Développement d'une photodiode à stockage de charges vertical pour les capteurs d'image CMOS éclairés par la face arrière
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GrenobleDisciplines:
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Abstract EN:
The continuous improvement of CMOS image sensor resolution leads to pixel size downscaling that degrades the amount of storable charges in the photodiode and the pixel’s dynamic range. Purpose of this study is to evaluate new photodiode architecture, dedicated to backside illuminated image sensor technology that maintains the same amount of storable charges despite the pixel size shrink. The disclosed solution consists in realizing a vertical pinned photodiode with silicon in-depth charge storage. The setup of a one-dimensional, pinned photodiode with symmetric junctions, analytical model allows the understanding of the physical parameters impact – cathode and anode doping concentration, distance from junction to junction – on full well capacity. On the other hand, the development of a non-self-aligned drain to the transfer gate eliminates the charge lag due to the transfer gate architecture. The optimization of technological process steps specific to vertical pinned photodiode and to transfer gate was conducted through finite elements simulations and dedicated technological trials. Finally, the feasibility of a pinned photodiode with a full well capacity of 11000 electrons has been demonstrated for a 1.4 μm pixel pitch.Keywords : CMOS Image Sensor, Vertical Pinned Photodiode, In-depth Charge Storage, Backside Illumination
Abstract FR:
L’augmentation continue de la résolution des capteurs d’image CMOS entraîne une réduction de la taille du pixel avec pour effet une diminution du nombre de charges stockables dans la photodiode et une limitation de la dynamique du pixel. L’objectif de cette étude est de proposer une nouvelle architecture de photodiode, dédiée à la technologie des capteurs d’image éclairés par la face arrière et qui préserve la charge stockable malgré la réduction de la taille des pixels. La solution envisagée consiste à réaliser une photodiode pincée qui stocke les charges verticalement dans le volume du silicium. La mise en place d’un modèle analytique unidimensionnel de photodiode pincée aux jonctions symétriques, permet de comprendre l’influence des paramètres physiques de la photodiode (dopages de la cathode et de l’anode, distance séparant les jonctions métallurgiques) sur la charge à saturation. Par ailleurs, grâce à l’introduction d’un drain non auto-aligné à la grille de transfert, la rémanence inhérente à l’architecture de la grille de transfert a été supprimée. L‘optimisation des étapes technologiques propres à la photodiode verticale et à la grille de transfert de charges a été réalisée par le biais de simulations à éléments finis conjuguées à des essais technologiques dédiés. La faisabilité d’une photodiode pincée stockant 11000 électrons dans un pixel d’une taille de 1,4 μm est ainsi démontrée.Mots clés : Capteur d’image CMOS, Photodiode pincée verticale, Stockage de charges en volume, Eclairement par la face arrière