Brevet FR3089086A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Dispositif imageur intégré avec une capacité de stockage des charges améliorée [0001] Des modes de réalisation de l'invention concernent les circuits intégrés, notamment les circuits intégrés imageurs, et en particulier l'amélioration de la gamme dynamique des dispositifs imageurs. [0002] Un dispositif imageur comporte classiquement une matrice de pixels aptes à convertir un signal lumineux incident en charges électrique. Dans chaque pixel, les charges générées dans une zone photosensible, classiquement une photodiode, sont transférée vers un noeud de lecture couplé à un circuit de transfert et à un circuit de traitement comportant par exemple un convertisseur analogique-numérique apte à convertir la charge électrique représentative de l'illumination du pixel en une valeur numérique. [0003] La valeur de l'illumination d'un pixel peut prendre un nombre de valeurs dépendant de la gamme dynamique du dispositif imagcur, c'est-à-dire la capacité du dispositif imageur à distinguer un nombre plus ou moins grand d'intensité lumineuse. [0004] Il est possible d'augmenter la gamme dynamique d'un dispositif imagcur en réalisant des combinaisons de plusieurs captures. Cependant, les capteurs d'image permettant la mise en oeuvre de tels procédés comportent des circuits spécifiques souvent complexes, au détriment de l'encombrement surfacique du circuit intégré. [0005] 11 existe un besoin d'obtenir un dispositif imagcur à grande gamme dynamique présentant un encombrement surfacique réduit. [0006] Selon un mode de réalisation, il est donc proposé un dispositif imagcur permettant de réaliser des images à grande gamme dynamique dans lequel les pixels présentent un encombrement surfacique réduit. [0007] Selon un aspect, il est proposé un dispositif imageur intégré comportant au moins un pixel comprenant au moins une tranchée s'étendant dans le substrat, ladite au moins une tranchée étant tapissée d'un matériau isolant et comprenant un empilement d'une première région de poly-silicium inférieure et d'au moins une deuxième région de poly-silicium supérieure séparées par une couche dudit matériau isolant. [0008] La réalisation de deux régions de poly-silicium à l'intérieur d'une même tranchée est donc particulièrement avantageuse dans le cas d'un pixel, car cela permet par exemple de réaliser au sein d'une même tranchée deux éléments distincts ayant deux fonctions distinctes (par exemple une grille de transfert enterrée et un condensateur ou bien une région d'isolation périphérique et un condensateur) avec un encombrement surfacique réduit. [0009] Cela étant, plus généralement, une telle tranchée peut avantageusement être in- 2 corporée à tout dispositif ou circuit intégré. [0010] En effet dans cc cas la réalisation de deux régions de poly-silicium à l'intérieur d'une même tranchée est particulièrement avantageuse car cela permet par exemple la réalisation de deux composants capacitifs distincts avec un encombrement surfacique réduit. [0011] Ainsi selon un autre aspect plus général, il peut être proposé un dispositif ou circuit intégré comprenant au moins une tranchée s'étendant dans le substrat, ladite au moins une tranchée étant tapissée d'un matériau isolant et comprenant un empilement d'une première région de poly-silicium inférieure et d'au moins une deuxième région de poly-silicium supérieure séparées par une couche dudit matériau isolant. [0012] Quelle que soit l'application envisagée, la première région de poly-silicium réalisée plus profondément dans le substrat est avantageusement isolée des composants réalisés au niveau de la face avant du substrat. [0013] C'est par exemple le cas, comme cela sera évoqué ci-après, où la première région de poly-silicium forme une grille de transfert d'un pixel, cette grille de transfert étant alors isolée du noeud de lecture du pixel implanté peu profondément dans le substrat. [0014] Dans le cadre d'un dispositif imagcur intégré, le pixel peut comporter un condensateur dont une première électrode comporte la deuxième région de polysil icium, dont le diélectrique est formé par le matériau isolant, et dont la deuxième électrode est couplée à une région de stockage, par exemple un noeud de lecture, configurée pour stocker des charges représentatives d'une illumination du pixel, le pixel comportant en outre des moyens de polarisation aptes à polariser distinctement la première région de poly-silicium et la deuxième région de poly-silicium. [0015] Coupler un condensateur à une région de stockage de charges permet avanta- geusement d'augmenter la capacité