L'intitulé de notre thèse est Systèmes Complexes, outils de CAO et Nanotechnologies. Il concerne l'étude des techniques permettant de configurer un support contenant un nombre très élevé des éléments très simples et interconnectés dans un réseau très complexe, de façon à émuler des systèmes complexes naturels ou artificiels. Dans ce contexte nous proposons une plateforme d'outils CAO qui aide à l'implémentation et à la simulation de ces types de systèmes. Dans un premier temps, nous élaborons un premier outil de cette plateforme permettant d'expérimenter par simulation classique les lois qui gouvernent l'évolution du système cible. Cette simulation permet de valider ou de modifier ces lois avant implémentation dans le nanoréseau. Ensuite, nous utilisons cet outil pour expérimenter divers systèmes complexes tels que des écosystèmes artificiels et des systèmes des particules dans lesquels une géométrie de l'espace-temps relativiste émerge comme une conséquence du type des lois d'interaction des particules.

L'intitulé de notre thèse est Systèmes Complexes, outils de CAO et Nanotechnologies. Il concerne l'étude des techniques permettant de configurer un support contenant un nombre très élevé des éléments très simples et interconnectés dans un réseau très complexe, de façon à émuler des systèmes complexes naturels ou artificiels. Dans ce contexte nous proposons une plateforme d'outils CAO qui aide à l'implémentation et à la simulation de ces types de systèmes. Dans un premier temps, nous élaborons un premier outil de cette plateforme permettant d'expérimenter par simulation classique les lois qui gouvernent l'évolution du système cible. Cette simulation permet de valider ou de modifier ces lois avant implémentation dans le nanoréseau. Ensuite, nous utilisons cet outil pour expérimenter divers systèmes complexes tels que des écosystèmes artificiels et des systèmes des particules dans lesquels une géométrie de l'espace-temps relativiste émerge comme une conséquence du type des lois d'interaction des particules.

D’une part, les fluctuations et le bruit basse fréquence (BF) dans les dispositifs MOS ont été le sujet de recherche intensive durant ces dernières années. Le bruit BF devient une inquiétude majeure pour la réduction continuelle de la dimension des transistors car le bruit 1/f augmente comme l’inverse de la surface des transistors. Le bruit BF et les fluctuations en excès pourraient constituer une limitation sérieuse du fonctionnement des circuits analogiques et numériques. Le bruit 1/f est également d'importance primordiale pour les applications de circuit RF où il provoque le bruit de phase dans les oscillateurs ou les multiplexeurs. Le développement des technologies submicroniques CMOS a conduit à l’observation d’un nouveau type de bruits, i.e. signaux télégraphiques aléatoires (RTS), entrainant de grandes amplitudes de fluctuations à l’heure actuelle, qui peuvent compromettre la fonctionnalité des circuits. D'autre part, la variabilité statistique dans les caractéristiques de transistor est l'un des défis principaux pour les prochaines générations technologiques. La connaissance détaillée des sources de variabilité est extrêmement importante pour la conception et la fabrication des dispositifs résistants à la variabilité. On constate que la dispersion des valeurs de courant de drain des dispositifs n-MOS plutôt petits de la technologie 28 nm est presque deux décades. Cela résulte de l'impact des dopants aléatoires, de la rugosité de bord des lignes et les variations d'épaisseur d'oxyde, qui est plutôt bien compris, ainsi que du rôle du matériau de grille, en poly silicium ou en métal seulement, qui n’a été que récemment étudié dans les simulations. La confirmation et la quantification expérimentales de la contribution du bruit et des fluctuations BF manquent toujours. En outre, l'étude de la variabilité du bruit BF et de sa relation avec les autres facteurs des variations des dispositifs n'a été jamais effectuée. Par conséquent, les défis de recherches et les objectifs de cette thèse sont centrés vers les études des fluctuations basses fréquences et du bruit dans les technologies CMOS 32nm et au-delà. Plus spécifiquement, le bruit BF sera étudié avec trois objectifs : i) la caractérisation détaillée du bruit BF des nouvelles technologies CMOS comportant des grilles avec high-k/métal, des poches de canal etc., ii) le changement des paramètres de bruit BF des différentes technologies et iii) l'impact du bruit BF et des fluctuations RTS en tant que sources