Cette thèse porte sur le thème général de la fiabilité des circuits microélectroniques. Le but de notre travail fut de développer un outil de simulation multi-physiques pour la conception des circuits intégrés fiables qui possède les caractéristiques innovatrices suivantes : • (i) L’intégration dans un environnement de conception microélectronique standard, tel que l’environnement Cadence® ; • (ii) La possibilité de simulation, sur de longues durées, du comportement des circuits CMOS analogiques en tenant compte du phénomène de vieillissement ; • (iii) La simulation de plusieurs physiques (électrique-thermique-mécanique) couplées dans ce même environnement de CAO en utilisant la méthode de simulation directe. Ce travail de thèse a été réalisé en passant par trois grandes étapes traduites par les trois parties de ce manuscrit. / This thesis was carried out under the theme of the microelectronics Integrated Circuits Reliability. The aim of our work was to develop a multi-physics simulation tool for the design of reliable integrated circuits. This tool has the following innovative features : • (i) The integration in a standard microelectronics design environment, such as the Cadence® environment ;• (ii) The possibility of efficient simulation, over long periods, of analog CMOS circuits taking into account the aging henomenon ; • (iii) The simulation of multiple physical behaviours of ICs (electrical-thermalmechanical) coupled in the same environment using the direct simulation method. This work was carried out through three main stages detailed in the three parts of this Manuscript.

La miniaturisation des composants et l’amélioration des performances des circuits intégrés (ICs) sont dues aux progrès liés au procédé de fabrication. Malgré le nombre de technologie existante, la technologie CMOS est la plus utilisée. Dans le cadre du développement de la technologie CMOS 90nm à double niveau de poly, des recherches sur l’introduction de techniques innovantes de procédé de fabrication et d’une nouvelle architecture de transistor MOS à tension de seuil ajustable ont été menées dans le but d’améliorer les performances des ICs. Une première étude sur l’implémentation des effets de pointe dans les ICs, en particulier pour les mémoires non volatiles est entreprise. Un nouveau procédé de fabrication permettant d’obtenir des pointes dans un matériau est proposé. Il est démontré le gain en courant tunnel obtenu sur une structure pointue par rapport à une structure plane. Une seconde étude est orientée sur le développement d’une nouvelle technique de « patterning ». Les techniques de « patterning » permettent de réduire les dimensions de la photolithographie sans utiliser de masque ayant des dimensions agressives. Les avantages de cette nouvelle technique aux niveaux de sa mise en œuvre et de la suppression des problèmes d’alignement sont présentés. Une dernière étude sur le développement d’un transistor à tension de seuil ajustable est développée. Il est démontré l’avantage de ce composant par rapport aux autres composants à tension de seuil ajustable. La réalisation du modèle et des premières simulations électriques de circuit élémentaire à base de se composant sont présentés. L’amélioration de certaines performances des circuits élémentaire est démontrée. / The component miniaturization and the circuit performance improvement are due to the progress related to the manufacturing process. Despite the number of existing technology, the CMOS technology is the most used. In the 90nm CMOS technology development, with a double poly-silicon level, the research on the introduction of innovative manufacturing process techniques and a new architecture of MOS transistor with an adjustable threshold voltage are carried out to improve the integrated circuit performances. A first study, on the peak effect implementation in the integrated circuits, particularly in the non-volatile memories is undertaken. A new process to obtain a peak effect in a material is proposed. It is shown the tunnel current gain obtained on a peak structure compared with a planar structure. A second study is focused on the development of a new patterning technique. The patterning techniques allow to reduce the photolithography dimensions without using an aggressive mask. The advantages of this new technique in terms of its implementation and the suppression of alignment problems are presented. A last study on the development of a MOS transistor with an adjustable threshold voltage is developed. It is shown the advantage of this component relative to the other components with an adjustable threshold voltage. The model implementation and the first electrical simulations of elementary circuits composed with this new component are presented. The performance improvement of some elementary circuits is demonstrated.

