Les semiconducteurs composés III-V, et en particulier l’InGaAs, sont considéréscomme une alternative attractive pour remplacer le Silicium (Si) habituellement utilisépour former le canal dans les dispositifs Métal-Oxide-Semiconducteur (MOS). Sa hautemobilité électronique et sa bande interdite modulable, des paramètres clés pourl’ingénierie de dispositifs à haute performance, ont fait de l’InGaAs un candidatprometteur. Cependant, la stabilité thermique et la chimie des interfaces desdiélectriques high-k sur InGaAs est beaucoup plus complexe que sur Si. Tandis que laplupart des études se concentrent sur diverses méthodes de passivation, telles que lacroissance de couches passivantes d’interface (Si, Ge, et Si/Ge) et/ou le traitementchimique afin d’améliorer la qualité de l’interface high-k/InGaAs, les phénomènes telsque la diffusion d’espèces atomiques provenant du substrat dus aux traitementsthermiques n’ont pas été étudiés attentivement. Les traitements thermiques liés auxprocédés d’intégration de la source (S) et du drain (D) induisent des changementsstructurels qui dégradent les performances électriques du dispositif MOS. Unecaractérisation adaptée des altérations structurelles associées à la diffusion d’élémentsdepuis la surface du substrat est importante afin de comprendre les mécanismes defaille. Dans ce travail, une analyse de la structure ainsi que de la stabilité thermiquedes couches TiN/ZrO2/InGaAs par spectroscopie de photoélectrons résolue en angle(ARXPS) est présentée. Grâce à cette méthode d’analyse non destructive, il a étépossible d’observer des effets subtils tels que la diffusion d’espèces atomiques àtravers la couche diélectrique due au recuit thermique. A partir de la connaissance dela structure des couches, les profils d’implantation d’In et de Ga ont pu être estiméspar la méthode des scenarios. L’analyse de l’échantillon avant recuit thermique apermis de localiser les espèces In-O et Ga-O à l’interface oxide-semiconducteur. Aprèsrecuit, les résultats démontrent de façon quantitative que le recuit thermique cause ladiffusion de In et Ga vers les couches supérieures. En considérant différents scénarios,il a pu être démontré que la diffusion d’In et de Ga induite par le recuit atteint lacouche de TiO2. Dans le cas où l’échantillon est recuit à 500 °C, seule la diffusion d’Inest clairement observée, tandis que dans le cas où l’échantillon est recuit à 700 °C, onobserve la diffusion d’In et de Ga jusqu’à la couche de TiO2. L’analyse quantitative~ viii ~montre une diffusion plus faible de Gallium (~ 0.12 ML) que d’Indium (~ 0.26 ML) à 700°C /10 s. L’analyse quantitative en fonction de la température de recuit a permisd’estimer la valeur de l’énergie d’activation pour la diffusion d’Indium à travers leZircone. La valeur obtenue est très proche des valeurs de diffusion de l’Indium àtravers l’alumine et l’hafnia précédemment rapportées. Des techniquescomplémentaires telles que la microscopie électronique en transmission à hauterésolution (HR-TEM), la spectroscopie X à dispersion d’énergie (EDX) et laspectrométrie de masse à temps de vol (TOF-SIMS) ont été utilisés pour corréler lesrésultats obtenus par ARXPS. En particulier, la TOF-SIMS a révélé le phénomène dediffusion des espèces atomiques vers la surface. / III-V compound semiconductors, in particular InGaAs, are considered attractivealternative channel materials to replace Si in complementary metal-oxidesemiconductor(MOS) devices. Its high mobility and tunable band gap, requirementsfor high performance device design, have placed InGaAs as a promising candidate.However, the interfacial thermal stability and chemistry of high-k dielectrics on InGaAsis far more complex than those on Si. While most studies are focused on variouspassivation methods, such as the growth of interfacial passivation layers (Si, Ge, andSi/Ge) and/or chemical treatments to improve the quality of high-k/InGaAs interface,phenomena such as the out-diffusion of atomic species from the substrate as aconsequence of the thermal treatments have not been carefully studied. The thermaltreatments, which are related with integration processes of source and drain (S/D),lead to structural changes that degrade the electrical performance of the MOS device.A proper characterization of the structural alterations associated with the out-diffusionof elements from the substrate is important for understanding failure mechanisms. Inthis work it is presented an analysis of the structure and thermal stability ofTiN/ZrO2/InGaAs stacks by angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS).Through a non-destructive analysis method, it was possible to observe subtle effectssuch as the diffusion