FR3150902A1 - Interconnection structure between microcircuits - Google Patents
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Abstract
On propose selon l’invention un ensemble de deux microcircuits électroniques assemblés l’un à l’autre en réalisant un ensemble de couplages électriques entre des points de connexion homologues des deux microcircuits, un premier microcircuit étant un microcircuit transducteur avec au moins un élément de transduction photoélectrique par accumulation de charges, et le deuxième microcircuit étant un microcircuit de lecture avec au moins un élément de lecture des charges électriques générées par un élément de transduction photoélectrique respectif, et les points de connexion comprenant des éléments surfaciques en vis-à-vis séparés par un diélectrique, le couplage entre les deux circuits étant un couplage capacitif. Application notamment à l’hybridation entre deux circuits matriciels, l’un de transduction et l’un de lecture, réalisés dans des technologies différentes. Fig. 3 According to the invention, a set of two electronic microcircuits assembled together by producing a set of electrical couplings between homologous connection points of the two microcircuits is proposed, a first microcircuit being a transducer microcircuit with at least one photoelectric transduction element by charge accumulation, and the second microcircuit being a reading microcircuit with at least one element for reading the electrical charges generated by a respective photoelectric transduction element, and the connection points comprising facing surface elements separated by a dielectric, the coupling between the two circuits being a capacitive coupling. Application in particular to the hybridization between two matrix circuits, one for transduction and one for reading, produced in different technologies. Fig. 3
Description
La présente invention concerne d’une façon générale les circuits hybrides, et en particulier un nouvelle approche de couplage électrique entre deux circuits réalisés dans des technologies différentes et/ou nécessitant d’être assemblés par superposition après leur fabrication.The present invention relates in general to hybrid circuits, and in particular to a new approach to electrical coupling between two circuits made in different technologies and/or requiring assembly by superposition after their manufacture.
Pour prendre un exemple pratique, un capteur matriciel est composé de pixels contenant essentiellement un élément de transduction et un circuit de lecture local. L’élément de transduction et le circuit de lecture local peuvent être soit réalisés sur un même substrat soit sur deux substrats différents.To take a practical example, a matrix sensor is composed of pixels containing essentially a transduction element and a local readout circuit. The transduction element and the local readout circuit can be implemented either on the same substrate or on two different substrates.
La réalisation des éléments de transduction et des circuits de lecture sur deux substrats différents est dictée typiquement par des questions de compatibilité et d’optimisation de leur réalisation. Aujourd’hui les circuits de lecture sont réalisés en technologie C-MOS sur un substrat silicium, tandis que les éléments de transduction peuvent être réalisés selon des techniques bien plus variées.The fabrication of transduction elements and readout circuits on two different substrates is typically dictated by compatibility and optimization considerations. Currently, readout circuits are fabricated using CMOS technology on a silicon substrate, while transduction elements can be fabricated using a much wider variety of techniques.
Les éléments de transduction peuvent par exemple être réalisés sur substrat en silicium à l’aide d’un procédé de fabrication hautement optimisé pour la transduction. Ils peuvent alternativement être réalisés avec des matériaux semi-conducteurs moins courants, par exemple des semi-conducteurs de la famille III-V pour des longueurs d’onde dans le domaine infrarouge.Transduction elements can, for example, be fabricated on silicon substrates using a highly optimized transduction manufacturing process. Alternatively, they can be made with less common semiconductor materials, such as III-V family semiconductors for wavelengths in the infrared range.
On citera notamment ici les substrats InGaAs pour des applications dans l’infrarouge proche en particulier pour des capteurs SWIR (pour « Short Wave InfraRed » en anglais), les substrats InSb pour des cpaterus dans l’infrarouge moyen (MWIR pour « Middle Wave InfraRed), et middle wave infrared), tellurure de cadmium et de mercure (MCT) pour des applications de capteurs LWIR (« Long Wave InfraRed » en anglais, ou encore CdTe pour la détection des rayons X.We will mention here in particular InGaAs substrates for applications in the near-infrared in particular for SWIR sensors (for "Short Wave Infrared" in English), InSb substrates for sensors in the mid-infrared (MWIR for "Middle Wave Infrared", and middle wave infrared), cadmium mercury telluride (MCT) for LWIR sensor applications ("Long Wave Infrared" in English, or CdTe for X-ray detection.
