In this thesis, a simple vertical embedded gate (VEG) MOSFET process is proposed and demonstrated by using simulation tools of ISE TCAD and Silvaco TCAD. In fundamental electrical characteristics, we employed junctionless technology and two extra sidewall spacer gates to fabricate the Junctionless Pseudo Tri-Gate Vertical (JPTGV) MOS. According to numerical analysis, the excellent electrical characteristics such as subthreshold swing (S.S.) ~ 60 mV/dec and Ion/Ioff ~ 1010 are achieved at short gate length (Lg) 8 nm. In additional, our proposed VEG structure can also be applied for non-volatile memory. Using VEG structure to fabricate the SONOS devices have some features, it not only has three source/drain (S/D) terminals and two channels which can be operated independently, but also has two silicon nitride trap layers to provide the possible operation of multi-bit. We can apply different voltage in these three S/D terminals to achieve two bits or even four bits operation, thus the device has multi-bit characteristic is realized in this thesis.

Neste trabalho é apresentado um estudo dos transistores MOS sem junções (Junctionless Nanowire Transistors - JNTs), cujo foco é a modelagem de suas características elétricas e a análise do funcionamento dos mesmos quanto à tensão de limiar, ponto invariante com a temperatura e operação analógica. Os JNTs possuem uma concentração de dopantes constante da fonte ao dreno sem apresentar gradientes. Eles foram desenvolvidos a fim de se evitar as implantações iônicas de fonte e dreno, que requerem condições rigorosamente controladas para se evitar a difusão de dopantes para o interior do canal em dispositivos de tamanho extremamente reduzido (sub-20 nm). Dessa forma, esses dispositivos permitem um maior escalamento, com um processo de fabricação simplificado. Os trabalhos recentes de modelagem desses transistores consideram dispositivos de canal longo, de forma geral o comprimento utilizado é de 1 µm, de porta dupla ou cilíndricos. Pouco tem sido feito relacionado à modelagem de JNTs porta tripla e a influência da temperatura no funcionamento dos mesmos. Assim, este trabalho tem como objetivo a modelagem do funcionamento dos dispositivos MOS sem junções de porta tripla quanto à tensão de limiar, potencial de superfície, carga de condução e corrente de dreno. Os modelos são derivados da solução da equação de Poisson com as condições de contorno adequadas, apresentando grande concordância com simulações numéricas tridimensionais e com resultados experimentais para dispositivos com comprimento de canal de até 30 nm. No caso do modelo da tensão de limiar, o maior erro obtido entre modelo e simulação foi de 33 mV, que representa uma percentagem menor que 5 %. Também foi apresentado um método de extração da tensão de limiar baseado na igualdade das componentes de deriva e difusão da corrente de dreno. Este método foi igualmente validado com resultados simulados, apresentando um erro máximo de 3 mV (menor que 0,5 %) e aplicado à dispositivos experimentais. A influência da temperatura na tensão de limiar também foi analisada tanto pelo modelo proposto como por simulações e resultados experimentais, mostrando que a dependência da concentração de dopantes ionizados com a temperatura devido à ionização incompleta dos portadores tem grande influência na tensão de limiar. No caso da modelagem da corrente de dreno e do potencial de superfície, foi acrescentada uma correção de efeitos de canal curto. O erro médio foi menor que 12 % para as curvas de corrente e suas derivadas quando comparadas à dos dispositivos experimentais de comprimento de canal de 30 nm. Também foi realizado um estudo do funcionamento dos JNTs, mostrando que o ponto invariante com a temperatura, onde a corrente de dreno se mantém constante independente da temperatura, pode ou não existir nesses dispositivos dependendo da resistência série e de sua dependência com a temperatura. Por fim, a operação analógica dos dispositivos sem junções é analisada para dispositivos de diferentes dimensões. / In this work, a study of the Junctionless Nanowire Transistors (JNTs) is presented, focusing their modeling and analyzing their operation. The JNTs are heavily doped devices with a doping concentration constant from source to drain, without presenting doping gradients. They have been developed in order to avoid drain and source ion implantation, which requires rigorous controlled conditions to avoid dopants diffusion into the channel in extremely reduced devices (sub-20 nm). Therefore, these devices provide a higher scalability with a simplified fabrication process. Recent works on junctionless nanowire transistors modeling have considered long-channel (a length of 1 µm is commonly