de stockage de ladite région par la polarisation de la deuxième région de poly-silicium à une valeur appropriée. [0016] En variante il serait possible de prévoir que le pixel comprenne une métallisation reliant la deuxième région de poly-silicium et ladite région de stockage. [0017] Ceci permet d'augmenter la capacité de la région de stockage (noeud de lecture) sans avoir besoin d'utiliser les moyens de polarisation mentionnés ci-avant. [0018] Ledit empilement peut être surmonté par une région de matériau isolant. [0019] Ajuster la proportion de poly-silicium et de matériau isolant dans l'empilement permet d'ajuster la taille des deux régions de poly-silicium et dont d'ajuster l'effet capacitif du condensateur. [0020] Dans une première variante de réalisation, la grille de transfert du pixel et le condensateur sont situés dans ladite tranchée. [0021] Plus précisément, le pixel peut comporter une zone photosensible, un noeud de lecture comportant ladite région de stockage, au moins une grille de transfert apte à 3 transférer lesdites charges accumulées dans la zone photosensible vers le noeud de lecture, ladite au moins une tranchée délimitant la périphérie du noeud de lecture, la première région de poly-silicium formant la grille de transfert, la deuxième région de poly-silicium formant une première électrode du condensateur et le noeud de lecture formant une deuxième électrode du condensateur. [0022] La réalisation du condensateur et de la grille de transfert dans une même tranchée permet avantageusement une augmentation de la capacité de stockage du noeud de lecture tout en maintenant un encombrement surfacique réduit. [0023] Selon une autre variante de réalisation, ladite au moins une tranchée peut former une tranchée d'isolation capacitive délimitant la périphérie du pixel, ladite deuxième région de poly-silicium formant une première électrode du condensateur et la deuxième électrode du condensateur étant connectée au noeud de lecture par l'intermédiaire de pistes métalliques. [0024] Selon un autre aspect, il est proposé un téléphone portable intelligent comportant un dispositif imageur tel que décrit précédemment. [0025] Selon un aspect, il est proposé un appareil photographique numérique comportant un dispositif imageur tel que décrit précédemment. [0026] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels [0027] [fig.1] [0028] est une représentation schématique d'un point de vue électrique d'un pixel d'un mode de réalisation d'un dispositif imageur, [0029] [fig.2] [0030] est une vue de dessus du pixel de la figure 1, [0031] [fig.3] [0032] est une vue en coupe selon la ligne de coupe de la figure 2, [0033] [fig.4] [0034] est une vue en coupe selon la ligne de coupe IV-IV de la figure 2, [0035] [fig.5] [0036] illustre une variante de réalisation de l'invention, [0037] [fig.6] [0038] illustre une variante de réalisation de l'invention, [0039] [fig.7] [0040] illustre une variante de réalisation de l'invention, [0041] [fig.8] [0042] illustre un autre aspect de l'invention, [0043] [fig.9] [0044] illustre un autre aspect de l'invention, et [0045] [fig.10] [0046] illustre une autre variante de l'invention. [0047] La figure 1 est une représentation schématique d'un point de vue électrique d'un pixel PX d'un dispositif imagcur DIS. [0048] Bien que le dispositif imageur DIS comporte une matrice de pixels, chacun des pixels présente une architecture et un fonctionnement identique. Un seul pixel sera donc décrit à des fins de simplification. [0049] Le pixel PX comporte classiquement une zone photosensible DL, ici une photodiode, apte à générer des charges électriques en réponse à une illumination du pixel PX, un noeud de lecture SN et une grille de transfert GT configurée pour, lorsqu'elle est commutée, transférer des charges depuis la photodiode DL vers le noeud de lecture SN. [0050] Le noeud de lecture SN est classiquement apte à recevoir les charges générées par la photodiode DL aux fins de leur lecture et de leur conversion en une valeur numérique représentative de l'illumination du pixel PX. [0051] Cette lecture se fait par l'intermédiaire d'un transistor suiveur TS dont la grille est couplée au noeud de lecture SN et d'un transistor de lecture TL, couplés en série entre une borne d'alimentation B1 apte à délivrer une première tension, par exemple une tension de 3 volts, et un circuit de traitement CT apte à réaliser des opérations sur le signal électrique en provenance du pixel PX, notamment une conversion analogique-numérique. [0052] Le pixel PX comporte en outre un transistor d'initialisation TR apte à initialiser le potentiel électrique