Characterization and modelling of the reliability due to carrier trapping in decananometer transistors and SRAM memory fabricated in FDSOI technology

L’industrie microélectronique arrive aujourd’hui à concevoir des transistors atteignant quelquesdizaines de nanomètres. A de telles dimensions, les problématiques de fiabilité et de variabilité des dispositifsprennent une ampleur toujours plus importante. Notamment, le couplage de ces deux difficultés nécessite uneétude approfondie pour garantir des estimations correctes de la durée de vie des dispositifs. Aujourd’hui, ladégradation BTI (pour Bias Temperature Instability), due principalement aux mécanismes de piégeage dansl’oxyde de grille, apparait comme étant la principale source de dégradation responsable du vieillissement destransistors. Ce manuscrit présente une étude complète de la dégradation BTI intervenant sur des transistors depetites et grandes dimensions et sur des cellules mémoires SRAM (pour Static Random Access Memory). Dansun premier temps, une présentation des différentes méthodes de caractérisations rapides permettant demesurer correctement cette dégradation est faite. L’importance de l’utilisation de techniques de mesuresrapides afin de limiter les effets de relaxation qui succèdent à la dégradation BTI est clairement exposée. Puis, àl’aide de ces techniques de mesures, une étude exclusivement consacrée à la caractérisation et la modélisationde la dégradation NBTI (pour Negative BTI) sur des dispositifs de grandes dimensions est réalisée. Ensuite, lemanuscrit se focalise sur la dégradation intervenant dans des dispositifs de petites dimensions : transistors etcellules mémoires. Tout d’abord, une modélisation des phénomènes de piégeages dans l’oxyde de grille depetits transistors est effectuée. En particulier, des simulations 3D électrostatiques ont permis d’expliquerl’influence des pièges d’oxyde sur la tension de seuil (VT) dans des transistors décananométriques. Enfin, uneétude de la fiabilité de cellules SRAM est présentée. Notamment, nous montrons comment évoluent lesperformances et le fonctionnement des cellules lorsque les transistors qui les constituent sont affectés par unedégradation BTI.Nowadays, microelectronic industry is able to manufacture transistors with gate length down to 30nm.At such scales, the variability and reliability issues are a growing concern. Hence, understanding the interplaybetween these two concerns is essential to guarantee good lifetime estimation of the devices. Currently, theBias Temperature Instability (BTI), which is mostly due to the carrier trapping occurring in the gate oxide,appears to be the principal source of degradation responsible for the ageing of transistor device. Thismanuscript presents a complete study of the BTI degradation occurring on small and big transistors and onStatic Random Access Memory (SRAM) cells. Thus, as a first step, several electrical characterization techniquesto evaluate the BTI degradation are presented. The necessity of fast measurement in order to avoid most of therelaxation effect occurring after the BTI stress is emphasized. Then, using these fast measurement techniques,a complete study of the Negative BTI (NBTI) on large devices is presented. Then, the manuscript focuses on thesmall devices: transistors and memory cells. First, a modeling of the trapping mechanism in the gate oxide ofsmall transistor is presented. In particular, 3D electrostatic simulations allowed us to understand the particularinfluence of the traps over the threshold voltage (VT) of the small transistors. Finally, the case of the SRAM isstudied. Finally, the impact of the degradation occurring at transistor level and impacting the functioning of theSRAM bitcells is investigated