Dans les années à venir, l’industrie de la microélectronique doit développer de nouvelles filières technologiques qui pourront devenir des successeurs ou des compléments de la technologie CMOS ultime. Parmi ces technologies émergentes relevant du domaine ‘‘Beyond CMOS’’, ce travail de recherche porte sur les transistors mono-électroniques (SET) dont le fonctionnement est basé sur la quantification de la charge électrique, le transport quantique et la répulsion Coulombienne. Les SETs doivent être étudiés à trois niveaux : composants, circuits et système. Ces nouveaux composants, utilisent à leur profit le phénomène dit de blocage de Coulomb permettant le transit des électrons de manière séquentielle, afin de contrôler très précisément le courant véhiculé. Ainsi, le caractère granulaire de la charge électrique dans le transport des électrons par effet tunnel, permet d’envisager la réalisation de transistors et de cellules mémoires à haute densité d’intégration, basse consommation. L’objectif principal de ce travail de thèse est d’explorer et d’évaluer le potentiel des transistors mono-électroniques double-grille métalliques (DG-SETs) pour les circuits logiques numériques. De ce fait, les travaux de recherches proposés sont divisés en trois parties : i) le développement des outils de simulation et tout particulièrement un modèle analytique de DG-SET ; ii) la conception de circuits numériques à base de DGSETs dans une approche ‘‘cellules standards’’ ; et iii) l’exploration d’architectures logiques versatiles à base de DG-SETs en exploitant la double-grille du dispositif. Un modèle analytique pour les DG-SETs métalliques fonctionnant à température ambiante et au-delà est présenté. Ce modèle est basé sur des paramètres physiques et géométriques et implémenté en langage Verilog-A. Il est utilisable pour la conception de circuits analogiques ou numériques hybrides SET-CMOS. A l’aide de cet outil, nous avons conçu, simulé et évalué les performances de circuits logiques à base de DG-SETs afin de mettre en avant leur utilisation dans les futurs circuits ULSI. Une bibliothèque de cellules logiques, à base de DG-SETs, fonctionnant à haute température est présentée. Des résultats remarquables ont été atteints notamment en terme de consommation d’énergie. De plus, des architectures logiques telles que les blocs élémentaires pour le calcul (ALU, SRAM, etc.) ont été conçues entièrement à base de DG-SETs. La flexibilité offerte par la seconde grille du DG-SET a permis de concevoir une nouvelle famille de circuits logiques flexibles à base de portes de transmission. Une réduction du nombre de transistors par fonction et de consommation a été atteinte. Enfin, des analyses Monte-Carlo sont abordées afin de déterminer la robustesse des circuits logiques conçus à l'égard des dispersions technologiques. / In this work, we have presented a physics-based analytical SET model for hybrid SET-CMOS circuit simulations. A realistic SET modeling approach has been used to provide a compact SET model that takes several conduction mechanisms into account and closely matches experimental SET characteristics. The model is implemented in Verilog-A language, and can provide suitable environment to simulate hybrid SET-CMOS architectures. We have presented logic circuit design technique based on double gate metallic SET at room temperature. We have also shown the flexibility that the second gate can bring in order to configure the SET into P-type and N-type. Given that the same device is utilized, the circuit design approach exhibits regularity of the logic gate that simplifies the design process and leads to reduce the increasing process variations. Afterwards, we have addressed a new Boolean logic family based on DG-SET. An evaluation of the performance metrics have been carried out to quantify SET technology at the circuit level and compared to advanced CMOS technology nodes. SET-based static memory was achieved and performances metrics have been discussed. At the architectural level, we have investigated both full DG-SET based arithmetic logic blocks (FA and ALU) and programmable logic circuits to emphasize the low power aspect of the technology. The extra power reduction of SETs based logic gates compared to the CMOS makes this technology much attractive for ultra-low power embedded applications. In this way, architectures based on SETs may offer a new computational paradigm with low power consumption and low voltage operation. We have also addressed a flexible logic design methodology based on DG-SET transmission gates. Unlike conventional design approach, the XOR / XNOR behavior can be efficiently implemented with only 4 transistors. Moreover, this approach allows obtaining reconfigurable XOR / XNOR gates by swapping the cell biasing. Given that the same device is utilized, the structure can be physically implemented and established in a regular manner. Finally, complex logic gates based on DG-SET transmission gates offer an improvement in terms of transistor device count and power consumption compared to standard complementary SETs implementations.Process variations are introduced through our model enabling then a statistical study to better estimate the SET-based circuit performances and robustness. SET features low power but limited operating frequency, i.e. the parasitics linked to the interconnects reduce the circuit operating frequency as the SET Ion current is limited to the nA range. In term of perspectives: i) detailed studying the impact on SET-based logic cells of process variation and random back ground charge ii) considering multi-level computational model and their associate architectures iii) investigating new computation paradigms (neuro-inspired architectures, quantum cellular automata) should be considered for future works.