de variabilité pour des applications de circuit analogique et numérique. Le premier objectif adressera l'origine des fluctuations de BF dans des dispositifs CMOS en termes de densité de piège et de localisation des défauts dans le diélectrique de grille et avec la longueur du canal pour différentes architectures (poche, canal de germanium, FD-SOI etc.). La deuxième partie considérera la variabilité du bruit BF résultant de la dispersion énorme des sources de bruit de dispositif à dispositif ; ceci sera conduit grâce à des mesures statistiques des caractéristiques de bruit de BF en fonction de la surface des dispositifs et des générations technologiques. Le troisième objective se concentrera sur l'impact du bruit de BF ou des fluctuations RTS sur le fonctionnement des circuits élémentaires (inverseur, cellule SRAM) et considérés en tant que source temporelle de variabilité. Nous allons aborder ces trois questions une après l’autre dans les paragraphes suivants. / Low frequency (LF) noise and fluctuations in MOS devices has been the subject of intensive research during the past years. The LF noise is becoming a major concern for continuously scaled down devices, since the 1/f noise increases as the reciprocal of the device area. Excessive low frequency noise and fluctuations could lead to serious limitation of the functionality of the analog and digital circuits. The 1/f noise is also of paramount importance in RF circuit applications where it gives rise to phase noise in oscillators or multiplexors. The development of submicronic CMOS technologies has led to the onset of new type of noises, i.e. random telegraph signals (RTS), yielding large current fluctuations, which can jeopardize the circuit functionality. However, the statistical variability in the transistor characteristics is one of the major challenges for upcoming technological nodes. The detailed knowledge of variability sources is extremely important for the design and manufacturing of variability resistant devices. Whereas the impact of random dopants, line edge roughness and oxide thickness variations is relatively well understood, the role of the polysilicon or metal gate material has only lately been investigated in simulations and experimental confirmation and quantification of its contribution is still lacking. In addition, the study of LFN variability behavior and maybe its relation with the other factors of device variations has never been done. Therefore, the research challenges and objectives of this thesis are centered towards the studies of low frequency fluctuations and noise in 32 nm CMOS technologies and beyond. More specifically, the objectives of the LF noise investigation is summarized in the following points: i) Detailed LF noise characterization of new CMOS technologies featuring high-κ metal gate stacks, channel pockets etc, ii) change of LF noise parameters from different technologies and iii) impact of LF noise and RTS fluctuations as a variability sources for analog and digital circuits. The first objective addresses the origin of the LF fluctuations in CMOS devices in terms of trap density and defect localization in the gate dielectric and along the channel for various architectures (pocket, Ge channel, FD-SOI etc). The second objective considers the LF noise variability resulting from huge dispersion of noise sources from device to device; this is conducted owing to statistical measurements of LF noise characteristics as a function of device area and technological splits. The third issue is focused on the impact of LF noise or RTS fluctuations on the operation of elementary circuits (inverter, SRAM cell) regarded as temporal variability source.

-Utilisation de l’interaction non-linéaire entre des impulsions laser (proche infrarouge) ultracourtes et le silicium, en mode d’absorption multiphotonique ou de génération d’harmoniques optiques, pour la stimulation et le test photo-électrique. - Développement des méthodes d’imagerie statique et dynamique pour l’analyse de défaillance en appliquant les techniques d’optique femtoseconde sur circuits intégrés. - Modélisation de l’interaction laser-silicium avec la méthode FDTD (Rsoft). / Using the nonlinear interaction between ultra-short laser pulses (λ ~ 0.8μm to1.3μm) and silicon, with multi-photon absorption or optical harmonic generation, to achieve photoelectric stimulation and testing. Development of imaging methods for static and dynamic failure analysis techniques using femtosecond laser (TOBIC, 2pLADA) on integrated circuits.

