Le transistor monoélectronique, SET ou single-electron transistor, a été considéré comme étant l’une des alternatives au CMOS lorsqu’il atteindra le « mur technologique ». Le SET se caractérise comme un dispositif ultra faible puissance et nanométrique, mais son faible gain et sa grande dépendance à la température ont fait en sorte que la technologie SET a perdu du momentum vis-à-vis la communauté scientifique. Cependant, en ne considérant pas la technologie SET comme une remplaçante du MOSFET, mais comme quelque chose qui permettrait d’ajouter des fonctionnalités aux circuits CMOS, elle semble être très prometteuse. Cette niche est habituellement appelée l’hybridation SET-CMOS. Ce mémoire débute par une validation des circuits hybrides SET-CMOS présents dans la littérature en remplaçant le modèle de simulation de SET par un modèle beaucoup plus réaliste. De ces circuits hybrides, aucun ne fonctionnera étant donné les courants de fuite trop importants. Le re-design de ces circuits avec ces architectures a été fait avec le bon modèle SET et une technologie CMOS 22 nm, mais leurs performances n’ont pas suffi pour démontrer leur bon fonctionnement (Plage de tension de sortie très faible, aucune bande passante, circuits incomplets, forte dépendance du circuit à ce qui est connecté à la sortie, etc.). Cela a amené à la création de deux nouvelles architectures de circuits de lecture hybrides SET-CMOS. Chaque circuit est conçu avec une technologie CMOS 22 nm. L’une des architectures est principalement adaptée à une application de dispositif capteur SET, où le SET serait éloigné d’un circuit CMOS. Dans l’exemple démontré, le circuit avec le capteur SET donne une sensibilité de 8.4 V par électron peu importe la charge connectée à la sortie du circuit. La nouvelle architecture inventée servirait d’étage tampon entre un circuit numérique fait de SET et un circuit numérique CMOS conventionnel. Dans la littérature, les circuits numériques SET n’ont pas de charge typique lors de leur simulation (ex : un inverseur CMOS), ce qui fausse les résultats en promettant une fréquence haute d’opération impossible à atteindre lors d’une utilisation typique. Ce circuit de lecture numérique fait la lecture du circuit numérique SET, fait le passage entre les deux alimentations différentes et est en mesure de supporter un inverseur CMOS conventionnel à 440 MHz. La consommation de ce circuit n’est que de 5.3 nW lors d’une utilisation à 200 MHz. Cette faible consommation est tout à fait en phase avec l’utilisation de circuits numériques SET qui consomment très peu. Chaque nouvelle architecture inventée a été simulée avec l’ensemble des effets parasites que les interconnexions apportent aux circuits. Les simulations procurent ainsi des résultats plus réalistes. Un procédé de fabrication de circuits hybrides SET-CMOS, où les dispositifs SET sont fabriqués sur le BEOL des puces CMOS avancées, a été développé et testé. Il intègre le procédé nanodamascène, pour la fabrication des nanodispositifs, et la fabrication d’interconnexions/vias afin de relier le CMOS avec les SET. Une démarche pour la validation des dispositifs CMOS a aussi dû être développée et testée. Afin de s’adapter aux dispositifs CMOS à notre disposition, une conception de circuit hybride SET-CMOS a été faite. La fabrication d’un premier prototype recréant un circuit hybride SET-CMOS fût réalisée.