Les procédés bipolaires semi-conducteurs complémentaires à oxyde de métal (BiCMOS) peuvent être considérés comme étant la solution la plus généralepour les produits RF car ils combinent la fabrication sophistiquée du CMOSavec la vitesse et les capacités de conduction des transistors bipolaires silicium germanium(SiGe) à hétérojonction (HBT). Les HBTs, réciproquement, sontles principaux concurrents pour combler partiellement l'écart de térahertzqui décrit la plage dans laquelle les fréquences générées par les transistors etles lasers ne se chevauchent pas (environ 0.3 THz à 30 THz). A_n d'évaluerles capacités de ces dispositifs futurs, une méthodologie de prévision fiable estsouhaitable. L'utilisation d'un ensemble hétérogène d'outils et de méthodes desimulations permet d'atteindre successivement cet objectif et est avantageusepour la résolution des problèmes. Plusieurs domaines scientifiques sont combinés, tel que la technologie de conception assistée par ordinateur (TCAO),la modélisation compacte et l'extraction des paramètres.Afin de créer une base pour l'environnement de simulation et d'améliorerla confirmabilité pour les lecteurs, les modèles de matériaux utilisés pour lesapproches hydrodynamiques et de diffusion par conduction sont introduits dèsle début de la thèse. Les modèles physiques sont principalement fondés surdes données de la littérature basées sur simulations Monte Carlo (MC) ou dessimulations déterministes de l'équation de transport de Boltzmann (BTE).Néanmoins, le module de TCAO doit être aussi étalonné sur les données demesure pour une prévision fiable des performances des HBTs. L'approchecorrespondante d'étalonnage est basée sur les mesures d'une technologie depointe de HBT SiGe pour laquelle un ensemble de paramètres spécifiques àla technologie du modèle compact HICUM/L2 est extrait pour les versionsdu transistor à haute vitesse, moyenne et haute tension. En s'aidant de cesrésultats, les caractéristiques du transistor unidimensionnel qui sont généréesservent de référence pour le profil de dopage et l'étalonnage du modèle. Enélaborant des comparaisons entre les données de références basées sur les mesureset les simulations, la thèse fait progresser l'état actuel des prévisionsbasées sur la technologie CAO et démontre la faisabilité de l'approche.Enfin, une technologie future de 28nm performante est prédite en appliquantla méthodologie hétérogène. Sur la base des résultats de TCAO, leslimites de la technologie sont soulignées. / Bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) processescan be considered as the most general solution for RF products, as theycombine the mature manufacturing tools of CMOS with the speed and drivecapabilities of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors(HBTs). HBTs in turn are major contenders for partially filling the terahertzgap, which describes the range in which the frequencies generated bytransistors and lasers do not overlap (approximately 0.3THz to 30 THz). Toevaluate the capabilities of such future devices, a reliable prediction methodologyis desirable. Using a heterogeneous set of simulation tools and approachesallows to achieve this goal successively and is beneficial for troubleshooting.Various scientific fields are combined, such as technology computer-aided design(TCAD), compact modeling and parameter extraction.To create a foundation for the simulation environment and to ensure reproducibility,the used material models of the hydrodynamic and