of substrate atomic species through the dielectric layer as aconsequence of thermal annealing. The knowledge of the film structure allowed forassessing the In and Ga depth profiles by means of the scenarios-method. For the asdeposited sample, In-O and Ga-O are located at the oxide-semiconductor interface. Byassuming different scenarios for their distribution, it was quantitatively shown thatannealing causes the diffusion of In and Ga up to the TiO2 layer. For the sampleannealed at 500 °C, only the diffusion of indium was clearly observed, while for thesample annealed at 700 °C the diffusion of both In and Ga to the TiO2 layer wasevident. The quantitative analysis showed smaller diffusion of gallium (~ 0.12 ML) thanof indium (~ 0.26 ML) at 700 °C/10 s. Since the quantification was done at differenttemperatures, it was possible to obtain an approximate value of the activation energyfor the diffusion of indium through zirconia. The value resulted to be very similar topreviously reported values for indium diffusion through alumina and through hafnia.~ vi ~Complementary techniques as high resolution transmission electron microscopy (HRTEM),energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) and time of flight secondary ion massspectrometry (TOF-SIMS) were used to complement the results obtained with ARXPS.Specially, TOF-SIMS highlighted the phenomenon of diffusion of the substrate atomicspecies to the surface. / Compuestos semiconductores III-V, en particular InxGa1-xAs, son consideradosmateriales atractivos para reemplazar el silicio en estructuras metal-oxidosemiconductor(MOS). Su alta movilidad y flexible ancho de banda, requisitos para eldiseño de dispositivos de alto rendimiento, han colocado al InxGa1-xAs como uncandidato prometedor. Sin embargo, la estabilidad térmica en la interfazdieléctrico/InxGa1-xAs es mucho más compleja que aquella formada en la estructuraSiO2/Si. Mientras que la mayoría de los estudios se centran en diversos métodos depasivación tales como el crecimiento de las capas intermedias (Si, Ge y Si/Ge) y/otratamientos químicos para mejorar la calidad de la interfaz, fenómenos como ladifusión de las especies atómicas del sustrato como consecuencia del recocido no hansido cuidadosamente estudiados. Los tratamientos térmicos, los cuales estánrelacionados con los procesos de integración de la fuente y el drenador (S/D) en undispositivo MOSFET, conducen a cambios estructurales que degradan el rendimientoeléctrico de un dispositivo MOS. Una caracterización apropiada de las alteracionesestructurales asociadas con la difusión de los elementos del substrato hacia las capassuperiores es importante para entender cuáles son los mecanismos de falla en undispositivo MOS. En este trabajo se presenta un análisis de la estructura y laestabilidad térmica de la estructura TiN/ZrO2/InGaAs por la espectroscopía defotoelectrones por rayos X con resolución angular (ARXPS). A través de un método deanálisis no destructivo, fue posible observar efectos sutiles tales como la difusión delas especies atómicas del sustrato a través del dieléctrico como consecuencia delrecocido. El conocimiento detallado de la estructura permitió evaluar los perfiles deprofundidad para las componentes de In-O y Ga-O por medio del método deescenarios. Para la muestra en estado como se depositó, las componentes de In-O yGa-O fueron localizadas en la interfaz óxido-semiconductor. Después del recocido, semuestra cuantitativamente que éste causa la difusión de átomos de In y Ga hacia a lascapas superiores. Asumiendo diferentes escenarios para su distribución, se muestraque el recocido provoca la difusión de In y Ga hasta la capa de TiO2. Para la muestrarecocida a 500 °C, se observó claramente la difusión de indio, mientras que para lamuestra recocida a 700 °C tanto In y Ga difunden a la capa de TiO2. El análisis~ iv ~cuantitativo mostró que existe menor difusión de átomos de galio (0.12 ML) que deindio (0.26 ML) a 700 °C/10 s. Puesto que el análisis sobre la cantidad de materialdifundido se realizó a diferentes temperaturas, fue posible obtener un valoraproximado para la energía de activación del indio a través del ZrO2. El valor resultóser muy similar a los valores reportados previamente para la difusión de indio a travésde Al2O3 y a través de HfO2. Con el fin de correlacionar los resultados obtenidos porARXPS, se emplearon técnicas complementarias como la microscopía electrónica detransmisión (TEM), la espectroscopía de energía dispersiva (EDX) y la espectrometríade masas de iones secundarios por tiempo de vuelo (SIMS-TOF). Particularmente, TOFSIMSdestacó el fenómeno de difusión de las especies atómicas sustrato hacia lasuperficie.