Depuis 1965, la loi de Moore, loi de doublement du nombre de transistors dans une puce tous les deux ans, n’a jamais été contredite. II faut attendre septembre 2007 pour que son inventeur lui-même, Gordon Moore, ne la considère plus valide et estime sa fin dans les dix à quinze ans à venir. Le problème des limites physiques de la technologie CMOS actuelle est alors aujourd’hui posé : jusqu’où la miniaturisation peut-elle continuer? Combien d'atomes faut-il pour faire un transistor fonctionnel ? Y a-t-il d'autres matériaux que les semiconducteurs qui permettraient d'aller au delà des limites physiques, ou encore d'autres moyens de coder l'information de façon plus efficace? La technologie des transistors à un électron (SET, Single Electron Transistor) est une des solutions possible et semble très prometteuse. Bien souvent cantonné à un fonctionnement bien en dessous de la température ambiante, les premiers SETs métalliques démontrant un caractère typique de blocage de Coulomb à des températures dépassant 130 °C sont une des premières réussites du projet "SEDIMOS" ici à l'Université de Sherbrooke. Véritable couteau-suisse, le SET présente des caractéristiques électriques qui vont au delà de la technologie CMOS actuelle tout en pouvant copier cette dernière sans grande difficulté. Dans un circuit, il faut cependant lui adressé [i.e. adresser] certains problèmes tel [i.e. tels] qu’un faible courant de commande, un faible gain en tension et un délai important. Mais tous ces aléas peuvent être cependant contournés ou réduits par une conception adaptée de ces circuits. Cependant, il existe une difficulté à fabriquer de multiples SETs ayant des caractéristiques électriques similaires. En outre, les circuits peuvent exiger des SETs avec un haut niveau de performance. Souhaitant repousser les limites actuelles de la logique SET, le but de cette maîtrise est de réaliser un inverseur SET développant principalement les deux caractéristiques critiques mentionnées dans le paragraphe précédent. Sous un travail à température ambiante, voir supérieur, l'inverseur devra développer un gain en tension supérieur à l'unité. Les SET métalliques présentés dans ce travail sont fabriqués sur un substrat de silicium oxydé par oxydation sèche. Le procédé de fabrication utilisé est cependant compatible avec l'unité de fabrication finale du CMOS, Back End of Line (BEOL). Un coût réduit, un faible bilan thermique, et une amélioration de la densité d'intégration dans le cadre d'une production de masse de circuits hautement intégrés rendent ce procédé de fabrication très attrayant. L'objectif principal de cette maîtrise peut être divisé en 3 parties : (1) L'étude des paramètres électriques tels que les tension, gain, capacité d'attaque et puissance du circuit inverseur SET, (2) l'amélioration des performances de la logique SET grâce à la modification des paramètres physiques des SETs et de l'architecture de leurs circuits et (3) la présentation des résultats de mesures électriques.

"Due to the high variation of critical device parameters inherent in integrated circuit manufacturing, modern integrated circuit designs have evolved to rely on the ratios of similar devices for their performance rather than on the absolute characteristics of any individual device. Today's high performance analog integrated circuits depend on the ability to make identical or matched devices. Circuits are designed using a tolerance based on the overall matching characteristics of their particular manufacturing process. Circuit designers also follow a general rule of thumb that larger devices offer better matching characteristics. This results in circuits that are over designed and circuit layouts that are generally larger than necessary. In this project we develop a model to predict the mismatch in a pair of NPN bipolar transistors. Precise prediction of device mismatch will result in more efficient circuit deigns, smaller circuit layouts and higher test yields, all of which lead to into more reliable and less expensive products."

Este trabalho apresenta um estudo que inclui a comparação experimental entre transistores de porta tripla (FinFETs) fabricados sobre lâminas de Silício-Sobre Isolante (SOI) e os fabricados diretamente sobre a lâmina de silício (de corpo). A caracterização elétrica dos FinFETs foi realizada para canais tipo n e p, a fim de realizar uma avaliação no desempenho tanto de parâmetros para aplicações digitais (tensão de limiar, transcondutância e inclinação de sublimiar), quanto analógicas (ganho intrínseco de tensão, tensão Early, condutância de saída e razão gm/IDS), em temperatura ambiente (25 °C). Além disso, a faixa de comprimento de canal analisado foi de 130 nm a 10 ?m, altura da aleta de 65 nm e a largura da aleta de 20 nm a 250 nm. Ainda, é apresentado um estudo em temperatura, na faixa de 25 °C a 150 °C, focando-se na comparação entre os dispositivos FinFETs SOI e de corpo. Em temperatura ambiente, a variação da tensão de limiar em função do comprimento de canal do transistor é observada primeiro nos dispositivos FinFETs de corpo comparada aos FinFETs SOI. Desta forma, mostra-se que os FinFETs