In an effort to lower interconnect time delays and power dissipation in highly integrated logic and memory nanoelectronic products, numerous changes in the materials and processes utilized to fabricate the interconnect have been made in the past decade. Chief among these changes has been the replacement of aluminum (Al) by copper (Cu) as the interconnect metal and the replacement of silicon dioxide (SiO2) by so called low dielectric constant (low-k) materials as the insulating interlayer dielectric (ILD). Cu/low-k structure significantly decreases the RC delay compared with the traditional interconnect (Al/SiO₂). Therefore, the implementation of low-k dielectric in Cu interconnect structures has become one of the key subjects in the microelectronics industry. Incorporation of pores into the existing low-k dielectric is a favorable approach to achieve ultra low-k ILD materials. To bring memory and logic closer together is an effective approach to remove the latency constraints in metal interconnects. The resistive random access memories (RRAM) technology can be integrated into a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) metal interconnect structure using standard processes employed in back-end-of-line (BEOL) interconnect fabrication. Based on this premise, the study of this thesis aims at assessing a possible co-integration of resistive switching (RS) cells with current BEOL technology. In particular, the issue is whether RS can be realized with porous dielectrics, and if so, what is the electrical characterization of porous low-k/Cu interconnect-RS devices with varying percentages of porosity, and the diffusive and drift transport mechanism of Cu across the porous dielectric under high electric fields. This work addresses following three areas: 1. Suitability of porous dielectrics for resistive switching memory cells. The porous dielectrics of various porosity levels have been supplied for this work by Intel Inc. In course of the study, it has been found that Cu diffusion and Cu+ ion drift in porous materials can be significantly different from the corresponding properties in non-porous materials with the same material matrix. 2. Suitability of ruthenium as an inert electrode in resistive switching memory cells. Current state-of-the-art thin Cobalt (Co)/Tantalum Nitride (TaN) bilayer liner with physical vapor deposited (PVD) Cu-seed layer has been implemented for BEOL Cu/low-k interconnects. TaN is used for the barrier and Co is used to form the liner as well as promoting continuity for the Cu seed. Also, the feasibility of depositing thin CVD ruthenium (Ru) liners in BEOL metallization schemes has been evaluated. For this study, Ru is used as a liner instead of Ta or Co in BEOL interconnects to demonstrate whether it can be a potential candidate for replacing PVD-based TaN/Ta(Co)/Cu low-k technology. In this context, it is of interest to investigate how Ru would perform in well-characterized RS cell, like Cu/TaOx/Ru, given the fact that Cu/TaOx/Pt device have been proven to be good CBRAM device due to its excellent unipolar and bipolar switching characteristics, device performance, retention, reliability. If Cu/TaOx/Ru device displays satisfactory resistive switching behavior, Cu/porous low-k dielectric/Ru structure could be an excellent candidate as resistive switching memory above the logic circuits in the CMOS back-end. 3. Potential of so-called covalent dielectric materials for BEOL deployment and possibly as dielectric layer in the resistive switching cells. The BEOL reliability is tied to time dependent failure that occurs inside dielectric between metal lines. Assessing the suitability of covalent dielectrics for back-end metallization is therefore an interesting topic. TDDB measurements have been performed on pure covalent materials, low-k dielectric MIM and MI-semiconductor (MIS) devices supplied by Intel Inc. / Master of Science

Dans la chaine de développement des circuits, une attention particulière doit être portée sur le comportement en fiabilité des dispositifs MOS comme briques de base des circuits avancés CMOS lors du développement d’une technologie. Au niveau du dispositif, les comportements des différents mécanismes de dégradation sont caractérisés. A l’opposé dans le prototype final, le produit est caractérisé dans des conditions accélérées de vieillissement, mais seuls des paramètres macroscopiques peuvent être extraits. Un des objectifs de cette thèse a été de faire le lien entre le comportement en fiabilité d’un circuit ou système et ses briques élémentaires. Le second point important a consisté à développer des solutions de tests dites ‘intelligentes’ afin d’améliorer la testabilité et le gain de place des structures, pour mettre en évidence le suivi du vieillissement des circuits et la compensation des dégradations. Une autre famille de solutions a consisté à reproduire directement dans la structure l’excitation ou la configuration réelle vue par les dispositifs ou circuits élémentaires lors de leur vie d’utilisation (lab in situ). / In the circuit development, specific attention must be paid to the MOS device reliability as a building block as well as a prototype reference circuit (CMOS) during the technology development. At device level, the different degradation mechanisms are characterized. In the final prototype, the product is characterized in accelerated aging conditions, but only the macroscopic parameters can be extracted. One objective of this thesis has been to link the circuit or system reliability and its building blocks. Also, the second important point has consisted in the development of 'smart' test solutions to improve testability and gain up structures so as to highlight the circuits aging monitoring and degradation compensation. Another family of ‘smart’ solutions has involved reproducing directly in the structure the excitement or the actual configuration as it is seen by elementary circuits or devices during their usage life (lab in situ).