Un tel capteur réalisés sur deux substrats assemblés est communément appelé « capteur hybride », le terme « hybridation » désignant le processus d’assemblage entre les deux substrats.Such a sensor made on two assembled substrates is commonly called a "hybrid sensor", the term "hybridization" referring to the assembly process between the two substrates.
La présente invention s’applique en particulier à un capteur hybride dont les éléments de transduction sont constitués de jonctions PN, en général des photodiodes qui transforment des photons incidents en charges électriques.The present invention applies in particular to a hybrid sensor whose transduction elements consist of PN junctions, generally photodiodes which transform incident photons into electrical charges.
Il existe principalement deux types de circuits de lecture des charges électriques générées dans une photodiode.There are mainly two types of circuits for reading the electrical charges generated in a photodiode.
Ainsi la
La
Les Figs. 1A et 1B montrent qu’une connexion électrique directe entre la photodiode PD et le circuit de lecture est nécessaire. Cette interconnexion passe par une hybridation avec un point de contact électrique direct au niveau de chaque pixel du capteur.Figures 1A and 1B show that a direct electrical connection between the photodiode PD and the readout circuit is required. This interconnection is achieved through a hybrid configuration with a direct electrical contact point at each pixel of the sensor.
Les Figs. 2A à 2D montrent différentes solutions techniques connues pour une telle hybridation directe, le principe commun étant que pour chaque pixel, une électrode est formée sur le substrat des photodiodes et sur celui du circuit de lecture. En suite les deux substrats sont mis face à face, alignés et connectés mécaniquement et électriquement ensemble.Figures 2A to 2D show various known technical solutions for such direct hybridization, the common principle being that for each pixel, an electrode is formed on the photodiode substrate and on that of the readout circuit. The two substrates are then placed face to face, aligned, and mechanically and electrically connected.
La
La
La
Enfin la
On rappellera ici que deux points clés pour une hybridation conventionnelle sont d’une part la réalisation d’un grand nombre de contacts électriques directs, au niveau de l’ensemble des pixels du capteur, et d’autre part une mise en alignement d’autant plus exigeante que le pas des pixels devient petit.It should be recalled here that two key points for conventional hybridization are, on the one hand, the realization of a large number of direct electrical contacts, at the level of all the pixels of the sensor, and on the other hand, an alignment that is all the more demanding as the pitch of the pixels becomes smaller.
Ces difficultés sont loin d’être résolues de nos jours et le rendement de fabrication reste relativement faible du fait d’une proportion importante de produits défectueux, notamment pour des capteurs à haute résolution. On observe que la plus grande difficulté dans l’hybridation réside dans la réalisation de contact électrique fiable entre les photodiodes et les circuits de lecture, tandis que l’alignement de précision est devenu relativement facile à assurer grâce à des progrès dans des microscopes numériques.These difficulties are far from being resolved today, and manufacturing yields remain relatively low due to a significant proportion of defective products, particularly for high-resolution sensors. It is observed that the greatest challenge in hybridization lies in establishing reliable electrical contact between the photodiodes and the readout circuits, while precise alignment has become relatively easy to achieve thanks to advances in digital microscopes.
La présente invention vise à proposer un nouveau principe d’hybridation permettant de résoudre tout ou partie des problèmes exposés ci-dessus liés à l’hybridation par contact direct.The present invention aims to propose a new hybridization principle enabling the resolution of all or part of the problems described above related to direct contact hybridization.
