This thesis presents a new simulation model for floating gate transistor (FGMOS) in nanometer scale technology where the transistors suffer from non-negligible gate leakage current due to the very thin Silicon oxide (SiO2) layer. The new FGMOS simulation model is used for transient and DC simulation and with any industry standard simulators such as Spector and various SPICE programs (i.e. HSPICE, WinSPICE, etc.). This model can be used for any technology that has SiO2 thickness less than 3nm and suffer from gate leakage current with no changes to the model itself; however, minimal changes need to be done to the gate tunnelling cell to comply with the technology parameters where the gate tunnelling current exponentially increases as tox decreases.

La thèse porte sur le développement de composants à base d’hétérojonction AlGaN/GaN. Cette hétérojonction permet de bénéficier d’une excellente mobilité (2000 cm²/V.s) grâce à l’apparition d’un gaz d’électron dans le GaN. Cependant, les composants fabriqués sur cette hétérojonction sont normally-on. Pour des raisons de sécurité et d’habitude de conception des composants normally-off sont nécessaires. Il existe de nombreuses façons de fabriquer des transistors normally-off à base d’hétérojonction AlGaN/GaN, dans cette thèse nous avons choisi d’étudier un MOSCHEMT, cette structure est caractérisée par une grille de type MOS et des accès de type HEMT possédant les excellentes propriétés de l’hétérojonction, en fonction des paramètres technologiques : épitaxie, process et structure des composants. L’une des variations technologiques étudiées est une structure cascodée permettant d’améliorer les performances à l’état passant sans détériorer la caractéristique en blocage des composants. L’objectif est de concevoir un composant normally-off sur substrat silicium 200 mm avec une tension de seuil supérieure à 1V, pouvant tenir 600 V en blocage, avec un calibre en courant entre 10 A et 30 A et compatible en salle blanche CMOS. Le manuscrit comporte quatre chapitres. Grâce à une étude bibliographique, le premier chapitre présente les différentes méthodes permettant d’obtenir un transistor normally-off à base de nitrure de gallium. Ce chapitre présente et justifie le choix technologique du CEA-LETI. Le deuxième chapitre présente les modèles ainsi que les méthodes de caractérisations utilisés au cours de la thèse. Le troisième chapitre traite des résultats obtenus en faisant varier les paramètres de fabrication sur les MOSC-HEMT. Enfin, le quatrième chapitre montre une étude sur une technologie innovante de type cascode. Cette structure doit permettre d’augmenter la tension de claquage des transistors sans détériorer l’état passant. / This thesis focuses on the development of AlGaN/GaN heterojunction components or HEMT. This heterojunction has an excellent mobility (2000 cm² / V.s) thanks to the appearance of an electron gas in the GaN. However, the components made with this heterojunction are normally-on. For safety reasons particularly, normally-off components are required. There are many ways to make normally-off transistors based on AlGaN/GaN heterojunction. In this thesis we chose to study a MOSCHEMT strucutre. This structure is characterized by a MOS type gate and HEMT type accesses. The study shows the effects of technological parameters (epitaxy, process and component structure) on the electrical behaviour of the components. Another structure studied is the monolithic cascode, which can improve on-state performance of the MOSC-HEMT without damaging the characteristic in reverse of the components. The objective of this thesis is to design a normally-off component on silicon substrate 200 mm with a threshold voltage higher than 1V, able to hold 600 V in reverse, with a current rating between 10 A and 30 A and compatible in CMOS clean room. The manuscript has four chapters. Through a bibliographic review, the first chapter presents the different methods to obtain a normally-off transistor based on gallium nitride. This chapter presents and justifies the technological choice of CEA-LETI. The second chapter presents the models as well as the methods of characterizations used during the thesis. The third chapter deals with the results obtained by varying the manufacturing parameters on the MOSC-HEMTs. Finally, the fourth chapter shows a study on innovative cascode technology. This structure must make it possible to increase the breakdown voltage of the transistors without damaging the on state.

