Afin d’améliorer les performances électriques dans les circuits intégrés en 3D, une large modélisation électromagnétique et une caractérisation haute fréquence sont requises. Cela a pour but de quantifier et prédire les phénomènes de couplage par le substrat qui peuvent survenir dans ces circuits intégrés. Ces couplages sont principalement dus aux nombreuses interconnexions verticales par unité de volume qui traversent le silicium et que l’on nomme « Through Silicon Vias » (TSV).L’objectif de cette thèse est de proposer des règles d’optimisation des performances, à savoir la minimisation des effets de couplage par les substrats en RF. Pour cela, différentes configurations de structures de test utilisées pour analyser le couplage sont caractérisées.Les caractérisations sont effectuées sur un très large spectre de fréquence. Les paramètres d’analyse sont les épaisseurs du substrat, les architectures des vias traversant (diamètres, densités, types de barrières), ainsi que la nature des matériaux utilisés. Des modèles électriques permettant de prédire les phénomènes de couplage sont extraits. Différents outils pour l’analyse de ces effets, sont développés dans notre laboratoire. Parallèlement un important travail de modélisation 3D est mené de façon à confronter mesure et simulation et valider nos résultats. Des stratégies d’optimisation pour réduire ces phénomènes dans les circuits 3D ont été proposées, ce qui a permis de fournir de riches informations aux designers. / In order to improve the electrical performance in 3D integrated circuits, a large electromagnetic modeling and a high frequency characterization are required. This has for goal to quantifiy and predicts the substrate coupling phenomena that can occur in these integrated circuits. These couplings are mainly due to the numerous vertical interconnections existing in a small volume and passing through the silicon, and so called “Through Silicon Vias” (TSV). The objective of this thesis is to propose rules for electrical performance optimization, in order to minimize the coupling effects in RF substrates. For this reason, different test structures configurations used to analyze the coupling are characterized.The characterizations are performed on a very wide frequency spectrum. The analysis parameters are the thicknesses of the substrate, the TSV architectures (diameters, densities, types of barriers), and the nature of the used materials. Electrical models for predicting the coupling phenomena are extracted. Different tools for the analysis of these effects are developed in our laboratory. At the same time, a considerable amount of 3D modeling is conducted to compare measurements with simulations and validate our results. Optimization strategies to reduce coupling phenomena in 3D circuits have been proposed; this has provided a wealth of information to designers.

Cette étude constitue une contribution dans un grand projet européen dénommé : 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). La fiabilité mécanique et thermomécanique des composants 3D a été étudiée par des essais normalisés et des simulations numériques. L’essai de chute et le cyclage thermique ont été sélectionnés pour la présente étude. Des analyses de défaillance sont menées pour compléter les approches expérimentales. Les propriétés mécaniques des éléments constituant les composants ont fait l’objet d’une compagne de caractérisation complétée par des recherches bibliographiques. Les simulations numériques, dynamiques transitoires pour l’essai de chute et thermomécanique pour l’essai de cyclage thermique, ont été réalisées pour une estimation numérique de la tenue mécanique des composants. Les modèles numériques sont utilisés pour optimiser le design des composants et prédire les durées de vie en utilisant un modèle de fatigue. / This work establishes a contribution in an important European project mentioned 3DICE (3D Integration of Chips using Embedding technologies). The mechanical and thermomechanical reliability of 3D microelectronic components are studied by employing standardized tests and numerical modeling. The board level drop test and thermal cycling reliability tests are selected for this study. Failures analysis has been used to complete the experimental study. The mechanical properties of elements constituting the microelectronic components were characterized using DMA, tensile test and nanoindentation. Bibliographical researches have been done in order to complete the materials properties data. Numerical simulations using submodeling technique were carried out using a transient dynamic model to simulate the drop test and a thermomechanical model for the thermal cycling test. Numerical results were employing in the design optimization of 3D components and the life prediction using a fatigue model.