On propose à cet effet un ensemble de deux microcircuits électroniques assemblés l’un à l’autre en réalisant un ensemble de couplages électriques entre des points de connexion homologues des deux microcircuits, un premier microcircuit étant un microcircuit transducteur avec au moins un élément de transduction photoélectrique par accumulation de charges, et le deuxième microcircuit étant un microcircuit de lecture avec au moins un élément de lecture des charges électriques générées par un élément de transduction photoélectrique respectif, et les points de connexion comprenant des éléments surfaciques en vis-à-vis séparés par un diélectrique, le couplage entre les deux circuits étant un couplage capacitif.For this purpose, we propose a set of two electronic microcircuits assembled together by creating a set of electrical couplings between homologous connection points of the two microcircuits, a first microcircuit being a transducer microcircuit with at least one photoelectric transduction element by charge accumulation, and the second microcircuit being a reading microcircuit with at least one reading element of the electrical charges generated by a respective photoelectric transduction element, and the connection points comprising facing surface elements separated by a dielectric, the coupling between the two circuits being a capacitive coupling.
Ce circuit comprend avantageusement mais facultativement les caractéristiques additionnelles suivantes, prises individuellement ou en toutes combinaisons techniquement compatibles :This circuit advantageously but optionally includes the following additional features, taken individually or in any technically compatible combinations:
* le ou chaque élément de capture photoélectrique est une photodiode, une électrode de la photodiode étant reliée à un élément surfacique respectif situé sur le premier microcircuit et son autre électrode étant reliée à un potentiel de référence.* Each photoelectric capture element is a photodiode, one electrode of the photodiode being connected to a respective surface element located on the first microcircuit and its other electrode being connected to a reference potential.
* le ou chaque élément surfacique situé sur le deuxième microcircuit est connectée à l’entrée d’un élément de lecture comprenant un circuit à impédance d’entrée infinie ou quasi-infinie en courant continu associé à un commutateur de réinitialisation.* the surface element or each surface element located on the second microcircuit is connected to the input of a reading element comprising an infinite or quasi-infinite DC input impedance circuit associated with a reset switch.
* le circuit à impédance d’entrée infinie ou quasi-infinie en courant continu est un circuit suiveur de tension.* A circuit with infinite or near-infinite input impedance in direct current is a voltage follower circuit.
* le ou chaque élément surfacique situé sur le deuxième microcircuit est connecté à l’entrée d’un élément de lecture comprenant un circuit à transimpédance capacitive associé à un commutateur de réinitialisation.* the surface element or each surface element located on the second microcircuit is connected to the input of a readout element comprising a capacitive transimpedance circuit associated with a reset switch.
* le ou chaque élément surfacique situé sur le deuxième microcircuit comprend une première partie reliée à l’entrée du circuit à transimpédance capacitive et une seconde partie appartenant à une liaison de contre-réaction, les première et deuxième parties formant des capacités distinctes avec l’élément surfacique correspondant du premier microcircuit.* the surface element or each surface element located on the second microcircuit comprises a first part connected to the input of the capacitive transimpedance circuit and a second part belonging to a feedback link, the first and second parts forming distinct capacitances with the corresponding surface element of the first microcircuit.
* le premier microcircuit comprend une matrice d’éléments de transduction photoélectrique par accumulation de charges, et le deuxième microcircuit comprend une matrice homologue d’éléments de lecture des charges électriques générées par les éléments de transduction photoélectrique respectifs.* The first microcircuit comprises an array of charge-accumulating photoelectric transduction elements, and the second microcircuit comprises a corresponding array of elements for reading the electrical charges generated by the respective photoelectric transduction elements.
* l’ensemble comprend au moins une connexion électrique directe entre les premier et deuxième microcircuits pour des signaux de commande communs aux différents éléments des matrices.* The assembly includes at least one direct electrical connection between the first and second microcircuits for control signals common to the different elements of the matrices.
* les premier et deuxième microcircuits comprennent chacun au moins un élément surfacique additionnel, les deux éléments surfaciques en vis-à-vis réalisant un couplage capacitif additionnel pour des signaux de commande communs aux différents éléments des matrices.* The first and second microcircuits each include at least one additional surface element, the two opposite surface elements providing additional capacitive coupling for control signals common to the different matrix elements.
* les éléments surfaciques additionnels entourent les points de connexion.* Additional surface elements surround the connection points.
* le couplage capacitif additionnel est apte à véhiculer un signal de remise à zéro des éléments de transduction photoélectrique du premier microcircuit.* the additional capacitive coupling is capable of carrying a reset signal for the photoelectric transduction elements of the first microcircuit.
