Brevet FR3031237A1 — publié le 20160701

CAPTEUR D'IMAGE A PIXELS ACTIFS EN TECHNOLOGIE CMOS A MULTIPLICATION D'ELECTRONS DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les capteurs d'image à pixels actifs, en technologie CMOS, à multiplication d'électrons. La structure de base d'un pixel actif de capteurs d'image en technologie CMOS, comprend un élément photosensible qui recueille les électrons photo-générés par la lumière dans une phase d'intégration, un élément de stockage des charges photo-générées, qui permet la lecture du pixel et quelques transistors qui assurent notamment des fonctions d'initialisation, transfert, conversion charges/tension. i.o L'élément photosensible est habituellement une photodiode, et de préférence une photodiode auto-polarisée, ou « pinned ». Dans une telle photodiode, si on prend l'exemple d'une structure formée dans un substrat semi-conducteur dopé P, la couche de diffusion N réalisée en surface du substrat est recouverte d'une fine couche de diffusion fortement dopée P±, 15 qui permet de fixer le potentiel de surface à celui du substrat. Une telle photodiode a alors un potentiel interne constant égal appelé potentiel de construction (built-in), et qui dépend des concentrations des dopants. Les capteurs dits à multiplication d'électrons intègrent en plus, dans la structure même de pixel actif, un dispositif de multiplication 20 d'électrons. L'effet de multiplication des électrons est obtenu en provoquant des déplacements d'électrons dans le semi-conducteur, avec des tensions d'accélération telles que des électrons secondaires sont arrachés du semiconducteur, par effet d'ionisation par impact. Pour un même nombre de photons, le pixel produit donc plus d'électrons, qui sont transférés vers la 25 région de stockage. Dans l'invention, on s'intéresse plus particulièrement à des capteurs dont la structure de multiplication comprend au moins une grille isolée adjacente à un élément semi-conducteur construit comme une photodiode auto-polarisée, c'est-à-dire dont le potentiel interne se développe 30 à une valeur fixe dite de construction, comme décrit précédemment. Cet élément semi-conducteur peut être l'élément photosensible du pixel, comme décrit par exemple dans la demande FR2961347. La multiplication a alors lieu en même temps que la photo-génération d'électrons, à l'intérieur de la 303 1 2 3 7 2 photodiode, le temps que dure la phase d'intégration du pixel. L'ensemble des électrons photo-générés et multipliés est ensuite transféré vers le noeud de stockage, pour la phase de lecture du pixel. Il peut aussi s'agir d'un élément semi-conducteur propre à la 5 structure de multiplication, comme décrit par exemple dans les demandes EP2503596, EP2503776. La structure de multiplication comporte alors deux grilles de multiplication de part et d'autre d'une diode auto-polarisée, qui sert de région de transit pour les charges qui vont et viennent, pendant la phase de multiplication, entre la région sous une grille et la région sous l'autre grille, au rythme des alternances de potentiels qui leur sont appliquées. Plus précisément, le mouvement des électrons depuis la région sous une grille, vers la région sous l'autre grille, est contrôlé en appliquant sur la première grille un potentiel « bas » créant sous cette grille une barrière de potentiel, à un niveau de potentiel bas par rapport au potentiel fixé de la diode ; et en appliquant sur la seconde grille un potentiel « haut » créant sous cette grille un puits permettant de recueillir les électrons, à un niveau de potentiel suffisamment haut par rapport au potentiel interne fixé de la diode pour permettre le phénomène d'ionisation par impact. A l'alternance suivante on inverse les potentiels « haut » et « bas » appliqués aux grilles. Le nombre d'alternances dépend du facteur de multiplication désiré. A la fin de la phase de multiplication, tous les électrons sont stockés dans le puits de potentiel sous une des grilles et transférés vers le noeud de stockage du pixel. PROBLEME TECHNIQUE Ces structures de multiplication permettent d'améliorer la réponse du capteur, spécialement pour les bas niveaux