Les mémoires non-volatiles programmables une fois sont en plein essor dans le monde de l’électronique embarquée. La traçabilité, la configuration ou encore la réparation de systèmes sur puce avancés font partis des applications adressées par ce type de mémoire. Plus particulièrement, la technologie antifusible présente des propriétés de sécurité autorisant le stockage d’information sensible.Ce travail de thèse est orienté vers la compréhension des mécanismes de claquage d’oxydes minces sollicités pour la programmation des cellules antifusibles ainsi que l’intégration au niveau système de moyens de détections. Une première étape fut d’étudier les phénomènes de claquage de diélectrique type SiO2 et à haute permittivité sous l’application d’un fort champ ́électrique. Des techniques de mesures dédiées ont été développées afin de réaliser des caractérisations dans les conditions de programmation des mémoires antifusible sollicitant des temps au claquage inférieurs à la micro-seconde. Ces mesures ont ensuite permis l’étude statistique du claquage des diélectriques ainsi que la modélisation sous de hautes tensions ; hors des gammes étudiées traditionnellement dans le domaine de la fiabilité. Le modèle proposé permet l’optimisation des dimensions d’une cellule élémentaire en fonction d’un temps au claquage défini au préalable. Un mécanisme inattendu occasionnant un sur courant substrat a également été mis en évidence pendant la phase de programmation. L’étude de ce phénomène a été réalisée par des caractérisations électriques et des simulations afin de conclure sur l’hypothèse d’un déclenchement d’un transistor bipolaire parasite de type PNP dans la cellule antifusible. L’impact des conditions de programmation sur le courant de lecture mesuré sous une basse tension a également été analysé. Des structures de tests analogiques dédiés ont été conçues afin de contrôler l’amplitude du courant de programmation. Le contrôle du temps de programmation est quant à lui accompli par un système de détection de courant et de temporisation. Finalement, ces solutions sont validées par un démonstrateur d’une capacité de 1-kb conçu et fabriqué sur une technologie CMOS standard avancée 32nm. / Non-volatile one-time programmable memories are gaining an ever growing interest in embedded electronics. Chip ID, chip configuration or system repairing are among the numerous applications addressed by this type of semiconductor memories. In addition, the antifuse technology enables the storage of secured information with respect to cryptography or else. The thesis focuses on the understanding of ultrathin gate-oxide breakdown physics that is involved in the programming of antifuse bitcells. The integration of advanced programming and detection schemes is also tackled in this thesis. The breakdown mechanisms in the dielectric material SiO2 and high-K under a high electric field were studied. Dedicated experimental setups were needed in order to perform the characterization of antifuse bitcells under the conditions define in memory product. Typical time-to-breakdown values shorter than a micro second were identified. The latter measurements allowed the statistical study of dielectric breakdown and the modeling in a high voltage range, i.e. beyond the conventional range studied in reliability. The model presented in this PhD thesis enables the optimization of the antifuse bitcell sizes according to a targeted mean time-to- breakdown value. A particular mechanism leading to a high bulk current overshoot occuring during the programming operation was highlighted. The study of this phenomenon was achieved using electrical characterizations and simulations. The triggering of a parasitic P-N-P bipolar transistor localized in the antifuse bitcell appeared as a relevant hypothesis. The analysis of the impact of the programming conditions on the resulting read current measured under a low voltage was performed using analog test structures. The amplitude of the programming current was controlled in an augmented antifuse bitcell. The programming time is controlled by a programming detection system and a delay. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb demonstrator yet designed and fabricated in a logic 32-nm CMOS process.