Les travaux présentés dans ce manuscrit, sont basés sur l'étude de l'auto-organisation de la matière à l'échelle nanométrique. A cette échelle, les énergies de surfaces jouent un rôle prépondérant dans cette organisation. Pour comprendre au mieux ses mécanismes nous avons étudié plusieurs types de structures à base de Silicium et de Germanium. Nous avons expérimentalement étudié la croissance cristalline ou amorphe sur différents types de substrats (amorphe : SiO2 et cristallins Si ou SOI). Certain de ces substrats furent nano-structurés en utilisant un faisceau d'ions focalisés de type Gallium ou Or-Silicium. De plus nous avons pu utiliser des surfaces différentes telle que le TiO2 ou le Silicium poreux, afin d'étudier l'organisation de la matière sur des pores de petites tailles (inférieurs à 50nm). / The following works are base on the study of self assembly structures at the nanometric scale. At this scale the surface energy have a major impact in this organization. For a better understanding of this mechanism we studied different Silicon-Germanium base structures. We experimentally studied the crystalline or amorphous growth on different types of substrates (amorphous: SiO2, crystalline: Si or SOI). Some of these substrates were nano-structured using a focused ion beam using gallium source or gold-silicon source. In addition, we were able to use different surfaces such as TiO2 or porous silicon to study the organization of the material small size pore(less than 50nm).

La récupération d’énergie est un thème de recherche prometteur qui explore un large éventail de sources. Parmi ces sources, on trouve l’énergie mécanique, thermique, électromagnétique, etc. Cette thèse se propose d’explorer des solutions techniques de récupération de l’énergie électromagnétique ambiante. Ce type d’énergie offre une belle opportunité pour participer à l’alimentation, partielle ou complète, d’un système de communication sans fil à basse consommation. Beaucoup d’applications intéressantes telles que les réseaux de capteurs sans fil (WSN), assurant ainsi l’IoT (internet of things), dans le domaine médical et dans la sécurité, sont dotés d’une antenne. Or cette antenne qui est un composant passif volumineux n’est utilisée qu’une faible fraction du temps pour les seules communications. Dans le cadre de la récupération d’énergie RF, l’idée est de mettre à profit ce composant pour glaner l’énergie électromagnétique ambiante, malgré la faible puissance récupérée. Associée à l’antenne, la récupération d’énergie RF est basée sur la mise en œuvre de diodes en redresseurs. Dans ce manuscrit, des diodes intégrées issues d’une technologie moderne : FDSOI 28 nm sont utilisées.A l’issue de ces travaux, trois « runs » dont deux en technologie FDSOI ont pu être réalisés. Des convertisseurs d’énergie RF, du type Dickson, d’un et deux étages, ont été conçus et réalisés à l’aide de cette technologie, mesurés et même comparés à des convertisseurs RF-DC réalisés avec une autre technologie BiCMOS 55 nm. Les convertisseurs réalisés sont à l’état de l’art au niveau du rendement de conversion énergétique pour une puissance donnée de l’ordre de -20 dBm. La technologie FD-SOI offre un nouveau degré de liberté à l’aide de la polarisation de la grille arrière (BG : Back Gate). Cette polarisation du BG permet de modifier les paramètres de l’élément non-linéaire à la base de la conversion. Par ailleurs, une étude sur la réalisation d’une diode Schottky intégrée dans le processus de la FDSOI 28 nm a même été envisagée. A l’issue de ces premières expériences, une méthode d’optimisation de la conception de ces convertisseurs Dickson à partir d’un cahier des charges simplifiée, a été proposée. / Energy harvesting is a promising research theme which analyzes a wide range of sources for the application. These sources can be mechanical, thermal or electromagnetic, etc. Hereby, the work presented explores technical solutions for ambient electromagnetic energy harvesting. Electromagnetic energy is capable of partly or completely supplying energy to low-power wireless communication systems. Many interesting applications are feasible, such as, wireless sensor networks (WSN) ensuring IoT (Internet-of-Things), in the medical field, security, by using equipments containing an antenna. However, the antenna is a voluminous passive component which is utilized merely for a fraction of the time, i.e., just for communications. The underlying idea of RF energy harvesting is to use the antenna to harvest the ambient electromagnetic energy, despite the low power recovered. Associated with the antenna, the RF energy harvesting is based on implementing diodes in rectifiers. In this manuscript, integrated diodes from modern technology: FD-SOI 28 nm are studied.In this work, three run for RF energy harvesting are designed. Two of them are realized in FD-SOI technology. One and two stage Dickson rectifiers for RF energy harvesting using FD-SOI are designed, characterized, measured and compared to RF-DC converters made with 55nm BiCMOS technology. These rectifiers are state-of-the-art in terms of the power conversion efficiency for a given power of the order of -20 dBm. Furthermore, FD-SOI technology offers a new degree of freedom with the back gate polarization (BG). This polarization of the BG makes it viable to change the parameters of the non-linear elements at the base of the conversion. Moreover, an investigation of integrated Schottky diodes using FDSOI 28 nm is presented. At the end of these experiments, a method of optimizing of the design of these Dickson converters based on simplified specifications is proposed.