de lumière. Le niveau de signal est augmenté, avec un gain par exemple de l'ordre de 5 à 10, qui est en proportion du nombre d'alternances de potentiels haut et bas appliquées à la structure de multiplication. Le niveau de bruit (dit bruit plancher) étant constant, on améliore le rapport signal sur bruit pour les bas niveaux de lumière. Mais en contrepartie, on sature plus vite. C'est ce qu'illustre schématiquement la figure 1. La courbe 1 en trait continu montre le nombre d'électrons lus en sortie en fonction du nombre de photons reçus dans un pixel actif standard, dans lequel le nombre 35 d'électrons produits est égal au nombre d'électrons photo-générés (si on 3031237 3 néglige le bruit). La courbe 2 en traits discontinus montre le nombre d'électrons lus en sortie en fonction du nombre de photons reçus dans un pixel actif à structure de multiplication : le nombre d'électrons produits est égal au nombre d'électrons photo-générés et multipliés. On voit que la 5 multiplication permet d'abaisser le niveau de détection de signal du capteur : on va dépasser plus tôt le niveau de bruit plancher (le bruit de la chaîne de lecture). Mais on va aussi saturer plus tôt, en B', sauf à prévoir une modulation du gain de multiplication des électrons en fonction du niveau de lumière, comme proposé dans les demandes de brevet EP2503596 et i.o EP2503776 précitées : Il y est proposé de réaliser, pour chaque phase de lecture d'un pixel, plusieurs (deux) cycles d'intégration et lecture de charges, avec un gain de multiplication qui est différent à chaque fois. La variation de gain est obtenue en variant le nombre d'alternances appliquées et/ou la durée de la phase d'intégration. C'est le circuit de lecture qui ensuite 15 détermine pour chaque pixel, par test, quel est le signal à conserver. De cette façon, on sait réaliser des capteurs à large dynamique, capable de fonctionner aussi bien dans des ambiances à très faible lumière ou très forte lumière ; et aussi des capteurs capables de fournir des images qui sont elles-mêmes très contrastées. 20 Mais ceci est obtenu au prix d'une plus grande complexité de l'électronique pour assurer le séquencement et la répétition des différentes phases de capture/transfert/multiplication dans le pixel, tout en s'accommodant des contraintes d'une lecture par double échantillonnage corrélé (lecture CDS). 25 RESUME DE L'INVENTION La présente invention a pour but de proposer une autre solution à cette problématique. L'idée est d'obtenir, par conception, une modulation intrinsèque du gain dans la structure de multiplication du pixel. Cette 30 modulation intrinsèque qui s'exerce dans chaque pixel, permet d'augmenter la dynamique du capteur, à la fois vers les bas niveaux (on détecte plus tôt) et vers les hauts niveaux (on sature plus tard). On a vu que le principe de multiplication dans le pixel utilise le phénomène d'ionisation par impact. Dans la structure basée sur une grille 35 isolée de multiplication adjacente à une diode auto-polarisée à un potentiel 3031237 4 fixé, ce phénomène se produit lorsque l'on créé sous la grille un puits de recueil de charges par application d'un potentiel haut, plus haut que le potentiel fixé de la diode; dès lors que le champ électrique qui s'établit entre ce puits et cette région de diode du fait de leur différence de potentiel est 5 suffisant. Au fur et à mesure du remplissage du puits, le volume de charges dans le puits tend à abaisser le potentiel interne du puits : le champ électrique diminue. En deçà d'une valeur critique, le champ électrique n'est plus suffisant à permettre une ionisation par impact. 10 L'idée à la base de l'invention est d'exploiter cet effet naturel d'amortissement du champ électrique avec la quantité de charges, par une configuration astucieuse du « volume » du puits, pour réduire progressivement le gain de multiplication dans un pixel, et l'éteindre à un moment opportun. 