du noeud de lecture SN à une valeur d'initialisation Vi. [0053] Le pixel PX comporte en outre un condensateur C dont une première électrode est couplée à des moyens de polarisation MP et dont une deuxième électrode comporte le noeud de lecture SN. [0054] Ce condensateur C permet avantageusement d'augmenter la capacité de stockage de charges du noeud de lecture. [0055] En fonctionnement, lors d'une illumination du pixel PX, des charges électriques, électrons et trous, sont accumulées sur la zone photosensible DL et les moyens de polarisation MP polarisent la grille de transfert GT à une première valeur, par exemple ici -0,5 volt, et la première électrode du condensateur C à une deuxième valeur, par exemple ici 3 volts. Cette configuration des moyens de polarisation MP permet d'empêcher les charges de s'accumuler au niveau du noeud de lecture pendant l'illumination du pixel. [0056] Les moyens de polarisation MP polarisent ensuite la grille de transfert GT et la première électrode du condensateur C à la deuxième valeur, ici 3 volts afin de transférer les électrons accumulés dans la zone photosensible DL vers le noeud de lecture SN. [0057] Afin de lire et traiter les charges accumulées dans le noeud de lecture, les moyens de polarisation MP polarisent la grille du transistor de lecture TL afin que ce dernier soit dans un état passant. [0058] La figure 2 est une vue de dessus du pixel PX, dont la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne de coupe et dont la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne de coupe IV-IV. [0059] Le dispositif imageur DIS est ici de type à illumination face arrière (« Back ride illu- mination » en langue anglaise), c'est-à-dire que le dispositif est apte à être éclairé depuis la face arrière FR du substrat SB. La face avant FV est quant à elle surmontée d'une partie d'interconnexion (BEOL, « Back End Of Line » selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier), non représentée sur les figures à des fins de simplification. [0060] A des fins de simplification, seuls le noeud de transfert SN, la grille de transfert GT et la zone photosensible DL ont été représentés sur les figures 2 à 4. [0061] Le dispositif DIS est réalisé dans un substrat semi-conducteur SB, par exemple ici du silicium ayant une conductivité de type P, et le pixel PX est délimité par une tranchée d'isolation capacitive TIC s'étendant sur toute la périphérie du pixel. [0062] La tranchée d'isolation capacitive TIC est classiquement une tranchée réalisée dans le substrat et s'étendant depuis sa face avant FV jusqu'à une profondeur d'environ 3,5 micromètres, tapissée d'un matériau isolant 1, par exemple ici de l'oxyde de silicium, et remplie d'un matériau conducteur 2, ici du poly-silicium. [0063] La zone photosensible DL est ici réalisée par implantation de dopants de type N s'étendant depuis la face avant jusqu'à une profondeur de 3 micromètres par exemple. [0064] Le pixel PX comporte en outre une électrode verticale isolée EVI délimitant la pé- riphérie du noeud de lecture SN, qui lui-même est réalisé par une région dopée de type N, plus fortement dopée que la zone photosensible et s'étendant dans le substrat SB jusqu'à une profondeur d'environ 0,3 micromètre. [0065] L'électrode verticale isolée EVI est une tranchée réalisée dans le substrat SB et s'étendant depuis sa face FV avant jusqu'à une profondeur d'environ 0,8 micromètre, tapissée du matériau isolant 1. [0066] L'électrode verticale EVI est remplie d'un empilement d'une première région de poly-silicium PI et d'une deuxième région de poly-silicium P2, la première région de poly-silicium PI et la deuxième région de poly-silicium P2 étant séparées par une couche du matériau isolant 1. [0067] La deuxième région de poly-silicium P2 s'étend depuis la face avant FV du substrat SB jusqu'à une profondeur d'environ 0,3 micromètre dans le substrat SB, c'est-à-dire jusqu'à la même profondeur que le noeud de lecture SN. 6 [0068] La première région de poly-silicium PI s'étend sous la deuxième région de poly- silicium P2 jusqu'au fond de l'électrode verticale EVI, c'est-à-dire ici jusqu'à une profondeur d'environ 0,8 micromètre. [0069] La grille de transfert GT comporte la première région de poly-silicium Pl . La première électrode du condensateur C comprend la deuxième région de poly-silicium P2, et la deuxième électrode du condensateur comporte le noeud de lecture SN. [0070] L'électrode verticale isolée comporte en outre une extension EX s'étendant à l'extérieur du noeud de lecture et permettant une prise de contact de la première région de poly-silicium. [0071] Ainsi, la