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Advances in wireless technology have recently led to the potential for higher data rates and greater functionality. Wireless home and business networks and 3G and 4G cellular phone systems are promising technologies striving for market acceptance, requiring low-cost, low-power, and compact solutions. One approach to meet these demands is system-on-a-chip (SoC) integration, where RF/analog and digital circuitry reside on the same chip, creating a mixed-signal environment. Concurrently, there is tremendous incentive to utilize Si-based technologies to leverage existing fabrication and design infrastructure and the corresponding economies of scale. While the SoC approach is attractive, it presents major challenges for circuit designers, particularly in the design of monolithic voltage controlled oscillators (VCOs). VCOs are important components in the up or downconversion of RF signals in wireless transceivers. VCOs must have very low phase noise and spurious emissions, and be extremely power efficient to meet system requirements. To meet these specifications, VCOs require high-quality factor (Q) tank circuits and reduction of noise from active devices; however, the lack of high-quality monolithic inductors, along with low noise transistors in traditional Si technologies, has been a limiting factor. This thesis presents the design, characterization, and comparison of three monolithic 3-4 GHz VCOs and an integrated 5-6 GHz VCO with tunable polyphase outputs. Each VCO is designed around a differential -G_{M} core with an LC tank circuit. The circuits exploit two Si-based device technologies: Silicon Germanium (SiGe) Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) for a cross-coupled collectors circuit and Graded-Channel MOS (GC-MOS) transistors for a complementary (CMOS) implementation. The circuits were fabricated using the Motorola 0.4 μm CDR1 SiGe BiCMOS process, which consists of four interconnected metal layers and a thick copper (10 μm) metal bump layer for improved inductive components. The VCO implementations are targeted to meet the stringent phase noise specifications for the GSM/EGSM 3G cellular standard. The specifications state that the VCO output cannot exceed -162 dBc/Hz sideband noise at 20 MHz offset from the carrier. Simultaneously, oscillators must be designed to address other system level effects, such as feed-through of the local oscillator (LO). LO feed-through directly results in self-mixing in direct conversion receivers, which gives rise to unwanted corrupting DC offsets. Therefore, a system-level strategy is employed to avoid such issues. For example, multiplying the oscillator frequency by two or four times can help avoid self-mixing during downconversion by moving the LO out of the bandwidth of the RF front-end. Meanwhile, direct conversion or low-IF (intermediate frequency) receiver architectures utilize in-phase and quadrature (I/Q) downconversion signal recovery and image rejection. Any imbalance between the I and Q channels can result in an increase in bit-error-rate (BER) and/or decrease in the image rejection ratio (IRR). To compensate for such an imbalance, an integrated tunable polyphase filter is implemented with a VCO. Control voltages between the differential I and Q channels can be individually controlled to help compensate for I/Q mismatches. This thesis includes an introduction to design flow and layout strategies for oscillator implementations. A detailed comparison of the advantages and disadvantages of the SiGe HBTs and GC-MOS device in 3-4 GHz VCOs is presented. In addition, an overview of full-wave electromagnetic characterization of differential dual inductors is given. The oscillators are characterized for tuning range, output power, and phase noise. Finally, new measurement techniques for the 5-6 GHz VCO with a tunable polyphase filter are explored. A comparison between the time and frequency approaches is also offered. / Master of Science