Aujourd’hui, les capteurs d’image CMOS sont quasi exclusivement architecturés autour de pixels analogiques. Une transition vers des pixels purement numériques permettrait d’améliorer significativement les performances des imageurs. Malheureusement, une telle approche est difficilement envisageable car elle entraine un pixel surdimensionné et inutilisable pour le marché grand public. Une des voies prometteuses pour résoudre ce problème d’intégration des pixels est de réfléchir non plus en deux dimensions (2D), mais en trois dimensions (3D), en répartissant les différentes fonctionnalités sur plusieurs wafers interconnectés.Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent la conception d’un capteur d’image purement numérique en technologie CMOS 3D-IC 130 nm Tezzaron. Ce capteur est architecturé autour d’un pixel numérique intégrant une modulation sigma delta du premier ordre sur 10 bits de résolution maximale. L’étude exhaustive des différents blocs constituant le pixel nous a permis de proposer au final une solution garantissant une surface maitrisée de silicium : taille finale de pixel de 32,5 μm × 32,5 μm pour un facteur de remplissage de plus de 80 %. Au niveau des performances brutes, la simulation du pixel a révélé de bons résultats : consommation de 11 μA/pixel, rapport signal sur bruit de 60 dB, nombre effectif de bits d'environ 7,2 bits, non linéarité différentielle maximale et minimale de +1,37 /-0,73 (pour 10 bits) et une non linéarité intégrale maximale et minimale de +2,447/-3,5 (pour 10 bits). / Nowadays, CMOS image sensors are almost exclusively architectured around analog pixels. A transition to purely digital pixels would significantly improve the performances of imagers. Unfortunately, such an approach is difficult to consider because it causes an oversized and unusable pixel for the consumer market. One of the promising ways to solve this problem of pixel integration is to think not only in 2D dimensions, but in 3D dimensions by distributing the different functionalities on several interconnected wafers.Thus, the work presented in this manuscript describes the design of a purely digital image sensor in CMOS 3D-IC 130 nm Tezzaron technology. This sensor is architectured around a digital pixel integrating a first order sigma delta modulation on 10 bits of maximum resolution. The exhaustive study of the different blocks constituting the pixel allowed us to finally propose a solution guaranteeing a contained surface of silicon: final pixel size of 32.5 μm × 32.5 μm with a fill factor of at least 80 %. Regarding performances, the pixel simulations showed good results: 11 μA/pixel consumption, 60 dB signal-to-noise ratio, 7.2 effective number of bits, maximum and minimum differential nonlinearity of +1,37/-0,73 (for 10 bits) and a maximum and minimum integral nonlinearity of + 2,447/-3,5 (for 10 bits).

L’intégration 3D est la solution technologique la plus prometteuse pour suivre le niveau d’intégration dictée par la loi de Moore (cf. more than Moore, versus more Moore). Elle entraine des travaux de recherche importants depuis une douzaine d’années. Elle permet de superposer différents circuits et composants dans un seul boitier. Son principal avantage est de permettre une association de technologies hétérogènes et très spécialisées pour la constitution d’un système complet, tout en préservant un très haut niveau de performance grâce à des connexions très courtes entre ces différents circuits. L’objectif de ce travail est de fournir des modélisations cohérentes de via traversant, ou/et de contacts dans le substrat, avec plusieurs degrés de finesse/précision, pour permettre au concepteur de haut niveau de gérer et surtout d’optimiser le partitionnement entre les différentes strates. Cette modélisation passe par le développement de plusieurs vues à différents niveaux d’abstraction: du modèle physique au modèle « haut niveau ». Elle devait permettre de répondre à différentes questions rencontrées dans le processus de conception :- le modèle physique de via basé sur une simulation électromagnétique 2D ou 3D (solveur « éléments finis ») est utilisé pour optimiser l’architecture du via (matériaux, dimensions etc.) Il permet de déterminer les performances électriques des via, notamment en haute fréquence. Les simulations électromagnétiques permettent également de quantifier le couplage entre via adjacents. - le modèle compact analytique de via et de leur couplage, basé sur une description de type ligne de transmission ou noyaux de Green, est utilisé pour les simulations au niveau bloc, ainsi que des simulations de type Spice. Les modèles analytiques sont souvent validés par rapport à des mesures et/ou des modèles physiques. / The 3D integration is the most promising technological solution to track the level of integration dictated by Moore's Law (see more than Moore, Moore versus more). It leads to important research for a dozen years. It can superimpose different