abstract: High-k dielectrics have been employed in the metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) since 45 nm technology node. In this MOSFET industry, Moore’s law projects the feature size of MOSFET scales half within every 18 months. Such scaling down theory has not only led to the physical limit of manufacturing but also raised the reliability issues in MOSFETs. After the incorporation of HfO2 based high-k dielectrics, the stacked oxides based gate insulator is facing rather challenging reliability issues due to the vulnerable HfO2 layer, ultra-thin interfacial SiO2 layer, and even messy interface between SiO2 and HfO2. Bias temperature instabilities (BTI), hot channel electrons injections (HCI), stress-induced leakage current (SILC), and time dependent dielectric breakdown (TDDB) are the four most prominent reliability challenges impacting the lifetime of the chips under use. In order to fully understand the origins that could potentially challenge the reliability of the MOSFETs the defects induced aging and breakdown of the high-k dielectrics have been profoundly investigated here. BTI aging has been investigated to be related to charging effects from the bulk oxide traps and generations of Si-H bonds related interface traps. CVS and RVS induced dielectric breakdown studies have been performed and investigated. The breakdown process is regarded to be related to oxygen vacancies generations triggered by hot hole injections from anode. Post breakdown conduction study in the RRAM devices have shown irreversible characteristics of the dielectrics, although the resistance could be switched into high resistance state. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

Owing to its excellent scaling potential, low power consumption, high switching speed, and good retention, and endurance properties, Resistive Random Access Memory (RRAM) is one of the prime candidates to supplant current Nonvolatile Memory (NVM) based on the floating gate (FG) MOSFET transistor, which is at the end of its scaling capability. The RRAM technology comprises two subcategories: 1) the resistive phase change memory (PCM), which has been very recently deployed commercially, and 2) the filamentary conductive bridge RAM (CBRAM) which holds the promise of even better scaling potential, less power consumption, and faster access times. This thesis focuses on several aspects of the CBRAM technology. CBRAM devices are based on nanoionics transport and chemo-physical reactions to create filamentary conductive paths across a dielectric sandwiched between two metal electrodes. These nano-size filaments can be formed and ruptured reliably and repeatedly by application of appropriate voltages. Although, there exists a large body of literature on this topic, many aspects of the CBRAM mechanisms and are still poorly understood. In the next paragraph, the aspects of CBRAM studied in this thesis are spelled out in more detail. CBRAM cell is not only an attractive candidate for a memory cell but is also a good implementation of a new circuit element, called memristor, as postulated by Leon Chua. Basically, a memristor, is a resistor with a memory. Such an element holds the promise to mimic neurological switching of neuron and synapses in human brain that are much more efficient than the Neuman computer architecture with its current CMOS logic technology. A memristive circuitry can possibly lead to much more powerful neural computers in the future. In the course of the research undertaken in this thesis, many memristive properties of the resistive cells have been found and used in models to describe the behavior of the resistive switching devices. The research performed in this study has also an immediate commercial application. Currently, the semiconductor industry is faced with so-called latency scaling dilemma. In the past, the bottleneck for the signal propagation was the time delay of the transistor. Today, the transistors became so fast that the bottleneck for the signal propagation is now the RC time delay of the interconnecting metal lines. Scaling drives both, resistance and parasitic capacitance of the metal lines to very high values. In this context, one observes that resistive switching memory does not require a Si substrate. It is therefore an excellent candidate for its implementation as an o n-chip memory above the logic circuits in the CMOS back-end, thus making the signal paths between logic and memory extremely short. In the framework of a Semiconductor Research Corporation (SRC) project with Intel Corporation, this thesis investigated the breakdown and resistive switching properties of currently deployed low k interlayer dielectrics to understand the mechanisms and potential of different material choices for a realization of an RRAM memory to be implemented in the back-end of a CMOS process flow. / Master of Science

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. / This work is a contribution to the study of the synergy between accelerated aging and the evolution of robustness to single event effects for advanced MOS technologies.This manuscript describes the work done around the characterization of degradation mechanisms NBTI, HCI, TDDB and Electromigration on test structures designed in the NANOSPACE test vehicle on CMOS 65 nm Low Power technology. It also describes the evaluation of the robustness to Single Events Effects after NBTI aging on chains of logic gates (inverters, NOR, D flip-flops). This last part allows to show that the NBTI aging improves the robustness to SET in this case of study.