* le diélectrique comprend un adhésif de solidarisation des deux microcircuits.* The dielectric includes an adhesive for bonding the two microcircuits.
* l’adhésif contient un additif d’accroissement de la permittivité.* The adhesive contains a permittivity-increasing additive.
* le diélectrique comprend une couche de matériau diélectrique assemblée aux deux microcircuits par collage moléculaire.* The dielectric comprises a layer of dielectric material assembled to the two microcircuits by molecular bonding.
* le ou chaque élément de capture photoélectrique comprend une photodiode à avalanche, le couplage capacitif assurant un isolement vis-à-vis de la tension de polarisation de la ou de chaque photodiode.* The photoelectric capture element(s) comprise an avalanche photodiode, the capacitive coupling ensuring isolation from the bias voltage of the photodiode(s).
D’autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Sur les dessins :Other aspects, objects, and advantages of the present invention will become more apparent upon reading the following detailed description of preferred embodiments thereof, given by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings. In the drawings:
Description détaillée de formes de réalisation préféréesDetailed description of preferred embodiments
Dans ce qui suit, on décrira deux mises en œuvre possibles d’un capteur d’image hybride selon la présente invention, l’une avec la combinaison pour chaque pixel d’une photodiode et d’un circuit de lecture de type à source suiveuse SFP, et l’autre avec la combinaison pour chaque pixel d’une photodiode et un circuit de lecture de type à amplificateur CTIA.In what follows, two possible implementations of a hybrid image sensor according to the present invention will be described, one with the combination for each pixel of a photodiode and a readout circuit of the SFP type source follower, and the other with the combination for each pixel of a photodiode and a readout circuit of the CTIA type amplifier.
Dans les deux cas, la photodiode est remise à zéro au début de chaque exposition soit par un transistor de commutation, soit par une masse virtuelle générée par exemple par un amplificateur opérationnel.In both cases, the photodiode is reset at the beginning of each exposure either by a switching transistor or by a virtual ground generated for example by an operational amplifier.
On prévoit selon l’invention une hybridation capacitive entre le substrat des photodiodes et le substrat des circuits de lecture permettant de lire les variations de potentiels sur ces photodiodes, tout en assurant la remise à zéro des photodiodes entre deux expositions. Ainsi, chaque photodiode est reliée à son circuit de lecture sans contact direct, mais via une capacité formée entre deux électrodes amenées en vis-à-vis et à faible distance lors de l’assemblage des deux substrats.The invention provides for a capacitive hybridization between the photodiode substrate and the readout circuit substrate, enabling the reading of potential variations on these photodiodes while ensuring the resetting of the photodiodes between two exposures. Thus, each photodiode is connected to its readout circuit without direct contact, but via a capacitor formed between two electrodes brought opposite each other and at a short distance during the assembly of the two substrates.
On comprend que grâce au passage du signal via une capacité, il n’existe pas de risque de disparition du signal comme c’est le cas dans un mode de contact direct lorsqu’un contact est défectueux, comme rappelé en introduction.It is understood that thanks to the signal passing through a capacitor, there is no risk of the signal disappearing as is the case in a direct contact mode when a contact is defective, as mentioned in the introduction.
En effet, une certaine valeur de capacitance existera toujours entre une photodiode et son circuit de lecture, et seule la variation de la valeur de capacitance au niveau d’un pixel peut impacter la lecture effectuée sur le pixel en question. Et de tels défauts d’uniformité, lorsqu’ils existent, sont en général faciles à corriger par un post-traitement numérique.Indeed, a certain capacitance value will always exist between a photodiode and its readout circuit, and only variations in the capacitance value at a pixel can affect the readout performed on that pixel. Such uniformity defects, when they exist, are generally easy to correct through digital post-processing.
Les capacités sont formées par des électrodes plates de dimensions et de formes appropriées réalisées en vis-à-vis sur les deux substrats qui seront ensuite assemblés, typiquement par des techniques usuelles de réalisation de plaques de contact conductrices.The capacitors are formed by flat electrodes of appropriate dimensions and shapes made opposite each other on the two substrates which will then be assembled, typically by usual techniques for making conductive contact plates.
