La conception en vue de la fiabilité (DFR, Design for Reliability) consiste à simuler le vieillissement électrique des composants élémentaires pour évaluer la dégradation d'un circuit complet. C'est dans ce contexte de fiabilité et de simulation de cette dernière, qu'une stratégie de conception en vue de la fiabilité a été développée au cours de ses travaux. Cette stratégie, intégrant une approche « système » de la simulation, s'appuie sur l'ajout de deux étapes intermédiaires dans la phase de conception. La première étape est une étape de construction de modèles comportementaux compacts à l'aide d'une méthodologie basée sur une approche de modélisation multi niveaux (du niveau transistor au niveau circuit) des dégradations d'un circuit. La seconde étape consiste alors l'analyse descendante de la fiabilité de ce circuit, à l'aide de simulations électriques utilisant ses modèles comportementaux dits « dégradables », afin de déterminer les blocs fonctionnels et/ou les composants élémentaires critiques de l'architecture de ce dernier, vis-à-vis d'un mécanisme de défaillance et un profil de mission donnés. Cette analyse descendante permet aussi d'évaluer l'instant de défaillance de ce circuit. Les dispersions statiques, lies au procédé de fabrication utilisé, sur les performances d'un lot de CIs ont aussi été prises en compte afin d'évaluer leur impact sur la dispersion des instants de défaillance des circuits intégrés. Ces méthodes ont été appliquées à deux mécanismes de dégradation : les porteurs chauds et les radiations. / Design for reliability (DFR) consists in assessing the impact of electrical ageing of each elementary component, using electrical simulations, on performance degradations of a full device. According to DFR concept and reliability simulation, theses works present a new DFR strategy. This strategy based on the integration of two intermediate phases in the ICs and SoC design flow. The first phase is a bottom-up ageing behavioural modelling phase of a circuit (from transistor level to circuit level). The second phase is a « top-down reliability analyses » phase of this circuit, performing electrical simulations using its ageing behavioural models, in order to determine critical functional blocks and / or elementary components of its architecture according to a failure mechanism and a given mission profile. Theses analyses also allow determining the failure time of this circuit. Statistical dispersions on ICs performances, due to the used manufacturing process, have been taking into account in order to assess their impact on failure time dispersions of a ICs lot. The method has been applied on two degradation mechanisms: hot carriers and radiations.

Le sujet de cette thèse est l’analyse de la fiabilité des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe:C et descircuits intégrés associés. Dans ce but, un modèle compact prenant en compte l’évolution des caractéristiquesdes transistors SiGe:C a été développé. Ce modèle intègre les lois de vieillissement des mécanismes dedéfaillance des transistors identifiés lors des tests de vieillissement. Grâce aux simulations physiques TCADcomplétées par une analyse du bruit basses fréquences, deux mécanismes de dégradations ont été localisés. Eneffet, selon les conditions de polarisation, des porteurs chauds se retrouvent injectés aux interfaces dutransistor. Ces porteurs chauds ont suffisamment d’énergie pour dégrader l’interface en augmentantprogressivement leurs densités de pièges. L’une des deux interfaces dégradées se situe au niveau del’’’espaceur’’ émetteur-base dont l’augmentation de la densité de piège dépend des porteurs chauds créés parionisation par impact. L’autre interface dégradée se situe entre le silicium et le STI dont l’augmentation dedensité de pièges dépend des porteurs chauds générés par ionisation par impact et/ou par génération Auger.En se basant sur ces résultats, une loi de vieillissement a été incorporée dans le modèle compact HICUM. Enutilisant ce modèle, l’étude de l’impact des mécanismes de défaillance sur un circuit amplificateur faible bruit aété menée. Cette étude a montré que le modèle compact intégrant les lois de vieillissement offre la possibilitéd’étudier la fiabilité d’un circuit complexe en utilisant les outils de conception standard permettant ainsi dediminuer le temps de conception global. / The SiGe:C HBT reliability is an important issue in present and future practical applications. To reduce the designtime and increase the robustness of circuit applications, a compact model taking into account aging mechanismactivation has been developed in this thesis. After an aging test campaign and physical TCAD simulations, onemain damage mechanism has been identified. Depending on the bias conditions, hot carriers can be generatedby impact ionization in the base-collector junction and injected into the interfaces of the device