The resolution of CMOS image sensor is becoming higher and higher, while for identifying its performance, designers need to do a series of simulations, and this work consumes large CPU time in classical design environment. This thesis titled "Fast Scalable and Variability Aware CMOS Image Sensor Simulation Methodology" is dedicated to explore a new simulation methodology for improving the simulation capability. This simulation methodology is used to study the image sensor performance versus low level design parameter, such as transistor size and process variability. The simulation methodology achieves error less than 0.4% on 3T-APS architecture. The methodology is tested in various pixel architectures, and it is used in simulating image sensor with 15 million pixels, the simulation capability is improved 64 times and time consumption is reduced from days to minutes. The potential application includes simulating array-based circuit, such as memory circuit matrix simulation. / L’amélioration de la résolution de ces capteurs implique la nécessité pour les concepteurs de réaliser des séries de simulation de plus en plus longue dans le but de caractériser leurs performances, et ces simulations qui génèrent des résultats difficiles à analyser requièrent de très grandes ressources de calcul ainsi qu’une grande quantité de mémoire. Cette thèse intitulée "Méthode de simulation rapide de capteur d'image CMOS prenant en compte les paramètres d'extensibilité et de variabilité" explore une nouvelle méthodologie de simulation pour améliorer les capacités de traitement actuelles. La méthode qui a été développée est utilisée pour étudier et comparer les performances d’un capteur d’images avec les paramètres de bas niveau de conception de tels circuits ; par exemple la taille des transistors ainsi que la variabilité. La méthodologie obtient l'erreur de sortie moins de 0,4% sur le capteur d’image de style APS-3T. La méthode a été testée avec diverses architectures de pixel, et elle a permis de simuler un capteur d'image de 15 millions de pixels. La vitesse de simulation est améliorée 64 fois, passant de plusieurs jours à plusieurs minutes. La simulation des circuits présentant une structure en matrice comme les mémoires est une autre application potentielle de ce type de méthodologie.

Les capteurs d'images CMOS ont connu au cours des six dernières années une réduction de la taille des pixels d'un facteur quatre. Néanmoins, cette miniaturisation se heurte à la diminution rapide du signal maximal de chaque pixel et à l'échange parasite entre pixels (diaphotie). C'est dans ce contexte qu'a été développé le Pixel à Tranchées Profondes Capacitives et Grille de Transfert verticale (pixel CDTI+VTG). Basé sur la structure d'un pixel « 4T », il intègre une isolation électrique par tranchées, une photodiode profonde plus volumineuse et une grille verticale permettant le stockage profond et le transfert des électrons. Des procédés de fabrication permettant cette intégration spécifique ont tout d'abord été développés. Parallèlement, une étude détaillée des transistors du pixel, également isolés par CDTI a été menée. Ces tranchées capacitives d'isolation actionnées en tant que grilles supplémentaires ouvrent de nombreuses applications pour un transistor multi-grille compatible avec un substrat massif. Un démonstrateur de 3MPixels intégrant des pixels d'une taille de 1.75*1.75 μm² a été réalisé dans une technologie CMOS 120 nm. Les performances de ce capteur ont pu être déterminées, en particulier en fonction de la tension appliquée aux CDTI. Un bas niveau de courant d'obscurité a tout particulièrement été obtenu grâce à la polarisation électrostatique des tranchées d'isolation / CMOS image sensors showed in the last few years a dramatic reduction of pixel pitch. However pitch shrinking is increasingly facing crosstalk and reduction of pixel signal, and new architectures are now needed to overcome those limitations. Our pixel with Capacitive Deep Trench Isolation and Vertical Transfer Gate (CDTI+VTG) has been developed in this context. Innovative integration of polysilicon-filled deep trenches allows high-quality pixel isolation, vertically extended photodiode and deep vertical transfer ability. First, specific process steps have been developed. In parallel, a thorough study of pixel MOS transistors has been carried out. We showed that capacitive trenches can be also operated as extra lateral gates, which opens promising applications for a multi-gate transistor compatible with CMOS-bulk technology. Finally, a 3MPixel demonstrator integrating 1.75*1.75 μm² pixels has been realized in a CMOS 120 nm technology. Pixel performances could be measured and exploited. In particular, a low dark current level could be obtained thanks to electrostatic effect of capacitive isolation trenches

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