Modern technology needs and advancements have introduced various new concepts such as Internet-of-Things, electric automotive, and Artificial intelligence. This implies an increased activity in the electronics domain of analog and high frequency. Silicon devices have emerged as a cost-effective solution for such diverse applications. As these silicon devices are pushed towards higher performance, there is a continuous need to improve fabrication, power efficiency, variability, and reliability. Often, a direct trade-off of higher performance is observed in the reliability of semiconductor devices. The acceleration-based methodologies used for reliability assessment are the adequate time-saving solution for the lifetime's extrapolation but come with uncertainty in accuracy. Thus, the efforts to improve the accuracy of reliability characterization methodologies run in parallel. This study highlights two goals that can be achieved by incorporating high-frequency characterization into the reliability characteristics. The first one is assessing high-frequency performance throughout the device's lifetime to facilitate an accurate description of device/circuit functionality for high-frequency applications. Secondly, to explore the potential of high-frequency characterization as the means of scanning reliability effects within devices. S-parameters served as the high-frequency device's response and mapped onto a small-signal model to analyze different components of a fully depleted silicon-on-insulator MOSFET. The studied devices are subjected to two important DC stress patterns, i.e., Bias temperature instability stress and hot carrier stress. The hot carrier stress, which inherently suffers from the self-heating effect, resulted in the transistor's geometry-dependent magnitudes of hot carrier degradation. It is shown that the incorporation of the thermal resistance model is mandatory for the investigation of hot carrier degradation. The property of direct translation of small-signal parameter degradation to DC parameter degradation is used to develop a new S-parameter based bias temperature instability characterization methodology. The changes in gate-related small-signal capacitances after hot carrier stress reveals a distinct signature due to local change of flat-band voltage. The measured effects of gate-related small-signal capacitances post-stress are validated through transient physics-based simulations in Sentaurus TCAD.:Abstract Symbols Acronyms 1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 MOSFETs Scaling Trends and Challenges 2.1.1 Silicon on Insulator Technology 2.1.2 FDSOI Technology 2.2 Reliability of Semiconductor Devices 2.3 RF Reliability 2.4 MOSFET Degradation Mechanisms 2.4.1 Hot Carrier Degradation 2.4.2 Bias Temperature Instability 2.5 Self-heating 3 RF Characterization of fully-depleted Silicon on Insulator devices 3.1 Scattering Parameters 3.2 S-parameters Measurement Flow 3.2.1 Calibration 3.2.2 De-embedding 3.3 Small-Signal Model 3.3.1 Model Parameters Extraction 3.3.2 Transistor Figures of Merit 3.4 Characterization Results 4 Self-heating assessment in Multi-finger Devices 4.1 Self-heating Characterization Methodology 4.1.1 Output Conductance Frequency dependence 4.1.2 Temperature dependence of Drain Current 4.2 Thermal Resistance Behavior 4.2.1 Thermal Resistance Scaling with number of fingers 4.2.2 Thermal Resistance Scaling with finger spacing 4.2.3 Thermal Resistance Scaling with GateWidth 4.2.4 Thermal Resistance Scaling with Gate length 4.3 Thermal Resistance Model 4.4 Design for Thermal Resistance Optimization 5 Bias Temperature Instability Investigation 5.1 Impact of Bias Temperature Instability stress on Device Metrics 5.1.1 Experimental Details 5.1.2 DC Parameters Drift 5.1.3 RF Small-Signal Parameters Drift 5.2 S-parameter based on-the-fly Bias Temperature Instability Characterization Method 5.2.1 Measurement Methodology 5.2.2 Results and Discussion 6 Investigation of Hot-carrier Degradation 6.1 Impact of Hot-carrier stress on Device performance 6.1.1 DC Metrics Degradation 6.1.2 Impact on small-signal Parameters 6.2 Implications of Self-heating on Hot-carrier Degradation in n-MOSFETs 6.2.1 Inclusion of Thermal resistance in Hot-carrier Degradation modeling 6.2.2 Convolution of Bias Temperature Instability component in Hot-carrier Degradation 6.2.3 Effect of Source and Drain Placement in Multi-finger Layout 6.3 Vth turn-around effect in p-MOSFET 7 Deconvolution of Hot-carrier Degradation and Bias Temperature Instability using Scattering parameters 7.1 Small-Signal Parameter Signatures for Hot-carrier Degradation and Bias Temperature Instability 7.2 TCAD Dynamic Simulation of Defects 7.2.1 Fixed Charges 7.2.2 Interface Traps near Gate 7.2.3 Interface Traps near Spacer Region 7.2.4 Combination of Traps 7.2.5 Drain Series Resistance effect 7.2.6 DVth Correction 7.3 Empirical Modeling based deconvolution of Hot-carrier Degradation 8 Conclusion and Recommendations 8.1 General Conclusions 8.2 Recommendations for Future Work A Directly measured S-parameters and extracted Y-parameters B Device Dimensions for Thermal Resistance Modeling C Frequency response of hot-carrier degradation (HCD) D Localization Effect of Interface Traps Bibliography

