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.

More and more electronic products, like battery chargers and power supplies, as well as applications in telecommunications and automotive electronics are based on System-on-Chip solutions, where signal processing and power devices are integrated on the same chip. The integration of different functional units offers many advantages in terms of reliability, reduced power consumption, weight and space reduction, leading to products with better performance at a hopefully lower price. This thesis focuses on the integration of vertical high-voltage double-diffused MOS transistors (DMOSFETs) on Silicon-on-Insulator (SOI) substrates. MOSFETs possess a number of features which makes them indispensable for Power Integrated Circuits (PICs): high switching speed, high efficiency, and simple drive circuits. SOI substrates combined with trench technology is superior to traditional Junction Isolation (JI) techniques in terms of cross-talk and leakage currents. Vertical DMOS transistors on SOI have been manufactured and characterized, and an analytical model for their on-resistance is presented. A description of self-heating and operation at elevated temperatures is included. Furthermore, the switching dynamics of these components is investigated by means of device simulations with the result that the dissipated power during unclamped inductive switching tests is reduced substantially compared to bulk vertical DMOSFETs. A large number of defects is created in the device layer if the trenches are exposed to high temperatures during processing. A new fabrication process with back-end trench formation is introduced in order to minimize defect generation. In addition, a model for the capacitive coupling between trench-isolated structures is developed.

Réalisées au début du processus de fabrication des circuits intégrés, les tranchées d'isolation permettent d'éviter les fuites de courant latérales qui pourraient avoir lieu entre les transistors. Les tranchées sont remplies par un film d'oxyde de silicium réalisé par des procédés de dépôt chimiques en phase vapeur (aussi appelés CVD). Le remplissage des tranchées est couramment réalisé par un procédé CVD à pression sub-atmosphérique (SACVD TEOS/O3). Cependant, la capacité de remplissage de ce procédé pour les nœuds technologiques CMOS 28 nm et inférieurs est dégradée à cause de profils trop verticaux dans les tranchées. Cela induit la formation de cavités dans l'oxyde et entraine des courts-circuits. Afin de pallier ce problème, une nouvelle stratégie de remplissage en trois étapes est proposée pour la technologie CMOS 14 nm. Dans la première étape, un film mince d'oxyde est déposé dans les tranchées. Puis, dans la deuxième étape, les flancs du film sont gravés à l'aide d'un procédé de gravure innovant, basé sur un plasma délocalisé de NF3/NH3, permettant de créer une pente favorable au remplissage final réalisé au cours de la troisième étape. Le développement de cette nouvelle stratégie de remplissage s'est déroulé selon plusieurs axes. Tout d'abord, le procédé de dépôt a été caractérisé afin de sélectionner les conditions optimales pour la première étape de la stratégie. Puis, le procédé de gravure innovant a été caractérisé en détail. L'influence des paramètres de gravure a été étudiée sur pleine plaque et sur plaques avec motifs afin de comprendre les mécanismes de gravure et de changement de pente dans les tranchées. Enfin, dans un troisième temps, la stratégie de remplissage a été développée et intégrée pour la technologie CMOS 14 nm. Nous montrons ainsi qu'il est possible de contrôler le changement de pente avec les conditions de gravure et que cette stratégie permet un remplissage des tranchées d'isolation sans cavités. / Achieved at the beginning of the integrated circuits manufacturing, shallow trench isolation permits to electrically isolate transistors from each other's to avoid current leakage. Trenches are filled with silicon dioxide film deposited by chemical vapor deposition (also called CVD). Trenches gap-filling is usually performed by TEOS/O3 Sub-Atmospheric Chemical Vapor Deposition (TEOS/O3 SACVD). However, trenches gap-filling with SACVD process reveals some limitations for advanced technology nodes (mainly 28 nm & 14 nm) due to quasi-vertical trenches profile and slope sensitivity of SACVD, which can lead to voids formation in gap-filling oxide and consequently to electrical isolation failure. To solve this issue, a new three steps gap-fill strategy is proposed for the CMOS 14 nm technology node. During the first step, a thin oxide liner is deposited into trenches. Then, in the second step, film sidewalls are etched with an innovative process, based on downstream plasma of NF3/NH3, to create tapered profile favorable for final SACVD gap-fill achieved in the third step. The development of this strategy has followed three work leads. First, the deposition process has been characterized to select best conditions for the first step. Then, the innovative etching process has been widely characterized. The influence of etching parameters has been studied on blanket and patterned wafers to understand etching mechanisms and slope modification. Finally, the gap-fill strategy has been developed and integrated for the CMOS 14 nm technology node. We demonstrate that it is possible to control the slope modification by tuning etching conditions and that strategy allows a void-free trenches filling.

