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Étude de la passivation du silicium dans des conditions d'irradiation électronique de faible énergie, Silicon passivation study under low energy electron irradiation conditions

De
218 pages
Sous la direction de Pierre Depasse, Rémi Barbier
Thèse soutenue le 29 novembre 2010: Lyon 1
L'illumination par la face arrière amincie des imageurs CMOS est une des voies étudiées pour accroître le rapport signal à bruit et ainsi la sensibilité de ce capteur. Or cette configuration est adaptée à la détection des électrons dans la gamme d'énergie [[1 ; 12 keV]. L'électron incident crée, par multiplication, plusieurs centaines d'électrons secondaires, proche de la surface. Une couche de passivation par surdopage P++ de la face arrière est nécessaire afin de réduire le nombre de recombinaisons de surface des électrons. Par effet de champ électrique, la couche de passivation augmente le nombre de charges collectées, et ainsi le gain de collection du capteur. L'objectif de cette thèse est de développer des moyens de caractérisation pour déterminer in situ les performances sur le gain de collection de six procédés de passivation. Préalablement, le profil de dépôt d'énergie de l'électron incident est étudié au moyen d'une simulation Monte-Carlo puis d'un modèle analytique. Un modèle associé du gain de collection indique qu'à forte énergie, l'effet miroir de la passivation est déterminant tandis qu'à faible énergie, l'épaisseur de la passivation est un facteur clef. Une première expérience d'irradiation de diodes étendues P++=N permet de dégager l'influence du procédé de passivation sur les recombinaisons de surface. Grâce à une seconde caractérisation de type < événement unique >, directement sur capteur CMOS aminci, les passivations sont discriminées quant à leur effet miroir et l'étalement de la charge qu'elles induisent. Le recuit laser d'activation des dopants peut s'avérer une source d'inhomogénéités du gain sur la surface de la matrice
-Electrons
-Irradiations
-Capteurs CMOS
-Simulation Monte-Carlo
-Couche epitaxiale
-Optronique
Backside illuminated thinned CMOS imaging system is a technology developed to increase the signal to noise ratio and the sensibility of such sensors. This configuration is adapted to the electrons detection from the energy range of [1 - 12 keV]. The impinging electron creates by multiplication several hundreds of secondary electrons close to the surface. A P++ highly-doped passivation layer of the rear face is required to reduce the secondary electron surface recombination rate. Thanks to the potential barrier induced by the P++ layer, the passivation layer increases the collected charges number and so the sensor collection gain. The goal of this study is to develop some experimental methods in order to determine the effect of six different passivation processes on the collection gain. Beforehand, the energy profile deposited by an incident electron is studied with the combination of Monte-Carlo simulations and some analytical calculations. The final collection gain model shows that the mirror effect from the passivation layer is a key factor at high energies whereas the passivation layer has to be as thin as possible at low energies. A first experimental setup which consists in irradiating P++=N large diodes allows to study the passivation process impacts on the surface recombinations. Thanks to a second setup based on a single event upset directly on thinned CMOS sensor, passivation techniques are discriminated in term of mirror effect and the implied spreading charges. The doping atoms activation laser annealing is turn out to be a multiplication gain inhomogeneity source impacting directly the matrix uniformity
-Electron
-Iradation
-CMOS sensor
-Monte-Carlo simulation
-Epitaxial layer
-Opto-electronic
Source: http://www.theses.fr/2010LYO10238/document
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Numero d’ordre : 238 - 2010
Annee 2010
THESE DE L’UNIVERISTE DE LYON
Delivree par
L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1
Ecole Doctorale de Physique et d’Astrophysique
DIPLOME DE DOCTORAT
(arr^ete du 7 aou^t 2006)
Soutenance le 29 Novembre 2010
Par
Monsieur Romain CLUZEL
ETUDE DE LA PASSIVATION DU SILICIUM
DANS DES CONDITIONS D’IRRADIATION ELECTRONIQUE
DE FAIBLE ENERGIE
A soutenir devant la commission d’examen :
President du Jury Monsieur Pierre MAGNAN
Rapporteurs Monsieur Christian MOREL
Monsieur Christophe de LA TAILLE
Examinateurs Monsieur Jer^ome BAUDOT
Monsieur Stephane DEMIGUEL
Monsieur Guo-Neng LU
Directeur de These Monsieur Pierre DEPASSE
Co-directeur de These Monsieur Remi BARBIER
Invite Monsieur Guy BLAISE
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energie > - Romain CLUZEL
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A ma famille, plus particulierement a mes parents,
A Pauline.
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REMERCIEMENTS
ette these de Doctorat n’aurait pas pu ^etre menee sans l’aide precieuse et la vo-
lonte de personnes que je tiens a remercier ici. M^eme si toutes ne sont pas citees,C je n’en oublie personnellement aucune.