Ce travail de recherche a été principalement motivé par les avantages importants apportés par la technologie UTBB FDSOI aux applications analogiques et RF de faible puissance. L'objectif principal est d'étudier le comportement dynamique du transistor MOSFET du type UTBB FDSOI et de proposer des modèles prédictifs et des recommandations pour la conception de circuits intégrés RF, en mettant un accent particulier sur le régime d'inversion modérée. Après une brève analyse des progrès réalisés au niveau des architectures du transistor MOSFET, un état de l’art de la modélisation du transistor MOSFET UTBB FDSOI est établi. Les principaux effets physiques impliqués dans le transistor à double grille avec une épaisseur du film de 7 nm sont passés en revue, en particulier l’impact de la grille arrière, à l’aide de mesures et de simulations TCAD. La caractéristique gm/ID en basse fréquence et la caractéristique ym/ID proposée pour la haute fréquence sont étudiées et utilisées dans une conception analogique efficace. Enfin, le modèle NQS haute fréquence proposé reproduit les mesures dans toutes les conditions de polarisation y compris l’inversion modérée jusqu’à 110 GHz. / This research work has been motivated primarily by the significant advantages brought about by the UTBB FDSOI technology to the Low power Analog and RF applications. The main goal is to study the dynamic behavior of the UTBB FDSOI MOSFET in light of the recent technology advances and to propose predictive models and useful recommendations for RF IC design with particular emphasis on Moderate Inversion regime. After a brief review of progress in MOSFET architectures introduced in the semiconductor industry, a state-of-the-art UTBB FDSOI MOSFET modeling status is compiled. The main physical effects involved in the double gate transistor with a 7 nm thick film are reviewed, particularly the back gate impact, using measurements and TCAD. For better insight into the Weak Inversion and Moderate Inversion operations, both the low frequency gm/ID FoM and the proposed high frequency ym/ID FoM are studied and also used in an efficient first-cut analog design. Finally, a high frequency NQS model is developed and compared to DC and S-parameters measurements. The results show excellent agreement across all modes of operation including very low bias conditions and up to 110 GHz.

Afin de réaliser correctement leur fonction, certains blocs analogiques ou numériques comme les miroirs de courant ou les SRAM, nécessitent des paires de transistors MOS électriquement identiques. Cependant, les dispositifs sur silicium, même appariés, subissent des variations locales aléatoires ce qui fait varier leurs performances électriques. Ce phénomène est connu sous le nom désappariement. L'objectif de cette thèse est de comprendre les causes physiques de ce désappariement, de le quantifier et de proposer des solutions pour le réduire. Dans ce contexte, quatre thèmes principaux sont développés. Le premier thème se focalise sur l'optimisation des méthodologies de mesures des phénomènes de désappariement. Une nouvelle méthode de mesure du désappariement de Vt et de β ainsi qu'un nouveau modèle de désappariement de ID sont proposés, analysés et appliqués à des données mesurées sur des technologies 28nm Bulk et FD SOI. Le second thème se concentre sur la caractérisation des différentes configurations de transistor MOS afin de proposer l'architecture optimale en fonction des applications visées. Ainsi, la possibilité de remplacer le LDEMOS par une configuration cascode est analysée en détail. Le troisième thème se focalise sur l'analyse et la modélisation des phénomènes de désappariement des transistors MOS avancés. Trois aspects sont analysés : 1) l'introduction du Ge dans le canal P des technologies 28nm BULK, 2) la suppression de la contribution de la grille sur le désappariement de Vt en utilisant la technologie 20 nm métal-Gate-Last 3) un descriptif des principaux contributeurs au désappariement de Vt, β et ID dans les technologies 28 et 14nm FD SOI. Le dernier thème traite du comportement du désappariement des transistors MOS après vieillissement. Un vieillissement NBTI a été appliqué sur des PMOS de la technologie 28nm FD SOI. Des modèles de comportement de Vt et