On va tout d’abord décrire la réalisation et fonctionnement de l’invention avec un circuit de lecture à source suiveuse SFP.We will first describe the implementation and operation of the invention with an SFP source follower read circuit.
En considérant un pixel comprenant une photodiode et un circuit de lecture SFP, on comprend que si l’on insère un condensateur entre la photodiode et le circuit de lecture, il est effectivement possible de capter la variation de potentiel générée par l’accumulation de charges pendant l’exposition. Mais il reste nécessaire d’assurer la repolarisation de la photodiode en inverse entre deux expositions (remise à zéro du pixel), et l’on décrira plus loin des solutions pour ce faire.Considering a pixel comprising a photodiode and an SFP readout circuit, it becomes clear that if a capacitor is inserted between the photodiode and the readout circuit, it is indeed possible to capture the potential variation generated by the accumulation of charge during exposure. However, it remains necessary to ensure the reverse polarization of the photodiode between two exposures (resetting the pixel), and solutions for achieving this will be described later.
La
Une électrode de la photodiode PD, ici son anode, est reliée à une électrode ET destinée à former avec une électrode EL côté substrat de lecture, une capacité dite capacité d’hybridation CH, qui se forme lorsque les deux substrats sont assemblés l’un à l’autre. La cathode de la diode reçoit un signal RAZ permettant sa remise à zéro entre deux expositions, comme on le verra dans la suite.One electrode of the PD photodiode, here its anode, is connected to an ET electrode designed to form, with an EL electrode on the readout substrate side, a capacitance called the CH hybridization capacitance, which is formed when the two substrates are joined together. The diode's cathode receives a reset signal allowing it to be reset between two exposures, as will be seen later.
Côté circuit de lecture, l’électrode correspondante EL de la capacité d’hybridation est reliée à l’entrée d’un amplificateur dit à source suiveuse SF, un commutateur de rétablissement MRST (typiquement un simple transistor) pouvant sélectivement relier l’entrée de l’amplificateur SF à une tension de référence VREF. La sortie de l’amplificateur délivre le signal de pixel SP.On the readout circuit side, the corresponding electrode EL of the hybridization capacitor is connected to the input of a source follower amplifier SF. A recovery switch MRST (typically a simple transistor) can selectively connect the input of the SF amplifier to a reference voltage VREF. The amplifier output delivers the pixel signal SP.
Quand le commutateur de rétablissement MRST est passant, l’électrode EL de la capacité d’hybridation CH est connectée à la tension VREF (la masse ou une source de tension fixe), et la photodiode PD et la capacité d’hybridation CH forment ensemble un circuit de redressement.When the MRST recovery switch is conducting, the EL electrode of the CH hybridization capacitor is connected to the VREF voltage (ground or a fixed voltage source), and the PD photodiode and the CH hybridization capacitor together form a rectifier circuit.
Dans cette configuration, si un signal alternatif ou impulsionnel RAZ est appliqué pendant ce temps sur la cathode de la photodiode PD, un quantité de charges s’accumule dans la capacité d’hybridation CH grâce à la conduction asymétrique de la jonction de photodiode. Cette quantité de charge permet de polariser la photodiode en inverse pour la remettre à zéro.In this configuration, if an alternating or pulsed RAZ signal is applied to the cathode of the PD photodiode during this time, a quantity of charge accumulates in the CH hybridization capacitor due to the asymmetric conduction of the photodiode junction. This quantity of charge allows the photodiode to be reverse-biased to reset it to zero.