SOI são mais imunes ao efeito de canal curto do que aos FinFETs de corpo. No entanto, um ponto a ser otimizado na tecnologia FinFET SOI é a condução pela segunda interface, uma vez que, esta afeta a inclinação de sublimiar a qual atingiu valores maiores de três vezes (tipo n) e 2 vezes (tipo p) que os FinFETs de corpo, considerando-se aletas largas (130 nm) e comprimentos de canal abaixo de 130 nm. Este efeito degrada diversos parâmetros, tornando assim os FinFETs de corpo mais favoráveis, principalmente, em aplicações analógicas, resultando em níveis de ganho intrínseco de tensão de 10 % a 20% maiores que os FinFETs SOI, para canais tipo n e p, respectivamente. Para a faixa de temperatura de 25 °C a 150 °C, o FinFET de corpo apresentou uma variação da tensão de limiar na ordem de quatro vezes a do FinFET SOI. Por outro lado, o parâmetro de redução da barreira de potencial induzida pela tensão aplicada ao dreno (DIBL) é dependente da tempertura, quando a condução pela segunda interface é observada no FinFET SOI. Por fim, na faixa de temperatura estudada os parâmetros para aplicações analógicas não apresentaram variações significativas, quando comparado aos da temperatura ambiente. Além disso, este trabalho apresenta um comparação do desempenho elétrico de FinFETs de germânio (canal tipo p), os quais apresentam diferentes processos de substrato (integração de germânio sobre silício), por meio do estudo de ruído em baixa frequência (LFN) e parâmetros para aplicações digitais. Notou-se que os diferentes substratos interferem no desempenho dos dispositivos, principalmente na região de sublimiar, na qual necessita de uma otimização de processo de crescimento epitaxial do substrato, a fim de reduzir o nível de corrente elétrica de fuga entre dreno e substrato. Como consequência da alta densidade de defeitos no substrato virtual de germânio, a corrente elétrica de dreno atingiu uma ordem de grandeza maior do que os demais processos. Por meio da análise de ruído em baixa frequência, constatou-se que há defeitos no interior do canal dos transistores, os quais são termicamente ativados e afetam a região de sublimiar. Além do mais, os dispositivos com tensionamento compressivo, de ambos os processos STI first e STI definida depois (STI last), apresentaram uma mobilidade efetiva de portador três vezes maior comparado ao processo STI last sem tensionamento do canal, a uma temperatura de operação de 77 K. / This work presents an experimental comparison between triple gate FinFETs fabricated on Silicon-On-Insulator (SOI) and on silicon wafers. It is presented the electrical characterization of SOI FinFET and bulk FinFET of both p and n types, in order to compare theirs digital (Current-Voltage curves, threshold voltage, transconductance and subthreshold swing) and analog (intrisic voltage gain, Early voltage, ouput conductance gm/IDS ratio) performances at room temperature (25 °C). Moreover, a temperature evaluation is shown, where its range is from 25 °C to 150 °C. In addition, the studied channel length range is from 130 nm to 10 ?m, fin height of 65 nm and the fin width range varying from 20 nm to 250 nm. At room temperature, the SOI FinFET devices show to be more immune to the SCEs than the bulk FinFET ones. However, it is necessary to optimize the SOI structure, since it suffers from the parasitic back interface conduction, which degraded almost all studied parameters, for instance, the subthreshold swing of SOI FinFETs were higher three times (for n-type) and two times (for p-type) compared with the bulk ones. As a result the bulk FinFET is more suitable in analog applications, which presented intrisic voltage gain 10 % and 20% higher than SOI FinFETs, for n- and p-type, respectively. At different temperature the bulk FinFET is more vulnerable to threshold voltage variation than the SOI FinFET. On the other hand, the DIBL is the parameter that tends to be worst as the temperature increases, for the SOI FinFETs. Finally, the basic analog parameters at different temperature operation presented no significant variations, comparing to the ones at room temperature operation. Apart from that, this work also provides a first comparison of the impact of the different Ge-on-Si integration schemes on the Ge pFinFET performances, using Low-Frequency-Noise (LFN) and digital parameters as evaluation tools. It is demonstrated that different substrate growths play a role in the off-state current, where an effort is required in order to optimize (reduce) the drain current level, since has been found that the Ge/Si substrate (from STI last process and relaxed channel) presents a higher defect density into the substrate, resulting in an offcurrent level of one order of magnitude higher than the other processes under evaluation. From the low-frequency-noise results, ones show that there are defects into the channel rather than the gate oxide, which are thermally activated and dominate the subthreshold region. In addition, the strained Ge FinFETs, from both STI first and last processes, which reached values of effective mobility three times higher than the relaxed ones at temperature of 77 K.