Les mémoires non volatiles intégrées représentent une part importante du marché des semi-conducteurs. Bien qu'il s'adresse à de nombreuses applications différentes, ce type de mémoire fait face à des problèmes pour poursuivre la réduction continue de la résolution des technologies CMOS. En effet, l'introduction récente de high-k et de métal pour la grille des transistors menace la compétitivité de la solution Flash. En conséquence, de nombreuses solutions émergentes sont étudiées. L'Antifuse dans le cadre des mémoires OTP est utilisée pour l'identification de puces, la configuration de circuits, la réparation de système ou le stockage de données sécurisées. La programmation Antifuse repose sur la dégradation de l'oxyde de grille de son condensateur sous haute tension. Des travaux antérieurs ont déjà apporté quelques connaissances sur les mécanismes physiques impliqués sur des technologies à oxyde de grille SiO2. De nouveaux défis découlent de l'introduction des nouveaux matériaux de grille. Un examen complet est nécessaire sur les mécanismes de dégradation des oxydes impliqués dans la programmation Antifuse. L'utilisation intensive de la haute tension suggère également d'étendre notre connaissance sur la fiabilité dans cette gamme de tension. Les états pré et post-claquage de l'oxyde de grille sous des mécanismes à haute tension sont donc étudiés dans ce manuscrit se concentrant sur les technologies CMOS les plus avancées. Une loi en puissance type TDDB a été étendue vers les hautes tensions pour être utilisée comme un modèle de temps de programmation Antifuse. L'extension de la fiabilité TDDB nous donne également un élément clé pour modéliser la durée de vie du transistor de sélection. Des paramètres de programmation tels que l'amplitude de la tension, la compliance du courant ou la température sont également étudiés et leur impact sur le rendement en courant de lecture est abordé. Cette étude nous permet de rétrécir agressivement la surface globale de la cellule sans perte de performance ni de dégradation de la fiabilité. Un processus de caractérisation Antifuse est proposé pour être retravaillé et un modèle de programmation de tension-température-dépendante est inventé. Ce manuscrit a également mis l'accent sur la modélisation de courant de cellule programmée comme la fuite d’un oxyde de grille post-claquage. Un modèle compact MOSFET dégradé est proposé et comparé à l'état de l’art. Un bon accord est trouvé pour s'adapter à la large gamme de caractérisations I (V) de la cellule programmée. L'activation de ce modèle dans un environnement de design nous a permis de simuler la dispersion des distributions de courants de cellules programmées au niveau de la taille du produit à l'aide de runs Monte-Carlo. Enfin, cette thèse s'achève autour d'une étude d'investigation OxRAM comme une solution émergente. En combinant le dispositif Antifuse avec le mécanisme de commutation résistif de l'OxRAM, une solution hybride est proposée en perspective. / Embedded Non Volatile Memories represent a significant part of the semiconductor market. While it addresses many different applications, this type of memory faces issues to keep the CMOS scaling down roadmap. Indeed, the recent introduction of high-k and metal for the CMOS gate is threatening the Flash’s competitiveness. As a consequence many emerging solutions are being. The Antifuse as part of the OTP memories is fully CMOS compliant, Antifuse memories are used for Chip ID, chip configuration, system repairing or secured data storage to say the least. The Antifuse programming relies on the gate oxide breakdown of its capacitor under high voltage. Previous work already brought some knowledge about the physical mechanisms involved but mainly on SiO2 gate oxide technologies. New challenges arise from the introduction of the new gate materials. A full review is needed about the oxide breakdown mechanisms involved in the Antifuse programming. The extensive use of high voltage also suggests to extend our knowledge about reliability within this voltage range. Pre and post gate oxide breakdown under high voltage mechanisms are then deeply investigated in this manuscript focusing on the most advanced CMOS technologies. Fowler Nordheim Tunneling has been confirmed as the main mechanism responsible for the gate oxide leakage conduction under high voltage during the wearout phase even-though defect contribution has been evidenced to mainly contribute under low voltage , e.g. the virgin Antifuse leakage current. A TDDB based power law has been extended toward high voltage to be used as a robust Antifuse programming time model. Extending the TDDB reliability under high electric field also gives us key element to model the selection MOSFET time to failure. Programming parameters such as voltage amplitude, current compliance or temperature are also investigated and their impact on the Read Current Yield are tackled. This study allows us to aggressively shrink the bitcell overall area without losing performance nor degrading the reliability. This study also reveals a worst case scenario for the programming parameters when temperature is very low. As a consequence, the early Antifuse characterization process is proposed to be rework and a programming voltage-temperature-dependent solution is invented. This manuscript also focused on the Antifuse programmed cell current modeling as gate oxide post-breakdown conduction. A remaining MOSFET compact model is proposed and compared to the state of the art. Good agreement is found to fit the wide range of read current. Enabling this model within a CAD environment has allowed us to simulate the Read Current Yield dispersion at product size level using Monte-Carlo runs. Finally, this thesis wraps up around an OxRAM investigation study as a serious emerging eNVM solution. Combining the Antifuse device with the resistive switching mechanism of the OxRAM, a hybrid solution is proposed as a perspective.