de β en fonction du nombre de charges fixes ou d'états d'interfaces induits à l'interface Si/SiO2 ou dans l'oxyde sont proposés et analysés. / For correct operation, certain analog and digital circuits, such as current mirrors or SRAM, require pairs of MOS transistors that are electrically identical. Real devices, however, suffer from random local variations in the electrical parameters, a problem referred to as mismatch. The aim of this thesis is to understand the physical causes of mismatch, to quantify this phenomenon, and to propose solutions that enable to reduce its effects. In this context, four major areas are treated. The first one focuses on the optimization of mismatch measurement methodologies. A new technique for the measurement of Vt and β mismatch and an ID mismatch model are proposed, analyzed and applied to experimental data for 28 nm Bulk and FD SOI technologies. The second area focuses on the characterization of different configurations of MOS transistors in order to propose design architectures that are optimized for certain applications. Specifically, the possibility of replacing LDEMOS with transistors in cascode configuration is analyzed. The third area focuses on the analysis and modeling of mismatch phenomena in advanced Bulk and SOI transistors. Three aspects are analyzed: 1) the impact of the introduction of germanium in P channel of 28nm BULK transistors; 2) the elimination of the metal gate contribution to Vt mismatch by using 20nm Gate-last Bulk technology; 3) a descriptive study of the principal contributions to Vt, β and ID mismatch in 28 and 14 nm FD SOI technologies. The last area treats the mismatch trends with transistor aging. NBTI stress tests were applied to PMOS 28nm FD SOI transistors. Models of the Vt and β mismatch trends as a function of the induced interface traps and fixed charges at the Si/SiO2 interface and in the oxide were developed and discussed.

L’émergence des circuits complexes numériques, ou System-On-Chip (SOC), pose notamment la problématique de la consommation énergétique. Parmi les blocs fonctionnels significatifs à ce titre, apparaissent les mémoires et en particulier les mémoires statiques (SRAM). La maîtrise de la consommation énergétique d’une mémoire SRAM inclue la capacité à rendre la mémoire fonctionnelle sous très faible tension d’alimentation, avec un objectif agressif de 300 mV (inférieur à la tension de seuil des transistors standard CMOS). Dans ce contexte, les travaux de thèse ont concerné la proposition d’un point mémoire SRAM suffisamment performant sous très faible tension d’alimentation et pour les nœuds technologiques avancés (CMOS bulk 28nm et FDSOI 28nm). Une analyse comparative des architectures proposées dans l’état de l’art a permis d’élaborer deux points mémoire à 10 transistors avec de très faibles impacts de courant de fuite. Outre une segmentation des ports de lecture, les propositions reposent sur l’utilisation de périphéries adaptées synchrones avec notamment une solution nouvelle de réplication, un amplificateur de lecture de données en mode tension et l’utilisation d’une polarisation dynamique arrière du caisson SOI (Body Bias). Des validations expérimentales s’appuient sur des circuits en technologies avancées. Enfin, une mémoire complète de 32kb (1024x32) a été soumise à fabrication en 28 FDSOI. Ce circuit embarque une solution de test (BIST) capable de fonctionner sous 300mV d’alimentation. Après une introduction générale, le 2ème chapitre du manuscrit décrit l’état de l’art. Le chapitre 3 présente les nouveaux points mémoire. Le 4ème chapitre décrit l’amplificateur de lecture avec la solution de réplication. Le chapitre 5 présente l’architecture d’une mémoire ultra basse tension ainsi que le circuit de test embarqué. Les travaux ont donné lieu au dépôt de 4 propositions de brevet, deux conférences internationales, un article de journal international est accepté et un autre vient d’être soumis. / Emergence of large Systems-On-Chip introduces the challenge of power management. Of the various embedded blocks, static random access memories (SRAM) constitute the angrier contributors to power consumption. Scaling down the power supply is one way to act positively on power consumption. One aggressive target is to enable the operation of SRAMs at Ultra-Low-Voltage, i.e. as low as 300 mV (lower than the threshold voltage of standard CMOS transistors). The present work concerned the proposal of SRAM bitcells able to operate at ULV and for advanced technology nodes (either CMOS bulk 28 nm or FDSOI 28 nm). The benchmarking of published architectures as state-of-the-art has led to propose two flavors of 10-transitor bitcells, solving the limitations due to leakage current and parasitic power