Este trabalho apresenta um estudo que inclui a comparação experimental entre transistores de porta tripla (FinFETs) fabricados sobre lâminas de Silício-Sobre Isolante (SOI) e os fabricados diretamente sobre a lâmina de silício (de corpo). A caracterização elétrica dos FinFETs foi realizada para canais tipo n e p, a fim de realizar uma avaliação no desempenho tanto de parâmetros para aplicações digitais (tensão de limiar, transcondutância e inclinação de sublimiar), quanto analógicas (ganho intrínseco de tensão, tensão Early, condutância de saída e razão gm/IDS), em temperatura ambiente (25 °C). Além disso, a faixa de comprimento de canal analisado foi de 130 nm a 10 ?m, altura da aleta de 65 nm e a largura da aleta de 20 nm a 250 nm. Ainda, é apresentado um estudo em temperatura, na faixa de 25 °C a 150 °C, focando-se na comparação entre os dispositivos FinFETs SOI e de corpo. Em temperatura ambiente, a variação da tensão de limiar em função do comprimento de canal do transistor é observada primeiro nos dispositivos FinFETs de corpo comparada aos FinFETs SOI. Desta forma, mostra-se que os FinFETs SOI são mais imunes ao efeito de canal curto do que aos FinFETs de corpo. No entanto, um ponto a ser otimizado na tecnologia FinFET SOI é a condução pela segunda interface, uma vez que, esta afeta a inclinação de sublimiar a qual atingiu valores maiores de três vezes (tipo n) e 2 vezes (tipo p) que os FinFETs de corpo, considerando-se aletas largas (130 nm) e comprimentos de canal abaixo de 130 nm. Este efeito degrada diversos parâmetros, tornando assim os FinFETs de corpo mais favoráveis, principalmente, em aplicações analógicas, resultando em níveis de ganho intrínseco de tensão de 10 % a 20% maiores que os FinFETs SOI, para canais tipo n e p, respectivamente. Para a faixa de temperatura de 25 °C a 150 °C, o FinFET de corpo apresentou uma variação da tensão de limiar na ordem de quatro vezes a do FinFET SOI. Por outro lado, o parâmetro de redução da barreira de potencial induzida pela tensão aplicada ao dreno (DIBL) é dependente da tempertura, quando a condução pela segunda interface é observada no FinFET SOI. Por fim, na faixa de temperatura estudada os parâmetros para aplicações analógicas não apresentaram variações significativas, quando comparado aos da temperatura ambiente. Além disso, este trabalho apresenta um comparação do desempenho elétrico de FinFETs de germânio (canal tipo p), os quais apresentam diferentes processos de substrato (integração de germânio sobre silício), por meio do estudo de ruído em baixa frequência (LFN) e parâmetros para aplicações digitais. Notou-se que os diferentes substratos interferem no desempenho dos dispositivos, principalmente na região de sublimiar, na qual necessita de uma otimização de processo de crescimento epitaxial do substrato, a fim de reduzir o nível de corrente elétrica de fuga entre dreno e substrato. Como consequência da alta densidade de defeitos no substrato virtual de germânio, a corrente elétrica de dreno atingiu uma ordem de grandeza maior do que os demais processos. Por meio da análise de ruído em baixa frequência, constatou-se que há defeitos no interior do canal dos transistores, os quais são termicamente ativados e afetam a região de sublimiar. Além do mais, os dispositivos com tensionamento compressivo, de ambos os processos STI first e STI definida depois (STI last), apresentaram uma mobilidade efetiva de portador três vezes maior comparado ao processo STI last sem tensionamento do canal, a uma temperatura de operação de 77 K. / This work presents an experimental comparison between triple gate FinFETs fabricated on Silicon-On-Insulator (SOI) and on silicon wafers. It is presented the electrical characterization of SOI FinFET and bulk FinFET of both p and n types, in order to compare theirs digital (Current-Voltage curves, threshold voltage, transconductance and subthreshold swing) and analog (intrisic voltage gain, Early voltage, ouput conductance gm/IDS ratio) performances at room temperature (25 °C). Moreover, a temperature evaluation is shown, where its range is from 25 °C to 150 °C. In addition, the studied channel length range is from 130 nm to 10 ?m, fin height of 65 nm and the fin width range varying from 20 nm to 250 nm. At room temperature, the SOI FinFET devices show to be more immune to the SCEs than the bulk FinFET ones. However, it is necessary to optimize the SOI structure, since it suffers from the parasitic back interface conduction, which degraded almost all studied parameters, for instance, the subthreshold swing of SOI FinFETs were higher three times (for n-type) and two times (for p-type) compared with the bulk ones. As a result the bulk FinFET is more suitable in analog applications, which presented intrisic voltage gain 10 % and 20% higher than SOI FinFETs, for n- and p-type, respectively. At different temperature the bulk FinFET is more vulnerable to threshold voltage variation than the SOI FinFET. On the other hand, the DIBL is the parameter that tends to be worst as the temperature increases, for the SOI FinFETs. Finally, the basic analog parameters at different temperature operation presented no significant variations, comparing to the ones at room temperature operation. Apart from that, this work also provides a first comparison of the impact of the different Ge-on-Si integration schemes on the Ge pFinFET performances, using Low-Frequency-Noise (LFN) and digital parameters as evaluation tools. It is demonstrated that different substrate growths play a role in the off-state current, where an effort is required in order to optimize (reduce) the drain current level, since has been found that the Ge/Si substrate (from STI last process and relaxed channel) presents a higher defect density into the substrate, resulting in an offcurrent level of one order of magnitude higher than the other processes under evaluation. From the low-frequency-noise results, ones show that there are defects into the channel rather than the gate oxide, which are thermally activated and dominate the subthreshold region. In addition, the strained Ge FinFETs, from both STI first and last processes, which reached values of effective mobility three times higher than the relaxed ones at temperature of 77 K.