drift-diffusionapproaches are introduced in the beginning of this thesis. The physical modelsare mainly based on literature data of Monte Carlo (MC) or deterministicsimulations of the Boltzmann transport equation (BTE). However, the TCADdeck must be calibrated on measurement data too for a reliable performanceprediction of HBTs. The corresponding calibration approach is based onmeasurements of an advanced SiGe HBT technology for which a technology specific parameter set of the HICUM/L2 compact model is extracted for thehigh-speed, medium-voltage and high-voltage transistor versions. With thehelp of the results, one-dimensional transistor characteristics are generatedthat serve as reference for the doping profile and model calibration. By performingelaborate comparisons between measurement-based reference dataand simulations, the thesis advances the state-of-the-art of TCAD-based predictionsand proofs the feasibility of the approach.Finally, the performance of a future technology in 28nm is predicted byapplying the heterogeneous methodology. On the basis of the TCAD results,bottlenecks of the technology are identified. / Bipolare komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Prozesse bietenhervorragende Rahmenbedingungen um Hochfrequenzanwendungen zurealisieren, da sie die fortschrittliche Fertigungstechnik von CMOS mit derGeschwindigkeit und Treiberleistung von Silizium-Germanium (SiGe) Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) verknüpfen. Zudem sind HBTs bedeutendeWettbewerber für die teilweise Überbrückung der Terahertz-Lücke, derFrequenzbereich zwischen Transistoren (< 0.3 THz) und Lasern (> 30 THz).Um die Leistungsfähigkeit solcher zukünftigen Bauelemente zu bewerten, isteine zuverlässige Methodologie zur Vorhersage notwendig. Die Verwendungeiner heterogenen Zusammenstellung von Simulationstools und Lösungsansätzenerlaubt es dieses Ziel schrittweise zu erreichen und erleichtert die Fehler-_ndung. Verschiedene wissenschaftliche Bereiche werden kombiniert, wie zumBeispiel der rechnergestützte Entwurf für Technologie (TCAD), die Kompaktmodellierungund Parameterextraktion.Die verwendeten Modelle des hydrodynamischen Simulationsansatzes werdenzu Beginn der Arbeit vorgestellt, um die Simulationseinstellung zu erläuternund somit die Nachvollziehbarkeit für den Leser zu verbessern. Die physikalischenModelle basieren hauptsächlich auf Literaturdaten von Monte Carlo(MC) oder deterministischen Simulationen der Boltzmann-Transportgleichung(BTE). Für eine zuverlässige Vorhersage der Eigenschaften von HBTs muss dieTCAD Kon_guration jedoch zusätzlich auf der Grundlage von Messdaten kalibriertwerden. Der zugehörige Ansatz zur Kalibrierung beruht auf Messungeneiner fortschrittlichen SiGe HBT Technologie, für welche ein technologiespezifischer HICUM/L2 Parametersatz für die high-speed, medium-voltage undhigh-voltage Transistoren extrahiert wird. Mit diesen Ergebnissen werden eindimensionaleTransistorcharakteristiken generiert, die als Referenzdaten fürdie Kalibrierung von Dotierungspro_len und physikalischer Modelle genutztwerden. Der ausführliche Vergleich dieser Referenz- und Messdaten mit Simulationengeht über den Stand der Technik TCAD-basierender Vorhersagenhinaus und weist die Machbarkeit des heterogenen Ansatzes nach.Schlieÿlich wird die Leistungsfähigkeit einer zukünftigen Technologie in28nm unter Anwendung der heterogenen Methodik vorhergesagt. Anhand derTCAD Ergebnisse wird auf Engpässe der Technologie hingewiesen.