15 Si on reprend la figure 1, ce que l'on cherche à obtenir dans l'invention, c'est une courbe d'évolution du signal du pixel correspondant à la courbe 3 en pointillé sur la figure : c'est-à-dire détecter très tôt, au point A ou avant, mais saturer très tard, au point B. L'invention propose à cet effet une configuration astucieuse de la 20 grille de multiplication, permettant de créer, par cette configuration, un puits de potentiel sous la grille, qui présente deux parties : une partie plus profonde, adjacente à la diode auto-polarisée, et une partie moins profonde, adjacente ou non à cette diode. La partie A est configurée (taille en cm2, profondeur en volt) de manière à ce que le volume de charges maximum que 25 peut contenir la partie A détermine le moment d'extinction du phénomène d'ionisation par impact. Au début de la multiplication, les électrons venant de la région de diode auto-polarisée, sont attirés par la partie du puits plus profonde, car c'est entre ce puits et l'élément semi-conducteur que s'exerce le plus fort 30 champ électrique. Cette partie plus profonde du puits va se remplir plus vite de charges que ne l'aurait fait un puits qui présenterait une même profondeur sous toute la surface de grille. Lorsque cette partie plus profonde du puits est remplie, les électrons peuvent continuer à se déverser dans le puits, en débordant vers la 35 partie moins profonde. A ce moment l'effet de multiplication s'éteint. Le 3031237 5 champ électrique entre la région de diode auto-polarisée et le puits passe sous la valeur critique. La structuration du puits en deux parties, avec une partie plus profonde que l'autre, adjacente à la région de diode auto-polarisée, permet ainsi d'ajuster le seuil qui permet d'éteindre par 5 construction, l'effet d'ionisation par impact. Plus précisément l'invention propose un capteur d'image à pixels actifs en technologie CMOS formé dans un substrat d'un premier type de conductivité. Chaque pixel comprend un élément photosensible produisant 10 des charges sous l'effet de la lumière et une structure de multiplication de charges. La structure de multiplication comprend au moins une grille isolée de multiplication adjacente à une diode auto-polarisée à un potentiel interne fixe, la grille isolée étant adaptée à recevoir une série d'alternances de potentiels, créant alternativement sous la grille isolée, un puits de recueil 15 pour les charges et une barrière, relativement au niveau de potentiel interne de la diode auto-polarisée. Selon l'invention, la grille isolée et la région semiconductrice sous la grille isolée sont configurées de manière que le puits créé sous la grille comporte deux parties, une première partie, adjacente à la diode auto-polarisée, à un niveau de potentiel plus éloigné du niveau de 20 potentiel interne de photodiode que celui d"une deuxième partie, cette deuxième partie étant de préférence adjacente à la diode auto-polarisée. Dans une mise en oeuvre, la région semi-conductrice sous la grille isolée comporte deux parties, une première partie qui est dopée du second type conductivité pour établir la première partie du puits, et une deuxième 25 partie qui est dopée du premier type de conductivité pour établir la deuxième partie du puits. Dans une autre mise en oeuvre, les deux parties de puits sont établies, en réalisant un dopage différencié de la grille elle-même : la grille réalisée en silicium polycristallin est dopée du deuxième type de conductivité 30 dans une première partie de grille pour établir la première partie du puits ; elle est dopée du premier type de conductivité dans une deuxième partie pour établir la deuxième partie du puits. La différence de dopage dans les deux parties de grille conduit au développement d'un potentiel d'extraction métal/semiconducteur différent dans chaque partie, selon le type de dopage : 3031237 6 à partir d'une même tension de grille, on établit ainsi les deux parties du puits selon l'invention. Dans une autre mise en oeuvre, la grille isolée est divisée en deux sous-grilles : une première sous-grille pour établir la première partie du puits 5 ; et une deuxième sous-grille pour établir la deuxième partie du puits. Et pendant les alternances prévues pour créer un puits de recueil de charges sous la grille, les deux sous-grilles sont adaptées pour recevoir simultanément des potentiels hauts différents, de