circuits and components in one box. Its main advantage is to allow a combination of heterogeneous and highly specialized technologies for the establishment of a complete system, while maintaining a high level of performance with very short connections between the different circuits. The objective of this work is to provide consistent modeling via crossing, and / or contacts in the substrate, with various degrees of finesse / precision to allow the high-level designer to manage and especially to optimize the partitioning between the different strata. This modelization involves the development of multiple views at different levels of abstraction: the physical model to "high level" model. This would allow to address various issues faced in the design process: - The physical model using an electromagnetic simulation based on 2D or 3D ( finite element solver ) is used to optimize the via (materials, dimensions etc..) It determines the electrical performance of the via, including high frequency. Electromagnetic simulations also quantify the coupling between adjacent via. - The analytical compact of via their coupling model, based on a description of transmission line or Green cores is used for the simulations at the block level and Spice type simulations. Analytical models are often validated against measurements and / or physical models.

Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentrée sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l'unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d'une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. L'objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensitivité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensitivité du Pt comme couche sensible pour la détection du H2 par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réalise la fonction de capteur de H2. / The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal power dissipation. Therefore, the work presented in this thesis is focussed on the proof of concept of 3D monolithical integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and an FD-SOI MOSFET based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H2 sensing.

La forte demande et le besoin d’intégration hétérogène de nouvelles fonctionnalités dans les systèmes mobiles et autonomes, tels que les mémoires, capteurs, et interfaces de communication doit prendre en compte les problématiques d’hétérogénéité, de consommation d’énergie et de dissipation de chaleur. Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. La technologie actuelle et fiable des capteurs de gaz, les résistors à base d’oxyde métallique et les MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistors) catalytiques sont opérés à de hautes températures de 200–500 °C et 140–200 °C, respectivement. Les transistors à effet de champ à grille suspendu (SG-FETs pour Suspended Gate-Field Effect Transistors) offrent l’avantage d’être sensibles aux molécules gazeuses adsorbées aussi bien par chemisorption que par physisorption, et sont opérés à température ambiante ou légèrement au-dessus. Cependant l’intégration de ce type de composant est problématique due au besoin d’implémenter une grille suspendue et l’élargissement de la largeur du canal pour compenser la détérioration de la transconductance due à la faible capacité à travers le gap d’air. Les transistors à double grilles sont d’un grand intérêt pour les applications de détection de gaz, car une des deux grilles est fonctionnalisée et permet de coupler capacitivement au canal les charges induites par l’adsorption des molécules gazeuses cibles, et l’autre grille est utilisée pour le contrôle du point d’opération du transistor sans avoir besoin d’une structure suspendue. Les transistors monoélectroniques (les SETs pour Single Electron Transistors) présentent une solution très prometteuse grâce à leur faible puissance liée à leur principe de fonctionnement basé sur le transport d’un nombre réduit d’électrons et leur faible niveau de courant. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentré sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l’unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d’une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. Le système sur puce profitera de la très élevée sensibilité à la charge électrique du transistor monoélectronique, ainsi que le traitement de signal et des données à haute vitesse en utilisant une technologie de pointe CMOS disponible. Les MOSFETs issus de la technologie FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) sont une solution très attractive à cause de leur pouvoir d’amplification du signal quand ils sont opérés dans le régime sous-le-seuil. Ces dispositifs permettent une très haute densité d’intégration due à leurs dimensions nanométriques et sont une technologie bien mature et modélisée. Ce travail se concentre sur le développement d’un procédé de fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI