Electrical Characterization of the Backside Interface on BSI Global Shutter Pixels with Tungsten-Shield Test Structures on CDTI Process

A new methodology is presented using well known electrical characterization techniques on dedicated single devices in order to investigate backside interface contribution to the measured pixel dark current in BSI CMOS image sensors technologies. Extractions of interface states and charges within the dielectric densities are achieved. The results show that, in our case, the density of state is not directly the source of dark current excursions. The quality of the passivation of the backside interface appears to be the key factor. Thanks to the presented new test structures, it has been demonstrated that the backside interface contribution to dark current can be investigated separately from other sources of dark current, such as the frontside interface, DTI (deep trench isolation), etc

Innovative electrical characterizations of CMOS image sensors using test structures

Dans un contexte très concurrentiel et riche d’innovations, il est crucial de pouvoir évaluer les performances des capteurs de manières précises. Pour ce faire deux supports de caractérisation sont envisageables : le capteur complet ou les structures de test. Sur le capteur complet sont extraits des paramètres dans un environnement et des conditions proches de l’application. Les structures de test, elles, permettent de ne s’intéresser qu’à une zone spécifique d’un pixel et de pouvoir étudier les phénomènes physiques en jeu et dissocier les différentes contributions possibles à un paramètre pixel étudié. Une meilleure compréhension de ce même paramètre extrait sur capteur complet est alors possible. De plus elles facilitent l’étude de différents essais de procédés en début de développement. Les travaux de cette thèse proposent de nouvelles méthodologies de mesure et de caractérisation de paramètres sur structures de test complémentaires à ce qui se fait sur un capteur complet. Dans ce manuscrit sont développées notamment de nouvelles structures de test afin d’étudier la contribution de l’interface arrière de pixels BSI au courant d’obscurité. Une nouvelle méthode d’extraction de potentiels est également présentée et permet l’extraction d’une multitude de potentiels d’intérêts présents dans les pixels. Enfin une nouvelle méthode d’extraction de la charge à saturation sur structures de test est proposée.In a very competitive and innovative context, it is crucial to be able to evaluate the performance of sensors with accuracy. To do so, two characterization supports are possible: the complete sensor or test structures. Parameters are extracted on full sensor in an environment and in conditions close to the application. Test structures, on the other hand, allow to focus on a specific region of a pixel, to study physical phenomena involved and to dissociate the different possible contributions to a studied pixel feature. A better understanding of this same parameter extracted on a complete sensor is then possible. Moreover, they make easier the study of different process tests in early development. The work of this manuscript proposes new methods to measure and characterize parameters on test structures complementary to what is done on a complete sensor. In this manuscript, new test structures are developed in order to study the contribution of the backside interface of BSI pixels to the dark current. A new method of potential extraction is also presented and allows the extraction of a multitude of potentials of interest present in the pixels. Finally, a new method of extraction of the Full Well Capacity on test structures is proposed