Approche industrielle aux boîtes quantiques dans des dispositifs de silicium sur isolant complètement déplété pour applications en information quantique

La mise en oeuvre des qubits de spin électronique à base de boîtes quantiques réalisés en utilisant une technologie avancée de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (en anglais: CMOS ou Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) fonctionnant à des températures cryogéniques permet d’envisager la fabrication industrielle reproductible et à haut rendement de systèmes de qubits de spin à grande échelle. Le développement d’une architecture de boîtes quantiques à base de silicium fabriquées en utilisant exclusivement des techniques de fabrication industrielle CMOS constitue une étape majeure dans cette direction. Dans cette thèse, le potentiel de la technologie UTBB (en anglais: Ultra-Thin Body and Buried oxide) silicium sur isolant complétement déplété (en anglais: FD-SOI ou Fully Depleted Silicon-On-Insulator) 28 nm de STMicroelectronics (Crolles, France) a été étudié pour la mise en oeuvre de boîtes quantiques bien définies, capables de réaliser des systèmes de qubit de spin. Dans ce contexte, des mesures d’effet Hall ont été réalisées sur des microstructures FD-SOI à 4.2 K afin de déterminer la qualité du noeud technologique pour les applications de boîtes quantiques. De plus, un flot du processus d’intégration, optimisé pour la mise en oeuvre de dispositifs quantiques utilisant exclusivement des méthodes de fonderie de silicium pour la production de masse est présenté, en se concentrant sur la réduction des risques de fabrication et des délais d’exécution globaux. Enfin, deux géométries différentes de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI de 28nm ont été conçues et leurs performances ont été étudiées à 1.4 K. Dans le cadre d’une collaboration entre Nanoacademic Technologies, Institut quantique et STMicroelectronics, un modèle QTCAD (en anglais: Quantum Technology Computer-Aided Design) en 3D a été développé pour la modélisation de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI. Ainsi, en complément de la caractérisation expérimentale des structures de test via des mesures de transport et de spectroscopie de blocage de Coulomb, leur performance est modélisée et analysée à l’aide du logiciel QTCAD. Les résultats présentés ici démontrent les avantages de la technologie FD-SOI par rapport à d’autres approches pour les applications de calcul quantique, ainsi que les limites identifiées du noeud 28 nm dans ce contexte. Ce travail ouvre la voie à la mise en oeuvre des nouvelles générations de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI basées sur des noeuds technologiques inférieurs.Abstract: Electron spin qubits based on quantum dots implemented using advanced Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology functional at cryogenic temperatures promise to enable reproducible high-yield industrial manufacturing of large-scale spin qubit systems. A milestone in this direction is to develop a silicon-based quantum dot structure fabricated using exclusively CMOS industrial manufacturing techniques. In this thesis, the potential of the industry-standard process 28 nm Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology of STMicroelectronics (Crolles, France) was investigated for the implementation of well-defined quantum dots capable to realize spin qubit systems. In this context, Hall effect measurements were performed on FD-SOI microstructures at 4.2 K to determine the quality of the technology node for quantum dot applications. Moreover, an optimized integration process flow for the implementation of quantum devices, using exclusively mass-production silicon-foundry methods is presented, focusing on reducing manufacturing risks and overall turnaround times. Finally, two different geometries of 28 nm FD-SOI quantum dot devices were conceived, and their performance was studied at 1.4 K. In the framework of a collaboration between Nanoacademic Technologies, Institut quantique, and STMicroelectronics, a 3D Quantum Technology Computer-Aided Design (QTCAD) model was developed for FD-SOI quantum dot device modeling. Therefore, along with the experimental characterization of the test structures via transport and Coulomb blockade spectroscopy measurements, their performance is modeled and analyzed using the QTCAD software. The results reported here demonstrate the advantages of the FD-SOI technology over other approaches for quantum computing applications, as well as the identified limitations of the 28 nm node in this context. This work paves the way for the implementation of the next generations of FD-SOI quantum dot devices based on lower technology nodes

Intégration 3D de dispositifs SET dans le Back-End-Of-Line en technologies CMOS 28 nm pour le développement de capteurs ultra basse consommation