La biophotométrie sur fibre est une technique puissante utilisée en neuroscience pour surveiller les fluctuations dynamiques des niveaux de calcium en corrélation avec des événements neuronaux, tels que la génération de potentiel d’action, l’exocytose de neurotransmetteurs, des modifications de la plasticité synaptique et la transcription de gènes dans les structures cérébrales profondes d’animaux de laboratoire vivants. Cette approche permet également d’étudier la corrélation entre les processus neuronaux et le comportement de modèles animaux vivants afin de percer les mystéres du cerveaux et de nombreuses maladies comme la maladie d’Alzheimer. Les appareils de biophotométrie sur fibre de table classiques utilisent une fibre optique attachée pour émettre de la lumière et récupérer les signaux de fluorescence, ce qui présente un risque de rupture, de contrainte et de blessure potentielle. Ces systèmes sont également encombrants et nécessitent des tensions de fonctionnement élevées. Par conséquent, leur utilité dans les études sur des animaux vivants est limitée. Le but de ce projet est de mettre en place une interface neuronale optique sans fil pour effectuer la détection de fluorescence avec des modèles animaux vivants sans restreindre leurs mouvements ni induire de stress dû au câble. Nous avons conçu un système de biophotométrie par fibre optique sans fil légère et compacte pour une utilisation chronique basée sur un capteur de fluorescence CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) intégré offrant une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée et une consommation d’énergie très faible. Le système de biophotométrie à fibre présenté incorpore tous les aspects d’un système de biophotométrie à fibres englobé dans un sans fil. Les principales contributions de ce travail ont été rapportées dans neuf conférences et trois articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans une divulgation d’invention. Les mesures de biophotométrie en fluorescence nécessitent un appareil de laboratoire à large plage dynamique (DR) et à haute sensibilité. Cependant, il est souvent très difficile de mesurer avec précision les petites variations de fluorescence en présence de bruit et d’autofluorescence de tissu de fond élevée. Une contribution importante de ce travail concerne le développement de biocapteurs optoélectroniques CMOS intégrés sur mesure et de circuits de traitement permettant de détecter les signaux de fluorescence très faibles et de les convertir en codes numériques de haute précision, afin de construire des dispositifs de détection du cerveau montables sur la tête de souris de laboratoire, très compacts et légers. Nous avons conçu une première puce de biocapteur CMOS haute précision offrant une plage de tension de fonctionnement basse, une basse consommation, une haute sensibilité et une gamme dynamique élevée basée sur une architecture basse tension intégrant un circuit frontal à détection différentielle avec heure [sigma delta] modulation avec un amplificateur de transconductance capacitif différentiel (ATCCD). / Ce nouveau système offre une mise en oeuvre simplifiée ainsi qu’une architecture à faible consommation utilisant une stratégie de partage du matériel. La détection différentielle et les photodiodes factices avec le ATCCD permettent d’atteindre une sensibilité élevée en supprimant les dark current de la photodiode, en utilisant un petit condensateur d’intégration dans le ATCCD. Les résultats de mesure sont présentés pour le capteur de biophotométrie proposé, fabriqué avec une technologie CMOS de 0.18 mm, consommant 41 mWd’une tension d’alimentation de 1.8 V, tout en atteignant une gamme dynamique maximale de 86 dB, une bande passante de 50 Hz, une sensibilité de 24 mV/nW et un courant minimum détectable de 2.6-pArms à un taux d’échantillonnage de 20 kS/s. Un autre défi critique pour un système de photométrie à fibre pour petits animaux concerne la gestion de la consommation de courant importante nécessaire à la source de lumière d’excitation pour fournir une puissance de sortie de lumière suffisante au tissu afin de déclencher la fluorescence. Par conséquent, des impulsions lumineuses d’excitation courtes doivent être utilisées par rapport à la période d’échantillonnage du signal de fluorescence (>10 ms), afin de réduire la consommation de courant moyenne et d’allonger la durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette exigence critique, nous avons amélioré notre conception avec un deuxième prototype de biocapteur utilisant de nouvelles techniques de circuit pour offrir une sensibilité élevée et une plage dynamique élevée avec un temps de conversion réduit permettant l’utilisation d’impulsions lumineuses à cycle de fonctionnement réduit et de consommation faible. Le