CMOS 180 nm Compact Modeling Including Ageing Laws for Harsh Environment

Au cours des dernières décennies, la demande de fonctionnalités complexes et d'intégration haute densité pour les Circuits Intégrés (CI) a mené à une réduction de la taille des dispositifs métal-oxyde-silicium (MOS). Dans ce scénario, les problèmes de fiabilité sont les préoccupations considérables par suite de la miniaturisation de l'appareil, telles que Hot Carrier Injection (HCI) et Bias Temperature Instability (BTI) qui ont un impact sérieux sur les performances de l'appareil. Dans certains domaines d'application où le coût des pannes est extrêmement élevé, comme l'espace, les champs pétrolifères ou les soins de santé, l'appareil doit pouvoir fonctionner de manière stable et fiable, en particulier dans une plage de températures étendue. Bien que les mécanismes de défaillance des dispositifs aient été intensivement étudiés dans le passé, les investigations de ces mécanismes à hautes températures sont rarement étudiées.L'objectif de cette thèse est de développer les lois de vieillissement de la technologie CMOS 0.18µm afin d'optimiser la conception des circuits pour une durée de vie ciblée sous des températures extrêmes. Nous avons mené une campagne intensive de tests de vieillissement pour nMOS et pMOS avec plusieurs longueurs de grille. Les mécanismes HCI et BTI intrinsèques ont été caractérisés et modélisés sous des tensions de polarisation de fonctionnement typique pour éviter le risque de sur-accélération d'autres mécanismes d'usure qui ne sont pas censés être expérimentés dans l'application pratique. Notre expérimentation est un test à longue durée avec un temps de stress allant jusqu'à 2,000 heures. Cette thèse présente des résultats de mesure jusqu'à 230°C qui n'ont jamais été étudiés auparavant dans la littérature pour cette technologie.Les lois de vieillissement sont finalement intégrées dans un environnement de conception assistée par ordinateur (EDA) pour prédire l'évolution des paramètres électriques dégradés du transistor/circuit et l'estimation de la durée de vie en conséquence des effets du vieillissement. De plus, le test de fiabilité au niveau du circuit a été réalisé pour valider et vérifier les modèles de vieillissement proposés. Cette approche offre la possibilité d'évaluer et de simuler la dérive de spécification du CI due à l'effet du vieillissement dans la phase de conception précoce.In the past decades, the demand for complicated functionality and high-density integration for Integrated Circuits (ICs) has resulted in metal-oxide-silicon (MOS) devices' scaling down. In this scenario, the reliability problems are the considerable concerns due to the device miniaturization, such as Hot Carrier Injection (HCI) and Bias Temperature Instability (BTI) that seriously impact the device performance. In some application fields where the cost of failure is extremely high such as space, oilfield, or healthcare, the device must be able to stably and reliably work, especially at an extensive temperature range. Although device failure mechanisms have been intensively investigated in the past, the investigations of these mechanisms at high temperatures are seldom studied.This thesis aims to develop the aging laws for 0.18µm CMOS technology to optimize circuit design for a targeted lifetime under extreme temperatures. We conducted an intensive aging test campaign for both nMOS and pMOS featuring several gate lengths. The intrinsic HCI and BTI mechanisms were characterized and modeled under typical operating voltage biases to avoid the risk of overaccelerating other wear-out mechanisms that are not supposed to be experienced in practical application. Our experiment is a long-term test with a stress time of up to 2,000 hours. This thesis presents measurement results up to 230°C that have never been studied before in the literature for this technology.The aging laws are finally integrated into an electronic design automation (EDA) environment to predict the evolution of the degraded transistor/circuit electrical parameters and the lifetime estimation due to the aging effects. In addition, the reliability test at the circuit level has been performed to validate and verify the proposed aging models. This approach offers the possibility to assess and simulate the IC specification drift due to the aging effect in the early design phase and optimize the circuit design over lifetime