Cette étude porte sur l’intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d’économies d’énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d’intégration. Cette thèse se propose d’employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l’oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc. / This study deals with the hybrid integration of Single Electron Transistors (SET) on a CMOS technology node. SET devices present high potentiels, particularly in terms of energy efficiency, but can't completely replace CMOS in electrical circuits. However, SETs and CMOS devices combination can solve this issue, opening the way toward very low operating power circuits, and high integration density. This thesis proposes itself to use for Back-End-Of-Line (BEOL) SETs realization, meaning in the oxide encapsulating CMOS, the nanodamascene fabrication process devised by C. Dubuc.

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.

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l'oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L'objectif de cette thèse, était d'explorer le potentiel de l'oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d'Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d'abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique...) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s'est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3.

Process variability is a major challenge for the design of nano scale MOSFETs due to fundamental physical limits as well as process control limitations. As the size of the devices is scales down to improve performance, the circuit becomes more sensitive to the process variations. Thus, it is necessary to have a device model that can predict the variations of device characteristics. Statistical modeling method is a potential solution for this problem. The novelty of the work is that we connect BSIM parameters directly to the underlying process parameters. This is very useful for fabs to optimize and control the specific processes to achieve certain circuit metric. This methodology and framework is extendable to any future technologies, because we used a device independent, but process depended frame work In the first part of this thesis, presents the design of nominal MOS devices with 28 nm physical gate length. The device is optimized to meet the specification of low standby power technology specification of International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS(2012). Design of experiments are conducted and the following parameters gate length, oxide thickness, halo concentration, anneal temperature and title angle of halo doping are identified as the critical process parameters. The device performance factors saturation current, sub threshold current, output impendence and transconductance are examined under process variabilty. In the subsequent sections of the thesis, BSIM parameter extraction of MOS devices using the software ICCAP is presented. The variability of the spice parameters due to process variation is extracted. Using the extracted data a new BSIM interpolated model for a variability aware circuit design is proposed assume a single process parameter is varying. The model validation is done and error in ICCAP extraction method for process variability is less than 10% for all process variation condition in 3σ range. In the next section, proposes LUT model and interpolated method for a variability aware circuit design for single parameter variation. The error in LUT method for process variability reports less than 3% for all process variation condition in 3σ range. The error in perdition of drain current and intrinsic gain for LUT model files are very close to the result of device simulation. The focus of the work was to established effective method to interlink process and SPICE parameters under variability. This required generating a large number of BSIM parameter ducks. Since there could be some inaccuracy in large set of BSIM parameters, we used LUT as a golden standard. We used LUT modeling as a benchmark for validation of our BSIM3 model In the final section of thesis, impact of multi parameter variation of the processes in device performance is modelled using RSM method; the model is verified using ANOVA method. Models are found to be sufficient and stable. The reported error is less than 1% in all cases. Monte Carlo simulation confirms stability and repeatability of the model. The model for random variabilty of process parameters are formulated using BSIM and compared with the LUT model. The model was tested using a benchmark circuit. The maximum error in Monte Carlo simulation is found to be less than 3% for output current and less than 8% for output impedance.

Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l’oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L’objectif de cette thèse, était d’explorer le potentiel de l’oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d’Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d’abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique…) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s’est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3. / Since MOS Field Effect Transistor invention in the 60's, the exploitation of this elementary piece of technology allowed an exponential evolution in the microelectronic field, with a frantic race towards miniaturization of CMOS electronic devices. In this context, the introduction of "high-κ" oxides (notably HfO2) allowed to cross the sub-nanometer barrier of EOT (Equivalent Oxide Thickness) for the gate oxide. Current work are notably related to "high-κ" research materials and processes that would allow an abrupt and thermodynamically stable interface with respect to silicon, that may lead to EOTs of about 5Å. The purpose of this thesis was to explore the potential of amorphous oxide LaAlO3 deposited on silicon by techniques of molecular beam epitaxy, combining studies of the physicochemical and electrical properties of this system. The thesis work has first consisted in defining procedures for the preparation of very thin (≈ 4 nm), robust and reproducible layers on Si in order to allow reliable electrical measurements then to optimize the electrical quality of the hetero-structures by adjusting deposition parameters from correlations between electrical results and physicochemical properties (density, stoichiometry, chemical environment...) and finally to validate a method for integrating the material in the realization of MOSFET. The stability and reproducibility of the measurements were achieved thanks to an adapted surface preparation of the substrate and by the introduction of atomic oxygen during the LaAlO3 deposition, thus allowing homogenization of layers and reducing leakage currents. After optimizing the deposition parameters, the best structures exhibit EOTs of 8-9 A, a dielectric constant of 16 and leakage currents in the range of 10-2 A/cm². Accurate physico-chemical characterizations of thin layers by XPS revealed composition inhomogeneities that can explain why the measured κ is less than values of crystalline LaAlO3 (20-25). Although the LAO/Si interfaces are steep after deposition and LaAlO3 is thermodynamically stable with respect to the silicon, amorphous system LAO/Si has proven unstable during post-deposition annealing carried out at temperatures above 700 ° C. A process for producing MOSFETs with released dimensions was defined to test high-κ field. The first stages of the process have been validated for LaAlO3.