manière à fixer la région semi-conductrice sous la première sous-grille à un niveau de potentiel qui est 10 plus éloigné du niveau de potentiel interne de diode que le niveau de potentiel de la région semi-conductrice sous la deuxième sous- grille. L'invention s'applique à une structure de pixel actif à étage de multiplication qui peut être réalisé dans le pixel, et dans l'élément photosensible du pixel, ou bien dans le pixel, et en dehors de l'élément 15 photosensible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1, illustre schématiquement la courbe de réponse d'un pixel actif, en nombre d'électrons, en fonction du nombre de photons reçus, avec et sans étage de multiplication ; - la figure 2 illustre schématiquement le principe général d'un puits en deux parties sous une grille de multiplication selon l'invention ; 25 - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversale et de dessus d'une structure connue de pixel actif à étage de multiplication, dans un exemple où l'étage de multiplication comprend deux grilles de multiplication de part et d'autre d'une région intermédiaire à potentiel fixe ; - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en coupe 30 transversale et de dessus d'une telle structure de multiplication à deux grilles, selon une première mise en oeuvre du principe de l'invention ; - la figure 7 montre les signaux de commande appliqués à ces deux grilles en phase de multiplication ; 3031237 7 - la figure 8 illustre la barrière et le puits créé respectivement sous une grille et sous l'autre pendant une des alternances, avec une telle structure de multiplication selon l'invention ; - les figures 9 et 10 sont des vues schématiques en coupe 5 transversale et de dessus d'une structure de multiplication, suivant une variante de la première mise en oeuvre ; - les figures 11 et 12 sont des vues schématiques en coupe transversale et de dessus d'une structure de multiplication, selon une deuxième mise en oeuvre du principe de l'invention ; 10 - la figure 13 montre les signaux de commande appliqués aux grilles de la structure précédente dans la phase de multiplication ; et - la figure 14 montre divers exemples de formes (surfaces) des deux parties de puits sous une grille de multiplication selon l'invention pour une structure de multiplication dont la diode auto-polarisée est la photodiode 15 du pixel. DESCRIPTION DETAILLEE L'invention est décrite en prenant l'exemple d'un capteur d'image réalisé dans une technologie CMOS sur substrat semi-conducteur dopé de 20 type P. Les photodiodes des pixels y sont formées par des régions fortement dopées de type N. Les charges utiles photogénérées et multipliées dans les pixels y sont des électrons. Mais l'invention s'applique à des dispositifs similaires dans lesquels les charges utiles seraient des trous. Pour cela les types de conductivité des différentes régions dopées indiqués ci-après seront 25 inversés et les potentiels appliqués aux différentes grilles pour les transferts de charge seront de signe opposé à ceux indiqués ci-après. Une structure de base d'un étage de multiplication EM d'un pixel comprend une grille isolée de multiplication Gm adjacente à une diode Dl auto-polarisée à un potentiel interne Vbi dit potentiel de construction. Sur la 30 figure 2, les régions semi-conductrices correspondant à ces éléments Gm et Dl sont très schématiquement illustrées en vue de dessus. Typiquement, la grille Gm est une grille réalisée en polysilicium et isolée du substrat par une couche de diélectrique d'épaisseur appropriée (pour supporter la différence de potentiel appliquée entre la grille et le substrat). La diode Dl est formée d'une région dopée N, surmontée d'une fine région dopée P en surface qui 3031237 8 est maintenue à un potentiel de référence, qui est le potentiel de référence du substrat (la masse). On a vu précédemment en référence à la demande de brevet FR précitée, que cette diode pouvait être la photodiode du pixel elle-même. Dans le cas contraire, la diode est propre à la structure de 5 multiplication dans laquelle elle sert de région de transit, et cette structure est généralement protégée