Plus en détail et en référence aux Figs. 4 et 5, si une impulsion électrique RAZ est appliquée sur la photodiode pendant l’application de l’impulsion de commande du transistor MRST (voir
Si le transistor de remise à zéro MRST est bloqué peu de temps après la suppression de l’impulsion RAZ sur le substrat, la variation de potentiel de la photodiode (tension Vpd) sous l’effet de la lumière incidente est alors transmise au suiveur de source SF (tension Vin) à travers la capacité d’hybridation CH, la tension Vin augmentant progressivement (à partir de son point de départ VREF) à mesure que des charges électriques d’origine photoélectrique sont créées dans la photodiode PD.If the reset transistor MRST is blocked shortly after the suppression of the RAZ pulse on the substrate, the potential variation of the photodiode (voltage Vpd) under the effect of the incident light is then transmitted to the source follower SF (voltage Vin) through the hybridization capacitor CH, the voltage Vin gradually increasing (from its starting point VREF) as photoelectrically generated electrical charges are created in the photodiode PD.
On retrouve ainsi à la sortie du suiveur SF une tension Vs qui reproduit cette évolution, à ceci près que le point de départ est égal à VREF augmenté de la tension de décalage Vos du suiveur SF. Cette tension Vs constitue le signal de sortie de pixel SP.The output of the SF follower thus yields a voltage Vs that reproduces this evolution, except that the starting point is equal to VREF plus the offset voltage Vos of the SF follower. This voltage Vs constitutes the output signal of pixel SP.
On comprend que le gain de transmission capacitive dépend du rapport entre la capacité d’hybridation et la capacité d’entrée du suiveur de tension. Si la capacité d’entrée du suiveur est faible, le gain sera très proche de 1, et ceci permet de compenser largement la variation de la valeur de la capacité d’hybridation CH.It is understood that the capacitive transmission gain depends on the ratio between the hybridization capacitance and the input capacitance of the voltage follower. If the input capacitance of the follower is low, the gain will be very close to 1, and this more than compensates for the variation in the value of the hybridization capacitance CH.
En référence maintenant à la
En référence maintenant à la
Un avantage de ce mode de réalisation de la
En outre, l’absence de contact électrique direct entre les photodiodes et leur circuit de lecture respectif réduit le bruit lié aux contacts directs améliore donc la qualité d’image.In addition, the absence of direct electrical contact between the photodiodes and their respective readout circuit reduces noise related to direct contacts, thus improving image quality.
On va maintenant décrire une variante de réalisation de la forme de réalisation à suiveur décrite ci-dessus, visant à accroitre la dynamique de fonctionnement.We will now describe a variant implementation of the follower implementation described above, aimed at increasing the operating dynamics.
On rappelle que l’impulsion de remise à zéro RAZ sur le substrat de photodiodes pendant l’action de l’impulsion de rétablissement MRST au niveau du circuit de lecture permet d’initialiser les photodiodes au début de l’exposition. Toutefois, si la lumière est trop intense, des photodiodes peuvent être déchargées complètement, dans ce cas les charges photoélectriques des photodiodes saturées vont déborder vers les photodiodes voisines en provoquant un phénomène d’éblouissement (« blooming » en anglais).It is worth recalling that the reset pulse (RAZ) on the photodiode substrate during the activation of the recovery pulse (MRST) in the readout circuit initializes the photodiodes at the start of the exposure. However, if the light is too intense, some photodiodes may be completely discharged; in this case, the photoelectric charges of the saturated photodiodes will spill over into neighboring photodiodes, causing a blooming effect.
Une solution connue à ce problème consiste à implémenter des jonctions PN (jonctions AB, pour « anti-éblouissement ») polarisées en inverse autour des photodiodes. Ces jonctions polarisées en inverse absorbent les charges photoélectriques qui débordent des photodiodes saturées pour limiter la propagation de l’éblouissement. Ces jonctions AB doivent cependant être maintenues en polarisation inverse, y compris pendant l’action de l’impulsion RAZ.A known solution to this problem is to implement reverse-biased PN junctions (AB junctions, for "anti-glare") around the photodiodes. These reverse-biased junctions absorb the photoelectric charges that overflow from the saturated photodiodes to limit glare propagation. However, these AB junctions must be maintained in reverse bias, even during the operation of the reset pulse.