used) double-gate or cylindrical devices. Few works have presented the modeling of triple-gate JNTs and the temperature influence on the device operation. The goal of this work is the modeling of the threshold voltage, surface potential, conduction charge and drain current in triple-gate junctionless nanowire transistors. The models are derived from the solution of the Poisson equation with the appropriate boundary conditions and exhibit a great concordance with three-dimensional numerical simulations and experimental data even for devices with channel length of 30 nm. In the case of the threshold voltage, the higher error obtained between model and simulation was 33 mV, which represents an error lower than 5 %. A method for the threshold voltage extraction based on the equality of the drift and diffusion components of the drain current has also been presented. This method was also validated using simulated results, with a maximum error of 3 mV (lower than 0.5 %), and applied to experimental devices. The influence of the temperature on the threshold voltage has also been analyzed through the proposed model, the numerical simulations and the experimental data. It has been shown that the dependence of the ionized dopant concentration with the temperature due to the incomplete carrier ionization has a great influence on the threshold voltage. In the case of the surface potential and drain current modeling, a correction for the short channel effects has been proposed. The mean error has been lower than 12 % for the drain current curves and their derivatives when compared to the ones of experimental devices with a channel length of 30 nm. An analysis on the operation of the JNTs has been also performed, showing that the zero temperature coefficient point, in which the current is the same independent of the temperature, can or not exist depending on the series resistance and its dependence on the temperature. Finally, the operation of junctionless nanowire transistors in analog applications has been analyzed for devices of different dimensions.

Neste trabalho, é apresentada uma análise da operação analógica de transistores de múltiplas portas, avaliando a tensão Early, o ganho de tensão em malha aberta, a razão da transcondutância pela corrente de dreno (gm/IDS), a condutância de dreno e, em especial, a distorção harmônica, exibida por estes dispositivos. Ao longo deste trabalho, foram estudados FinFETs, dispositivos de porta circundante (Gate-All-Around GAA) com estrutura de canal gradual (Graded-Channel GC) e transistores MOS sem junções (Junctionless - JL). Inicialmente, foi efetuada a análise da distorção harmônica apresentada por FinFETs com e sem a presença de tensão mecânica biaxial, com diversas larguras de fin (Wfin) e comprimentos de canal (L), quando estes operavam em saturação, como amplificadores de um único transistor. Nesta análise, as não-linearidades foram avaliadas através da extração das distorções harmônicas de segunda e terceira ordens (HD2 e HD3, respectivamente), mostrando que a presença de tensão mecânica tem pouca influência em HD2, mas altera levemente a HD3. Quando os ganhos de tensão em malha aberta dos dispositivos são levados em conta, transistores sem tensão, também chamados de convencionais, mais estreitos apresentam grande vantagem em termos de HD2 em relação aos tensionados. Ainda nesta análise, percebeu-se que HD2 e HD3 de transistores tensionados pioram com a redução da temperatura, especialmente em inversão mais forte. Na seqüência, foi efetuada uma análise de HD3 em FinFETs com e sem tensão mecânica de vários comprimentos e larguras de canal, operando em região triodo e aplicados a estruturas balanceadas 2-MOS, mostrando que presença de tensão mecânica traz pouca influência em HD3, mas reduz a resistência do canal dos dispositivos (RON), o que não é bom em estruturas resistivas, como as avaliadas. Nesta análise, ainda, pode-se perceber uma melhora em HD3 superior a 30 dB ao se incrementar VGT de zero a 1,0 V, em cuja tensão dispositivos mais estreitos apresentam curvas mais lineares que os mais largos. Então, foi estudada a distorção apresentada por transistores GAA e GC GAA operando em regime triodo, aplicados a estruturas 2-MOS, onde se pôde perceber que GC GAAs com maiores comprimentos da região fracamente dopada apresentam vantagem em HD3 em relação aos demais, para valores de VGT superiores a 2 V. Na avaliação destas estruturas em função da temperatura, percebeu-se que, para VGT superiores a 1,1 V, HD3 depende fortemente da temperatura e piora conforme a temperatura diminui. O estudo envolvendo transistores sem junções foi mais focado em seus parâmetros analógicos, comparando-os aos apresentados por dispositivos de porta tripla