Durant ces vingt dernières années l'émergence des technologies MEMS a rendu possible l'intégration de capteurs au sein de systèmes complexes de taille réduite. Quelques-uns de ces capteurs se retrouvent dans des dispositifs tels que les téléphones mobiles, GPSs, ordinateurs portables… Il existe néanmoins une contrainte majeure, quand à l’utilisation de capteurs dans les applications fonctionnant sur batterie : leurs «consommation». En effet du fait de cette contrainte la plus part des capteurs développés de nos jours sont basés sur des modes de transduction capacitif limitant ainsi la consommation mais par la même occasion complexifiant lourdement la conception de l’élément sensible. Cette complexité de réalisation de l’élément sensible se répercute donc sur le prix du produit final. Le meilleur moyen de diminuer le prix de revient d’un capteur est l’utilisation d’une technologie de transduction qui permet de diminuer la complexité structurelle du capteur. La transduction résistive répond bien à ce problème, cependant les structures de conditionnement de signal les plus utilisées dissipent une puissance excessive. Cette thèse propose donc l’étude d’une structure électronique faible bruit / faible consommation innovante (le pont Actif) permettant le conditionnement de signaux issus de capteurs résistifs. Les critères d’évaluation du pont actif sont ici le gain, le bruit intrinsèque de l’électronique (facteur limitant de la résolution) et, le plus important, la consommation globale du capteur (éléments sensible + électronique de traitement). / Since resistive sensors exist, the Wheatstone bridge has been the most commonly used conditioningand read-out architecture. Even with the development of MEMS in the last decade, the Wheatstonebridge remains the preferred solution to transpose a physical magnitude into the electrical domain assoon as a resistive transduction method is used. Nevertheless the Wheatstone bridge introduces amajor issue for low-power sensors, the dependence of resolution to power consumption. Moreover,the output signal is directly proportional to the supply voltage. Finally, power consumption is theprice to pay for high resolution in a Wheatstone bridge.Low-power requirement, in mobile applications, is probably one of the main reasons to explain whycapacitive transduction has been preferred for many MEMS. Indeed, even if the fabrication process isoften more complex than for resistive sensors, the power consumption of capacitive transduction isfar below the one of dissipative resistor-based sensors.In order to extend the potential application of resistive MEMS, a power-efficient interface circuit isrequired. My PhD thesis deals with the design and manufacturing of an innovative conditioning andread-out interface for resistive MEMS sensor. The proposed structure includes a digital offsetcompensation for robustness to process, voltage, temperature variations, and/or analog to digitalconversion. Results demonstrate good resolution to power consumption ratio and a good immunityto environmental parameters. Experimental results on a fully integrated CMOS/MEMS sensor finallydemonstrate the efficiency of this promising read-out architecture called The active bridge.

La fréquence d'opération des circuits intégrés continue<br />de monter donc l'inductance des interconnexions devient non<br />négligeable. Il est donc nécessaire de pouvoir la calculer de<br />façon précise pour une analyse à posteriori correcte. Dans cette<br />thèse, nous développons une nouvelle approche pour<br />le calcul de l'impédance propre et mutuelle dans les<br />interconnexions. Notre méthode alternative est moins chère, du<br />point vu du calcul, que celle du PEEC. Elle est aussi plus stable mais<br />tout de même aussi précise. Nous résoudrons le problème<br />de capturer la dépendance en fréquence de l'impédance,<br />conséquence des effets de proximité et de peau.<br /><br />Nous étendons notre analyse a l'étude de l'impédance propre<br />et mutuelle des dispositifs passifs, plus spécifiquement les<br />inducteurs intentionnels. Nous incluons un modèle RLC utile pour<br />capturer des informations importantes comme la fréquence de<br />résonance ou le facteur de qualité.<br /><br />Nous dérivons une expression originale pour le délai d'une ligne<br />de transmission RLC excitée par une rampe avec un temps de<br />montée non nul et avec une capacité de charge placée à la fin<br />de la ligne.<br /><br />Nous présentons une application utile des effets inductifs dans les<br />circuits intégrés. Ce que nous montrons est la faisabilité<br />pour transmettre des signaux à la vitesse maximale, celle de la<br />lumière dans le milieu de transmission.

