Les circuits intégrés (CI) devenant de plus en plus complexes et vulnérables face aux décharges électrostatiques (ESD pour ElectroStatic Discharge), la capacité à vérifier de manière fiable la présence de défauts de conception ESD sur des puces comptant plusieurs milliards de transistors avant tout envoi en fabrication est devenu un enjeu majeur dans l’industrie des semi-conducteurs. Des outils commerciaux automatisés de dessin électronique (EDA pour Electronic Design Automation) et leur flot de vérification associé permettent d’effectuer différents types de contrôles qui se sont révélés être efficaces pour des circuits avec une architecture classique. Cependant, ils souffrent de limitations lorsqu’ils sont confrontés à des architectures inhabituelles, dites custom. De plus, ces méthodes de vérification sont généralement effectuées tard dans le flot de conception, rendant toute rectification de dessin coûteuse en termes d’efforts correctifs et de temps. Cette thèse de doctorat propose une méthodologie de vérification ESD systématique et multi-échelle introduite dans un outil appelé ESD IP Explorer qui a été spécifiquement implémenté pour couvrir le flot de conception dans sa globalité et pour adresser des circuits dits custom. Il est composé d’un module de reconnaissance et d’un module de vérification. Le module de reconnaissance identifie tout d’abord et de manière automatisée les structures de protection ESD, embarquées sur silicium dans le circuit intégré pour améliorer leur robustesse ESD, selon un mécanisme de reconnaissance topologique. Le module de vérification convertit ensuite le réseau de protection ESD, formé des structures de protection ESD, en un graphe dirigé. Finalement, une analyse ESD quasi-statique reposant sur des algorithmes génériques issus de la théorie des graphes est effectuée sur la globalité du circuit à vérifier. Des algorithmes d’apprentissage automatique ont été employés pour prédire les comportements quasi-statiques des protections ESD à partir des paramètres d’instance de leurs composants élémentaires sous la forme d’une liste d’interconnexions. L’avantage ici est qu’aucune simulation électrique n’est requise pendant toute la durée d’exécution d’ESD IP Explorer, ce qui simplifie l’architecture de l’outil et accélère l’analyse. Les efforts d’implémentation ont été concentrés sur la compatibilité d’ESD IP Explorer avec le nœud technologique 28nm FD-SOI (pour Fully Depleted Silicon On Insulator). L’outil de vérification développé a été utilisé avec succès pour l’analyse d’un circuit incorporant des parties numériques et à signaux mixtes et comprenant plus de 1,5 milliard de transistors en seulement quelques heures. Des circuits custom qui n’ont pas pu être vérifiés au moyen d’outils de vérification traditionnels du fait de problèmes d’incompatibilité ont également pu être soumis à analyse grâce à ESD IP Explorer. / As Integrated Circuits (ICs) become more complex and susceptible to ElectroStatic Discharges (ESD), the ability to reliably verify the presence of ESD design weaknesses over a multi-billion transistor chip prior to the tape-out is a major topic in the semiconductor industry. Commercial tools dedicated to Electronic Design Automation (EDA) and related verification flows are in charge of providing checks that have been proven to be efficient for circuits with a mainstream architecture. However, they suffer limitations when confronted with custom designs. Moreover, these verification methods are often run late in the design flow, making any design re-spin costly in terms of corrective efforts and time. This Ph. D. thesis proposes a systematic and scalable ESD verification methodology embodied in a tool called ESD IP Explorer that has been specifically implemented to cover the entire design flow and to comply with custom circuit architectures. It is composed of a recognition module and a verification module. The recognition module first automatically identifies ESD protection structures, embedded in integrated circuits to enhance their ESD hardness, according to a topology-aware recognition mechanism. The verification module then converts the ESD protection network that is formed by ESD protection structures into a directed graph. There, technology-independent and graph-based verification mechanisms perform a chip-scale quasistatic ESD analysis. Machine learning algorithms have been used in order to infer the quasistatic behavior of ESD IPs from the netlist instance parameters of their primary devices. This approach has the advantage that no simulation is required during the execution of ESD IP Explorer, which makes the tool architecture simpler and improves execution times. Implementation efforts pertained to the compliance of ESD IP Explorer with the 28nm Fully Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) technology node. The developed verification tool has been used to successfully analyze a digital and mixed-signal circuit prototype counting more than 1.5 billion transistors in several hours, as well as custom designs that could not be analyzed by means of traditional verification tools due to incompatibility issues.