Les décharges électrostatiques (ESD) constituent un problème majeur de fiabilité pour les entreprises de semi-conducteurs. Pour enrayer les défauts générés par les ESD sur les circuits intégrés (ICs), des éléments de protection sont implantés directement dans les puces. La constante poussée de l'intégration des circuits a pour conséquence la réduction des dimensions des cellules technologiques élémentaires ainsi que l'accroissement du nombre d'applications supportées par les ICs. Les conditions restrictives imposées par les procédés technologiques et par la complexité croissante des systèmes entraînent un défi considérablement accru pour le développement de produits robustes aux ESD. Dans ce travail de recherche, le problème émergeant des défaillances des couches d'oxydes minces d'épaisseur Tox = 8 à 1.1nm sous contraintes ESD est adressé dans les technologies CMOS les plus avancées, par une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation de la fiabilité du diélectrique et des dispositifs sous contraintes ESD. Une nouvelle approche de caractérisation des oxydes minces sous des stress à pulses ultra-courts (20 ns) est décrite jusqu'à la modélisation complète de la dépendance temporelle du claquage du diélectrique. Basé sur un ensemble cohérent de modélisations, une nouvelle méthodologie est proposée pour ajuster la détermination de la fenêtre ESD de façon mieux adaptée aux intervalles de tension et d'épaisseur d'oxyde de grille pour l'ingénierie des concepts de protection. Ceci a permis d'améliorer la prise en compte des problèmes ESD pour une meilleure fiabilité et robustesse des produits conçus en technologies CMOS fortement sub-microniques vis-à-vis des décharges électrostatiques.

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.