consumption. Segmented read-ports have been used along with the required synchronous peripheral circuitry including original replica assistance, a dedicated unbalanced sense amplifier for ULV operation and dynamic forward back-biasing of SOI boxes. Experimental test chips are provided in previously mentioned technologies. A complete memory cut of 32 kbits (1024x32) has been designed with an embedded BIST block, able to operate at ULV. After a general introduction, the manuscript proposes the state-of-the-art in chapter two. The new 10T bitcells are presented in chapter 3. The sense amplifier along with the replica assistance is the core of chapter 4. The memory cut in FDSOI 28 nm is detailed in chapter 5. Results of the PhD have been disseminated with 4 patent proposals, 2 papers in international conferences, a first paper accepted in an international journal and a second but only submitted paper in an international journal.

L'introduction d'une contrainte mécanique dans le canal de MOSFETs sur SOI est indispensable pour les noeuds technologiques sub-22 nm. Son efficacité dépend de la géométrie et des règles de dessin du dispositif. L'impact des étapes du procédé de fabrication des transistors (gravure des zones actives, formation de la grille métallique, implantation des Source/Drain (S/D)) sur la contrainte du silicium contraint sur isolant (sSOI) a été mesuré par diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD). Parallèlement, le gain en performances de MOSFETs sur sSOI a été quantifié par rapport au SOI (100% de gain en mobilité pour des nMOS longs et larges (L=W=10 μm), 35% de gain en courant de drain à saturation (IDsat) pour des nMOS courts et étroits (L=25 nm, W=77 nm)). Des structures contraintes innovantes ont aussi été étudiées. Un gain en IDsat de 37% (18%) pour des pMOS sur SOI (sSOI) avec des S/D en SiGe est démontré par rapport au sSOI avec des S/D en Si, pour une longueur de grille de 60 nm et des films de 15 nm d'épaisseur. Des mesures GIXRD, couplées à des simulations mécaniques, ont permis d'étudier et d'optimiser des structures originales avec transfert de contrainte d'une couche enterrée précontrainte (en SiGe ou en nitrure) vers le canal.

L’avantage de cette architecture FDSOI par rapport à l’architecture Si-bulk est qu’elle possède une face arrière qui peut être utilisée comme une deuxième grille permettant de moduler la tension de seuil Vth du transistor. Pour améliorer les performances des transistors canal p (PMOS), du Germanium est introduit dans le canal (SiGe) et au niveau des sources/drain pour la technologie 14nm FDSOI. Par ailleurs, la réduction de la géométrie des transistors à ces dimensions nanométriques fait apparaître des effets de design physique qui impactent à la fois les performances et la fiabilité des transistors.Ce travail de recherche est développé sur quatre chapitres dont le sujet principal porte sur les performances et la fiabilité des dernières générations CMOS soumises aux mécanismes de dégradation BTI (Bias Temperature Instability) et par injections de porteurs chauds (HCI) dans les dernières technologies 28nm et 14nm FDSOI. Dans le chapitre I, nous nous intéressons à l’évolution de l’architecture du transistor qui a permis le passage des nœuds Low-Power 130-40nm sur substrat silicium à la technologie FDSOI (28nm et 14nm). Dans le chapitre II, les mécanismes de dégradation BTI et HCI des technologies 28nm et 14nm FDSOI sont étudiés et comparés avec les modèles standards utilisés. L’impact des effets de design physique (Layout) sur les paramètres électriques et la fiabilité du transistor sont traités dans le chapitre III en modélisant les contraintes induites par l’introduction du SiGe. Enfin le vieillissement et la dégradation des performances en fréquence ont été étudiés dans des circuits élémentaires de type oscillateurs en anneau (ROs), ce qui fait l’objet du chapitre IV. / The subject of this thesis developed on four chapters, aims the development of advanced CMOS technology nodes fabricated by STMicroelectronics in terms of speed performance and reliability. The main reliability issues as Bias Temperature Instability (BTI) and Hot-Carriers (HC) degradation mechanisms have been studied in the most recent 28nm and 14nm FDSOI technologies nodes. In the first chapter, we presents the evolution of transistor architecture from the low-power 130-40nm CMOS nodes on silicon substrate to the recent FDSOI technology for 28nm and 14nm CMOS nodes. The second chapter presents the specificity of BTI and HCI degradation mechanisms involved in 28nm and 14nm FDSOI technology nodes. In the third chapter, we have studied the impact of layout effects on device performance and reliability comparing symmetrical and asymmetrical geometries. Finally the trade-off between performance and reliability is studied in the fourth chapter using elementary circuits. The benefit of using double gate configuration with the use of back bias VB in FDSOI devices to digital cells, allows to compensate partially or totally the aging in ring oscillators (ROs) observed by the frequency reduction. This new compensation technique allows to extend device and circuit lifetime offering a new way to guaranty high frequency performance and long-term reliability.