biocapteur est basé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) à comptage étendu, et un convertisseur analogique-numérique de premier ordre SD, dont le fonctionnement est synchronisé avec les impulsions lumineuses d’excitation. Le biocapteur présente une gamme dynamique de 104 dB à un temps de conversion de 3 % de la période d’échantillonnage du signal de fluorescence et réduit la consommation électrique de la DEL de 97 %. Un dernier aspect critique concerne la flexibilité du biocapteur pour effectuer des tests fiables in vivo. Réaliser un test pratique in vivo nécessite d’ajuster la sensibilité du biocapteur et la puissance de sortie de la DEL du biocapteur afin de s’adapter à différents niveaux de fluorescence et différents environnements physiologiques à l’intérieur des tissus de l’animal vivant. Ainsi, nous avons conçu un troisième biocapteur incorporant une sensibilité et un temps de conversion programmables afin d’optimiser la consommation d’énergie de DEL et de permettre un très faible facteur de fonctionnement excitation/détection. Cette toute nouvelle architecture de capteurs utilise un CAN à temps discret [sigma delta] avec une technique de double échantillonnage numérique corrélée permettant la détection de photocourants inférieurs à 1 pArms. Cette conception a été utilisée comme module de base pour développer un prototype de headstage sans fil. Nous avons mis en place et testé in vitro avec succès ce système de biophotométrie à fibre, qui comprend la puce de biocapteur proposée, avec une tranche de cerveau de souris exprimant GCaMP6, un indicateur de calcium génétiquement codé. / Fiber biophotometry is a powerful technique in neuroscience to monitor the dynamic fluctuations in calcium levels correlated with neural events, such as action potential generation, exocytosis of neurotransmitters, changes in synaptic plasticity, and gene transcription in deep brain structures in live laboratory animals. This approach allows studying the correlation between neuronal processes and the behavior of live animal models in order to learn more about the brain function and its associated diseases. Conventional bench-top fiber biophotometry apparatus use a tethered optical fiber to deliver light and to retrieve fluorescence signals, which involves risk of breakage, stress, and potential injury. These systems are also bulky and require high operating voltages. Therefore, their usefulness to conduct studies with live animals is limited. The goal of this project is to implement a wireless optical neural interface to perform fluorescence sensing with live animal models without restraining their movement or inducing stress due to cable tethering. We designed a lightweight and compact size wireless fiber biophotometry headstage for chronic utilization based on a custom integrated Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fluorescence sensor providing high-sensitivity, high-dynamic range, and very low-power consumption. The presented head-mountable fiber biophotometry system incorporates all aspects of a conventional tethered fiber-based biophotometry system encompassed into a wireless headstage. The main contributions of this work were reported in nine conferences and three journal papers published or submitted, and in one invention disclosure. Fluorescence biophotometry measurements require wide dynamic range (DR) and high-sensitivity laboratory apparatus. But, it is often very challenging to accurately resolve the small fluorescence variations in presence of noise and high background tissue autofluorescence. An important contribution of this work concerns the development of custom integrated CMOS optoelectronic biosensors and processing circuits to detect very weak fluorescence signals, and to convert them into high-precision digital codes, for building very compact and lightweight head-mountable brain sensing devices for laboratory mice. We first designed a high-precision CMOS biosensor chip providing low operating voltage, low-power, high-sensitivity, and high-dynamic range based on a low-voltage architecture that embeds a differential sensing front-end circuitry with a continuous-time [sigma delta] modulation with a differential capacitive transconductance amplifier (DCTIA). This novel system offers a simplified implementation as well as a low-power architecture leveraging a hardware sharing strategy. Differential