par masque optique de la lumière. Selon l'invention, on configure la grille Gm et la région sous la grille, en deux parties a et b, telles que, lorsque (pendant une phase de multiplication) on applique un potentiel haut Vh sur cette grille, on crée un 10 puits de potentiel relativement au potentiel interne fixe Vbi de la région de diode adjacente, Dl. Et ce puits est en deux parties : une partie a qui est plus profonde qu'une partie b et qui est adjacente à la région de diode Dl. Ainsi, le puits est plus profond dans la partie a. Cette partie a étant adjacente à la région de diode, un champ électrique s'exerce qui attire en les 15 accélérant des électrons, depuis la région de diode Dl vers la partie a de puits. Ce champ est suffisamment grand pour permettre une ionisation par impact, libérant des électrons du semi-conducteur, les électrons ainsi arrachés venant augmenter la quantité d'électrons libres. Dire que le champ électrique est suffisamment grand veut dire que ce champ est supérieur à zo une valeur critique qui est de l'ordre de 100 KV/cm. La partie a du puits délimite un volume de charges correspondant : ce volume est délimité par la surface (en cm2) de la partie a et la différence de potentiel AV1 entre les parties a et b, c'est-à-dire la profondeur (en volts) de la partie a relativement à la partie b. 25 Plus précisément : la région de diode Dl est au potentiel Vbi ; la partie a est, en l'absence de charges, à un potentiel interne Va ; la partie b est elle à un potentiel interne Vb. Les potentiels vérifient Vbi REVENDICATIONS1. Capteur d'image à pixels actifs en technologie CMOS formé dans un substrat d'un premier type de conductivité (P), dans lequel chaque pixel comprend un élément photosensible (PHD) produisant des charges sous l'effet de la lumière et une structure de multiplication de charges (EM), et dans lequel la structure de multiplication comprend au moins une grille isolée de multiplication (Gm) adjacente à une diode auto-polarisée (Dl) à un potentiel interne fixe (VO, la grille isolée étant adaptée à recevoir une série d'alternances de potentiels, créant alternativement sous la grille isolée, un puits de recueil des charges et une barrière, relativement au niveau de potentiel interne de la diode, caractérisé en ce que la grille isolée et la région semi-conductrice sous la grille isolée sont configurées de manière que le puits de recueil de charges créé sous la grille comporte deux parties, une première partie (a), adjacente à la diode auto-polarisée, à un niveau de potentiel plus éloigné du niveau de potentiel interne de la diode que celui d'une deuxième partie (b), cette deuxième partie étant ou non adjacente à la diode auto-polarisée. 2. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel la grille isolée de multiplication (G2, Gm) est adjacente à une grille isolée de transfert de charges (TR2, TRm) vers un noeud de stockage du pixel, pour la lecture, caractérisé en ce que ladite première partie (a) est adjacente sur un bord à la diode auto-polarisée (Dl) et adjacente sur un bord opposé à la région sous la grille de transfert vers le noeud de stockage. 3. Capteur d'image selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la région semi-conductrice sous la grille isolée de multiplication (G1, G2, Gm) comporte deux parties, une première partie (r1 a), qui est dopée du second type conductivité (N) pour établir la première partie (a) du puits, et une deuxième partie (r1b) qui est dopée du premier type de conductivité (P) pour établir la deuxième partie (b) du puits. 4. Capteur d'image selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la grille isolée de multiplication (G1, G2, Gm) est réalisée en silicium 3031237 20 polycristallin dopé du deuxième type de conductivité (N) dans une première partie (g1 N) de grille pour établir la première partie (a) du puits, et dopé du premier type de conductivité (P) dans une deuxième partie (g1p) de grille, pour établir la deuxième partie (b) du puits. 