Modélisation physique des phénomènes de diffusion et précipitation des impuretés dans les capteurs d'image CMOS

Physical modelling of impurity diffusion and clustering phenomena in CMOS based image sensors

• Auteur / Autrice : Zahi Essa
• Direction : Filadelfo Cristiano, Pierre Boulenc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanosystèmes
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

Capteur d'image

Cmos

Diffusion

Modélisation

Mos

Résumé

L'essor de l'industrie micro-électronique au cours des dernières années n'aurait pas été possible sans les innovations en termes de procédés de fabrication de la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) induisant une amélioration continue des performances des composants. Ces innovations doivent relever les défis technologiques inhérents à la fois à la miniaturisation ainsi qu'à la diversification croissante des composants. En réponse à ces défis, des approches de modélisation de type TCAD (Technology Computer Aided Design), permettent de réduire nettement le temps et le coût de développement de ces nouvelles technologies. Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse à l'élaboration de modèles TCAD permettant la prise en compte des différents mécanismes physiques ayant lieu lors de l'utilisation des procédés de fabrication avancés. Dans une première partie, les mécanismes de diffusion et d'activation pour des fortes doses d'implantation ont pu être étudiés notamment dans le cas de l'implantation plasma, technique très prometteuse pour des applications de dopage conforme dans les capteurs d'image ou transistors TriGates. La mise en évidence et la modélisation d'agrégats de bore-interstitiel de grande taille ont ainsi pu être menées pour des conditions de fort dopage. Dans une deuxième partie, la diffusion et le transfert d'espèces chimiques entre différents matériaux ont été évalués. Ainsi, la perte de dose de bore dans le silicium dans les empilements '' espaceurs '' ainsi que la diffusion de bore correspondante dans l'oxyde ont été étudiés. De même, l'évaluation de la diffusion du lanthane pendant un recuit thermique dans les empilements de grille avec oxyde à forte permittivité diélectrique (high-k) a pu être menée. En dernière partie, l'impact de ces différents mécanismes sur le comportement électrique des composants CMOS a ainsi pu être évalué, et une amélioration de la prédictibilité des modèles TCAD a été obtenue sur les dispositifs transistors MOS ainsi que les capteurs d'image CMOS FSI (Front Side Illumination) et BSI (Back Side Illumination).

Over the last years, microelectronics growth was made possible thanks to the innovations occurring in CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology, leading to a constant improvement of device performances. These innovations have to answer the technological challenges related to devices miniaturization, as well as to their continuous diversification. In response to these challenges, modelling approaches such as TCAD (Technology Computer Aided Design) drastically reduce the technologies development time and cost. In this context, the thesis deals with TCAD models development of several physical mechanisms taking place within advanced process steps. In the first part, diffusion and activation mechanisms following high-dose dopant implantation were studied, mainly in the case of plasma implantation, a promising technique for conformal doping in image sensors and TriGates transistors. In high doping conditions, the observation and modelling of large boron interstitial clusters (BICs) were carried out. In the second part, the evaluation of chemical species diffusion and transfer between materials was considered. In particular, Boron dose loss from silicon in spacer stacks and corresponding diffusion in oxide were studied. In addition, lanthanum diffusion evaluation during thermal annealing in gate stacks with high-k oxides was investigated. In the last part, the impact of the different investigated mechanisms on CMOS devices electrical behaviour was finally evaluated, resulting in the improvement of TCAD models predictability on MOS transistors performances, as well as FSI (Front Side Illumination) and BSI (Back Side Illumination) CMOS-based image sensors.