sensing and dummy photodiodes with the DCTIA enables to achieve high-sensitivity by suppressing the photodiode dark currents and using a small integration capacitor in the DCTIA. Measurement results are presented for the proposed biophotometry sensor fabricated in a 0.18-mm CMOS technology, consuming 41 mW from a 1.8-V supply voltage, while achieving a peak dynamic range of 86 dB over a 50-Hz input bandwidth, a sensitivity of 24 mV/nW and a minimum detectable current of 2.46-pArms at a 20-kS/s sampling rate. / Another critical challenge for a head-mountable fiber photometry system is when handling the large current consumption needed for the excitation light source to provide sufficient light output power to the tissue in order to trigger fluorescence. Hence, short excitation light pulses must be used, relative to the sampling period of the fluorescence signal (>10 ms), in order to decrease the average current consumption, and extend the battery lifetime. To address this critical requirement, we improved our design with a second biosensor prototype using novel circuit techniques to provide high-sensitivity and a high-dynamic range with a short conversion time to allow the utilization of low-duty cycle light pulses and low-power consumption. The biosensor is based on an extended counting ADC, first-order [sigma delta] and single slope ADC, whose operation is synchronized with the excitation light pulses. The biosensor presents a high-dynamic range of 104 dB at a conversion time of 3 % of the fluorescence signal sampling period and decreases the power consumption of the excitation light source by 97%. A last critical aspect concerns the flexibility of the biosensor to perform reliable tests in-vivo. Performing a practical test in-vivo requires to adjust the biosensor sensitivity and the excitation light source output power of the biosensor to adapt to different fluorescence levels and different physiological environments inside the live animal tissues. Thus, we designed a third biosensor incorporating a programmable sensitivity and a programmable conversion time to optimize the excitation light power consumption, and to enable very low excitation/sensing duty cycle. This completely new sensor architecture utilizes a discrete time SD ADC with digital correlated double sampling technique enabling detection of low photocurrents as low as 1 pArms. This design was used as a core module to develop a wireless head-mountable optical headstage prototype. We have implemented and sucessfully tested this fiber photometry headstage, which includes the proposed biosensor chip, in-vitro with a mouse brain slice expressing GCaMP6, a genetically encoded calcium indicator.

In this work, we demonstrate the usability of a fully-2D-material based device consisting of MoS₂/WSe₂ heterojunction encapsulated by hBN and contacted by graphene as temperature sensor for linear temperature measurement at cryogenic temper-atures. More precisely, temperatures in the range of 10 K up to 300 K were applied to the device while recording the I-V charac-teristics. In contrast to the classical expectation, the main current flows through the device when it is reversely biased. We ascribe this to a combination of drift-diffusion and band-to-band tunnel-ing, while for very low temperatures (T < 100 K), variable-range hopping or trap-assisted tunneling seems dominant. In case of for-ward bias, the Schottky contact on the WSe₂-anode hinders the charge transport in the voltage range of interest. Additionally, we obtained the activation energy of the saturation current in reverse direction in an Arrhenius diagram. Depending on the bias level, it varies between 100 meV and 300 meV, which may be related to the energy barrier caused by interface traps, generation centers be-tween both semiconducting 2D materials, and the band-to-band tunneling. Furthermore, we investigated the temperature-sensor performance by applying a constant current to the device and measuring the voltage drop at different temperatures. In the range of 40 K up to 300 K, the sensitivity of the sensor is 2 mV/K, which is comparable to Si devices, while the linearity is still lower (R² ~ 0.94). On the other hand, the demonstrated device consists only of 2D materials and is, thus, substrate independent, very thin, and can potentially be fabricated on a fully flexible substrate in a low-cost process.