Les mémoires non volatiles intégrées représentent une part importante du marché des semi-conducteurs. Bien qu'il s'adresse à de nombreuses applications différentes, ce type de mémoire fait face à des problèmes pour poursuivre la réduction continue de la résolution des technologies CMOS. En effet, l'introduction récente de high-k et de métal pour la grille des transistors menace la compétitivité de la solution Flash. En conséquence, de nombreuses solutions émergentes sont étudiées. L'Antifuse dans le cadre des mémoires OTP est utilisée pour l'identification de puces, la configuration de circuits, la réparation de système ou le stockage de données sécurisées. La programmation Antifuse repose sur la dégradation de l'oxyde de grille de son condensateur sous haute tension. Des travaux antérieurs ont déjà apporté quelques connaissances sur les mécanismes physiques impliqués sur des technologies à oxyde de grille SiO2. De nouveaux défis découlent de l'introduction des nouveaux matériaux de grille. Un examen complet est nécessaire sur les mécanismes de dégradation des oxydes impliqués dans la programmation Antifuse. L'utilisation intensive de la haute tension suggère également d'étendre notre connaissance sur la fiabilité dans cette gamme de tension. Les états pré et post-claquage de l'oxyde de grille sous des mécanismes à haute tension sont donc étudiés dans ce manuscrit se concentrant sur les technologies CMOS les plus avancées. Une loi en puissance type TDDB a été étendue vers les hautes tensions pour être utilisée comme un modèle de temps de programmation Antifuse. L'extension de la fiabilité TDDB nous donne également un élément clé pour modéliser la durée de vie du transistor de sélection. Des paramètres de programmation tels que l'amplitude de la tension, la compliance du courant ou la température sont également étudiés et leur impact sur le rendement en courant de lecture est abordé. Cette étude nous permet de rétrécir agressivement la surface globale de la cellule sans perte de performance ni de dégradation de la fiabilité. Un processus de caractérisation Antifuse est proposé pour être retravaillé et un modèle de programmation de tension-température-dépendante est inventé. Ce manuscrit a également mis l'accent sur la modélisation de courant de cellule programmée comme la fuite d’un oxyde de grille post-claquage. Un modèle compact MOSFET dégradé est proposé et comparé à l'état de l’art. Un bon accord est trouvé pour s'adapter à la large gamme de caractérisations I (V) de la cellule programmée. L'activation de ce modèle dans un environnement de design nous a permis de simuler la dispersion des distributions de courants de cellules programmées au niveau de la taille du produit à l'aide de runs Monte-Carlo. Enfin, cette thèse s'achève autour d'une étude d'investigation OxRAM comme une solution émergente. En combinant le dispositif Antifuse avec le mécanisme de commutation résistif de l'OxRAM, une solution hybride est proposée en perspective. / Embedded Non Volatile Memories represent a significant part of the semiconductor market. While it addresses many different applications, this type of memory faces issues to keep the CMOS scaling down roadmap. Indeed, the recent introduction of high-k and metal for the CMOS gate is threatening the Flash’s competitiveness. As a consequence many emerging solutions are being. The Antifuse as part of the OTP memories is fully CMOS compliant, Antifuse memories are used for Chip ID, chip configuration, system repairing or secured data storage to say the least. The Antifuse programming relies on the gate oxide breakdown of its capacitor under high voltage. Previous work already brought some knowledge about the physical mechanisms involved but mainly on SiO2 gate oxide technologies. New challenges arise from the introduction of the new gate materials. A full review is needed about the oxide breakdown mechanisms involved in the Antifuse programming. The extensive use of high voltage also suggests to extend our knowledge about reliability within this voltage range. Pre and post gate oxide breakdown under high voltage mechanisms are then deeply investigated in this manuscript focusing on the most advanced CMOS technologies. Fowler Nordheim Tunneling has been confirmed as the main mechanism responsible for the gate oxide leakage conduction under high voltage during the wearout phase even-though defect contribution has been evidenced to mainly contribute under low voltage , e.g. the virgin Antifuse leakage current. A TDDB based power law has been extended toward high voltage to be used as a robust Antifuse programming time model. Extending the TDDB reliability under high electric field also gives us key element to model the selection MOSFET time to failure. Programming parameters such as voltage amplitude, current compliance or temperature are also investigated and their impact on the Read Current Yield are tackled. This study allows us to aggressively shrink the bitcell overall area without losing performance nor degrading the reliability. This study also reveals a worst case scenario for the programming parameters when temperature is very low. As a consequence, the early Antifuse characterization process is proposed to be rework and a programming voltage-temperature-dependent solution is invented. This manuscript also focused on the Antifuse programmed cell current modeling as gate oxide post-breakdown conduction. A remaining MOSFET compact model is proposed and compared to the state of the art. Good agreement is found to fit the wide range of read current. Enabling this model within a CAD environment has allowed us to simulate the Read Current Yield dispersion at product size level using Monte-Carlo runs. Finally, this thesis wraps up around an OxRAM investigation study as a serious emerging eNVM solution. Combining the Antifuse device with the resistive switching mechanism of the OxRAM, a hybrid solution is proposed as a perspective.

L'intégration de diélectriques High-k dans les empilements de grille des dispositifs MOS a fait naître de nouvelles interrogations concernant la fiabilité des futurs nœuds technologiques. La miniaturisation constante des dispositifs conduisant à l'amincissement des épaisseurs d'oxyde de grille, leur caractérisation électrique est rendue de plus en plus complexe à l'échelle du dispositif. Pour palier à ce problème, l'utilisation d'un microscope à force atomique en mode conducteur sous ultravide permet grâce à la faible surface de contact entre la pointe et l'échantillon de réduire suffisamment le courant tunnel pour pouvoir étudier la dégradation et le claquage diélectrique d'oxyde ultra fin. La comparaison systématique des résultats de fiabilité de l'empilement High-k du nœud 28nm et de la couche interfaciale seule ayant subi les mêmes étapes de développement que celles présentes dans l'empilement, obtenus par C-AFM sous ultra vide, ont permis de montrer expérimentalement que la probabilité de claquage des oxydes de grille High-k est gouvernée par la fiabilité propre des couches qui la composent, et de déduire une loi d'extrapolation de la durée de vie en tension et en surface ce qui permet de prédire la statistique de défaillance du dispositif. Les impacts d'un pré-stress en tension de l'ordre de la milliseconde sur les distributions de claquage des oxydes de grille simples et bicouches ont été rapportés. Ces résultats sont expliqués dans ce manuscrit par le déclenchement lors de l'application du stress, d'une dégradation au sein de l'oxyde, prenant naissance dans la couche interfaciale des oxydes High-k et conduisant à une réduction locale de l'épaisseur de diélectrique. Des phénomènes de résistance différentielle négative au moment de la rupture diélectrique ont été étudiés et modélisés pour différentes épaisseurs d'oxyde, par une croissance filamentaire de la dégradation. Il a été possible de donner une expression analytique reliant le temps caractéristique de croissance filamentaire et le temps moyen de claquage observé sur les distributions statistiques. Enfin, les mesures C-AFM de ce travail ont été étendues au cas des structures MIM utilisées pour le développement des futurs mémoires résistives OxRAM. Dans ce cas un effet d'auto-guérison à l'échelle nanométrique a été mis en évidence. / Integration of High-k dielectrics in gate oxides of MOS raised new issues concerning the reliability of futur technology nodes. The constant miniaturisation of devices leads to thinner gate oxides, making their electrical caracterisation more complex at the device scale. To solve this problem, an atomic force microscope in conductive mode under ultra high vacuum can be used thanks to the readuce contact area between the tip and the sample which allow a drastic decrease of the tunneling current and thus the study of the degradation and the dielectric breakdown of ultra-thin oxides. The systematic comparaison of the TDDB distributions obtained on the High-k gate oxide of the 28nm technology node on one side and obtained on the Interfacial layer alone revealed that the failure probability of High-k oxides is governed by the failure probability of each layer present in the stack. This allow to give an extrapolation law of the High-k gate oxide lifetime as a function of the applied voltage and the electrode area and to predict the failure statistic of the 28nm tehcnology node. The impact of voltage pre-stress with a microseconde range of duration on the TDDB and VBD distributions of both single layer and High-k gate oxides is given is the manuscript. The results are then interpreted by an invasive degradation nucleating from an interface during a stress and leading to a local thinned oxide. Pre-breakdown negative differential resistance have been studied and modeled for several oxide thickness, using a growing mecanism of the elctrical degradation. An analytic expression linking the growth caracteristic time of the filament and the mean time to breakdown observed on the statistical distributions has then been given. Finally, C-AFM measurements developped in this work has been extended to MIM structures used for oxide resistive random access memories (OxRAM). A self healing has been observed at the nanometric scale for these samples.