Les progrès rapides de la microélectronique sont liées à la miniaturisation du transistor MOS. Pour limiter les courants de fuite, SiO2 a déjà été remplacé par HfO2.mais de nouveaux diélectriques de grande constante diélectrique (high-k) devront être intégrés pour poursuivre cette progression. Le microscope à force atomique (AFM) en mode Conductive-AFM (C-AFM) est aujourd'hui un outil incontournable pour la caractérisation électrique des diélectriques en couche mince à l'échelle nanométrique. Dans nos travaux, nous avons cherché à étudier les limites du C-AM. Le C-AFM consiste à utiliser une pointe AFM comme électrode supérieure afin de faire des mesures de type I(V) ou des cartographies de courant. Nous avons cherché à identifier le phénomène qui conduit à la dégradation de la couche diélectrique par l'application d'une tension de pointe positive, matérialisée par la déformation de la surface. Nous avons montré qu'il s'agissait d'un effet thermique due à la forte densité de courant, ne s'apparentant pas à la DBIE observée sur dispositif, et pouvant aller jusqu'à la détérioration du substrat à l'interface. Ce phénomène, sans en être la conséquence, est largement favorisé par la présence d'eau. Ceci confirme qu'il est préférable de réaliser les caractérisations électriques sous ultra-vide malgré les contraintes expérimentales. Les études du diélectriques sont ainsi compromises puisque le mode de dégradation est en partie propre à la technique AFM et ne permet pas aisément d'extrapoler le comportement du matériau intégré dans un dispositif. De plus, l'étude statistique la dégradation de la couche (Weibull), couramment utilisée, est affectée par un biais d'interdépendance. De la même façon, la modélisation de la conduction à travers la couche doit être utilisée avec précaution, car la surface du contact électrique pointe-diélectrique demeure un paramètre incertain. La technique de pompage de charges permet de caractériser les pièges à l'interface oxyde/semi- conducteur en les sollicitant par l'application d'une tension de grille périodique. Elle permet d'extraire la densité d'état Dit(E) les sections efficaces de capture (σ(E)), mais ne donne pas d'information sur leur répartition spatiale. Nous avons donc adapté cette technique à la microscopie champ proche, la pointe AFM conductrice faisant office de grille. Sur des transistors dépourvus de grille spécialement préparés pour l’occasion, nous avons pu montrer la faisabilité de la technique, en accord satisfaisant avec les mesures macroscopiques. Nous mesurons un signal que nous associons à un courant pompé. Cependant, le signal est déformé comparativement aux mesures macroscopiques. Un modèle physique reste à développer puisque dans notre cas, les charges minoritaires doivent traverser depuis la source et le drain un espace non polarisé par la grille. Par la suite, un dispositif de cartographie des défauts d'interface, éventuellement résolue en énergie, pourra être développé. / The rapid progress of the microelectronic is obtained by the strong reduction of the dimensions of the MOS transistor. In order to reduce the leakage currents SiO2 is nox replaced by HfO2, but new dielectrics with a high permittivity (high-k) will have to be integrated in the future so that the progession continues. The atomic force microscope (AFM) in Conductive-AFM (C-AFM) mode is an ideal tools for the electrical characterization of thin oxide films at the nanometric scale. In our work, we have tried to study the limits of the C-AFM. C-AFM consists in using an AFM tip as a top electrode in order to perform Intensity-Current (I-V) curves or mapping the current. We have tried and identify the phenomenon which lead to the degradation of the dielectric layer during the application of the positive voltage bias on the tip, which results in a deformation of the surface under study. We have shown that it is a thermal effect due to a large density of current, which is different from dielectric induced breakdown epitaxy (DBIE) observed on the devices, and which may even lead to the degradation of the susbstrate at the interface. This phenomon is favored by the presence of water on the surface although it is not its consequence. This confirms that such electrical measurements should be performed in ultra-high vacuum in spite of the consequences in terms of complexity of the measurement setup. As a consequence, the study of the dielectric material are questionned since the degradation process is partly due to the AFM technique itself and does not allow to extrapolate easily the behaviour of the integrated device. Moreover, the statistical study of the degradation of the layer (Weibull), commonly used, is affected by a bias (measurements are interdependent). In the same way, the modeling of the conduction through the layer must be questionned because the surface of the electrical contact between the tip and the dielectric layer remains a very variable parameter. The charge pumping technique, which consists in caracterizing the traps at the semiconductor / dielectric interface by filling/emptying them with the application of an alternating gate voltage. It allows to extract the states density (Dit(E) and the capture cross section (σ(E)) but does not provide any information about their repartition on the interface. So, we have adapted this technique to the scanning probe microscopy with the conducting AFM probe as a gate. Using gate-less transistors fabricated in the frame of this work, we have demonstrated the feasability of this technique with a satisfying agreement with macroscopic measurements. We are able to measure a signal that can be related to charge pumping. However, the signal is distorted compared to macroscopic measurements. Modeling is needed because in our case, minority carriers must travel from source to drain via a non polarised area. As a perspective, an energetically resolved method to map the interfacial defects might be developed.