ou FinFETs. Em inversões moderada e forte, transistores sem junção apresentaram menores valores para gm/IDS em relação a dispositivos de FinFETs polarizados em um mesmo nível de corrente, entretanto, a dependência de gm/IDS com a temperatura em transistores sem junção também foi menor que a apresentada por FinFETs. JL e FinFETs apresentaram comportamentos distintos para a tensão Early e o ganho de tensão em malha aberta em função da temperatura. Estes parâmetros sempre melhoram com o aumento da temperatura em dispositivos JL, enquanto que exibem seu máximo valor em temperatura ambiente em FinFETs. Nas proximidades da tensão de limiar, transistores sem junção com largura de fin de 30 nm exibiram tensão Early e ganho superiores a 80 V a 57 dB, respectivamente, enquanto que FinFETs mostraram Tensão Early de 35 V e ganho de 50 dB. Em todos os estudos efetuados ao longo do trabalho, procurou-se apontar as causas das não-linearidades apresentadas pelos dispositivos, a partir de modelos analíticos que pudessem relacionar a física de funcionamento dos transistores com os resultados experimentalmente obtidos. / In this work it is presented an analysis of the analog operation of multiple gate transistors, evaluating the Early Voltage, the open-loop voltage gain, the transconductance over the drain current ratio (gm/IDS), the drain conductance and, especially, the harmonic distortion exhibited by these devices. Along the work, FinFETs, Gate-All-Around (GAA) devices with the Graded-Channel (GC) structure and MOS transistors without junctions (Junctionless - JL) were studied. Initially, an analysis of the harmonic distortion presented by conventional and biaxially strained FinFETs with several fin widths (Wfin) and channel lengths (L) was performed, when these devices were operating in saturation as single transistor amplifiers. In this analysis, the non-linearities were evaluated through the extraction of the second and the third order harmonic distortions (HD2 and HD3, respectively), and it was shown that the presence of strain has negligible influence in HD2, but slightly changes HD3. When the open loop voltage gain of the devices is taken into consideration, narrower conventional transistors present a huge advantage with respect to the strained ones in terms of HD2. Also, it was perceived that both HD2 and HD3 of strained FinFETs worsen with the temperature decrease, especially in stronger inversion. In the sequence, an analysis of the HD3 presented by conventional and strained FinFETs of several fin widths and channel lengths operating in the triode regime was performed. These devices were applied to 2-MOS balanced structures, showing that the presence of the strain does not influence significantly the HD3, but reduces the resistance in the channel of the transistors (RON), which is not good for resistive structures as the ones evaluated. In this analysis, it can also be observed an HD3 improvement of 30 dB when VGT is increased from zero up to 1,0 V, where narrower devices present transfer characteristics more linear than the wider ones. Then, it was studied the distortion presented by GAA and GC GAA devices operating in the triode regime, applied to 2-MOS structures. In this case, it could be perceived that GC GAAs with longer lightly doped regions present better HD3 in comparison to the other devices for VGT higher than 2.0 V. In the evaluation of these structures as a function of the temperature, it could be seen that for VGT higher than 1.1 V, HD3 strongly depends on the temperature and worsens as the temperature decreases. The study involving JL transistors was focused on their analog parameters, comparing them to the ones presented by triple gate devices or FinFETs. In moderate and strong inversions, Junctionless showed lower values for gm/IDS with respect to triple gate devices biased at a similar current level. However, the dependence of gm/IDS from Junctionless with the temperature was also smaller than the one presented by FinFETs. Junctionless and FinFETs exhibited distinct behaviors for the Early voltage and the open-loop voltage gain as a function of the temperature. These parameters always improve with the temperature raise in JL devices whereas they exhibit their maximum values around room temperatures for FinFETs. In the proximity of the threshold voltage, Junctionless with fin width of 30 nm presented Early voltage and intrinsic gain larger than 80 V and 57 dB, respectively, whereas FinFETs exhibited Early voltage of 35 V and gain of 50 dB. For all the studies performed in this work, the probable causes of the non-linearities were pointed out, from analytic models that could correlate the physical work of the devices with the experimental results.

