrice peut être délimitée par des parois isolantes périphériques. Le pixel peut comprendre une microlentille de collimation de la taille du pixel, commune aux quatre photosites. 25 Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un système de mise au point à détection de phase ; - la figure 2 est une vue de dessus d'éléments d'un pixel photosensible simple, dessinés à l'échelle dans une technologie de fabrication donnée ; - la figure 3 est une vue de dessus d'éléments d'un pixel double que l'on pourrait réaliser dans la même technologie que la figure 2 ; - la figure 4 est une vue de dessus d'éléments d'un pixel quadruple que l'on pourrait réaliser dans la même technologie ; et - la figure 5 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de pixel quadruple ayant un meilleur facteur de conversion que les pixels des figures 3 et 4. Description de modes de réalisation La figure 2 est une vue de dessus des principaux éléments d'un pixel photosensible simple réalisable dans une technologie CMOS pour pixels carrés de 4,1 i.tm de côté. Les éléments de la figure 2 et suivantes sont représentés à l'échelle, tels qu'ils sont dessinés sur des masques de gravure selon les règles de dessin propres à la technologie de fabrication. Le pixel est délimité par quatre parois isolantes optiquement et/ou électriquement formant une cuve 10. Les parois peuvent être des isolants en tranchée profonde de type DTI (« Deep Trench Isolator »), ou CDTI (« Capacitive DTI »), dont l'isolant est généralement de l'oxyde de silicium. Les isolants DTI s'étendent sur toute la hauteur de la couche active du pixel, généralement du silicium de type P faiblement dopé, et s'arrêtent sur le substrat sur lequel a été formée la couche active. La cuve 10 est divisée par un isolant DTI transversal 12 en un photosite 14 et une zone 16 servant à loger des circuits de commande du pixel. La zone 16 peut occuper sensiblement 25 % de la surface du pixel, comme cela est représenté. Un noeud de conversion capacitif 18 est agencé dans la zone 14 et jouxte la partie centrale de l'isolant DTI 12. Une grille de transfert 20, généralement en silicium polycristallin, est à cheval sur l'interface entre l'isolant 12 et la zone 14, et contourne le noeud 18. La grille de transfert 20 est configurée pour collecter le plus possible d'électrons générés dans le photosite 14 pour les transférer vers le noeud 18. Pour atteindre une bonne efficacité de collecte, compte tenu des dimensions du photosite, la grille 20 s'étend sur toute la largeur du pixel. Des pistes de métal représentées en noir relient le noeud 18 et la grille 20 à des circuits non représentés de la zone 16. Un critère de performance d'un pixel photosensible est son facteur de conversion charge-tension, noté CVF, exprimé en microvolts par électron. Ce critère est 5 inversement proportionnel à la capacité du noeud de conversion 18 et proportionnel au nombre d'électrons que la grille 20 parvient à collecter pour un niveau d'éclairage et une durée d'exposition donnés. L'influence de la capacité du noeud 18 étant prépondérante, on cherche à rendre cette capacité aussi petite que possible. Ainsi, le noeud 18 tel qu'il est représenté est aux plus petites dimensions réalisables dans la 10 technologie de fabrication utilisée. Les autres éléments du pixel ont également été dimensionnés pour atteindre un facteur CVF aussi élevé que possible. Le pixel de la figure 2 est utilisé ci-après comme référence pour comparer les performances des pixels à multiples photosites décrits ci-après, réalisables dans la même technologie. 15 La figure 3 est une vue de dessus d'un pixel à deux photosites. Le photosite 14 de la figure 2 est divisé en deux photosites 14a et 14b de même surface par un isolant DTI longitudinal 30 relié par ses extrémités à l'isolant périphérique 10. Chaque photosite est ainsi dans une cuve isolée, avec son propre noeud de conversion 18a, 18b et sa propre grille de transfert 20a, 20b. Chacune des grilles 20a, 20b occupe la largeur du photosite 20 respectif, comme la grille de transfert de la figure 2. Les noeuds 18a et 18b sont connectés ensemble par une piste de métal, tandis que chacune des grilles de transfert 20a, 20b peut être commandée de façon indépendante par une piste de métal respective. Du fait de l'ajout de l'isolant 30 et de la configuration des grilles 20a et 20b, qui 25 présentent un arc pour contourner les noeuds 18a et 18b, la surface utile du pixel perd environ 19 % par rapport au pixel simple de la figure 2. Par « surface utile » on entend la somme des surfaces utiles des photosites du pixel, puisque les charges de tous les photosites du pixel sont cumulées pour produire l'image finale après une éventuelle phase de mise au point. 30 Cependant, comme les noeuds 18a et 18b sont connectés ensemble, la capacité combinée de ces deux noeuds est le double de celle du noeud 18 de la figure 2. Il en résulte que le facteur CVF chute de 30 % environ par rapport à celui du pixel simple. La figure 4 est une vue de dessus d'un pixel à quatre photosites. Le photosite 14 de la figure 2 est divisé en une matrice de quatre photosites 14a à 14d de même surface par un isolant DTI longitudinal 30 et un isolant DTI transversal 40, chacun de ces isolants rejoignant l'isolant périphérique 10. Chaque photosite est ainsi dans une cuve isolée, avec son propre noeud de conversion 18'a, 18'b, 18c et 18d et sa propre grille de transfert 20'a, 20'b, 20c, et 20d. Un pixel à deux photosites du type de la figure 3, si on le considère comme orienté verticalement, est efficace pour mesurer un déphasage à l'aide d'un