L’émergence des circuits complexes numériques, ou System-On-Chip (SOC), pose notamment la problématique de la consommation énergétique. Parmi les blocs fonctionnels significatifs à ce titre, apparaissent les mémoires et en particulier les mémoires statiques (SRAM). La maîtrise de la consommation énergétique d’une mémoire SRAM inclue la capacité à rendre la mémoire fonctionnelle sous très faible tension d’alimentation, avec un objectif agressif de 300 mV (inférieur à la tension de seuil des transistors standard CMOS). Dans ce contexte, les travaux de thèse ont concerné la proposition d’un point mémoire SRAM suffisamment performant sous très faible tension d’alimentation et pour les nœuds technologiques avancés (CMOS bulk 28nm et FDSOI 28nm). Une analyse comparative des architectures proposées dans l’état de l’art a permis d’élaborer deux points mémoire à 10 transistors avec de très faibles impacts de courant de fuite. Outre une segmentation des ports de lecture, les propositions reposent sur l’utilisation de périphéries adaptées synchrones avec notamment une solution nouvelle de réplication, un amplificateur de lecture de données en mode tension et l’utilisation d’une polarisation dynamique arrière du caisson SOI (Body Bias). Des validations expérimentales s’appuient sur des circuits en technologies avancées. Enfin, une mémoire complète de 32kb (1024x32) a été soumise à fabrication en 28 FDSOI. Ce circuit embarque une solution de test (BIST) capable de fonctionner sous 300mV d’alimentation. Après une introduction générale, le 2ème chapitre du manuscrit décrit l’état de l’art. Le chapitre 3 présente les nouveaux points mémoire. Le 4ème chapitre décrit l’amplificateur de lecture avec la solution de réplication. Le chapitre 5 présente l’architecture d’une mémoire ultra basse tension ainsi que le circuit de test embarqué. Les travaux ont donné lieu au dépôt de 4 propositions de brevet, deux conférences internationales, un article de journal international est accepté et un autre vient d’être soumis. / Emergence of large Systems-On-Chip introduces the challenge of power management. Of the various embedded blocks, static random access memories (SRAM) constitute the angrier contributors to power consumption. Scaling down the power supply is one way to act positively on power consumption. One aggressive target is to enable the operation of SRAMs at Ultra-Low-Voltage, i.e. as low as 300 mV (lower than the threshold voltage of standard CMOS transistors). The present work concerned the proposal of SRAM bitcells able to operate at ULV and for advanced technology nodes (either CMOS bulk 28 nm or FDSOI 28 nm). The benchmarking of published architectures as state-of-the-art has led to propose two flavors of 10-transitor bitcells, solving the limitations due to leakage current and parasitic power consumption. Segmented read-ports have been used along with the required synchronous peripheral circuitry including original replica assistance, a dedicated unbalanced sense amplifier for ULV operation and dynamic forward back-biasing of SOI boxes. Experimental test chips are provided in previously mentioned technologies. A complete memory cut of 32 kbits (1024x32) has been designed with an embedded BIST block, able to operate at ULV. After a general introduction, the manuscript proposes the state-of-the-art in chapter two. The new 10T bitcells are presented in chapter 3. The sense amplifier along with the replica assistance is the core of chapter 4. The memory cut in FDSOI 28 nm is detailed in chapter 5. Results of the PhD have been disseminated with 4 patent proposals, 2 papers in international conferences, a first paper accepted in an international journal and a second but only submitted paper in an international journal.

L'introduction d'une contrainte mécanique dans le canal de MOSFETs sur SOI est indispensable pour les noeuds technologiques sub-22 nm. Son efficacité dépend de la géométrie et des règles de dessin du dispositif. L'impact des étapes du procédé de fabrication des transistors (gravure des zones actives, formation de la grille métallique, implantation des Source/Drain (S/D)) sur la contrainte du silicium contraint sur isolant (sSOI) a été mesuré par diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD). Parallèlement, le gain en performances de MOSFETs sur sSOI a été quantifié par rapport au SOI (100% de gain en mobilité pour des nMOS longs et larges (L=W=10 μm), 35% de gain en courant de drain à saturation (IDsat) pour des nMOS courts et étroits (L=25 nm, W=77 nm)). Des structures contraintes innovantes ont aussi été étudiées. Un gain en IDsat de 37% (18%) pour des pMOS sur SOI (sSOI) avec des S/D en SiGe est démontré par rapport au sSOI avec des S/D en Si, pour une longueur de grille de 60 nm et des films de 15 nm d'épaisseur. Des mesures GIXRD, couplées à des simulations mécaniques, ont permis d'étudier et d'optimiser des structures originales avec transfert de contrainte d'une couche enterrée précontrainte (en SiGe ou en nitrure) vers le canal.