5 5. Capteur d'image selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille isolée de multiplication est divisée en deux sous-grilles (gi a, gl une première sous-grille (g1a) pour établir la première partie (a) du puits et une deuxième sous-grille (g1b) pour établir la deuxième partie (b) du puits, et en ce que pendant les alternances prévues pour créer un puits de recueil de charges sous la grille pendant une phase de multiplication, les deux sous-grilles sont adaptées pour recevoir simultanément des potentiels hauts différents (Vha, Vhb), de manière à fixer la région semi-conductrice sous la première sous-grille à un niveau de potentiel qui est plus éloigné du niveau 15 de potentiel interne (VO de diode que le niveau de potentiel de la région semi-conductrice sous la deuxième sous-grille. 6. Capteur d'image selon la revendication 1, dans lequel la grille isolée de multiplication (G2, Gm) est adjacente à une grille isolée de transfert 20 de charges (TR2, TRm) vers un noeud de stockage du pixel, pour la lecture, caractérisé en ce que la grille isolée de multiplication est divisée en deux sous-grilles (g2a, g2b), une première sous-grille (g2a) adjacente sur un bord à la diode auto-polarisée, pour établir la première partie (a) du puits et une deuxième sous-grille (g2b) qui entoure la première sous-grille (g2a) sauf sur 25 le bord adjacent à la diode auto-polarisée, pour établir la deuxième partie (b) du puits, et en ce que pendant les alternances prévues dans une phase de multiplication pour créer un puits de recueil de charges sous la grille, les deux sous-grilles sont adaptées pour recevoir simultanément des potentiels hauts différents (Vha, Vhb), de manière à fixer la région semi-conductrice 30 sous la première sous-grille à un niveau de potentiel qui est plus éloigné du niveau de potentiel interne (VO de diode que le niveau de potentiel de la région semi-conductrice sous la deuxième sous-grille et dans une phase de transfert vers le noeud de stockage, les deux sous-grilles sont adaptées pour recevoir simultanément des potentiels identiques ou différents fixés en fonction d'un potentiel établi dans la région sous la grille de transfert. 3031237 21 7. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une structure de multiplication dans laquelle la diode auto-polarisée (Dl) est constituée par l'élément photosensible (PHD) du pixel. 5 8. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la structure de multiplication comprend deux grilles isolées de multiplication (G1) de part et d'autre de la diode auto-polarisée (Dl), avec une première grille isolée de multiplication (G1) séparée de l'élément 10 photosensible (PHD) du pixel par une grille isolée de transfert (TR1), et une deuxième grille isolée de multiplication (G2) qui est adjacente à la grille isolée de transfert de charges (TR2) vers le noeud de stockage du pixel, caractérisé en ce que la deuxième grille (G2) est configurée telle que la première partie (a) de région sous grille est adjacente sur un bord à la diode 15 auto-polarisée, et est adjacente sur un bord opposé à la grille de transfert (TR2) qui sépare la deuxième grille (G2) du noeud de stockage (18), et la première grille (G1) est configurée telle que la première partie (a) de région sous grille est adjacente sur un bord à la diode auto-polarisée, et est adjacente ou non sur un bord opposé, à la grille de transfert (TR1) qui sépare 20 la première grille de l'élément photosensible. 9. Capteur d'image selon la revendication 6, dans lequel la structure de multiplication comprend deux grilles isolées de multiplication (G1) de part et d'autre de la diode auto-polarisée (Dl), avec une première 25 grille isolée de multiplication (G1) séparée de l'élément photosensible (PHD) du pixel par une grille isolée de transfert (TR1), et une deuxième grille isolée de multiplication (G2) qui est adjacente à la grille isolée de transfert de charges (TR2) vers le noeud de stockage du pixel, caractérisé en ce que la première et la deuxième grille (G2) sont configurées de manière identique, 30 telle que la première partie (a) de région sous grille est adjacente sur un bord à la diode auto-polarisée (Dl), et la deuxième partie (b) entoure la première partie (a), sauf sur le bord adjacent à la diode auto-polarisée (Dl).