Afin de pouvoir continuer la miniaturisation de la brique de base des circuits électroniques, le transistor MOS, l’introduction d’oxyde de grille à haute permittivité était inévitable. Un empilement de type high-k/grille métal en remplacement du couple SiO2 /Poly-Si est introduit afin de limiter le courant de fuite tout en conservant un bon contrôle électrostatique du canal de conduction. L’introduction de ces matériaux pose naturellement des questions de fiabilité des dispositifs obtenus et ce travail s’inscrit dans ce contexte. Afin de réaliser des mesures de durée de vie sans avoir à finir les dispositifs, une méthode utilisant le C-AFM sous ultravide est proposée. Le protocole expérimental repose sur une comparaison systématique des distributions des temps de claquage obtenues à l’échelle du composant et à l’échelle nanométrique. La comparaison systématique des mesures s’avère fiable si l’on considère une surface de contact entre la pointe et le diélectrique de l’ordre du nm². Des distributions de Weibull présentant une même pente et un même facteur d’accélération en tension sont rapportées montrant une origine commune pour le mécanisme de rupture aux deux échelles.Une résistance différentielle négative, précédant la rupture diélectrique, est rapportée lors de mesures courant–tension pour certaines conditions de rampe. Ce phénomène de dégradation de l’oxyde, visible grâce au C-AFM , est expliqué et modélisé dans ce manuscrit par la croissance d’un filament conducteur dans l’oxyde. Ce même modèle permet aussi de décrire la rupture diélectrique.Finalement, l’empilement de grille bicouche du noeud 28nm est étudié. Une preuve expérimentale montrant que la distribution du temps de claquage du bicouche est bien une fonction des caractéristiques de tenue en tension propres de chaque couche est présentée. / In order to continue the scaling of the MOS transistor the replacement of the gate oxide layer by a high K/Metal gate was mandatory. From a reliability point of view, the introduction of these new materials could cause a lifetime reduction. To test the lifetime of the device a new technique using the C-AFM under Ultra High Vacuum is proposed. The experimental approach is based on a systematic comparison between the time to failure distribution obtained at device scale and at nanoscale. The comparison is reliable if we assume a contact surface of several nm² under the tip. Weibull distributions with a same slope and a same voltage acceleration factor have been found exhibiting a common origin of breakdown at both scales.We have reported a negative differential resistance phenomenon during Current-Voltage measurements. This degradation phenomenon has been modelled and explained by the growth of a conductive filament in the oxide layer. This model is also able to describe the breakdown of the oxide layer.Finally the bi layer gate stack of the 28nm node was studied. The first experimental proof confirming that the lifetime distribution of the bi-layer gate stack is a function of the lifetime of each layer taken separately is presented.