Neste trabalho é apresentado um estudo dos transistores MOS sem junções (Junctionless Nanowire Transistors - JNTs), cujo foco é a modelagem de suas características elétricas e a análise do funcionamento dos mesmos quanto à tensão de limiar, ponto invariante com a temperatura e operação analógica. Os JNTs possuem uma concentração de dopantes constante da fonte ao dreno sem apresentar gradientes. Eles foram desenvolvidos a fim de se evitar as implantações iônicas de fonte e dreno, que requerem condições rigorosamente controladas para se evitar a difusão de dopantes para o interior do canal em dispositivos de tamanho extremamente reduzido (sub-20 nm). Dessa forma, esses dispositivos permitem um maior escalamento, com um processo de fabricação simplificado. Os trabalhos recentes de modelagem desses transistores consideram dispositivos de canal longo, de forma geral o comprimento utilizado é de 1 µm, de porta dupla ou cilíndricos. Pouco tem sido feito relacionado à modelagem de JNTs porta tripla e a influência da temperatura no funcionamento dos mesmos. Assim, este trabalho tem como objetivo a modelagem do funcionamento dos dispositivos MOS sem junções de porta tripla quanto à tensão de limiar, potencial de superfície, carga de condução e corrente de dreno. Os modelos são derivados da solução da equação de Poisson com as condições de contorno adequadas, apresentando grande concordância com simulações numéricas tridimensionais e com resultados experimentais para dispositivos com comprimento de canal de até 30 nm. No caso do modelo da tensão de limiar, o maior erro obtido entre modelo e simulação foi de 33 mV, que representa uma percentagem menor que 5 %. Também foi apresentado um método de extração da tensão de limiar baseado na igualdade das componentes de deriva e difusão da corrente de dreno. Este método foi igualmente validado com resultados simulados, apresentando um erro máximo de 3 mV (menor que 0,5 %) e aplicado à dispositivos experimentais. A influência da temperatura na tensão de limiar também foi analisada tanto pelo modelo proposto como por simulações e resultados experimentais, mostrando que a dependência da concentração de dopantes ionizados com a temperatura devido à ionização incompleta dos portadores tem grande influência na tensão de limiar. No caso da modelagem da corrente de dreno e do potencial de superfície, foi acrescentada uma correção de efeitos de canal curto. O erro médio foi menor que 12 % para as curvas de corrente e suas derivadas quando comparadas à dos dispositivos experimentais de comprimento de canal de 30 nm. Também foi realizado um estudo do funcionamento dos JNTs, mostrando que o ponto invariante com a temperatura, onde a corrente de dreno se mantém constante independente da temperatura, pode ou não existir nesses dispositivos dependendo da resistência série e de sua dependência com a temperatura. Por fim, a operação analógica dos dispositivos sem junções é analisada para dispositivos de diferentes dimensões. / In this work, a study of the Junctionless Nanowire Transistors (JNTs) is presented, focusing their modeling and analyzing their operation. The JNTs are heavily doped devices with a doping concentration constant from source to drain, without presenting doping gradients. They have been developed in order to avoid drain and source ion implantation, which requires rigorous controlled conditions to avoid dopants diffusion into the channel in extremely reduced devices (sub-20 nm). Therefore, these devices provide a higher scalability with a simplified fabrication process. Recent works on junctionless nanowire transistors modeling have considered long-channel (a length of 1 µm is commonly used) double-gate or cylindrical devices. Few works have presented the modeling of triple-gate JNTs and the temperature influence on the device operation. The goal of this work is the modeling of the threshold voltage, surface potential, conduction charge and drain current in triple-gate junctionless nanowire transistors. The models are derived from the solution of the Poisson equation with the appropriate boundary conditions and exhibit a great concordance with three-dimensional numerical simulations and experimental data even for devices with channel length of 30 nm. In the case of the threshold voltage, the higher error obtained between model and simulation was 33 mV, which represents an error