Je tiens tout d’abord a exprimer ma reconnaissance la plus profonde a Monsieur
Pierre MAGNAN, Professeur au laboratoire CIMI de l’ISAE, pour avoir accepte de presi-
der le Jury de soutenance de cette these. Ses travaux de Recherche ont ete tres instructifs
quant a ma comprehension des dierentes problematiques des capteurs CMOS.
Mes remerciements vont ensuite a Messieurs Pierre DEPASSE et Remi BARBIER
de l’IPNL qui ont su si bien jouer leur rol^ e respectivement de Directeur et Codirecteur de
these. J’ai entre autres particulierement apprecie leurs conseils avises tout au long de ce
travail. J’eprouve une grande reconnaissance envers Remi BARBIER dont la disponibilite
et la qualite des conseils sont sans egal et qui a toujours porte la plus grande attention a
mon travail. Il me semble avoir enormement appris a ses c^otes. J’espere pouvoir utiliser a
bon escient les valeurs qu’il a essaye de m’inculquer : son enthousiasme, sa soif de com-
prendre, son esprit critique ainsi que son exigence d’un travail de qualite.
Ma reconnaissance est aussi tres grande envers Stephane DEMIGUEL, Docteur-
Ingenieur et Expert en Optronique, dont l’encadrement tout au long de ces trois ans a ete
determinant et les conseils d’une grande richesse. Il m’a fait decouvrir au mieux le monde
de la Recherche industrielle par sa vision toujours pertinente et experte. Je le remercie
enn pour avoir accepte d’^etre Examinateur de ma these.
Mes remerciements vont ensuite a Messieurs Christophe de LA TAILLE, Ingenieur
de Recherche au LAL, et Christian MOREL, Professeur au CPPM, d’avoir mis leur ex-
pertise au service de ce travail en tant que Rapporteur de mes travaux et aussi pour leur
relecture et leur analyse ne de mon travail.
Je tiens a exprimer toute ma gratitude a Monsieur Jer^ome BAUDOT, de l’IPHC,
ainsi que toute son equipe a Strasbourg, pour avoir toujours manifeste de l’inter^et pour
ma these. Je le remercie aussi pour avoir accepte d’^etre Examinateur et pour sa relecture
attentive de ce manuscrit.
Je suis aussi extr^emement reconnaissant a Monsieur Guo Neng LU d’avoir ete Exa-
minateur de ces travaux de Recherche. Nous avons eu quelques conversations techniques
These < Etude de la passivation du Silicium dans des conditions d’irradiation electronique de faible
energie > - Romain CLUZEL
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qui m’ont beaucoup appris.
Mes remerciements se dirigent ensuite vers Monsieur BLAISE, Professeur a l’INSTN,
tout d’abord pour avoir accepte l’inviation a ce Jury, mais aussi pour la conduite d’une
serie d’experiences qui furent riches d’enseignements.
Je tiens a remercier Monsieur Bernard ILLE, Directeur de l’IPNL, qui m’a permis
de mener mes travaux dans les locaux du laboratoire.
J’adresse mes remerciements les plus vifs a Eric CARRE qui, par passion et inter^et
scientique, a toujours suivi de pres mes experiences et qui, au passage, m’a beaucoup
enseigne sur le plan experimental, tant dans la methode, la rigueur, le professionnalisme,
que dans la conduite de mon projet ce qui m’a evite de perdre du temps. Il a su ^etre un
interlocuteur privilegie avec qui j’ai confronte tant de points de vue.
J’ai aussi tres envie de remercier un certain nombre de personnes qui ont croise
mon chemin de pres ou de loin durant ces trois ans, ont su me motiver, rendre ce travail
agreable, m’ont beaucoup appris, m’ont aide, m’ont fais gagner du temps, m’ont soutenu,
ont cru en moi. Je remercie tout specialement Maryline qui a su me faire prendre du recul
sur la conduite de mon travail, car elle en etait passee par la elle aussi.
Je voudrais temoigner ensuite une grande reconnaissance a ma famille sans qui je
n’en serais pas la, qui m’a aussi toujours soutenu, a su eveiller ma curiosite et qui m’a
tant apporte.
Je termine ces remerciements par Pauline, qui a illumine ma derniere annee de these,
qui a su me supporter aussi bien dans mes joies que dans mes peines, le tout en forme de
montagne russe...
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energie > - Romain CLUZEL
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Resume fran cais
L’illumination par la face arriere amincie des imageurs CMOS est une des voies
etudiees pour accro^tre le rapport signal a bruit et ainsi la sensibilite de ce capteur.
Or cette con