Carbon dioxide is one of the greenhouse gases which have strong impacts on the environment and its amount in the atmosphere is far beyond to be ignored. Carbon dioxide levels are projected to be reduced by sequestering it directly to the underground. High amounts of carbon dioxide can be safely stored in underground media for very long time periods. Storage in depleted gas reservoirs provides an option for sequestering carbon dioxide. In 2002, production of Kuzey Marmara gas reservoir has been stopped due to gas storage plans. Carbon dioxide sequestration in Kuzey Marmara field has been considered in this study as an alternative to the gas storage projects. Reservoir porosity and permeability maps were prepared with the help of Surfer software demo version. These maps were merged with the available Kuzey Marmara production information to create an input file for CMG-GEM simulator and a three dimensional model of the reservoir was created. History match of the field model was made according to the 1998-2002 production data to verify the similarity between the model and actual reservoir. Kuzey Marmara field is regarded as a candidate for future gas storage projects. The reservoir still contains producible natural gas. Four different scenarios were prepared by considering this fact with variations in the regional field properties and implemented into previously built simulation model. These scenarios primarily focus on sequestering carbon dioxide while producing as much as natural gas possible. After analyzing the results from the scenarios it is realized that / CO2 injection can be applied to increase natural gas recovery of Kuzey Marmara field but sequestering high rate CO2 emissions is found out to be inappropriate.

Parmi les architectures candidates pour les générations sub-22nm figurent les transistors sur silicium sur isolant (SOI). A cette échelle, les composants doivent intégrer des films isolants enterrés (BOX) et des canaux de conduction (Body) ultra-minces. A ceci s'ajoute l'utilisation d'empilements de grille avancés (diélectriques à haute permittivité / métal de grille) et une ingénierie de la contrainte mécanique avec l'utilisation d'alliages SiGe pour le canal des transistors de type P. La mise au point d'une telle technologie demande qu'on soit capable d'extraire de façon non destructive et avec précision la qualité du transport électronique et des interfaces, ainsi que les valeurs des paramètres physiques (dimensions et dopages), qui sont obtenues effectivement en fin de fabrication. Des techniques d'extraction de paramètres ont été développées au cours du temps. L'objectif de cette thèse est de reconsidérer et de faire évoluer ces techniques pour les adapter aux épaisseurs extrêmement réduites des composants étudiés. Elle combine mesures approfondies et modélisation en support. Parmi les résultats originaux obtenus au cours de cette thèse, citons notamment l'adaptation de la méthode split CV complète qui permet désormais d'extraire les paramètres caractérisant l'ensemble de l'empilement SOI, depuis le substrat et son dopage jusqu'à la grille, ainsi qu'une analyse extrêmement détaillée du transport grâce à des mesures en régime de couplage grille arrière à température variable ou l'exploitation de la magnétorésistance de canal depuis le régime linéaire jusqu'en saturation. Le mémoire se termine par une analyse détaillée du bruit basse fréquence. / Silicon on insulator (SOI) transistors are among the best candidates for sub-22nm technology nodes. At this scale, the devices integrate extremely thin buried oxide layers (BOX) and body. They also integrate advanced high-k dielectric / metal gate stacks and strain engineering is used to improve transport properties with, for instance, the use of SiGe alloys in the channel of p-type MOS transistors. The optimization of such a technology requires precise and non-destructive experimental techniques able to provide information about the quality of electron transport and interface quality, as well as about the real values of physical parameters (dimensions and doping level) at the end of the process. Techniques for parameter extraction from electrical characteristics have been developed over time. The aim of this thesis work is to reconsider these methods and to further develop them to account for the extremely small dimensions used for sub-22nm SOI generations. The work is based on extended characterization and modelling in support. Among the original results obtained during this thesis, special notice should be put on the adaptation of the complete split CV method which is now able to extract the characteristic parameters for the entire stack, from the substrate and its doping level to the gate stack, as well as an extremely detailed analysis of electron transport based on low temperature characterization in back-gate electrostatic coupling conditions or the exploitation of channel magnetoresistance from the linear regime of operation to saturation. Finally, a detailed analysis of low-frequency noise closes this study.