Cette solution a un défaut de réduire l’efficacité de la conversion photoélectrique, car ces jonctions AB absorbent une partie de charge photoélectrique générée par les photons. Mais un avantage de cette solution est qu’elle fournit une réponse logarithmique après la saturation de photodiodes. Cette réponse logarithmique procure au capteur une dynamique qui peut dépasser les 120dB.This solution has a drawback: it reduces the efficiency of the photoelectric conversion because these AB junctions absorb some of the photoelectric charge generated by the photons. However, one advantage of this solution is that it provides a logarithmic response after photodiode saturation. This logarithmic response gives the sensor a dynamic range that can exceed 120 dB.
On va maintenant décrire en référence à la
Dans cette réalisation, on remplace le contact électrique direct entre la photodiode et l’amplificateur CTIA de la
La première capacité CH1 joue le même rôle que la capacité CH des Figs. 3 et 4. La deuxième capacité est ajoutée pour assurer la continuité de la contre-réaction nécessaire au fonctionnement de l’amplificateur.The first capacitor CH1 plays the same role as the capacitor CH in Figs. 3 and 4. The second capacitor is added to ensure the continuity of the negative feedback necessary for the operation of the amplifier.
Pendant le rétablissement de l’amplificateur AMP via l’interrupteur PRST, une impulsion de remise à zéro RAZ négative est appliquée sur le substrat des photodiodes, comme dans le cas d’un pixel à circuit de lecture SFP. Ici encore, cette impulsion RAZ installe une polarisation inverse sur photodiodes, et ensuite l’interrupteur MRST de l’amplificateur est ouvert.During the recovery of the amplifier (AMP) via the PRST switch, a negative reset pulse (RAZ) is applied to the photodiode substrate, as in the case of an SFP readout pixel. Again, this RAZ pulse establishes a reverse bias on the photodiodes, and then the amplifier's MRST switch is opened.
La contre-réaction permet de maintenir la tension de polarisation constante sur la photodiode et transférer la charge accumulée vers le condensateur d’intégration constitué de la capacité CH2 pendant l’exposition.The negative feedback allows the bias voltage to remain constant on the photodiode and transfers the charge accumulated to the integration capacitor consisting of the capacitance CH2 during exposure.
Avantageusement, les capacités CH1 et CH2 sont constituées d’une électrode unique ET côté substrat des photodiodes, et de deux électrodes voisines EL1 et EL2 situées en face de l’électrode ET côté substrat de lecture.Advantageously, the CH1 and CH2 capacitors consist of a single ET electrode on the photodiode substrate side, and two adjacent electrodes EL1 and EL2 located opposite the ET electrode on the readout substrate side.
Les surfaces respectives de la capacité CH1 et de la capacité CH2 sont déterminées en fonction du niveau d’amplification requis notamment.The respective surface areas of the CH1 and CH2 capacitors are determined based on the required amplification level, among other factors.
On va maintenant décrire une forme de réalisation d’un collage entre le substrat des photodiodes SPD et le substrat des circuits de lecture SCL, de manière à les solidariser ensemble. Cette solidarisation peut être réalisée de différentes manières, par exemple à l’aide d’un adhésif polymère, d’un collage moléculaire, d’un solvant et etc.We will now describe a method for bonding the substrate of the SPD photodiodes to the substrate of the SCL readout circuits, thus securing them together. This bonding can be achieved in various ways, for example using a polymer adhesive, molecular bonding, a solvent, and so on.
Si un adhésif polymère est utilisé, comme illustré schématiquement sur les Figs. 6A et 6B, des additifs peuvent être incorporés à l’adhésif pour augmenter sa permittivité électrique. Une forte permittivité électrique augmente la valeur des capacitance entre les photodiodes et les circuits de lecture et par conséquent améliore la qualité de transmission de signal entre les photodiodes et les circuits de lecture. Par exemple, on peut utiliser les enseignements de l’article « Improved dielectric permittivity of NBCTO/epoxy composite films with low dielectric loss », Yanli Su, Chengdong Ba, Fei Wang, SN Applied Sciences (2019), Springer Nature Switzerland AG.If a polymer adhesive is used, as schematically illustrated in Figs. 6A and 6B, additives can be incorporated into the adhesive to increase its electrical permittivity. High electrical permittivity increases the capacitance between the photodiodes and the readout circuits and therefore improves the signal transmission quality between the photodiodes and the readout circuits. For example, the findings of the article "Improved dielectric permittivity of NBCTO/epoxy composite films with low dielectric loss," Yanli Su, Chengdong Ba, Fei Wang, SN Applied Sciences (2019), Springer Nature Switzerland AG, can be applied.