Les mémoires flash sont intégrées dans presque tous les aspects de la vie moderne car leurs uns et zéros représentent les données stockées sur les cartes à puce et dans les capteurs qui nous entourent. Dans les mémoires flash à grille flottante ces données sont représentées par la quantité de charge stockée sur une grille en poly-Si, isolée par un oxyde tunnel et un diélectrique entre grilles (IGD). Au fur et à mesure que les chercheurs et les ingénieurs de l'industrie microélectronique poussent continuellement les limites de mise à l'échelle, la capacité des dispositifs à contenir leurs informations risque de devenir compromise. Même la perte d'un électron par jour est trop élevée et entraînerait l'absence de conservation des données pendant dix ans. Étant trop faibles, les courants de fuite sont impossible à mesurer directement. Cette thèse présente une nouvelle méthode, la séparation du stress aux oxydes (OSS), pour mesurer ces courants en suivant les changements de la tension de seuil de la cellule flash. La nouveauté de la technique est que les conditions de polarisation sont sélectionnées afin que le stress se produise entièrement dans l'IGD, permettant la reconstruction d'une courbe IV de l'IGD à des tensions faibles. Cette thèse décrit également les changements de processus nécessaires pour intégrer la première mémoire flash embarquée de 40 nm basée sur un IGD d'alumine, en remplacement du SiO2/ Si3N4/SiO2 standard. L'intérêt pour les matériaux high-k vient de la motivation de créer un IGD qui est électriquement mince pour augmenter le couplage tout en étant physiquement épais pour bloquer le transport de charge. Comme la flash intégrée au noeud de 40 nm se rapproche de la production, l'approche à prendre dans les nœuds futurs doit également être discutée. Cela fournit la motivation pour le chapitre final de la thèse qui traite de la co-intégration des différents IGD avec des dispositifs logiques ayant les gilles « high-k metal » nécessaires à 28 nm et au-delà. / Flash memory circuits are embedded in almost every aspect of modern life as their ones and zeros represent the data that is stored on smart cards and in the sensors around us. In floating gate flash memories this data is represented by the amount of charge stored on a poly-Si gate, isolated by a tunneling oxide and an Inter Gate Dielectric (IGD). As the microelectronics industry’s researchers and engineering continuously push the scaling limits, the ability of the devices to hold their information may become compromised. Even the loss of one electron per day is too much and would result in the failure to retain the data for ten years. At such low current densities, the direct measurement of the leakage current is impossible. This thesis presents a new way, Oxide Stress Separation, to measure these currents by following the changes in the threshold voltage of the flash cell. The novelty of the technique is that the biasing conditions are selected such that the stress occurs entirely in the IGD, allowing for the reconstruction of an IV curve of the IGD at low biases. This thesis also describes the process changes necessary to integrate the world’s first 40 nm embedded flash based on an alumina IGD, in replacement of the standard SiO2/Si3N4/SiO2. The interest in high-k materials comes from the motivation to make an IGD that is electrically thin to increase coupling while being physically thick to block charge transport. As embedded flash at the 40 nm node nears production, the approach to be taken in future nodes must also be discussed. This provides the motivation for the final chapter of the thesis which discusses the co-integration of the different IGDs with logic devices having the high-k metal gates necessary at 28 nm and beyond.

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