grille de transfert GT est suffisamment éloignée du noeud de lecture SN pour éviter un couplage capacitif parasite entre la grille de transfert GT et le noeud de lecture SN lors du transfert des charges depuis la zone photosensible DL vers le noeud de lecture SN, et la polarisation du condensateur C permet d'augmenter la capacité de stockage du noeud de lecture SN par effet capacitif [0072] Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 5, le condensateur C est réalisé dans la tranchée d'isolation capacitive TIC. [0073] Ainsi, la tranchée d'isolation capacitive TIC est remplie d'un empilement d'une première région de poly-silicium Pl et d'une deuxième région de poly-silicium P2, la première région de poly-silicium et la deuxième région de poly-silicium étant séparées par une couche du matériau isolant 1. [0074] Là encore, une électrode du condensateur C est formée par la deuxième région de poly silicium P2 et l'autre électrode par la région de substrat SBR adjacente à la tranchée. [0075] Une connexion électrique CE est ici réalisée entre le noeud de lecture SN et la région de substrat SBR. La connexion électrique CE représentée schématiquement sur la figure 5 est en pratique réalisée par l'intermédiaire de vias et de pistes métalliques de la région d'interconnexion du dispositif DIS. [0076] Ainsi dans ce mode de réalisation, le noeud de stockage est également couplé au condensateur C. [0077] L'électrode verticale isolée EVI comporte ici en empilement d'une région inférieure de poly-silicium formant la grille de transfert GT et d'une région supérieur de matériau isolant 1 s'étendant depuis la face avant du substrat jusqu'à une profondeur d'environ 0,3 micromètre, c'est-à-dire jusqu'à une profondeur environ égale à celle du noeud de lecture SN, permettant avantageusement d'éloigner et donc d'isoler électriquement la grille de transfert GT du noeud de lecture SN. [0078] 11 serait également possible que l'électrode verticale présente la même structure que celle décrite précédemment en lien avec les figures 1 à 4, ces deux modes de réalisation étant compatibles. 7 [0079] Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 6, il serait possible que l'empilement de la première région de poly-silicium Pl et de la deuxième région de poly-silicium P2 soit surmonté d'une couche du matériau isolant 1, remplaçant une partie de la deuxième région de poly-silicium P2 qui est donc ici plus petite que dans les autres modes de réalisation. Ajuster la taille de la deuxième électrode du condensateur C est un moyen avantageux d'ajuster la capacité de stockage du noeud de lecture SN. [0080] Il serait en outre possible, comme l'illustre la figure 7, que la tranchée d'isolation ca- pacitive TIC comporte plus de deux régions de poly-silicium, par exemple ici 3 régions Pl, P2 et P3. Cela permet avantageusement d'ajuster la valeur capacitive du noeud de lecture lors du fonctionnement du dispositif DIS, en polarisant par exemple uniquement la deuxième région P2 ou bien à la fois la deuxième région P2 et la troisième région P3. [0081] L'architecture du pixel décrit ici correspond à une architecture d'un dispositif imageur dit à obturation déroulante (« rolling shuttcr» en langue anglaise »). Il serait toutefois parfaitement possible d'intégrer l'invention à toute autre architecture de pixel, notamment à une architecture de pixel dit à obturation globale (« global shuttcr» en langue anglaise). Cc type de capteur d'images comporte pour chaque pixel, en plus du noeud de lecture SN, un noeud de stockage permettant de stocker temporairement la charge représentative de l'illumination du pixel. Dans cc cas, le noeud de stockage serait également couplé à un condensateur analogue au condensateur C décrit précédemment. [0082] Le dispositif imageur DIS décrit précédemment et illustré par les figures 1 à 7 peut être intégré dans tout type de système imageur, comme par exemple un téléphone portable intelligent TPI tel que celui illustré sur la figure 8, ou un appareil photographique numérique APN tel que celui illustré sur la figure 9. [0083] L'invention n'est limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits mais en embrassent toutes les variantes. [0084] Ainsi il serait possible pour augmenter la capacité du noeud de lecture SN, de s'affranchir des moyens de polarisation MP (aptes à polariser distinctement la première région de poly-silicium PI et la deuxième région de poly-silicium P2) et de prévoir une métallisation (piste métallique) reliant le noeud de lecture SN et la deuxième région de poly-silicium P2, comme illustré très schématiquement sur la figure 10. 8