lower than 5 %. A method for the threshold voltage extraction based on the equality of the drift and diffusion components of the drain current has also been presented. This method was also validated using simulated results, with a maximum error of 3 mV (lower than 0.5 %), and applied to experimental devices. The influence of the temperature on the threshold voltage has also been analyzed through the proposed model, the numerical simulations and the experimental data. It has been shown that the dependence of the ionized dopant concentration with the temperature due to the incomplete carrier ionization has a great influence on the threshold voltage. In the case of the surface potential and drain current modeling, a correction for the short channel effects has been proposed. The mean error has been lower than 12 % for the drain current curves and their derivatives when compared to the ones of experimental devices with a channel length of 30 nm. An analysis on the operation of the JNTs has been also performed, showing that the zero temperature coefficient point, in which the current is the same independent of the temperature, can or not exist depending on the series resistance and its dependence on the temperature. Finally, the operation of junctionless nanowire transistors in analog applications has been analyzed for devices of different dimensions.

Neste trabalho, é apresentada uma análise da operação analógica de transistores de múltiplas portas, avaliando a tensão Early, o ganho de tensão em malha aberta, a razão da transcondutância pela corrente de dreno (gm/IDS), a condutância de dreno e, em especial, a distorção harmônica, exibida por estes dispositivos. Ao longo deste trabalho, foram estudados FinFETs, dispositivos de porta circundante (Gate-All-Around GAA) com estrutura de canal gradual (Graded-Channel GC) e transistores MOS sem junções (Junctionless - JL). Inicialmente, foi efetuada a análise da distorção harmônica apresentada por FinFETs com e sem a presença de tensão mecânica biaxial, com diversas larguras de fin (Wfin) e comprimentos de canal (L), quando estes operavam em saturação, como amplificadores de um único transistor. Nesta análise, as não-linearidades foram avaliadas através da extração das distorções harmônicas de segunda e terceira ordens (HD2 e HD3, respectivamente), mostrando que a presença de tensão mecânica tem pouca influência em HD2, mas altera levemente a HD3. Quando os ganhos de tensão em malha aberta dos dispositivos são levados em conta, transistores sem tensão, também chamados de convencionais, mais estreitos apresentam grande vantagem em termos de HD2 em relação aos tensionados. Ainda nesta análise, percebeu-se que HD2 e HD3 de transistores tensionados pioram com a redução da temperatura, especialmente em inversão mais forte. Na seqüência, foi efetuada uma análise de HD3 em FinFETs com e sem tensão mecânica de vários comprimentos e larguras de canal, operando em região triodo e aplicados a estruturas balanceadas 2-MOS, mostrando que presença de tensão mecânica traz pouca influência em HD3, mas reduz a resistência do canal dos dispositivos (RON), o que não é bom em estruturas resistivas, como as avaliadas. Nesta análise, ainda, pode-se perceber uma melhora em HD3 superior a 30 dB ao se incrementar VGT de zero a 1,0 V, em cuja tensão dispositivos mais estreitos apresentam curvas mais lineares que os mais largos. Então, foi estudada a distorção apresentada por transistores GAA e GC GAA operando em regime triodo, aplicados a estruturas 2-MOS, onde se pôde perceber que GC GAAs com maiores comprimentos da região fracamente dopada apresentam vantagem em HD3 em relação aos demais, para valores de VGT superiores a 2 V. Na avaliação destas estruturas em função da temperatura, percebeu-se que, para VGT superiores a 1,1 V, HD3 depende fortemente da temperatura e piora conforme a temperatura diminui. O estudo envolvendo transistores sem junções foi mais focado em seus parâmetros analógicos, comparando-os aos apresentados por dispositivos de porta tripla ou FinFETs. Em inversões moderada e forte, transistores sem junção apresentaram menores valores para gm/IDS em relação a dispositivos de FinFETs polarizados em um mesmo nível de corrente, entretanto, a dependência de gm/IDS com a temperatura em transistores sem junção também foi menor que a apresentada por FinFETs. JL e FinFETs apresentaram