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l’oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des «points chauds», des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l’échelle nanométrique des couches minces d’oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l’atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l’interface Si/oxyde. / Miniaturization of the MOS transistor structure has led to the high thinning of the gate oxide. Hence, degradation and breakdown under electrical stress became one of the important reliability concerns of thin oxide films. The use of characterization techniques allowing to measure leakage currents with a nanometric spatial resolution has shown that breakdown phenomenon of oxides is a highly localized phenomenon. So called “hot spots”, places where the leakage current is very high for a given applied continuous voltage, can be several nanometers wide only. This illustrates why nanometric characterization methods with a nanometer range spatial resolution provide additional information compared to the classical macroscopic characterization. There are two instruments that can be used to do this job, either the Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) or the Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). TUNA which is used in our work is capable to measure very low currents ranging between 60 fA and 100 pA. Our work can be divided into two principle topics: - Electrical characterization of thin high-k oxides (LaAlO3 and Gd2O3) at the nano-scale using the Veeco Dimension 3100 where we have shown that the difference in their elaboration techniques largely influence the electrical behavior of these oxides. - Nano-scale electrical and physical characterization of thin SiO2 thermal oxides in different surrounding ambient, that is in air and under vacuum (≈ 10-6 mbar) using the Veeco E-scope microscope. The influence of the experiment surrounding ambient has been well studied where we have shown that the breakdown phenomena of thin oxide films can be highly reduced under vacuum especially in the absence of the water meniscus on the oxide’s surface under study. Using different AFM modes, it was demonstrated that the existence of the well-known hillock (protrusions) on the oxide’s surface after the application of an electrical stress is a combination of two phenomena: the real morphological modification of the oxide’s surface and the electrostatic force between the trapped charges in the oxide’s volume and the AFM tip. Depending on the current images obtained by TUNA AFM mode, two physical phenomena for the creation of these hillocks have been proposed: the first is the electro-thermal effect and the second is the oxidation of the Si substrate at the Si/oxide interface.

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.

Im Rahmen dieser Arbeit werden haftstellen-basierte Speicherzellen als mögliche Alternative zum bestehenden Floating-Gate Konzept untersucht. Hierbei wird zunächst mittels Simulation und ausgewählten Messverfahren das Verständnis der Funktionsweise vertieft. Der darauffolgende Abschnitt befasst sich mit der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, basierend auf Änderungen der verwendeten Materialien und dem räumlichen Aufbau. Abschließend erfolgt die Untersuchung der Anwendbarkeit des Zellkonzeptes in hochdichten Zellenfeldern.

Afin de réaliser correctement leur fonction, certains blocs analogiques ou numériques comme les miroirs de courant ou les SRAM, nécessitent des paires de transistors MOS électriquement identiques. Cependant, les dispositifs sur silicium, même appariés, subissent des variations locales aléatoires ce qui fait varier leurs performances électriques. Ce phénomène est connu sous le nom désappariement. L'objectif de cette thèse est de comprendre les causes physiques de ce désappariement, de le quantifier et de proposer des solutions pour le réduire. Dans ce contexte, quatre thèmes principaux sont développés. Le premier thème se focalise sur l'optimisation des méthodologies de mesures des phénomènes de désappariement. Une nouvelle méthode de mesure du désappariement de Vt et de β ainsi qu'un nouveau modèle de désappariement de ID sont proposés, analysés et appliqués à des données mesurées sur des technologies 28nm Bulk et FD SOI. Le second thème se concentre sur la caractérisation des différentes configurations de transistor MOS afin de proposer l'architecture optimale en fonction des applications visées. Ainsi, la possibilité de remplacer le LDEMOS par une configuration cascode est analysée en détail. Le troisième thème se focalise sur l'analyse et la modélisation des phénomènes de