In neural implants and biohybrid research systems, the integration of electrode recording and stimulation front-ends with pre-processing circuitry promises a drastic increase in real-time capabilities [1,6]. In our proposed neural recording system, constant sampling with a bandwidth of 9.8kHz yields 6.73μV input-referred noise (IRN) at a power-per-channel of 0.34μW for the time-continuous ΔΣ−modulator, and 0.52μW for the digital filters and spike detectors. We introduce dynamic current/bandwidth selection at the ΔΣ and digital filter to reduce recording bandwidth at the absence of spikes (i.e. local field potentials). This is controlled by a two-level spike detection and adjusted by adaptive threshold estimation (ATE). Dynamic bandwidth selection reduces power by 53.7%, increasing the available channel count at a low heat dissipation. Adaptive back-gate voltage tuning (ABGVT) compensates for PVT variation in subthreshold circuits. This allows 1.8V input/output (IO) devices to operate at 0.4V supply voltage robustly. The proposed 64-channel neural recording system moreover includes a 16-channel adaptive compression engine (ACE) and an 8-channel on-chip current stimulator at 3.3V. The stimulator supports field-shaping approaches, promising increased selectivity in future research.

La forte demande et le besoin d’intégration hétérogène de nouvelles fonctionnalités dans les systèmes mobiles et autonomes, tels que les mémoires, capteurs, et interfaces de communication doit prendre en compte les problématiques d’hétérogénéité, de consommation d’énergie et de dissipation de chaleur. Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. La technologie actuelle et fiable des capteurs de gaz, les résistors à base d’oxyde métallique et les MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistors) catalytiques sont opérés à de hautes températures de 200–500 °C et 140–200 °C, respectivement. Les transistors à effet de champ à grille suspendu (SG-FETs pour Suspended Gate-Field Effect Transistors) offrent l’avantage d’être sensibles aux molécules gazeuses adsorbées aussi bien par chemisorption que par physisorption, et sont opérés à température ambiante ou légèrement au-dessus. Cependant l’intégration de ce type de composant est problématique due au besoin d’implémenter une grille suspendue et l’élargissement de la largeur du canal pour compenser la détérioration de la transconductance due à la faible capacité à travers le gap d’air. Les transistors à double grilles sont d’un grand intérêt pour les applications de détection de gaz, car une des deux grilles est fonctionnalisée et permet de coupler capacitivement au canal les charges induites par l’adsorption des molécules gazeuses cibles, et l’autre grille est utilisée pour le contrôle du point d’opération du transistor sans avoir besoin d’une structure suspendue. Les transistors monoélectroniques (les SETs pour Single Electron Transistors) présentent une solution très prometteuse grâce à leur faible puissance liée à leur principe de fonctionnement basé sur le transport d’un nombre réduit d’électrons et leur faible niveau de courant. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentré sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l’unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d’une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. Le système sur puce profitera de la très élevée sensibilité à la charge électrique du transistor monoélectronique, ainsi que le traitement de signal et des données à haute vitesse en utilisant une technologie de pointe CMOS disponible. Les MOSFETs issus de la technologie FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) sont une solution très attractive à cause de leur pouvoir d’amplification du signal quand ils sont opérés dans le régime sous-le-seuil. Ces dispositifs permettent une très haute densité d’intégration due à leurs dimensions nanométriques et sont une technologie bien mature et modélisée. Ce travail se concentre sur le développement d’un procédé de fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI comme démonstration du concept du capteur de gaz à base de transistor à double grilles. La sonde Kelvin a été la technique privilégiée pour la caractérisation des matériaux sensibles