Si l'utilisation des transformateurs piézoélectriques se bornait jusqu'alors à l'alimentation ou la protection de dispositifs électriques, ils sont aujourd'hui envisagés pour la génération de décharges plasma directement à leur surface. Les propriétés remarquables de ces générateurs piézoélectriques en font une alternative intéressante aux dispositifs conventionnels, notamment par la simplicité de mise en œuvre. La surface du transformateur constitue à la fois le support de décharge et l'élément élévateur de tension réduisant significativement l'encombrement des dispositifs. En outre les gains en tension de ces transformateurs sont remarquablement élevés et permettent d'obtenir des décharges pour des tensions d'alimentation n'excédant pas quelques volts. Ces avantages peuvent répondre avantageusement à certains problèmes rencontrés dans les procédés plasmas dont l'implantation dans les processus industriels, bien qu'elle soit en constante amélioration, est parfois confrontée à des problèmes de mise en œuvre d'enceintes complexes, rendant le procédé couteux ou inadapté aux conditions opératoires. L'objet de cette thèse porte sur l'étude fondamentale d'un transformateur piézoélectrique de type Rosen dédié à la génération de décharges électriques. Plus particulièrement, ce travail s'attèle au développement d'un modèle analytique permettant de mieux appréhender les limites de ce procédé innovant, ainsi qu'une meilleure compréhension du comportement des décharges plasma face aux spécificités de ce transformateur et de son matériau. Pour ce faire l'étude se consacre en première partie à la caractérisation du transformateur piézoélectrique hors décharge à partir de ses bornes, puis à l'extension d'un modèle analytique afin d'appréhender la distribution du potentiel électrique à sa surface. Le développement d'un dispositif expérimental permettra la mesure du potentiel ainsi que la discussion du modèle. Dans un second temps l'étude s'attache au comportement du transformateur piézoélectrique en décharge. La distribution de potentiel à présent connue constitue une donnée d'entrée nécessaire à l'étude de la dynamique de décharges dans ces différentes configurations. Les phénomènes à l'œuvre dans ce processus de génération étant complexes, l'étude est conduite suivant différentes étapes. Tout d'abord en passant par l'étude des propriétés des céramiques ferroélectriques au travers d'une décharge à barrière diélectrique plan-plan. Ensuite la dynamique des décharges est abordée par modélisation numérique suivant trois configurations différentes. Ces cas d'études conduisent à des régimes de décharges différents pouvant faire l'objet de mise en application future. Bien que le problème soit sous l'hypothèse d'un couplage faible, les résultats ont corroborés les observations expérimentales et ont permis de mieux comprendre l'influence des hautes permittivités et de la distribution du potentiel sur l'évolution spatio-temporelle de ce procédé. / Nowadays piezoelectric transformers are not only used to supply or protect electrical devices, but also to generate plasma discharges directly on their surface. The remarkable properties of these piezoelectric generators make them an interesting alternative to conventional devices, especially the simple implementation. The surface of the transformer constitutes both the discharge support and the voltage elevator component reducing significantly the bulk of the devices. Besides the transformers' gain voltage are remarkably high and permit to generate discharges for low voltage supply not exceeding a few volts. These advantages respond to some problems met in the plasma processes of which the establishment in industrial processes - in constant improvement - is sometimes confronted to problems of chambers implementations, making this process expensive and not adequate to the operating conditions. The purpose of this thesis focuses on the fundamental studies of a Rosen piezoelectric transformer dedicated to the generation of electrical discharges. In particular, this work tackles the development of an analytical model allowing to improve the understanding of the limits of this innovating process, as well as a better comprehension of the plasma discharges behavior face with transformer and material features. In order to do this the first part of the study is devoted to the characterization of the piezoelectric transformer without discharge, then the extension of the analytical modeling in order to comprehend the distribution of surface electrical potential. The development of an experimental device will allow the potential measurement and the discussion of the model. In a second part the study focuses on behavior of the piezoelectric transformer in discharge. The potential distribution known today constitutes a necessary input data for the study of the discharge dynamic in different configurations. The complexity of the phenomena implemented in this process of generation requires to conduct the study following different steps. First of all, by the study of ferroelectric ceramic features through a dielectric-barrier discharge. Then the discharges dynamic is approached by numerical modeling following three different configurations. This cases conduct to different discharge regimes that can be the subject of future application. Even if the problem is under the hypothesis of a weak coupling, the results confirmed the experimental observations and permitted to understand better the influence of high permittivity and of the potential distribution on the saptio-temporal evolution of this process.