Oxydes métalliques pour la passivation de l'interface Si / SiO2 des capteurs d'images CMOS

par Evan Oudot

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Christophe Vallée.

Le président du jury était Elisabeth Blanquet.

Le jury était composé de Mickaël Gros-Jean, François Bertin.

Les rapporteurs étaient Danièle Blanc, Lionel Santinacci.


  • Résumé

    Depuis la fin des années 2000 les capteurs d’images CMOS éclairés par la face arrière (Back-Side-Illuminated) prennent le pas sur les capteurs traditionnels éclairés par la face avant (Front-Side-Illuminated). Cette technologie présente l’avantage de simplifier le chemin optique jusqu’à la photodiode et permet notamment d’accroitre le rendement quantique. Dans le même temps à l’instar des technologies CMOS ce changement permet de réduire la dimension des pixels dans le plan. Ce changement entraine cependant l’apparition d’une nouvelle interface sur la face arrière des pixels qu’il faut maitriser car elle peut être une source de courant d’obscurité, phénomène qu’il faut réduire pour obtenir des capteurs performants. Pour limiter ce phénomène, il faut limiter l’émission d’électrons parasites par les défauts d’interface que l’on cherche à passiver. Deux moyens existent, la passivation chimique qui consiste à réduire la densité de défauts à l’interface et la passivation par effet de champ qui consiste à introduire des charges dans la couche de passivation. Pour ce faire, ce travail de thèse s’inscrit dans le développement d’un empilement SiO2 / HfO2 ou Al2O3 / Ta2O5 dont les oxydes métalliques sont déposés par ALD et PEALD. Les objectifs de ces travaux sont de comprendre l’origine et la nature des défauts dans les oxydes métalliques afin d’améliorer les propriétés de passivation de l’empilement. La nature des couches utilisées, les paramètres de dépôt ainsi que l’impact du recuit sont étudiés en détail à partir de la technique de mesures COCOS permettant d’extraire la densité de défauts d’interface et la charge totale de l’empilement. D’autres techniques de caractérisation physico-chimique complémentaires telles que les mesures infrarouges sont utilisées et permettent d’identifier les modifications chimiques de l’empilement.

  • Titre traduit

    Metal oxides for passivation of the Si / SiO2 interface of CMOS image sensors


  • Résumé

    Since the late 2000s back-side-illuminated CMOS image sensors have taken precedence over traditional Front-Side Illuminated sensors. This technology has the advantage of simplifying the optical path to the photodiode and particularly increases the quantum efficiency. At the same time, like CMOS technologies, this change allows the reduction of the size of the pixels in the plane. However, this change causes the appearance of a new interface on the back side of the pixels. The presence of an additional interface implies a new source of dark current that must be reduced to the maximum to maintain high performance. This interface has to be passivated to minimize the generation of parasitic electrons. Two means exist, the chemical passivation which consists of reducing the density of defects at the interface and the field effect passivation which consist of introducing charges into the passivation layer. To do this, this thesis work is part of the development of a SiO2 / HfO2 or Al2O3 / Ta2O5 stack whose metal oxides are deposited by ALD and PEALD. The purpose of this work is to understand the origin and the nature of defects in metal oxides in order to improve the passivation properties of the stack. The nature of the layers used, the deposition parameters and the impact of the annealing are studied in detail from the COCOS measurement technique making it possible to extract the density of interface defects and the total charge of the stack. Other complementary physicochemical characterization techniques such as infrared measurements have been used to identify chemical changes in the stack.


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