comportamentos distintos para a tensão Early e o ganho de tensão em malha aberta em função da temperatura. Estes parâmetros sempre melhoram com o aumento da temperatura em dispositivos JL, enquanto que exibem seu máximo valor em temperatura ambiente em FinFETs. Nas proximidades da tensão de limiar, transistores sem junção com largura de fin de 30 nm exibiram tensão Early e ganho superiores a 80 V a 57 dB, respectivamente, enquanto que FinFETs mostraram Tensão Early de 35 V e ganho de 50 dB. Em todos os estudos efetuados ao longo do trabalho, procurou-se apontar as causas das não-linearidades apresentadas pelos dispositivos, a partir de modelos analíticos que pudessem relacionar a física de funcionamento dos transistores com os resultados experimentalmente obtidos. / In this work it is presented an analysis of the analog operation of multiple gate transistors, evaluating the Early Voltage, the open-loop voltage gain, the transconductance over the drain current ratio (gm/IDS), the drain conductance and, especially, the harmonic distortion exhibited by these devices. Along the work, FinFETs, Gate-All-Around (GAA) devices with the Graded-Channel (GC) structure and MOS transistors without junctions (Junctionless - JL) were studied. Initially, an analysis of the harmonic distortion presented by conventional and biaxially strained FinFETs with several fin widths (Wfin) and channel lengths (L) was performed, when these devices were operating in saturation as single transistor amplifiers. In this analysis, the non-linearities were evaluated through the extraction of the second and the third order harmonic distortions (HD2 and HD3, respectively), and it was shown that the presence of strain has negligible influence in HD2, but slightly changes HD3. When the open loop voltage gain of the devices is taken into consideration, narrower conventional transistors present a huge advantage with respect to the strained ones in terms of HD2. Also, it was perceived that both HD2 and HD3 of strained FinFETs worsen with the temperature decrease, especially in stronger inversion. In the sequence, an analysis of the HD3 presented by conventional and strained FinFETs of several fin widths and channel lengths operating in the triode regime was performed. These devices were applied to 2-MOS balanced structures, showing that the presence of the strain does not influence significantly the HD3, but reduces the resistance in the channel of the transistors (RON), which is not good for resistive structures as the ones evaluated. In this analysis, it can also be observed an HD3 improvement of 30 dB when VGT is increased from zero up to 1,0 V, where narrower devices present transfer characteristics more linear than the wider ones. Then, it was studied the distortion presented by GAA and GC GAA devices operating in the triode regime, applied to 2-MOS structures. In this case, it could be perceived that GC GAAs with longer lightly doped regions present better HD3 in comparison to the other devices for VGT higher than 2.0 V. In the evaluation of these structures as a function of the temperature, it could be seen that for VGT higher than 1.1 V, HD3 strongly depends on the temperature and worsens as the temperature decreases. The study involving JL transistors was focused on their analog parameters, comparing them to the ones presented by triple gate devices or FinFETs. In moderate and strong inversions, Junctionless showed lower values for gm/IDS with respect to triple gate devices biased at a similar current level. However, the dependence of gm/IDS from Junctionless with the temperature was also smaller than the one presented by FinFETs. Junctionless and FinFETs exhibited distinct behaviors for the Early voltage and the open-loop voltage gain as a function of the temperature. These parameters always improve with the temperature raise in JL devices whereas they exhibit their maximum values around room temperatures for FinFETs. In the proximity of the threshold voltage, Junctionless with fin width of 30 nm presented Early voltage and intrinsic gain larger than 80 V and 57 dB, respectively, whereas FinFETs exhibited Early voltage of 35 V and gain of 50 dB. For all the studies performed in this work, the probable causes of the non-linearities were pointed out, from analytic models that could correlate the physical work of the devices with the experimental results.