En exploitant la fonction d’amplification intrinsèque fournie par les transistors UTBB FDSOI, nous avons présenté des ISFET ultra sensibles. L'intégration de la fonctionnalité de détection a été réalisée en back end of line (BEOL), ce qui offre les avantages d'une fiabilité et d'une durée de vie accrues du capteur, d'une compatibilité avec le processus CMOS standard et d'une possibilité d'intégration d'un circuit diviseur capacitif. Le fonctionnement des MOSFETs, sans une polarisation appropriée de la grille avant, les rend vulnérables aux effets de grilles flottantes indésirables. Le circuit diviseur capacitif résout ce problème en polarisant la grille avant tout en maintenant la fonctionnalité de détection sur la même grille par un couplage capacitif au métal commun du BEOL. Par conséquent, le potentiel au niveau du métal BEOL est une somme pondérée du potentiel de surface au niveau de la grille de détection et de la polarisation appliquée au niveau de la grille de contrôle. Le capteur proposé est modélisé et simulé à l'aide de TCAD-Sentaurus. Un modèle mathématique complet a été développé. Il fournit la réponse du capteur en fonction du pH de la solution (entrée du capteur) et des paramètres de conception du circuit diviseur capacitif et du transistor UTBB FDSOI. Dans ce cas, des résultats cohérents ont été obtenus des travaux de modélisation et de simulation, avec une sensibilité attendue de 780 mV / pH correspondant à un film de détection ayant une réponse de Nernst. La modélisation et la simulation du capteur proposé ont également été validées par une fabrication et une caractérisation du capteur de pH à grille étendue avec validation de son concept. Ces capteurs ont été développés par un traitement séparé du composant de détection de pH, qui est connecté électriquement au transistor uniquement lors de la caractérisation du capteur. Ceci permet une réalisation plus rapide et plus simple du capteur sans avoir besoin de masques et de motifs par lithographie. Les capteurs à grille étendue ont présenté une sensibilité de 475 mV/pH, ce qui est supérieur aux ISFET de faible puissance de l'état de l’art. Enfin, l’intégration de la fonctionnalité de détection directement dans le BEOL des dispositifs FDSOI UTBB a été poursuivie. Une sensibilité expérimentale de 730 mV/pH a été obtenue, ce qui confirme le modèle mathématique et la réponse simulée. Cette valeur est 12 fois supérieure à la limite de Nernst et supérieure aux capteurs de l'état de l’art. Les capteurs sont également évalués pour la stabilité, la résolution, l'hystérésis et la dérive dans lesquels d'excellentes performances sont démontrées. / Exploiting the intrinsic amplification feature provided by UTBB FDSOI transistors, we demonstrated ultrahigh sensitive ISFETs. Integration of the sensing functionality was made in the BEOL which gives the benefits of increased reliability and life time of the sensor, compatibility with the standard CMOS process, and possibility for embedding a capacitive divider circuit. Operation of the MOSFETs without a proper front gate bias makes them vulnerable for undesired floating body effects. The capacitive divider circuit addresses these issues by biasing the front gate simultaneously with the sensing functionality at the same gate through capacitive coupling to a common BEOL metal. Therefore, the potential at the BEOL metal would be a weighted sum of the surface potential at the sensing gate and the applied bias at the control gate. The proposed sensor is modeled and simulated using TCAD-Sentaurus. A complete mathematical model is developed which provides the output of the sensor as a function of the solution pH (input to the sensor), and the design parameters of the capacitive divider circuit and the UTBB FDSOI transistor. In that case, consistent results have been obtained from the modeling and simulation works, with an expected sensitivity of 780 mV/pH corresponding to a sensing film having Nernst response. The modeling and simulation of the proposed sensor was further validated by a proof of concept extended gate pH sensor fabrication and characterization. These sensors were developed by a separated processing of just the pH sensing component, which is electrically connected to the transistor only during characterization of the sensor. This provides faster and simpler realization of the sensor without the need for masks and patterning by lithography. The extended gate sensors showed 475 mV/pH sensitivity which is superior to state of the art low power ISFETs. Finally, integration of the sensing functionality directly in the BEOL of the UTBB FDSOI devices was pursued. An experimental sensitivity of 730 mV/pH is obtained which is consistent with the mathematical model and the simulated response. This is more than 12-times higher than the Nernst limit, and superior to state of the art sensors. Sensors are also evaluated for stability, resolution, hysteresis, and drift in which excellent performances are demonstrated.