D'une part, les fluctuations et le bruit basse fréquence (BF) dans les dispositifs MOS ont été le sujet de recherche intensive durant ces dernières années. Le bruit BF devient une inquiétude majeure pour la réduction continuelle de la dimension des transistors car le bruit 1/f augmente comme l'inverse de la surface des transistors. Le bruit BF et les fluctuations en excès pourraient constituer une limitation sérieuse du fonctionnement des circuits analogiques et numériques. Le bruit 1/f est également d'importance primordiale pour les applications de circuit RF où il provoque le bruit de phase dans les oscillateurs ou les multiplexeurs. Le développement des technologies submicroniques CMOS a conduit à l'observation d'un nouveau type de bruits, i.e. signaux télégraphiques aléatoires (RTS), entrainant de grandes amplitudes de fluctuations à l'heure actuelle, qui peuvent compromettre la fonctionnalité des circuits. D'autre part, la variabilité statistique dans les caractéristiques de transistor est l'un des défis principaux pour les prochaines générations technologiques. La connaissance détaillée des sources de variabilité est extrêmement importante pour la conception et la fabrication des dispositifs résistants à la variabilité. On constate que la dispersion des valeurs de courant de drain des dispositifs n-MOS plutôt petits de la technologie 28 nm est presque deux décades. Cela résulte de l'impact des dopants aléatoires, de la rugosité de bord des lignes et les variations d'épaisseur d'oxyde, qui est plutôt bien compris, ainsi que du rôle du matériau de grille, en poly silicium ou en métal seulement, qui n'a été que récemment étudié dans les simulations. La confirmation et la quantification expérimentales de la contribution du bruit et des fluctuations BF manquent toujours. En outre, l'étude de la variabilité du bruit BF et de sa relation avec les autres facteurs des variations des dispositifs n'a été jamais effectuée. Par conséquent, les défis de recherches et les objectifs de cette thèse sont centrés vers les études des fluctuations basses fréquences et du bruit dans les technologies CMOS 32nm et au-delà. Plus spécifiquement, le bruit BF sera étudié avec trois objectifs : i) la caractérisation détaillée du bruit BF des nouvelles technologies CMOS comportant des grilles avec high-k/métal, des poches de canal etc., ii) le changement des paramètres de bruit BF des différentes technologies et iii) l'impact du bruit BF et des fluctuations RTS en tant que sources de variabilité pour des applications de circuit analogique et numérique. Le premier objectif adressera l'origine des fluctuations de BF dans des dispositifs CMOS en termes de densité de piège et de localisation des défauts dans le diélectrique de grille et avec la longueur du canal pour différentes architectures (poche, canal de germanium, FD-SOI etc.). La deuxième partie considérera la variabilité du bruit BF résultant de la dispersion énorme des sources de bruit de dispositif à dispositif ; ceci sera conduit grâce à des mesures statistiques des caractéristiques de bruit de BF en fonction de la surface des dispositifs et des générations technologiques. Le troisième objective se concentrera sur l'impact du bruit de BF ou des fluctuations RTS sur le fonctionnement des circuits élémentaires (inverseur, cellule SRAM) et considérés en tant que source temporelle de variabilité. Nous allons aborder ces trois questions une après l'autre dans les paragraphes suivants.