In this thesis, we carefully investigate the electrical characteristics of junctionless vertical MOSFET (JLVMOS) compared with the junctionless planar MOSFET (JLPMOS) and conversional junction vertical MOSFET (JVMOS). Also, we examine the advantages of the double-gate structure and the short-channel behavior of the junctionless transistors. According to the 2D simulation studies, the proposed JLVMOS can achieve better short-channel characteristics (JLVMOS: 62.04 mV/dec S.S., 23.96 mV/V DIBL; JLPMOS: 77.67 mV/dec S.S., 146.07 mV/V DIBL) as compared with the planar transistor, chiefly owing to the double-gate scheme. This proves that only the double-gate device has better gate controllability over the channel region to reduce the short-channel effect. More importantly is that the JLVMOS has a bulk Si starting material, in which the SOI-induced self-heating effects and the fabrication cost can be well suppressed and reduced, respectively. In comparison with the JVMOS, our proposed JLVMOS exhibits better S.S. and reduced DIBL. Furthermore, although the analog/RF properties of the JLVMOS are somewhat degraded, due to its simple fabrication process, our proposed JLVMOS can become one of the mainstream technology for future CMOS applications.

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L'invention du premier transistor à Bell lab's, dans le groupe de W. Shockley, en 1947 a été suivie d'une ère de développement des circuits intégrés (IC). Depuis plusieurs dizaines d'années, la dimension critique des transistors métal/oxyde/semi-conducteurs (les transistors MOS), la longueur physique de la grille, a diminué à un rythme régulier. Cette évolution, motivée par des raisons économiques, a été anticipée par G. Moore, et est de ce fait connue sous le nom de "loi de Moore". La dimension de grille a d'ores et déjà été réduite de plus de 2 ordres de grandeur et, dans son édition2012, l'association ITRS prédit qu'elle décroîtra encore, de 22nm en 2011 à environ 6nm en 2026 [1].Toutefois, cette réduction des dimensions fait apparaître un certain nombre d'effets secondaires qui altèrent le fonctionnement idéal des transistors MOS [2]. / In this dissertation, the performance of junction less transistors (JLTs) as possible candidates for the continuation of Moore’s law was investigated experimentally based on an in-depth study of their electrical characteristics. Current-voltage I-V and capacitance-voltage C-V were analyzed in a wide rangeof temperatures (from 80 K to 350 K) in correlation with device operation mechanism. Lowfrequencynoise was also studied and compared to that of inversion-mode transistors. This study requirednew parameter extraction methods to be defined for JLTs. Their validity was confirmed by 2-dimensional (2D) simulation results. They will be detailed in this dissertation.

