Ces travaux sont consacrés à l'étude de la dégradation des transistors MOSFETs de la génération 130nm-2nm, soumis aux injections de porteurs énergétiques générés par les champs électriques élevés. D'une manière générale, les conséquences de ces mécanismes de dégradation se retrouvent dans une dérive temporelle significative des paramètres électriques représentatifs des performances des transistors. Ces dérives sont liées au piégeage de charges dans l'oxyde et à la génération d'états électroniques à l'interface Oxyde-Silicium (SiO2-Si).<br />Cette étude présente dans un premier lieu le principe de fonctionnement de la structure MOS et l'influence de la présence d'états d'interface et de charges dans l'oxyde. Les effets dits parasites, liés à la miniaturisation des géométries, ainsi que les méthodes qui permettent de les caractériser sont présentées. Par la suite nous exposons les moyens expérimentaux qui permettent de mettre en évidence les dégradations et d'en distinguer la nature et la localisation. Ces techniques sont de type courant tension, ou par pompages de charges, et ont été adaptées et paramétrées pour répondre au spécificité de ces dispositifs à oxydes de Grille ultraminces. Ces dispositifs, ainsi que d'autres échantillons, représentatifs de technologies plus anciennes (500nm-12nm), ont été soumis à des stress statiques. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'évolution des pires cas de dégradation, mais également des mécanismes de dégradation et donc du type de défauts induits, à l'aide des techniques présentées. Enfin nous décrivons les méthodes d'extrapolation basée sur l'expression des courants de porteurs chauds dans la structure. Ces modèles ne tiennent pas compte des courants tunnels directs imposés par la finesse des oxydes (2nm), qui s'avèrent fortement dégradant dans le PMOS. Nous proposons un modèle simple qui permet de séparer les quantités de porteurs chauds d'une part, et de porteurs injectés en mode tunnel d'autre part.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Électronique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3542. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 221-237.

Actuellement, les circuits numériques nécessitent d'être de plus en plus performants. Aussi, les produits doivent être conçus le plus rapidement possible afin de gagner les précieuses parts de marché. Les méthodes rapides de conception et l'utilisation de MPSoC ont permis de satisfaire à ces exigences, mais sans tenir compte précisément de l'impact du vieillissement des circuits sur la conception. Or les MPSoC utilisent les technologies de fabrication les plus récentes et sont de plus en plus soumis aux défaillances matérielles. De nos jours, les principaux mécanismes de défaillance observés dans les transistors des MPSoC sont le HCI et le NBTI. Des marges sont alors ajoutées pour que le circuit soit fonctionnel pendant son utilisation, en considérant le cas le plus défavorable pour chaque mécanisme. Ces marges deviennent de plus en plus importantes et diminuent les performances attendues. C'est pourquoi les futures méthodes de conception nécessitent de tenir compte des dégradations matérielles en fonction de l'utilisation du circuit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode originale pour simuler le vieillissement des MPSoC à haut niveau d'abstraction. Cette méthode s'applique lors de la conception du système c.-à-d. entre l'étape de définition des spécifications et la mise en production. Un modèle empirique permet d'estimer les dégradations temporelles en fin de vie d'un circuit. Un exemple d'application est donné pour un processeur embarqué et les résultats pour un ensemble d'applications sont reportés. La solution proposée permet d'explorer différentes configurations d'une architecture MPSoC pour comparer le vieillissement. Aussi, l'application la plus sévère pour le vieillissement peut être identifiée.

Ce travail constitue une contribution à l'étude de la synergie entre le vieillissement accéléré et l'évolution de la robustesse aux évènements singuliers pour les technologies MOS avancées. Ce manuscrit expose le travail fait autour de la Caractérisations des mécanismes de dégradation NBTI, HCI, TDDB et Electromigration sur les structures de tests conçues dans le véhicule de test NANOSPACE en technologie CMOS LP 65 nm. Il décrit aussi l'évaluation de la robustesse face aux évènements singuliers après un vieillissement de type NBTI sur les chaines de portes logiques (inverseurs, NOR, bascules D). Cette dernière partie nous a permis de démontrer que le vieillissement de type NBTI améliore la robustesse face aux SET dans ce cas d'étude.

