Etude de la fiabilité des technologies CMOS avancées : application à la simulation de la fiabilité de conception des circuits numériques et analagiques

Dans ce travail, nous examinons les aspects de la degradation des dispositifs MOSFETs dus aux porteurs chauds du canal(CHC) et aux instabilites a haute temperature sous polarisation negative (NBTI), du point de vue de la caracterisation et de la modelisation, dans l’objectif de developper des solutions largement utilisables pour simuler ces conditions de degradation dans les circuits analogiques et numeriques. De telles solutions representent un besoin pressant dans le contexte de la miniaturisation extreme des dispositifs CMOS et devant la complexite croissante des produits utilisant ces dispositifs, necessitant l’evaluation de leur fiabilite lors des etapes de conception des circuits. Ce travail s’adresse aux technologies CMOS actuelles des nœuds 65nm et 90nm presentant des transistors NMOS et PMOS avec des epaisseurs d’oxyde de grille de 1. 3nm a 6. 5nm. Nous avons propose une methodologie robuste pour extraire la degradation des parametres des transistors soumis a la degradation NBTI et caracterisee par une nouvelle technique a la volee dite "On-The-Fly"(OTF), avec laquelle les mesures sont effectuees sans interrompre le stress. Nous avons etudie le phenomene de guerison partielle de la degradation ou "recovery", qui est une des caracteristiques cles du NBTI comme au cours de certaines conditions de degradations CHC. Nous avons propose une nouvelle methode de caracterisation de la degradation en combinant des trains de polarisations de stress ou patterns" avec la technique OTF. Nous avons soumis les dispositifs a de multiples combinaisons de polarisations NBTI, NBTI et CHC, CHC et nous avons utilise cette technique sur les transistors PMOS et NMOS a canal court et canal long. Cette methode permet l’observation et la modelisation des caracteristiques de la degradation NBTI et CHC dans une perspective unifiee qui eclaire la comprehension des mecanismes de degradation dans les dispositifs impliquant le recovery. Nous avons propose un modele complet pour la degradation NBTI. Ce modele inclut precisement la degradation NBTI et les dynamiques du recovery aussi bien que les differents constituants des composantes de la degradation. L’effet de la commutation des signaux caracterises par la frequence, le rapport cyclique en phase NBTI et l’amplitude du signal ont ete analyses et inclus dans le modele. Le modele est complete en formulant les parametres en modele SPICE (BSIM4) necessaires a la representation des dispositifs degrades par le NBTI. La caracterisation et la modelisation de la degradation CHC suivent le modele standard des electrons chanceux ou Lucky-Electron Model ou l’evaluation de la degradation est associee au courant substrat. Nous proposons une amelioration de ce modele en courant substrat pour pouvoir ajuster les resultats sur un grand intervalle en Vds et Vgs, pour differentes familles de dispositifs NMOS. Nous avons egalement incorpore a la modelisation et a la simulation des degradations anormales observees sous degradation CHC dans des familles de dispositifs a oxyde de grille epais. Nous decrivons le developpement d’une methodologie de simulation, mettant en lumiere ses differents aspects fondamentaux. Nous incorporons dans les modeles du simulateur les differents modes de degradation decrits ci-dessus et montrons les bons accords entre les simulations et les mesures sur silicium. Par la suite, nous etendons l’analyse aux circuits digitaux et analogiques. De nombreuses classes de circuits de plus en plus complexes ont ete analysees de l’inverseur a la PLL et au convertisseur ADC, utilisant les modeles et la methodologie de simulation developpee. Cette methodologie tout au long de ce travail forme la premiere pierre pour traiter les phenomenes de degradation dans les dispositifs des generations technologiques actuelles, autant que les bases necessaires a l’evaluation de la fiabilite des circuits en fonctionnement reel qui sont soumis a l interaction entre les diverses polarisations de stress.