Chemical mechanical polishing (CMP) has been used for a long time in the manufacturing of prime silicon wafers for the IC industry. Lately, other substrates, such as silicon-on-insulator has become in use which requires a greater control of the silicon CMP process. CMP is used to planarize oxide interlevel dielectric and to remove excessive tungsten after plug filling in the Al interconnection technology. In Cu interconnection technology, the plugs and wiring are filled in one step and excessive Cu is removed by CMP. In front end processing, CMP is used to realize shallow trench isolation (STI), to planarize trench capacitors in dynamic random access memories (DRAM) and in novel gate concepts. This thesis is focused on CMP for front end processing, which is the processing on the device level and the starting material. The effects of dopants, crystal orientation and process parameters on silicon removal rate are investigated. CMP and silicon wafer bonding is investigated. Also, plasma assisted wafer bonding to form InP MOS structures is investigated. A complexity of using STI in bipolar and BiCMOS processes is the integration of STI with deep trench isolation (DTI). A process module to realize STI/DTI, which introduces a poly CMP step to planarize the deep trench filling, is presented. Another investigated front end application is to remove the overgrowth in selectively epitaxially grown collector for a SiGe heterojunction bipolar transistor. CMP is also investigated for rounding, which could be beneficial for stress reduction or to create microoptical devices, using a pad softer than pads used for planarization. An issue in CMP for planarization is glazing of the pad, which results in a decrease in removal rate. To retain a stable removal rate, the pad needs to be conditioned. This thesis introduces a geometrically defined abrasive surface for pad conditioning.

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

Cette thèse est une étude sur la caractérisation, la modélisation et l’optimisation des effets substrat dans les circuits intégrés, dédies à des applications WLAN.L’objectif de ces travaux de recherche est de développer une nouvelle méthodologie d’extraction qui prenne en compte tous les parasites ; à savoir les modèles RLCK distribués, les effets électromagnétiques, ainsi que le couplage substrat.Les effets substrat ont été optimisés grâce au développement de nouvelles structures d’isolation utilisant des tranches profondes d’isolation (DTI).La prédictibilité des simulations circuits a été améliorée grace à l’introduction d’une nouvelle méthodologie d’extraction, basée sur une approche quasi-statique prenant en compte avec précision la description exacte et complète du procédé BiCMOS ainsi que les pertes dans le substrat, aussi bien diélectriques que résistives.La validité de cette méthodologie a été évaluée en comparant les résultats de simulation avec les mesures sur silicium. La bonne corrélation des résultats démontre la pertinence de cette nouvelle méthodologie. Cette méthode permet de plus, de réduire le « time to maket » grâce à l’optimisation des temps de simulations. / This thesis is about characterization, modelling and optimization of substrate effects in integrated circuits, dedicated to WLAN applications.The objective of this thesis is to develop a new extraction methodology that takes into account all parasites; distributed RLCK models, electromagnetic effects, as well as substrate coupling.Substrate effects have been optimized through the development of a new insulation strategies using deep isolation isolation (DTIs).The circuit predictability has been improved thanks to the development of a new extraction methodology, based on a quasi-static approach taking into account the complete description of the BiCMOS process as well as the substrate loss, both capacitive and resistive effects.The validation of this methodology was evaluated by comparing simulation results with silicon measurements. The good correlation of the obtained results demonstrates the accuracy of this new methodology. This method also makes it possible to reduce the time to market thanks to the optimization of the simulation times.

La conception des futures générations de capteurs d'images CMOS, nécessite l'intégration de structures 3D telles que les tranchées profondes d'isolation, ou encore l'adoption de nouvelles architectures telles que les capteurs d'images à illumination face arrière. Cependant, l'intégration de telles architectures engendre l'apparition de nouvelles interfaces Si/SiO2, pouvant être la source d'un fort courant d'obscurité Idark, dégradant considérablement les performances électro-optiques du capteur. Ainsi, dans le but d'éliminer le Idark et d'augmenter l'efficacité de collecte et de confinement des photoporteurs au sein de la photodiode, la passivation de ces interfaces par l'introduction d'une jonction fortement dopée a été étudiée. D'une part, la passivation de la face arrière a été réalisée par implantation ionique activée par recuit laser pulsé. Grâce à un traitement très court et localisé, le recuit laser a démontré sa capacité à réaliser des jonctions minces et très abruptes. Une très bonne qualité cristalline ainsi que des taux d'activation avoisinant les 100% ont pu être atteint dans le mode fusion. Le mode sous-fusion quant à lui permet d'obtenir des résultats prometteurs en multipliant le nombre de tir laser. Les résultats électriques ont permis de distinguer les conditions optimales d'implantation et de recuit pour l'achèvement d'un faible niveau de Idark comparable à la référence en vigueur ainsi qu'une bonne sensibilité. Le deuxième axe d'étude s'est intéressé à la passivation des flancs des DTI par épitaxie sélective dopée in-situ. Des dépôts très uniformes de la cavité accompagnés d'une très bonne conformité de dopage le long des tranchées ont pu être réalisés. Les résultats sur lot électrique ont montré un très faible niveau de Idark supplantant la référence en vigueur / In order to maintain or enhance the electro-optical performances while decreasing the pixel size, advanced CMOS Image Sensors (CIS) requires the implementation of new architectures. For this purpose, deep trenches for pixel isolation (DTI) and backside illumination (BSI) have been introduced as ones of the most promising candidates. The major challenge of these architectures is the high dark current level (Idark) due to the generation/recombination centers present at both, DTI sidewalls and backside surfaces. Therefore, the creation of very shallow doped junctions at these surfaces reducing Idark and further crosstalk by drifting the photo-generated carriers to the photodiode region appears as key process step for introducing these architectures. For the backside surface passivation, a very shallow doped layer can be achieved by low-energy implantation followed by very short and localized heating provided by pulsed laser annealing (PLA). In the melt regime, box-shaped profiles with activation rates close to 100% and excellent crystalline quality have been achieved. The non-melt regime shows some potential, especially for multiple pulse conditions. In the optimal process conditions, very low level of Idark comparable to the standard reference has been achieved. In the other side, the passivation of DTI sidewalls has been performed by in-situ doped Epitaxy. Deposited layers with good uniformity and doping conformity all along the DTI cavity have been achieved. The electrical results show Idark values lower than the standard reference