par le biais de mesure de la variation du travail de sortie induite par l’adsorption de molécules de gaz. Dans ce travail, une technique de caractérisation des matériaux sensibles alternative basée sur la mesure de la charge de surface est discutée. Pour augmenter la surface spécifique de l’électrode sensible, un nouveau concept de texturation de surface est présenté. Le procédé est basé sur le dépôt de réseaux de nanotubes de carbone multi-parois par pulvérisation d’une suspension de ces nanotubes. Les réseaux déposés servent de «squelettes» pour le matériau sensible. L’objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’un capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensibilité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensibilité du Pt comme couche sensible pour la détection du H[indice inférieur 2] par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réaliser la fonction de capteur de H[indice inférieur 2]. / Abstract : The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal dissipation. In this context, all the sensing or memory components added to the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processing units have to respect drastic supply energy requirements. Smart mobile systems already incorporate a large number of embedded sensing components such as accelerometers, temperature sensors and infrared detectors. However, up to now, chemical sensors have not been fully integrated in compact systems on chips. Integration of gas sensors is limited since most used and reliable gas sensors, semiconducting metal oxide resistors and catalytic metal oxide semiconductor- field effect transistors (MOSFETs), are generally operated at high temperatures, 200–500 °C and 140–200° C, respectively. The suspended gate-field effect transistor (SG-FET)-based gas sensors offer advantages of detecting chemisorbed, as well as physisorbed gas molecules and to operate at room temperature or slightly above it. However they present integration limitations due to the implementation of a suspended gate electrode and augmented channel width in order to overcome poor transconductance due to the very low capacitance across the airgap. Double gate-transistors are of great interest for FET-based gas sensing since one functionalized gate would be dedicated for capacitively coupling of gas induced charges and the other one is used to bias the transistor, without need of airgap structure. This work discusses the integration of double gate-transistors with CMOS devices for highly sensitive and ultra-low power gas sensing applications. The use of single electron transistors (SETs) is of great interest for gas sensing applications because of their key properties, which are its ultra-high charge sensitivity and the ultra-low power consumption and dissipation, inherent to the fundamental of their operation based on the transport of a reduced number of charges. Therefore, the work presented in this thesis is focused on the proof of concept of 3D monolithic integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. We take advantage of the hyper sensitivity of the SET to electric charges as well from CMOS circuits for high-speed signal processing. Fully depleted-silicon on insulator (FD-SOI) MOSFETs are very attractive devices for gas sensing due to their amplification capability when operated in the sub-threshold regime which is the strongest asset of these devices with respect to the FET-based gas sensor technology. In addition these devices are of a high interest in terms of integration density due to their small size. Moreover FD-SOI FETs is a mature and well-modelled technology. We focus on the functionalization of the front gate of a FD-SOI MOSFET as a demonstration of the DGtransistor- based gas sensor. Kelvin probe has been the privileged technique for the investigation of FET-based gas sensors’ sensitive material via measuring the work function variation induced by gas species adsorption. In this work an alternative technique to investigate gas sensitivity of materials suitable for implementation in DG-FET-based gas sensors, based on measurement of the surface charge induced by gas species adsorption is discussed. In order to increase the specific surface of the sensing electrode, a novel concept of functionalized gate surface texturing suitable for FET-based gas sensors are presented. It is based on the spray coating of a multi-walled-carbon nanotubes (MW-CNTs) suspension to deposit a MW-CNT porous network as a conducting frame for the sensing material. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and a FD-SOI MOSFET-based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of the DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H[subscript 2] sensing.