This project investigates the failure of various CMOS circuits as a result of Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) and explores design techniques to increase the mean time to failure (MTTF) of large-scale circuits. Time Dependent Dielectric Breakdown is a phenomenon where the oxide underneath the gate degrades as a result of the electric field in the material. Currently, there are few well documented design techniques that can increase lifetime, but with a tool chain I created called the MTTF Analyzing Program, or MAP, I was able to test circuits under various conditions in order to identify weak links, discover relationships, and reiterate on my design and see improvements and effects. The tool chain calculates power consumption, performance, temperature, and MTTF for a 'real life' circuit. Electric VLSI, an Electronic Design Automation tool, outputs a Spice file that yields parasitic quantities and spatial dimensions. LTspice, a high performance Spice simulator, was used to calculate the voltage and current data. Finally, I created MAP to monitor the voltage, current, and dimension data and process that in conjunction with HotSpot, a thermal modeling tool, to calculate a MTTF for each MOSFET. Analysis of the data from the software infrastructure showed that transistor sizing played a role in the MTTF. To maximize the MTTF of a transistor in a CMOS inverter, the activity of the pull-up transistor should be balanced with the transistor in the pull-down chain, ensuring the electric fields are balanced across both transistors. While it is impossible to completely balance an arbitrary CMOS circuit's activity for an arbitrary set of input signals, circuits can be intelligently skewed to help maximize the MTTF without increasing power consumption and without sacrificing circuit performance. Consequently, attaining a maximum MTTF does not come at a cost as it is possible to design a circuit with a high MTTF that performs better and uses less power than a circuit with low MTTF.

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.

Les MOSFET en SiC sont appelées à remplacer les IGBT en Silicium pour des applications de demandant une plus forte vitesse de commutation. Cependant, les MOSFET en SiC ont encore quelques problèmes de fiabilité, tels que la robustesse de la diode interne ou bien la robustesse de l'oxyde de grille. Cette dernière est liée à l’oxyde de grille des composants du type MOSFET. Des instabilités de la tension de seuil sont aussi signalées. Cette thèse aborde ces deux sujets sur des MOSFET commerciaux 1200 V. L'étude de la diode interne met en évidence que les caractéristiques I-V (de la diode intrinsèque) demeurent stables après l'application d'un stress. Cependant, une dérive surprenante de la tension de seuil apparaît. Des tests complémentaires, en stressant le canal à la place de la diode, avec les mêmes contraintes n'ont pas montré de dérive significative de la tension de seuil. Donc, l'application d'un stress en courant quand le composant est en mode d'accumulation semble favoriser l'apparition des instabilités de la tension de seuil. La robustesse de l'oxyde de grille concerne les instabilités de la tension de seuil, mais aussi l'estimation de la durée de vie à des conditions d'opération nominales. Les résultats obtenus montrent que la durée de vie de l'oxyde de grille n'est plus un problème. Pourtant, le suivi du courant de grille pendant les tests ainsi que les caractérisations de la capacité de grille mettent en évidence des translations de la courbe C(V) à cause des phénomènes d’injection des porteurs et de piégeage, mais aussi la possible présence d’ions mobiles. Aussi, une bonne analyse des dégradations et dérives liées à l’oxyde de grille doit être réalisée. / SiC power MOSFETs are called to replace Si IGBT for some medium and high power applications (hundreds of kVA). However, even if crystallographic defects have been drastically reduced, SiC MOSFETs are always concerned by some robustness issues such as the internal diode robustness or the robustness of the gate oxide. The last one especially affects MOSFETs devices and is linked to the apparition of instabilities in the threshold voltage. This thesis focuses on these two issues. The study of the internal diode robustness highlighted that the I-V curve (of the intrinsic diode) remains stable after the application of a current stress in static mode, but also with the DUT placed in a converter with inductive switchings. These are the most stressful conditions. However, a surprising drift in the threshold voltage has been observed when some devices operates under these conditions; in static mode or in a converter. Complementary tests stressing the channel instead of the internal diode in the same temperature and dissipated power, have not resulted in a drift of