La thèse porte sur le développement de composants à base d’hétérojonction AlGaN/GaN. Cette hétérojonction permet de bénéficier d’une excellente mobilité (2000 cm²/V.s) grâce à l’apparition d’un gaz d’électron dans le GaN. Cependant, les composants fabriqués sur cette hétérojonction sont normally-on. Pour des raisons de sécurité et d’habitude de conception des composants normally-off sont nécessaires. Il existe de nombreuses façons de fabriquer des transistors normally-off à base d’hétérojonction AlGaN/GaN, dans cette thèse nous avons choisi d’étudier un MOSCHEMT, cette structure est caractérisée par une grille de type MOS et des accès de type HEMT possédant les excellentes propriétés de l’hétérojonction, en fonction des paramètres technologiques : épitaxie, process et structure des composants. L’une des variations technologiques étudiées est une structure cascodée permettant d’améliorer les performances à l’état passant sans détériorer la caractéristique en blocage des composants. L’objectif est de concevoir un composant normally-off sur substrat silicium 200 mm avec une tension de seuil supérieure à 1V, pouvant tenir 600 V en blocage, avec un calibre en courant entre 10 A et 30 A et compatible en salle blanche CMOS. Le manuscrit comporte quatre chapitres. Grâce à une étude bibliographique, le premier chapitre présente les différentes méthodes permettant d’obtenir un transistor normally-off à base de nitrure de gallium. Ce chapitre présente et justifie le choix technologique du CEA-LETI. Le deuxième chapitre présente les modèles ainsi que les méthodes de caractérisations utilisés au cours de la thèse. Le troisième chapitre traite des résultats obtenus en faisant varier les paramètres de fabrication sur les MOSC-HEMT. Enfin, le quatrième chapitre montre une étude sur une technologie innovante de type cascode. Cette structure doit permettre d’augmenter la tension de claquage des transistors sans détériorer l’état passant. / This thesis focuses on the development of AlGaN/GaN heterojunction components or HEMT. This heterojunction has an excellent mobility (2000 cm² / V.s) thanks to the appearance of an electron gas in the GaN. However, the components made with this heterojunction are normally-on. For safety reasons particularly, normally-off components are required. There are many ways to make normally-off transistors based on AlGaN/GaN heterojunction. In this thesis we chose to study a MOSCHEMT strucutre. This structure is characterized by a MOS type gate and HEMT type accesses. The study shows the effects of technological parameters (epitaxy, process and component structure) on the electrical behaviour of the components. Another structure studied is the monolithic cascode, which can improve on-state performance of the MOSC-HEMT without damaging the characteristic in reverse of the components. The objective of this thesis is to design a normally-off component on silicon substrate 200 mm with a threshold voltage higher than 1V, able to hold 600 V in reverse, with a current rating between 10 A and 30 A and compatible in CMOS clean room. The manuscript has four chapters. Through a bibliographic review, the first chapter presents the different methods to obtain a normally-off transistor based on gallium nitride. This chapter presents and justifies the technological choice of CEA-LETI. The second chapter presents the models as well as the methods of characterizations used during the thesis. The third chapter deals with the results obtained by varying the manufacturing parameters on the MOSC-HEMTs. Finally, the fourth chapter shows a study on innovative cascode technology. This structure must make it possible to increase the breakdown voltage of the transistors without damaging the on state.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015.

Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016