désappariement des transistors MOS avancés. Trois aspects sont analysés : 1) l'introduction du Ge dans le canal P des technologies 28nm BULK, 2) la suppression de la contribution de la grille sur le désappariement de Vt en utilisant la technologie 20 nm métal-Gate-Last 3) un descriptif des principaux contributeurs au désappariement de Vt, β et ID dans les technologies 28 et 14nm FD SOI. Le dernier thème traite du comportement du désappariement des transistors MOS après vieillissement. Un vieillissement NBTI a été appliqué sur des PMOS de la technologie 28nm FD SOI. Des modèles de comportement de Vt et de β en fonction du nombre de charges fixes ou d'états d'interfaces induits à l'interface Si/SiO2 ou dans l'oxyde sont proposés et analysés. / For correct operation, certain analog and digital circuits, such as current mirrors or SRAM, require pairs of MOS transistors that are electrically identical. Real devices, however, suffer from random local variations in the electrical parameters, a problem referred to as mismatch. The aim of this thesis is to understand the physical causes of mismatch, to quantify this phenomenon, and to propose solutions that enable to reduce its effects. In this context, four major areas are treated. The first one focuses on the optimization of mismatch measurement methodologies. A new technique for the measurement of Vt and β mismatch and an ID mismatch model are proposed, analyzed and applied to experimental data for 28 nm Bulk and FD SOI technologies. The second area focuses on the characterization of different configurations of MOS transistors in order to propose design architectures that are optimized for certain applications. Specifically, the possibility of replacing LDEMOS with transistors in cascode configuration is analyzed. The third area focuses on the analysis and modeling of mismatch phenomena in advanced Bulk and SOI transistors. Three aspects are analyzed: 1) the impact of the introduction of germanium in P channel of 28nm BULK transistors; 2) the elimination of the metal gate contribution to Vt mismatch by using 20nm Gate-last Bulk technology; 3) a descriptive study of the principal contributions to Vt, β and ID mismatch in 28 and 14 nm FD SOI technologies. The last area treats the mismatch trends with transistor aging. NBTI stress tests were applied to PMOS 28nm FD SOI transistors. Models of the Vt and β mismatch trends as a function of the induced interface traps and fixed charges at the Si/SiO2 interface and in the oxide were developed and discussed.

I dagsläget finns det ingen standardiserad metod för att mäta en enhets tillstånd medhjälp av dofter. Vid tillståndsövervakning av rullningslager är vibrationsmätning denmest dominanta metoden. I samband med vibrationsmätning används i vissa falltemperaturövervakning för att få en bättre insikt på rullningslagrets tillstånd. I det härarbetet undersöks de om en elektronisk näsa kan avgöra ett rullningslagers tillstånd.Innan några mätningar påbörjas monterades en elektronisk näsa ihop i ett hölje sombestår av ett kretskort, metalloxid-sensorer och en fläkt för att styra dofter med ettkonstant flöde mot sensorerna. Den elektroniska näsan styrs av en Arduino Nanomikrokontroller. Utöver e-näsan sättes en enhet ihop tillhörande två temperaturgivareoch en luftfuktighetsgivare som styrs av en Arduino UNO. Enhetens syfte är att kunnakontrollera de rådande förhållandena vid mätningar och för att leta någon form avkorrelation mot e-näsan vid eventuella utslag. Förstörande prover av kullager utfördesför att se om e-näsan reagerar innan ett lagerhaveri. Testerna gjordes i en öppen samtsluten miljö och tre stycken olika oljor används för att smörja lagret. Detta för att seom e-näsan reagerar olika beroende på vilken olja som används. En undersökningutförs ifall den elektroniska näsan kan separera på de tre oljorna som används ilagertesterna. För att utvärdera mätresultaten används Excel och Minitab, därprincipalkomponentanalyser genomförs på all mätdata. Efter att alla lagerprover harverkställts utfördes en uppföljning av rullningslagrena för att studera deras tillstånd,detta genom ett optiskt mikroskop.Det framgår i rapporten att med hjälp av analysmetoden PCA syns det att denelektroniska näsan kunde skilja på hydraulolja, motorolja och växellådsolja. Utslag iPCA för de olika mätserierna blev inte identiska men det blev tydligaklusterindelningar hos samtliga mätserier. Genomförd studie visade att med delagerhaveri samt temperaturer går det inte att avgöra ett kullagers tillstånd med hjälpav en elektronisk näsa. Eftersom att de specifika gas-sensorerna som användes till enäsaninte gav någon form av utslag vid mätningarna. Den