La miniaturisation des dispositifs de la microélectronique nécessite la mise au point de procédé de gravure toujours plus précis. Le sujet de cette thèse s’inscrit dans cette problématique, en effet un procédé de gravure séquentielle contrôlée à l’échelle nanométrique a été proposé pour pallier aux défauts inhérents à la gravure plasma directe. Ce procédé de gravure destiné dans notre cas à la gravure d’espaceurs en SiN, se décompose en deux étapes. La première étape est une implantation d’atome léger. L’implantation d’espèces chimiques légères telles que de l’Hydrogène ou de l’Hélium présente l’avantage de modifier la structure du matériau sans induire une pulvérisation dommageable pour le dispositif à graver. La couche modifiée par l’implantation est ensuite gravée de manière sélective vis-à-vis du matériau pristine via un plasma « downstream » ou plasma déporté.L’implantation d’hydrogène ayant principalement été étudiée au cours de ces travaux, différentes caractérisations visant à quantifier l’hydrogène implanté ainsi que l’épaisseur modifiée ont été réalisées. En effet, des mesures de réflectométrie des rayons X ont permis de déterminer l’épaisseur modifiée en fonction de la puissance d’autopolarisation ainsi que de la durée d’implantation. Des profils d’implant hydrogène sur du SiN ont également été effectués au travers de caractérisations électriques. Les profils de densité de charge obtenus ont été comparés à des profils de liaisons Si-H et N-H obtenus à partir de mesures spectroscopiques infra-rouge en réflexion multiple, et ces mesures ont également été comparées à des profils de spectrométrie de masse à ionisation secondaire. Ces profils permettent de quantifier l’hydrogène implanté en fonction de la profondeur, et ont également fournis des informations vis-à-vis de l’influence du rayonnement UV et de la configuration chimique du matériau implanté. Une présence significative d’oxyde à la surface du matériau implanté a également été observée par le biais de mesures spectroscopique de photoélectrons X.L’étape de retrait a principalement été étudiée via des mesures ellipsométriques cinétiques in situ, et des mesures spectroscopique de photoélectrons X pour différentes conditions de température, et pour différents mélanges chimiques. Les mesures ellipsométriques ont permis d’observer la formation de sels durant la gravure, alors que les analyses spectroscopiques de photoélectrons X ont montré que la surface du matériau été désoxydée par le plasma de retrait, parallèlement une quantité importante de fluor a été mesurée à la surface du matériau.Les études réalisées sur les étapes d’implantation et de retrait ont permis de graver de manière satisfaisante des échantillons patternés dans les conditions adéquates. / The miniaturization of microelectronics devices requires the development of ever more accurate etching processes. The subject of this thesis is part of this problematic: a controlled sequential etching process at the nanoscale has been developed to overcome the inherent defects of direct plasma etching. This etching process intended in our case for the etching for SiN spacers, is divided in two steps. The first step is a light atom implantation. The implantation of light chemical species such as Hydrogen or Helium has the advantage of modifying the structure of the material without inducing a damaging sputtering for the device to be etched. In the second step, the layer modified by the implantation is etched selectively regarding the pristine material via a remote plasma.Hydrogen implantation was mainly studied during this work: different characterizations to quantify the implanted hydrogen as well as the modified thickness were carried out. X-ray reflectometry measurements were used to determine the modified thickness as a function of the self-polarization power and the duration of implantation. Hydrogen implant profiles on SiN were also carried out through electrical characterizations. The charge density profiles observed were compared to Si-H and N-H bond profiles obtained from infrared spectroscopic measurements in multiple reflections. These measurements were also compared to secondary ionization mass spectrometry profiles. These profiles make it possible to quantify implanted hydrogen as a function of depth, and have also provided information regarding the influence of UV radiation and the chemical configuration of the implanted material. A significant presence of oxide on the surface of the implanted material has also been observed through X-ray photoelectron spectroscopic measurements.The removal step was mainly studied via kinetic ellipsometric in situ measurements and X-ray photoelectron spectroscopic measurements for different temperature conditions and for different chemical mixtures. The ellipsometric measurements made it possible to observe the formation of salts during etching, whereas the X-ray photoelectron spectroscopic analysis showed that the surface of the material was deoxidized by the remote plasma, while a large quantity of fluorine was measured at the same time on the material surface. The studies carried out on the implantation and removal steps made it possible to succesfully etch patterned samples under the appropriate conditions.