L'électroluminescence (EL) de isolants polymères est étudiée car elle peut permettre d'approcher les phénomènes de vieillissement électrique en fournissant la signature optique d'espèces excitées sous champ électrique. Le vieillissement et la rupture diélectrique dans les isolants polymères est d'un intérêt fondamental pour les chercheurs, concepteurs et fabricants de dispositif du génie électrique. À cet égard, les décharges partielles (DPs) sont un des principaux processus conduisant au vieillissement et à la défaillance des isolants. Cependant, avec le développement des matériaux et procédés, les DPs sont évitées dans certaines situations, par exemple, les câbles haute tension, les condensateurs, etc. Par conséquent, le besoin reste prégnant pour la compréhension des mécanismes de dégradation électrique sous forte contrainte électrique, qui peut être initiée par des porteurs énergétiques. Dans ce travail, l'EL, la cathodoluminescence (CL) excitée sous faisceau d'électrons, ainsi que d'autres techniques de luminescence ont été appliquées à la caractérisation de polyoléfines et d'autres polymères isolants. Afin de comprendre la formation d'excitons dans des films minces de Polypropylène (PP) et Polyéthylène (PE), la dépendance en champ de l'EL et du courant sous contrainte continue, et de l'EL et de sa résolution selon la phase sous contrainte AC, sont étudiées. Les spectres d'EL du PP et du PE ont le même pic principal à environ 570 nm, ce qui implique des structures et des défauts chimiques similaires pour les deux matériaux, et le même processus de dégradation. Le pic principal peut être complété par une émission à environ 750 nm dominante à faible champ. L'impact de la nature des électrodes a été étudiée sur du PEN pour comprendre l'origine de l'émission dans le rouge. A travers la dépendance en champ de l'EL et sa résolution selon la phase avec des métallisations or et ITO, on montre que l'émission dans le rouge est liée à la nature des électrodes et correspond à l'excitation de plasmons de surface ou d'états d'interface. Une étude plus approfondie est effectuée sur la cathodoluminescence d'isolants polymères. Des couches minces de PP, PE, ainsi que de Polyethylene Naphthalate (PEN) et de Polyether Ether Ketone (PEEK) ont été irradiés par faisceau d'électrons jusqu'à 5 keV. Nous avons pu reconstruire les spectres de CL et d'EL du PE et du PP à partir de quatre composants élémentaires: fluorescence, chimiluminescence, luminescence induite par recombinaison, et composante principale du spectre d'EL à 570nm décrite plus haut et considérée comme signature du vieillissement. Pour la première fois, la nature de l'EL et de la CL de polyoléfines est décomposée en quatre composantes de base avec des contributions relatives différentes. L'identification de ces composantes spectrales est utile pour interpréter la luminescence de polyoléfines et autres isolants polymères, et établir les liens entre distribution de charge d'espace et vieillissement diélectrique. A travers ces recherches sur l'EL et la CL dans plusieurs isolants polymères, i.e. polyoléfines ou polyesters, la formation d'excitons et les processus de relaxation d'énergie sous contrainte électrique et électrons énergétiques sont mis en évidence. Surtout, l'analyse en composantes spectrales et la reconstruction des spectres donne accès aux mécanismes d'excitation de la luminescence et à une corrélation avec le vieillissement électrique. A l'avenir, les mesures de luminescence peuvent devenir une méthode standard pour sonder et analyser les isolants polymères. / Electroluminescence (EL) of insulating polymers is a subject of great interest because it is associated with electrical ageing and could provide the signature of excited species under electric field. Electrical ageing and breakdown in insulating polymers is of fundamental interest to the researchers, the design engineers, the manufacturers and the customers of electrical apparatus. In this respect, Partial Discharge (PD) is a harmful process leading to ageing and failure of insulating polymers. However, with the development of the materials and apparatus, PDs can be weakened or avoided in some situations, e.g. extra high voltage cables, capacitors, etc. Therefore, there is urgent demand for understanding electrical degradation mechanisms under high electric field, which can be triggered by energetic charge carriers. In this work, Electroluminescence, EL, and cathodoluminescence, CL, excited under electron beam, along with other luminescence-family techniques are carried out for probing polyolefins and other insulating polymers. In order to uncover the excitons formation in Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) thin films, the field dependence of EL and current under DC stress and field dependence of EL and phase-resolved EL under AC stress, are investigated. The EL spectra of both PP and PE have the same main peak at approximately 570 nm, pointing towards similar chemical structures and defects in both polyolefins, and same route to degradation. This main peak can be complemented by an emission at approximately 750 nm dominating at low field. Electrode effect on the EL of Polyethylene Naphthalte (PEN) was investigated to understand the origin of the red emission at 750 nm. Through field dependence of EL and phase-resolved EL of Au or ITO electrodes, we proved the red component is due to the nature of electrode, more precisely Surface Plasmons and/or interface states. Further thorough study was carried out on cathodoluminescence of insulating polymers. Thin films of PP, PE, along with Polyethylene Naphthalate (PEN) and Polyether Ether Ketone (PEEK) were irradiated under electron beam up to 5 keV to be excited. We could reconstruct EL and CL spectra of both PE and PP using four elementary components: i.e. Fluorescence, Chemiluminescence, Recombination-induced Luminescence, and main component of the EL spectrum at 570 nm reported above and constituting an ageing marker. For the first time the nature of both EL and CL in polyolefins is uncovered, containing four basic components with different relative contributions. Identification of these spectral components is helpful to interpret the nature of light emission from polyolefins and other insulating polymers and to bridge the gap between space charge distribution and electrical ageing or breakdown. Through researches on EL and CL in several insulating polymers, i.e. polyolefins and a polyester, excitons formation and relaxation processes under electric stress and kinetic electrons are evidenced. More importantly, the spectral components analyses and reconstruction uncovers the nature of luminescence and its correlation to electrical ageing. In the future, luminescence measurement can be developed to be a standard method to probe and analyze insulating polymers.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