elektroniska näsanreagerade däremot vid totalhaveri av kullager, vilket är för sent i ett förebyggandeunderhållsperspektiv. Detta medförde att den elektroniska näsan inte kan användas förtillståndsövervakning av det specifika kullagret som användes vid denna studie. / At present, there is no standardized method of measuring a device's condition with thehelp of odors. In condition monitoring of rolling bearings, vibration measurement isthe most dominant method. In case of vibration measurement, temperature monitoringis used in some cases to get a better insight into the condition of the bearing. In thiswork, it is investigated whether an electronic nose can determine the condition of arolling bearing.Before any measurements began, an electronic nose is assembled in a housingconsisting of a circuit board, metal oxide sensors and a fan for stearing odors with aconstant flow towards the sensors. The electronic nose is controlled by an ArduinoNano which is a microcontroller. In addition to the e-nose, a unit is connected to twotemperature sensors and a humidity sensor controlled by an Arduino UNO. The unit'spurpose is to monitor the status and to look for any kind of correlation with the e-nosein case of any possible findings. Destructive specimens of ball bearings are performedto see if the e-nose responds prior to a bearing failure. Tests are conducted in an openand closed environment and three different oils are used to lubricate the bearings.This to see if the e-nose acts differently depending on the oil that is used. Aninvestigation is conducted if the electronic nose can separate the three different typesof oils that is used in the destructive bearing tests. To evaluate the measurementresults, Excel and Minitab are used, where principal component analysis is performedon all measurement data. After all bearing tests have been performed, a follow-up ofthe rolling bearings condition is performed, this through an optical microscope.The report shows that using the PCA analysis method, it appears that the electronicnose could distinguish between hydraulic oil, engine oil and gear oil. In the PCA forthe different measurement series the results did not become identical, but clusterdivisions became clear in all measurement series. Completed study showed that withthese bearing failures and temperatures, it is not possible to determine the condition ofthis ball bearer using an electronic nose. Because the specific gas sensors used for thee-nose did not give any kind of impact during the measurements. On the other hand,the electronic nose responded to a total failure of a ball bearing, which is too late in apreventative maintenance perspective. Therefore, the electronic nose cannot be usedfor condition monitoring of the specific ball bearing used in this study.

The continuous downscaling has enforced the device size and oxide thickness to few nanometers. After serving for several decades as an excellent gate oxide layer in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices, the thickness of SiO2 layer has reached to its theoretical limits. Ultra-thin films of SiO2 can result in severe leakage currents due to direct tunneling as well as maintaining the homogeneity of the layers becomes an additional challenge. The use of a high- (HK) layer can solve these twin concerns of the semiconductor industry, which can also enhance the capacitance due to superior dielectric permittivity and reduce the leakage current by being thicker than the silicon dioxide. This thesis is concerned about the development of solution route fabricated high-k (TiO2, ZrO2 and HfO2) gate dielectrics and the investigation of high-/silicon interfaces by highly sensitive DLTS technique in MOS structures. The solution processing reduce the industrial fabrication cost and the DLTS method has the advantage to accurately measure the interface related defects parameters; such as interface trap density (Dit), capture cross-section (), activation energy (ET) and also distinguish between bulk and interface traps. In this thesis, HK films have been deposited by solution route, the material and electrical properties of the film and the HK/Si interface have been extensively evaluated. IN CHAPTER 1, we have summarized the history and evolution of transistor and it provides the background for the work presented in this thesis. IN CHAPTER 2, we have described the experimental method /technique used for the fabrication and characterization. The advantages and working principals of spin-coating and DLTS techniques are summarized. IN CHAPTER 3, we have presented the preparation and optimization of TiO2 based HK layer. Structural, surface morphology, optical