comme démonstration du concept du capteur de gaz à base de transistor à double grilles. La sonde Kelvin a été la technique privilégiée pour la caractérisation des matériaux sensibles par le biais de mesure de la variation du travail de sortie induite par l’adsorption de molécules de gaz. Dans ce travail, une technique de caractérisation des matériaux sensibles alternative basée sur la mesure de la charge de surface est discutée. Pour augmenter la surface spécifique de l’électrode sensible, un nouveau concept de texturation de surface est présenté. Le procédé est basé sur le dépôt de réseaux de nanotubes de carbone multi-parois par pulvérisation d’une suspension de ces nanotubes. Les réseaux déposés servent de «squelettes» pour le matériau sensible. L’objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’un capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensibilité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensibilité du Pt comme couche sensible pour la détection du H[indice inférieur 2] par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réaliser la fonction de capteur de H[indice inférieur 2]. / Abstract : The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal dissipation. In this context, all the sensing or memory components added to the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processing units have to respect drastic supply energy requirements. Smart mobile systems already incorporate a large number of embedded sensing components such as accelerometers, temperature sensors and infrared detectors. However, up to now, chemical sensors have not been fully integrated in compact systems on chips. Integration of gas sensors is limited since most used and reliable gas sensors, semiconducting metal oxide resistors and catalytic metal oxide semiconductor- field effect transistors (MOSFETs), are generally operated at high temperatures, 200–500 °C and 140–200° C, respectively. The suspended gate-field effect transistor (SG-FET)-based gas sensors offer advantages of detecting chemisorbed, as well as physisorbed gas molecules and to operate at room temperature or slightly above it. However they present integration limitations due to the implementation of a suspended gate electrode and augmented channel width in order to overcome poor transconductance due to the very low capacitance across the airgap. Double gate-transistors are of great interest for FET-based gas sensing since one functionalized gate would be dedicated for capacitively coupling of gas induced charges and the other one is used to bias the transistor, without need of airgap structure. This work discusses the integration of double gate-transistors with CMOS devices for highly sensitive and ultra-low power gas sensing applications. The use of single electron transistors (SETs) is of great interest for gas sensing applications because of their key properties, which are its ultra-high charge sensitivity and the ultra-low power consumption and dissipation, inherent to the fundamental of their operation based on the transport of a reduced number of charges. Therefore, the work presented in this thesis is focused on the proof of concept of 3D monolithic integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. We take advantage of the hyper sensitivity of the SET to electric charges as well from CMOS circuits for high-speed signal processing. Fully depleted-silicon on insulator (FD-SOI) MOSFETs are very attractive devices for gas sensing due to their amplification capability when operated in the sub-threshold regime which is the strongest asset of these devices with respect to the FET-based gas sensor technology. In addition these devices are of a high interest in terms of integration density due to their small size. Moreover FD-SOI FETs is a mature and well-modelled technology. We focus on the functionalization of the front gate of a FD-SOI MOSFET as a demonstration of the DGtransistor- based gas sensor. Kelvin probe has been the privileged technique for the investigation of FET-based gas sensors’ sensitive material via measuring the work function variation induced by gas species adsorption. In this work an alternative technique to investigate gas sensitivity of materials suitable for implementation in DG-FET-based gas sensors, based on measurement of the surface charge induced by gas species adsorption is discussed. In order to increase the specific surface of the sensing electrode, a novel concept of functionalized gate surface texturing suitable for FET-based gas sensors are presented. It is based on the spray coating of a multi-walled-carbon nanotubes (MW-CNTs) suspension to deposit a MW-CNT porous network as a conducting frame for the sensing material. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and a FD-SOI MOSFET-based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of the DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H[subscript 2] sensing.