Dans le cas d’une solidarisation sans apport d’adhésif, et comme illustré sur les Figs. 6C et 6D, les électrodes côté substrat des photodiodes et/ou côté substrat des circuits de lecture sont recouvertes d’une mince couche d’un matériau, typiquement un oxyde OX, destiné à former le diélectrique des capacités créées par l’hybridation, la solidarisation s’effectuant alors par collage moléculaire.In the case of bonding without the use of adhesive, and as illustrated in Figs. 6C and 6D, the electrodes on the substrate side of the photodiodes and/or on the substrate side of the readout circuits are coated with a thin layer of a material, typically an OX oxide, intended to form the dielectric of the capacitances created by the hybridization, the bonding then taking place by molecular bonding.
On va maintenant décrire un cas particulier d’un capteur hybride selon l’invention, où les photodiodes de transduction sont du type à effet d’avalanche.We will now describe a particular case of a hybrid sensor according to the invention, where the transduction photodiodes are of the avalanche effect type.
Les photodiodes à effet d’avalanche sont très utiles pour accroitre la sensibilité et la rapidité de réponse dans des systèmes opto-électronique tels que des capteurs à détection mono-photonique ou des capteurs de mesure de distance (LIDAR). Il est connu que pour faire fonctionner ces photodiodes à l’effet avalanche, une très haute tension de polarisation est nécessaire, par exemple plus 100V pour des photodiodes à avalanche à base de silicium. Cette haute tension de polarisation est potentiellement dangereuse pour les circuits de lecture qui ne supportent que quelques volts de tension.Avalanche photodiodes are very useful for increasing sensitivity and response time in optoelectronic systems such as single-photon sensors or LiDAR distance measurement sensors. It is known that operating these avalanche photodiodes requires a very high bias voltage, for example, over 100V for silicon-based avalanche photodiodes. This high bias voltage is potentially dangerous for readout circuits that can only withstand a few volts.
Avec une conception qui en tient compte, la compatibilité entre les photodiodes à effet d’avalanche et les circuits de lecture est correcte. Mais un problème apparaît quand une ou plusieurs photodiodes est/sont défectueuse(s) soit à la fabrication, soit pendant l’utilisation. La tension de polarisation élevée peut alors parvenir aux circuits de lecture par des chemins incontrôlés et imprévisibles, provoquant la destruction du composant. L’hybridation capacitive de la présente invention, en évitant un contact électrique direct entre les photodiodes et leurs circuits de lecture, assure un isolation électrique qui protège efficacement les circuits de lecture vis-à-vis de ces tensions élevées.With a design that takes this into account, the compatibility between avalanche photodiodes and readout circuits is good. However, a problem arises when one or more photodiodes is/are defective, either during manufacturing or use. The high bias voltage can then reach the readout circuits via uncontrolled and unpredictable paths, causing the component to fail. The capacitive hybridization of the present invention, by preventing direct electrical contact between the photodiodes and their readout circuits, ensures electrical isolation that effectively protects the readout circuits from these high voltages.
Ainsi les deux formes de réalisation ci-dessus, avec circuit de lecture de type SFP et de type CTIA respectivement, peuvent fonctionner avec des photodiodes à effet d’avalanche sans adaptation particulière.Thus, the two embodiments above, with SFP and CTIA type readout circuits respectively, can operate with avalanche photodiodes without special adaptation.
Bien entendu, la présente invention n’est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées. En particulier, l’hybridation capacitive de l’invention peut être mise en œuvre avec des types de circuits de lecture différents, ainsi qu’avec des éléments de transduction photoélectrique différents de simples photodiodes.Of course, the present invention is by no means limited to the embodiments described and illustrated. In particular, the capacitive hybridization of the invention can be implemented with different types of readout circuits, as well as with photoelectric transduction elements other than simple photodiodes.
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2024
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