electrical and dielectric properties are discussed in details. A high- 34 value is achieved for the 36 nm TiO2 films. IN CHAPTER 4, we presented the technologically relevant Si/TiO2 interface study by DLTS technique. The DLTS analysis reveals a small capture cross-section of the interface with acceptable interface state density. IN CHAPTER 5, we have focused on the fabrication of amorphous ZrO2 films on p-Si substrate. The advantage of amorphous dielectric layer is summarized as first dielectric reported SiO2 is used in its amorphous phase. The moderate-15 with low leakage current density is achieved. IN CHAPTER 6, the HfO2 films are prepared using hafnium isopropoxide and a high value of dielectric constant 23 is optimized with low leakage current density. The current conduction mechanisms are discussed in details. IN CHAPTER 7, we have probed the oxygen vacancy related sub-band-gap states in HfO2 by DLTS technique. IN CHAPTER 8, we have presented the summary of the dissertation and the prospect research directions are suggested. In summary, we have studied the group IVB transition metal elemental oxides (TMEO); TiO2, ZrO2 and HfO2 thin films in the MOS structure, as a possible replacement of SiO2 gate dielectric. For the TMEO films deposition a low-cost and simple method spin-coating was utilized. The film thicknesses are in the range of 35 – 39 nm, which was measured by ellipsometry and confirmed with the cross-sectional SEM. A rough surface of gate dielectric layer can trap the charge carrier and may cause the Fermi level pinning, which can cause the threshold voltage instabilities. Hence, surface roughness of oxide layer play an important role in CMOS device operation. We have achieved quite good flat surfaces (RMS surface roughness’s are 0.2 – 2.43 nm) for the films deposited in this work. The TiO2 based MOS gate stack shows an optimized high dielectric constant ( 34) with low leakage current density (3.710-7 A.cm-2 at 1 V). A moderate dielectric constant ( 15) with low leakage current density (4.710-9 A.cm-2 at 1 V) has been observed for the amorphous ZrO2 thin films. While, HfO2 based MOS gate stack shows reasonably high dielectric constant ( 23) with low leakage current density (1.410-8 A.cm-2 at 1 V). We have investigated the dominating current conduction mechanism and found that the current is mainly governed by space charge limited conduction (SCLC) mechanism for the high bias voltages, while low and intermediate bias voltages show the (Poole – Frenkel) PF and (Fowler – Nordheim) FN tunneling, respectively. For the HfO2 MOS device band alignment is drawn from the UPS and J-V measurements. The band gap and electron affinity of HfO2 films are estimated 5.9 eV and 3 eV, respectively, which gives a reasonable conduction band offset (1.05 eV) with respect to Si. A TMEO film suffers from a large number of intrinsic defects, which are mostly oxygen vacancies. These defects can create deep levels below the conduction band of high- dielectric material, which can act like a hole and electron traps. In addition to that, interface between Si and high- is an additional concern. These defect states in the band gap of high- or at the Si/ high- interface might lead to the threshold voltage shifts, lower carrier mobility in transistor channel, Fermi level pinning and various other reliability issues. Hence, we also studied bulk and interfacial defects present in the high- films on Si and their interface with Si by a very sensitive DLTS technique. The capture cross-sections are measured by insufficient filling DLTS (IF – DLTS). The defects present at the interface are Si dandling bond and defect in the bulk are mostly oxygen vacancies related defects present in various charge states. The interface states (Dit) are in the range of 2×1011 to 9×1011 eV-1cm-2, which are higher than the Al/SiO2/Si MOS devices (Dit in Al/SiO2/Si is the benchmark and in the order of 1010 eV-1cm-2). Still this is an acceptable value for Si/high-k (non-native oxide) MOS devices and consistent with other deposition methods. The capture cross-sections are found to be quite low in the order of 10-18 to 10-19 cm2, which indicate a minor impact on the device operation. The small value of capture cross-sections are attributed to the involvement of tunneling, to and from the bulk traps to the interface. In conclusion, the low cost solution processed high- thin films obtained are of high quality and find their importance as a potential dielectric layer. DLTS study will be helpful to reveal various interesting facts observed in high- such as resistive switching, magnetism and leakage current problems mediated by oxygen vacancy related defects