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. / Nowadays, more and more performance is expected from digital circuits. What’s more, the market requires fast conception methods, in order to propose the newest technology available. Fast conception methods and the utilization of MPSoC have enabled high performance and short time-to-market while taking little attention to aging. However, MPSoC are more and more prone to hardware failures that occur in transistors. Today, the prevailing failure mechanisms in MPSoC are HCI and NBTI. Margins are usually added on new products to avoid failures during execution, by considering worst case scenario for each mechanism. For the newest technology, margins are becoming more and more important and products performance is getting lower and lower. That’s why the conception needs to take into account hardware failures according to the execution of software. This thesis propose a new methodology to simulate aging at high level of abstraction, which can be applied to MPSoC. The method can be applied during product conception, between the specification phase and the production. An empirical model is used to estimate slack time at circuit's end of life. A use case is conducted on an embedded processor and degradation results are reported for a set of applications. The solution enables architecture exploration and MPSoC aging can thus be compared. The software with most severe impact on aging can also be determined.

Au sein de la course industrielle à la miniaturisation et avec l’augmentation des exigences technologiques visant à obtenir plus de performances sur moins de surface, la fiabilité des transistors MOSFET est devenue un sujet d’étude de plus en plus complexe. Afin de maintenir un rythme de miniaturisation continu, des nouvelles architectures de transistors MOS en été introduite, les technologies conventionnelles sont remplacées par des technologies innovantes qui permettent d'améliorer l'intégrité électrostatique telle que la technologie FDSOI avec des diélectriques à haute constante et grille métal. Malgré toutes les innovations apportées sur l’architecture du MOS, les mécanismes de dégradations demeurent de plus en plus prononcés. L’un des mécanismes le plus critique des technologies avancées est le mécanisme de dégradation par porteurs chauds (HCI). Pour garantir les performances requises tout en préservant la fiabilité des dispositifs, il est nécessaire de caractériser et modéliser les différents mécanismes de défaillance au niveau du transistor élémentaire. Ce travail de thèse porte spécifiquement sur les mécanismes de dégradations HCI des transistors 28nm FDSOI. Basé sur l’énergie des porteurs, le modèle en tension proposé dans ce manuscrit permet de prédire la dégradation HC en tenant compte de la dépendance en polarisation de substrat incluant les effets de longueur, d’épaisseur de l’oxyde de grille ainsi que l’épaisseur du BOX et du film de silicium. Ce travail ouvre le champ à des perspectives d’implémentation du model HCI pour les simulateurs de circuits, ce qui représente une étape importante pour anticiper la fiabilité des futurs nœuds technologiques. / As the race towards miniaturization drives the industrial requirements to more performances on less area, MOSFETs reliability has become an increasingly complex topic. To maintain a continuous miniaturization pace, conventional transistors on bulk technologies were replaced by new MOS architectures allowing a better electrostatic integrity such as the FDSOI technology with high-K dielectrics and metal gate. Despite all the architecture innovations, degradation mechanisms remains increasingly pronounced with technological developments. One of the most critical issues of advanced technologies is the hot carrier degradation mechanism (HCI) and Bias Temperature Instability (BTI) effects. To ensure a good performance reliability trade off, it is necessary to characterize and model the different failure mechanisms at device level and the interaction with Bias Temperature Instability (BTI) that represents a strong limitation of scaled CMOS nodes. This work concern hot carrier degradation mechanisms on 28nm transistors of the FDSOI technology. Based on carrier’s energy, the energy driven model proposed in this manuscript can predict HC degradation taking account of substrate bias dependence (VB) including the channel length effects (L), gate oxide thickness (TOX) , back oxide BOX (TBox) and silicon film thickness (TSI ). This thesis opens up new perspectives of the model Integration into a circuit simulator, to anticipate the reliability of future technology nodes and check out circuit before moving on to feature design steps.

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.

Ce manuscrit expose des travaux effectués entre 1994 et 2004 sur la fiabilité des composants à base de structures MOS et la fiabilité des oxydes ultra-minces de SiO2 (<10nm) utilisés comme isolant de grille dans ces composants. Nous avons établi un lien entre courants de fuite dans l'oxyde (SILC) et injection de porteurs chauds, principalement les trous chauds, dans les oxydes de 3.8 et 4.7nm. La dépendance en champ et en température du SILC soutient un modèle d'effet tunnel assisté par des défauts neutres barycentriques dans l'oxyde, même si une composante partielle de type Schottky est identifiable. Pour les claquages de type Soft-breakdown relevés, nous avons proposé un modèle simple, fondé sur un rétrécissement local de l'épaisseur d'oxyde. Le phénomène LVSILC, typique de la structure MOS en déplétion, est mis en évidence suite à des stress à tension constante pour des oxydes entre 2.5 et 1.2 nm. Nous proposons de l'interpréter comme un effet tunnel assisté par des niveaux proches des bandes de conduction ou de valence de la densité d'états d'interface. Les mécanismes de génération sont principalement déterminés par l'énergie des porteurs injectés (y compris dans le cas d'injections de porteurs chauds), et génèrent une loi d'accélération en VG pour le vieillissement en mode tunnel direct. On établit une loi générale, donnant la probabilité de création de défauts en fonction des paramètres qui déterminent l'énergie des porteurs injectés. <br />Nos études sur les porteurs chauds nous ont aussi amené à étudier la fiabilité de transistor MOSFET lors de contraintes dynamiques (AC), caractéristiques des séquences de polarisation en mode normal de fonctionnement. Le résultat pratique de ce travail est la mise en oeuvre d'une méthodologie s'inspirant de l'hypothèse quasi-statique pour la prévision des durées de vie AC. Cette méthodologie, éprouvée et comparée aux résultats de mesure dans un certains nombre de cas où sa validité est reconnue, est appliquée au cas plus complexe du transistor de passage NMOS. L'accord reste satisfaisant, mais nous avons également mis en évidence les limitations de cette technique lors de séquences faisant intervenir des relaxations, des périodes de dépiégegage ou des dégradations bi-directionnelles.<br />Concernant le lien entre les étapes du procédé et la fiabilité, nous avons étudié l'influence d'une étape d'implantation ionique à haute énergie, qui induit un dégât dans le volume du semi-conducteur détecté électriquement par C(V), mais aussi des courants de fuite similaires au SILC (IILC Implantation Induced Leakage Current). Nous avons mis au point une méthodologie optimisée de détection du Wafer Charging, utilisant des injections très courtes de porteurs chauds (au pic de courant électronique) dans le transistor PMOS. Cette méthode s'est révélée plus sensible et plus révélatrice que les injections pratiquées en régime Fowler-Nordheim ou la simple étude paramétrique pour détecter les défauts latents issus du charging dans les oxydes minces. Enfin, nous avons identifié par DLTS les défauts issus d'une contamination au Fer dans le Silicium (paire Fe-B et Fer interstitiel Fei) et avons observé la re-transformation spontanée du Fei en paire Fe-B en quelques heures.