where trapdensity can be created, leading to device degradation. This degradation mechanism impacting the EB/spacerinterface has been implemented in the HICUM compact model. This compact model has been used to performreliability studies of a LNA circuit. The CPU simulation time is not impacted by the activation of the degradationcompact model with an increase in computation time lower than 1%. This compact model allows performing areliability analysis with conventional circuit simulators and can be used to assist the design of more robustcircuits, which could help in reducing the design time cycle. / L’affidabilità dei transistori a eterogiunzione SiGe:C è un aspetto molto importante nella progettazione circuitale,sia per le tecnologie attuali che per quelle in fase di sviluppo. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modellocompatto in grado di descrivere i principali meccanismi di degrado, in modo da contribuire alla progettazione dicircuiti relativamente più robusti rispetto a tali fenomeni, ciò che potrebbe favorire una riduzione dei tempi diprogetto. A seguito di una campagna sperimentale e di un’analisi con tecniche TCAD, è stato identificato unmeccanismo principale di degrado. In particolari condizioni di polarizzazione, i portatori ad elevata energiagenerati per ionizzazione a impatto nella regione di carica spaziale, possono raggiungere alcune interfacce deldispositivo e ivi provocare la formazione di trappole. Solo la generazione di trappole relativa allo spaceremettitore-base è stata considerata nella formulazione del modello, essendo il fenomeno più rilevante. Ilmodello è stato utilizzato per effettuare alcuni studi di affidabilità di un amplificatore a basso rumore. Il tempocomputazionale non è significativamente influenzato dall’attivazione del modello di degrado, aumentando solodell’1%. Il modello sviluppato è compatibile con i comuni programmi di simulazione circuitale, e può essereimpiegato nella progettazione di circuiti con una migliore immunità rispetto ai fenomeni di degrado,contribuendo così a un riduzione dei tempi di progetto.

The degradation predicted by classical DC reliability methods, such as bias temperature instability (BTI) and hot carrier injection (HCI), might not translate sufficiently to the AC conditions, which are relevant on the circuit level. The direct analysis of circuit level reliability is therefore an essential task for hardware qualification in the near future. Ring oscillators (RO) offer a good model system, where both BTI and HCI contribute to the degradation. In this work, it is qualitatively shown that the additional off-state stress plays a crucial role at very high stress voltages, beyond upper usage boundaries. To yield an accurate RO lifetime prediction a frequency measurement setup with high resolution is used, which can resolve small changes in frequency during stress near operation conditions. An ACDC conversion model is developed predicting the resulting frequency change based on DC input data. From the extrapolation to 10 years of circuit lifetime the model predicts a very low frequency degradation below 0.2% under nominal operation conditions, where the off-state has a minor influence.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS. / EDELWEISS is a direct non-baryonic cold dark matter detection experiment in the form of weakly interacting massive particles (also known as WIMPs), which currently constitute the most popular candidates to account for the missing mass in the Universe. To this purpose, EDELWEISS uses germanium bolometers at cryogenic temperature (20 mK approximately) in the Underground Laboratory of Modane (LSM) at the French-Italian border. Since 2008, a new type of detector is operated, equipped with concentric electrodes to optimize the rejection of surface events (coplanar-grid detectors). This thesis work is divided into several research orientations. First, we carried out measurements concerning charge collection in the crystals. The velocity laws of the carriers (electrons and holes) have been determined in germanium at 20 mK in the <100> orientation, and a complete study of charge sharing has been done, including an evaluation of the transport anisotropy and of the straggling of the carriers. These results lead to a better understanding of the inner properties of the EDELWEISS detectors. Then, studies relating to the improvement of the performances were carried out. In particular, we have optimized the space-charge cancellation procedure in the crystals and improved the passive rejection of surface events (β). The fiducial volume of the detectors has been evaluated using two X-ray lines from cosmically activated radionuclides: 68Ge and 65Zn. Lastly, an exhaustive study of the low energy spectra has been carried out, which makes it possible to develop a systematic analysis method for the search of low-mass WIMPs in EDELWEISS.