Modern cities are undergoing rapid expansion. The number of connected devices in the networks in and around these cities is increasing every day and will exponentially increase in the next few years. At home, the number of connected devices is also increasing with the introduction of home automation appliances and applications. Many of these appliances are becoming smart devices which can track our daily routines. It is imperative that all these devices should be secure. When cryptographic keys used for encryption and decryption are stored on memory present on these devices, they can be retrieved by attackers or adversaries to gain control of the system. For this purpose, Physical Unclonable Functions (PUFs) were proposed to generate the keys required for encryption and decryption of the data or the communication channel, as required by the application. PUF modules take advantage of the manufacturing variations that are introduced in the Integrated Circuits (ICs) during the fabrication process. These are used to generate the cryptographic keys which reduces the use of a separate memory module to store the encryption and decryption keys. A PUF module can also be recon gurable such that the number of input output pairs or Challenge Response Pairs (CRPs) generated can be increased exponentially. This dissertation proposes three designs of PUFs, two of which are recon gurable to increase the robustness of the system.

Une des principales solutions technologiques liées à la réduction d’échelle de la technologie CMOS est aujourd’hui clairement orientée vers les transistors MOSFET faiblement dopés à multiples grilles. Ceux-ci proposent une meilleure immunité contre les effets canaux courts comparés aux transistors MOSFET bulk planaires (cf. ITRS 2011). Parmi les MOSFETs à multiples grilles, le transistor FinFET SOI est un candidat intéressant de par la similarité de son processus de fabrication avec la technologie des transistors planaires. En parallèle, il existe une réelle attente de la part des concepteurs et des fonderies à disposer de modèles compacts efficaces numériquement, précis et proches de la physique, insérés dans les « design tools » permettant alors d’étudier et d’élaborer des circuits ambitieux en technologie FinFET. Cette thèse porte sur l’élaboration d’un modèle compact orienté conception du transistor FinFET valide aux dimensions nanométriques. Ce modèle prend en compte les effets canaux courts, la modulation de longueur de canal, la dégradation de la mobilité, leseffets de mécanique quantique et les transcapacités. Une validation de ce modèle est réalisée par des comparaisons avec des simulations TCAD 3D. Le modèle compact est implémenté en langage Verilog-A afin de simuler des circuits innovants à base de transistors FinFET. Une modélisation niveau-porte est développée pour la simulation de circuits numériques complexes. Cette thèse présente également un modèle compact générique de transistors MOSFET SOI canaux long faiblement dopés à multiple grilles. La dépendance à la température est prise en compte. Selon un concept de transformation géométrique, notre modèle compact du transistor MOSFET double grille planaire est étendu pour s’appliquer à tout autre type de transistor MOSFET à multiple grille (MuGFET). Une validation expérimentale du modèle MuGFET sur un transistor triple grille est proposée. Cette thèse apporte enfin des solutions pour la modélisation des transistors MOSFET double grille sans jonction. / One of the main technological solutions related to downscaling of CMOS technology is now clearly oriented to lightly doped multigate MOSFETs. They offer better immunity against short channel effects compared to planar bulk MOSFETs (see ITRS 2011). Among the multigate MOSFETs, the SOI FinFET transistor is an interesting candidate because of the similarity of its manufacturing process with the planar transistor technology. In parallel, there is a real expectation on the part of designers and foundries to have compact models numerically efficient, accurate and close to the physics, and then inserted in to the design tools in order to study and develop ambitious circuits in FinFET technology. This thesis focuses on the development of a design-oriented compact model of FinFET transistor valid to nanoscale dimensions. This model takes into account the short channel effects, the channel length modulation, the mobility degradation, the quantum mechanic effects and the transcapacitances. A validation of this model is carried out by comparisons with 3DTCAD simulations. The compact model is implemented in Verilog-A to simulate innovative FinFET-based circuits. A gate-level modeling is developed for the simulation of complex digital circuits. This thesis also presents a generic compact modeling of multigate SOI MOSFETs with lightly doped channels and temperature dependent. According to a concept of geometric transformation, our compact model of the planar double-gate MOSFET is extended to be applied to any other type of multigate MOSFETs (MuGFET). An experimental validation of the MuGFET compact model with a triple gate transistor is proposed. This thesis finally brings solutions for the modeling of junction less double-gate MOSFET.