Nouvelle architecture de pixel CMOS éclairé par la face arrière, intégrant une photodiode à collection de trous et une chaine de lecture PMOS pour capteurs d’image en environnement ionisant

Novel back-side illuminated CMOS pixel architecture integrating a hole-based photodiode and PMOS readout circuitry for image sensors in ionising environment

• Auteur / Autrice : Bastien Mamdy
• Direction : Guo Neng Lu, François Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 30/09/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Jalade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Pittet, Albert J. P. Theuwissen, Francis Balestra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Garda, Pierre Magnan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation électrique

Irradiation

Photodiodes

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

Capteur d’image CMOS

Photodiode pincé verticale

Photodiode à collection de trous

Éclairement par la face arrière

Tranchée d’isolation profonde capacitive

Irradiation

Courant d’obscurité

CMOS image sensor

Vertical pinned photodiode

Hole-collection photodiode

Back-side illumination

Capacitive deep trench isolation

Irradiation

Dark current

Résumé

Grâce à l'explosion du marché grand public des smartphones et tablettes, les capteurs d'image CMOS ont bénéficiés de développements technologiques majeurs leur permettant de rivaliser voir même de devancer les performances des capteurs CCD. En parallèle, dans les domaines de l'aérospatial ou de l'imagerie médicale, des capteurs CMOS ont également été développés pour des applications à fortes valeurs ajoutées avec des technologies reconnues pour leur robustesse en environnement ionisant. Le travail de cette thèse a pour but de réunir dans une même architecture de pixel les dernières avancées technologiques développées pour les capteurs grands publics avec une solution novatrice de durcissement aux rayonnements ionisants récemment développée chez STMicroelectronics. Pour la première fois, cette nouvelle architecture de pixel de 1,4µm de côté et éclairée par la face arrière intègre une photodiode pincée verticale à collection de trous, une chaine de lecture composée de transistors PMOS et des tranchées d'isolation profondes à passivation passive ou active. Ce type de pixel a été conçu à l'aide de simulations TCAD en trois dimensions qui ont permis d'optimiser l'intégration de procédés pour sa fabrication. Il a été caractérisé et comparé à un pixel équivalent de type N avant et après irradiation par rayonnement gamma. Le pixel développé au cours de cette thèse présente intrinsèquement un plus faible courant d'obscurité que son homologue de type N et une meilleure résistance aux radiations. La passivation active des tranchées d'isolation profondes permet d'atténuer fortement l'impact des dégradations habituellement observées au niveau des interfaces Si/SiO2 et s'avère donc prometteuse en environnement ionisant. Des mécanismes intrinsèquement différents de formation de pixels blancs sous irradiation ont été mis en évidence pour les pixels de type P et de type N. Enfin, les technologies de l'éclairement par la face arrière et de la photodiode verticale contribuent chacune à la bonne efficacité quantique du pixel ainsi qu'à sa capacité de stockage importante

Thanks to the growing smartphones and tablets consumer markets, CMOS image sensors have benefited from major technology developments and are able to rival with and even outperform CCD sensors. In parallel, for spatial and medical imaging applications, CMOS sensors have been developed using technologies recognized for their robustness in harsh ionizing environment. This Ph.D. thesis work aims at combining in one single pixel architecture the latest technology developments driven by consumer applications with a novel solution for radiation hardening recently developed at STMicroelectronics. For the first time, this innovative back-side illuminated pixel architecture integrates within a 1.4µm pitch a vertical pinned photodiode based on hole-collection, a PMOS readout chain and deep trench isolation with either passive or active interface passivation. This pixel has been developed using 3D-TCAD simulations allowing fast and efficient optimization of its fabrication process. Through a series of electro-optical characterizations, we have compared its performances to its N-type equivalent before and after irradiation with gamma rays. The pixel developed during this thesis exhibits intrinsically lower level of dark current than its N-type counterpart and improved radiation hardness. Active passivation of deep trench isolation greatly decreases the impact of degradations usually observed at Si/SiO2 interfaces and therefore shows very promising results in ionizing environment. Evidence of intrinsically different mechanisms of white pixel formation under irradiation for N-type and P-type pixels have been presented. Finally, back-side illumination technology and the vertical photodiode both contribute to the pixel’s high full well capacity and good quantum efficiency