La cellule solaire à porteurs chauds est un dispositif à haut rendement de conversion qui permettrait de réduire significativement le coût de l’énergie qu’il génère. Ces cellules fonctionnent avec des électrons et des trous en non-équilibre thermique avec le réseau cristallin du materiau grâce à la réduction des pertes d’énergie des porteurs, nécessitant le développement de contacts électriques sélectifs en énergie des porteurs en non-équilibre. La conception des contacts sélectifs nécessite une bonne connaissance des propriétés des porteurs dans le matériau considéré. Une méthode permettant de séparer les propriétés de chaque porteur par l’analyse de spectres de photoluminescence du matériau est proposée. Disposant de mesures de photoluminescence résolues spatialement, une seconde méthode a été développée pour approcher les coefficients de transport de chaque porteur dans le matériau : ces coefficients sont mesurés en une seule fois, par une méthode optique sans contacts. Ensuite le fonctionnement des contacts sélectifs est détaillé, démontrant la difficulté d’une stabilité électrique du système en courant continu, contrairement aux dispositifs photovoltaïques classiques. Quelques pistes de fabrication expérimentales avec des molécules et des boîtes quantiques colloïdales ont également été étudiées. Enfin, en combinant les résultats de ces travaux sur le semiconducteur photosensible et sur les contacts, un modèle de simulation a été développé. Il intègre les principaux mécanismes de pertes des porteurs, résultant ainsi en une généralisation de différents modèles précédemment étudiés dans la littérature. Un lien entre le dispositif étudié et les machines thermiques est proposé. / The hot carrier solar cell is a high conversion yield device that could enable to significantly reduce thecost of the energy it generates. Unlike classical photovoltaic devices, these cells work with electronsand holes in thermal non-equilibrium with the lattice of the material, due to the reduction of thelosses by thermalization. This specific feature require the development of energy selective contacts fornon-equilibrium carriers. The design of energy selective contacts require a good knowledge of the carrier properties in the considered material. A method enabling to separate the properties of each carrier with the analysis of photoluminescence spectra of the material is proposed. Having spatially resolved photoluminescence measurements, a second method has been developed to estimate the transport coefficients of each carrier in the material: these coefficients are measured with a one-probe optical contactless technique. Then the working principle of the energy selective contacts is studied, showing thereby the challenge of a direct current electrical stability of the system, unlike classical photovoltaïc devices. Some experimental manufacturing with molecules and colloidal quantum dots have also been studied. Last, combining the obtained results on the semiconductor and on the contacts, a modeling tool breaking the symmetry between carriers has been developed. The model takes two principal loss mechanisms of the carrier into account, leading thereby to a generalization of different models previously studied in the literature. More global thermodynamic aspects also show the link between the studied device and the heat engines.

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.

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.

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.