Kondenzátor na bázi oxidu niobu je novým typem pasívní součástky, jehož vývoj byl motivován snahou vyřešit hlavní nedostatky tantalového kondenzátoru – omezený zdroj tantalové suroviny a nebezpečí hoření při průrazu. Chování kondenzátoru na bázi oxidu niobu lze stejně jako u tantalového kondenzátoru popsat prostřednictvím reverzní MIS struktury. Pro studium mechanismu transportu nosičů nábojů v dielektriku Nb2O5 a pro stanovení fyzikálních parametrů, které řídí zbytkový proud, bylo využito měření V-A charakteristik v normálním a reverzním módu při 77 a 300K, dále závislosti kapacity ochuzené vrstvy na napětí a frekvenci, teplotní a časové závislosti zbytkového proudu a spektrální hustoty šumu ve frekvenční a časové doméně při různých napětích. Experimentální data potvrdila platnost navrženého pásového diagramu MIS struktury a poskytla jeho klíčové parametry. Bylo ověřeno, že transport nosičů náboje v NbO kondenzátorech je určen ohmickou, Poole-Frenkelovou a tunelovou složkou v normálním módu, a Schottkyho emisí v reverzním módu. V rozsahu standardních aplikačních napětí dominují v normálním módu Poole-Frenkelova emise a v reverzním módu Schottkyho emise. Při vyšších napětích v normálním módu určuje průrazné napětí kondenzátoru tunelový mechanismus. V reverzním módu rozhoduje o odolnosti vůči tepelnému průrazu kondenzátoru výška bariéry mezi dielektrikem a anodou. Bylo zjištěno, že NbO a Tantalové kondenzátory mají stejný mechanismus vodivosti. Specifika NbO anody se projevují pouze v rozdílných hodnotách parametrů pásového diagramu, nikoliv v principech mechanismu transportu nosičů náboje. To vysvětluje základní rozdíl mezi oběma kondenzátory, který je v kvalitě dielektrické vrstvy na přechodu anody a dielektrika. Nižší potenciálové bariéry a vyšší počet defektů v dielektriku, který je způsoben dalším stabilním oxidem, má za následek vyšší zbytkový proud NbO kondenzátoru. Tento jev však nemá žádný vliv na spolehlivost součástky. Teoretické modely a vybrané testovací metody byly použity k volbě vhodných materiálů anody, ke stanovení vhodných dopantů a k optimalizaci technologie anodické oxidace. Byla nalezena korelace mezi parametry transportu nosičů náboje a spolehlivostí, a na základě experimentálních dat byly navrženy optimalizace výrobního procesu kondenzátorů. Lepší porozumění transportním mechanismům v NbO kondenzátorech umožnilo úplný popis nové součástky na bázi oxidu niobu. Byly zdůrazněny silné a slabé stránky této nové technologie a nalezeny nástroje pro optimalizaci procesů, které umožní vyšší spolehlivost a efektivitu NbO kondenzátorů.

Silicon-on-insulator is a key technology which ensures continuation of Moore’s law. This document investigates the impact of orientation, confinement, and strain on the electronic structure of thin silicon slabs using density functional theory. Moreover a systematic comparison of FDSOI device characteristics using parameters of both the default bulk material and that of the studied slab material is also performed. The comparative study of low index orientations show that confinement not only widens the band gap but also transforms the band gap type. Moreover, it is found that for thin silicon layers, strain can alter band gap and band gap type. By summarizing the findings for different crystal orientations, we demonstrate that the consideration of the electronic structure of strained and confined silicon is of high relevance for modelling actual devices with ultra thin body.

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Kadmium telurid je velmi důležitý materiál jak základního, tak i aplikovaného výzkumu. Je to dáno zejména jeho výhodnými elektronickými, optickými a strukturními vlastnostmi, které ho předurčují pro náročné technické aplikace. Dnes se hlavně používá pro jeho vysoké rozlišení k detekci a X-záření. Hlavní výhodou detektorů na bázi CdTe je, že nepotřebují chlazení a mohou spolehlivě fungovat i při pokojové teplotě. To způsobuje efektivnější interakce fotonů než je tomu u Si nebo jiných polovodičových materiálů. Obsahem této práce byla analýza a interpretace výsledků získaných studiem šumových a transportních charakteristik CdTe vzorků. Měření ukázaly že odpor homogenní části CdTe krystalů mírně klesá při připojení elektrického pole na vzorku. Při změně teploty navíc dochází k odlišné reakci u CdTe typu p a n. Právě těmto efektům je v práci věnována pozornost. Pomocí šumové spektroskopie bylo zjištěno, že při nízkých frekvencích je u vzorků dominantní šum typu 1/f, zatímco při vyšších frekvencích je sledován generačně-rekombinační šum a tepelný šum. Všechny měřené vzorky vykazovaly mnohem vyšší hodnotu šumu na nízkých frekvencích než udává Hoogeova rovnice. Byly nalezeny a popsány zdroje nadbytečného šumu.