bord contrasté vertical dans l'image. En absence de bords verticaux dans l'image, la phase de mise au point peut échouer. Un pixel à quatre photosites du type de la figure 4 peut être utilisé indifféremment sur un bord vertical (en utilisant les photosites par colonnes), un bord horizontal (en utilisant les photosites par rangées) un bord oblique à 45° (en utilisant les photosites diagonaux 14b et 14c), et un bord oblique à -45° (en utilisant les photosites diagonaux 14a et 14d). Les noeuds de conversion 18 sont ici situés dans les coins intérieurs des photosites, du côté de la zone 16 pour les noeuds 18'a et 18'b, et du côté opposé pour les noeuds 18c et 18d. Tous les noeuds 18 sont connectés ensemble par une piste de métal qui peut passer sur l'isolant 30. Les grilles de transfert 20 peuvent être commandées individuellement par des pistes de métal respectives allant, pour les grilles du bas, vers la zone 16 du pixel et, pour les grilles du haut, vers la zone 16 du pixel adjacent supérieur (non représenté). Les grilles de transfert 20 ne s'étendent pas ici sur toute la largeur des photosites mais peuvent être localisées autour des noeuds de conversion, comme cela est représenté. En effet, comme chaque photosite est de forme quasi carrée et présente moins du quart de la surface du photosite du pixel simple de la figure 2, les grilles de transfert n'ont pas besoin d'occuper la largeur des photosites pour avoir une efficacité suffisante de collection d'électrons. Ainsi, la surface utile du pixel diminue de seulement 28 % environ par rapport à la figure 2. Le facteur de conversion CVF diminue d'environ 37 °A. Malgré une diminution limitée de la surface utile, la diminution du facteur CVF est importante du fait que la capacité combinée des noeuds de conversion est quasi quadruplée par rapport au pixel simple de la figure 2. La figure 5 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de pixel à quatre photosites ayant un meilleur facteur de conversion que le pixel de la figure 4 et même que le pixel double de la figure 3. Contrairement au pixel de la figure 4, l'isolant DTI longitudinal, désigné ici par 30', n'est pas relié à l'isolant entourant la matrice (isolant 10 d'un côté et 12 de l'autre). Les extrémités de l'isolant 30' sont suffisamment en retrait par rapport aux bords de la matrice pour loger un noeud de conversion à chaque extrémité, un noeud désigné par 18ab commun aux photosites 14a et 14b, et un noeud désigné par 18cd commun aux photosites 14c et 14d. Ainsi, les photosites 14a et 14b ne sont pas totalement isolés l'un de l'autre. Il en va de même pour les photosites 14c et 14d. L'isolation entre photosites des pixels est en principe souhaitée pour limiter la diaphonie entre photosites, c'est-à-dire la migration d'électrons d'un photosite vers l'autre, venant perturber les mesures et dégrader la qualité de l'image. Une telle diaphonie n'est en réalité pas gênante dans les applications envisagées du pixel de la figure 5. En effet, lors de la saisie de l'image finale, les charges des quatre photosites sont cumulées, de sorte qu'une diaphonie entre les photosites est sans effet. La diaphonie pourrait perturber la phase de mise au point, mais les techniques de mise au point sont robustes et insensibles aux effets de la faible diaphonie qui pourrait résulter des passages étroits aux extrémités de l'isolant 30'. Cette configuration permet de gagner 2 % en surface utile par rapport à la figure 4, c'est-à-dire que la surface utile diminue de seulement 26 % par rapport à la figure 2. Par contre, cette structure permet de diviser par deux la capacité cumulée des noeuds de conversion par rapport à la figure 4, amenant une diminution du facteur de conversion de seulement 17 % environ par rapport au pixel simple de la figure 2. Chacun des pixels précédemment décrits est de préférence surmonté d'une microlentille de collimation de la taille du pixel. Ainsi, les quatre photosites du pixel de la figure 5 sont couverts par la même microlentille. Les microlentilles près des bords du capteur d'image peuvent éventuellement être décalées pour compenser le vignettage, selon des techniques connues.30 REVENDICATIONS1. Pixel de capteur d'image comprenant : - une matrice de quatre photosites (14a-14d) ; - une paroi d'isolation transversale (40) séparant la matrice en deux rangées de deux photosites ; - une paroi d'isolation longitudinale (30') séparant la matrice en deux colonnes de deux photosites, les deux extrémités de la paroi longitudinale étant en retrait par rapport aux bords de la matrice ; - des premier et deuxième noeuds de conversion (18ab, 18cd) agencés dans les espaces laissés entre la paroi longitudinale et les bords de la matrice, chaque noeud de conversion étant commun à deux photosites adjacents ; et - une grille de transfert indépendante (20'a, 20'b, 20c, 20d) entre chaque photosite et le noeud de conversion correspondant. 2. Pixel selon la revendication 1, dans lequel les grilles de transfert sont localisées autour des noeuds de conversion. 3. Pixel selon la revendication 1, dans lequel les noeuds de conversion sont aux plus petites dimensions réalisables dans la technologie utilisée pour fabriquer le pixel. 4. Pixel selon la revendication 1, dans lequel les deux extrémités de la paroi transversale (40) sont en contact avec les bords de la matrice. 5. Pixel selon la revendication 1, dans lequel la matrice est délimitée par des parois isolantes périphériques (10). 6. Pixel selon la revendication 1, comprenant une microlentille de collimation de la taille du pixel, commune aux quatre photosites.