the threshold voltage. Thus, the application of a current stress when the device is in accumulation regime could favour the apparition of instabilities in the threshold voltage. The study of the gate oxide focus in the instabilities of the threshold voltage, but also on the expected lifetime of the oxide at nominal conditions. Results obtained shown that the expected lifetime (TDDB) of the oxide is no longer a problem. Indeed, tests realized in static mode, but also in a converter under inductive switching conditions resulted in expected lifetimes well above 100 years. However, the monitoring of the gate current during the test and gate capacitance characterizations C(V) highlighted a shift in the capacitance due to carrier injection and trapping phenomena and probably to the presence of mobile-ions. Still regarding the instabilities of the threshold voltage, classic tests resulted in no significant variations of the threshold voltage at 150 _C. However, at 200 _C the drift observed for some manufacturers is higher than +30%. This is unacceptable for high-temperature applications and evidence that the quality of the gate oxide and the SiC=SiO2 interface must continue to be improved, together with the manufacturing methods to minimize the presence of mobile ions in the substrate.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la fiabilité et la cyclabilité des jonctions Tunnel magnétique pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de claquage de la barrière. Une étude de l'endurance de la barrière MgO jusqu'au claquage électrique est présentée. Les échantillons ont été testés sous un mode impulsionnel. Par l'étude de l'effet de retard entre des impulsions successives, une durée de vie optimale des JTM est observée pour une valeur intermédiaire de retard entre les impulsions correspondant à un compromis optimal entre la densité moyenne de charge piégée dans la barrière et la modulation temporelle de charge. En outre, un modèle de piégeage / dépiégeage de charge a été développé qui appuie cette interprétation. L'étude souligne le rôle des pièges de charges dans le mécanisme de claquage de la barrière tunnel. Elle montre aussi que l'endurance extrêmement longue pourrait être obtenue en réduisant la densité des sites de piégeage d'électrons dans la barrière tunnel. Puis, une étude de l'endurance et le bruit basse fréquence a été dans les jonctionS CoFeB/MgO/CoFeB pour STT-MRAM ou TA-MRAM. Une corrélation a été observée et expliquée par la présence de sites de piégeage d'électrons dans la barrière de MgO et le rôle des phénomènes de charge/ décharge à la fois dans la fiabilité et la puissance du bruit en 1 / f électrique. Ces résultats prouvent que le test du bruit basse fréquence peut être utilisé comme une caractérisation prédictive de l'endurance. Enfin, en perspectives, des mesures complémentaires en été proposées pour développer plus le modèle de charge/décharge, une optimisation de la barrière pourrait ainsi être réaliser pour réduire le nombre des pièges de charge au sein de la barrière et par conséquent améliorer la fiabilité des jonctions Tunnel. / The thesis objective is to study the Magnetic Tunnel Junction reliability and cyclability to more understand the barrier breakdown mechanisms. An investigation of barrier endurance till electrical breakdown in MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs) is presented. Samples were tested under pulsed electrical stress. By studying the effect of delay between successive pulses, an optimum endurance of MTJs is observed for an intermediate value of delay between pulses corresponding to an optimum trade-off between the average density of charge trapped in the barrier and the amplitude of its time-modulation at each voltage pulse. Furthermore, a charge trapping/detrapping model was developed which support this interpretation. The study emphasizes the role of electron trapping/detrapping mechanisms on the tunnel barrier reliability. It also shows that extremely long endurance could be obtained in MTJs by reducing the density of electron trapping sites in the tunnel barrier. Then the write endurance and the 1/f noise of electrical origin were characterized in CoFeB/MgO/CoFeB MTJ for STT-MRAM or TA-MRAM. A correlation was observed and explained by the presence of electron trapping sites in the MgO barrier and the role of electron trapping/detrapping phenomena in both the MTJ reliability and its 1/f electrical noise power. These results suggest that 1/f noise could be used as a predictive characterization of the MTJ endurance. Finally, as thesis perspectives, some complement measurements were proposed to further investigate this model and an optimization of MgO barrier which could be carried out to reduce the density of these trapping sites was presented to ameliorate the MTJs reliability.