La forte demande et le besoin d’intégration hétérogène de nouvelles fonctionnalités dans les systèmes mobiles et autonomes, tels que les mémoires, capteurs, et interfaces de communication doit prendre en compte les problématiques d’hétérogénéité, de consommation d’énergie et de dissipation de chaleur. Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. La technologie actuelle et fiable des capteurs de gaz, les résistors à base d’oxyde métallique et les MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistors) catalytiques sont opérés à de hautes températures de 200–500 °C et 140–200 °C, respectivement. Les transistors à effet de champ à grille suspendu (SG-FETs pour Suspended Gate-Field Effect Transistors) offrent l’avantage d’être sensibles aux molécules gazeuses adsorbées aussi bien par chemisorption que par physisorption, et sont opérés à température ambiante ou légèrement au-dessus. Cependant l’intégration de ce type de composant est problématique due au besoin d’implémenter une grille suspendue et l’élargissement de la largeur du canal pour compenser la détérioration de la transconductance due à la faible capacité à travers le gap d’air. Les transistors à double grilles sont d’un grand intérêt pour les applications de détection de gaz, car une des deux grilles est fonctionnalisée et permet de coupler capacitivement au canal les charges induites par l’adsorption des molécules gazeuses cibles, et l’autre grille est utilisée pour le contrôle du point d’opération du transistor sans avoir besoin d’une structure suspendue. Les transistors monoélectroniques (les SETs pour Single Electron Transistors) présentent une solution très prometteuse grâce à leur faible puissance liée à leur principe de fonctionnement basé sur le transport d’un nombre réduit d’électrons et leur faible niveau de courant. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentré sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l’unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d’une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. Le système sur puce profitera de la très élevée sensibilité à la charge électrique du transistor monoélectronique, ainsi que le traitement de signal et des données à haute vitesse en utilisant une technologie de pointe CMOS disponible. Les MOSFETs issus de la technologie FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) sont une solution très attractive à cause de leur pouvoir d’amplification du signal quand ils sont opérés dans le régime sous-le-seuil. Ces dispositifs permettent une très haute densité d’intégration due à leurs dimensions nanométriques et sont une technologie bien mature et modélisée. Ce travail se concentre sur le développement d’un procédé de fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI comme démonstration du concept du capteur de gaz à base de transistor à double grilles. La sonde Kelvin a été la technique privilégiée pour la caractérisation des matériaux sensibles par le biais de mesure de la variation du travail de sortie induite par l’adsorption de molécules de gaz. Dans ce travail, une technique de caractérisation des matériaux sensibles alternative basée sur la mesure de la charge de surface est discutée. Pour augmenter la surface spécifique de l’électrode sensible, un nouveau concept de texturation de surface est présenté. Le procédé est basé sur le dépôt de réseaux de nanotubes de carbone multi-parois par pulvérisation d’une suspension de ces nanotubes. Les réseaux déposés servent de «squelettes» pour le matériau sensible. L’objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’un capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensibilité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensibilité du Pt comme couche sensible pour la détection du H[indice inférieur 2] par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réaliser la fonction de capteur de H[indice inférieur 2].Abstract : The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal dissipation. In this context, all the sensing or memory components added to the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processing units have to respect drastic supply energy requirements. Smart mobile systems already incorporate a large number of embedded sensing components such as accelerometers, temperature sensors and infrared detectors. However, up to now, chemical sensors have not been fully integrated in compact systems on chips. Integration of gas sensors is limited since most used and reliable gas sensors, semiconducting metal oxide resistors and catalytic metal oxide semiconductor- field effect transistors (MOSFETs), are generally operated at high temperatures, 200–500 °C and 140–200° C, respectively. The suspended gate-field effect transistor (SG-FET)-based gas sensors offer advantages of detecting chemisorbed, as well as physisorbed gas molecules and to operate at room temperature or slightly above it. However they present integration limitations due to the implementation of a suspended gate electrode and augmented channel width in order to overcome poor transconductance due to the very low capacitance across the airgap. Double gate-transistors are of great interest for FET-based gas sensing since one functionalized gate would be dedicated for capacitively coupling of gas induced charges and the other one is used to bias the transistor, without need of airgap structure. This work discusses the integration of double gate-transistors with CMOS devices for highly sensitive and ultra-low power gas sensing applications. The use of single electron transistors (SETs) is of great interest for gas sensing applications because of their key properties, which are its ultra-high charge sensitivity and the ultra-low power consumption and dissipation, inherent to the fundamental of their operation based on the transport of a reduced number of charges. Therefore, the work presented in this thesis is focused on the proof of concept of 3D monolithic integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. We take advantage of the hyper sensitivity of the SET to electric charges as well from CMOS circuits for high-speed signal processing. Fully depleted-silicon on insulator (FD-SOI) MOSFETs are very attractive devices for gas sensing due to their amplification capability when operated in the sub-threshold regime which is the strongest asset of these devices with respect to the FET-based gas sensor technology. In addition these devices are of a high interest in terms of integration density due to their small size. Moreover FD-SOI FETs is a mature and well-modelled technology. We focus on the functionalization of the front gate of a FD-SOI MOSFET as a demonstration of the DGtransistor- based gas sensor. Kelvin probe has been the privileged technique for the investigation of FET-based gas sensors’ sensitive material via measuring the work function variation induced by gas species adsorption. In this work an alternative technique to investigate gas sensitivity of materials suitable for implementation in DG-FET-based gas sensors, based on measurement of the surface charge induced by gas species adsorption is discussed. In order to increase the specific surface of the sensing electrode, a novel concept of functionalized gate surface texturing suitable for FET-based gas sensors are presented. It is based on the spray coating of a multi-walled-carbon nanotubes (MW-CNTs) suspension to deposit a MW-CNT porous network as a conducting frame for the sensing material. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and a FD-SOI MOSFET-based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of the DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H[subscript 2] sensing

Conception, fabrication et caractérisation de dispositifs innovants de protection contre les décharges électrostatiques en technologie FDSOI

FDSOI architecture (Fully Depleted Silicon On Insulator) allows a significantimprovement of the electrostatic behavior of the MOSFETs transistors for the advancedtechnologies. It is industrially employed from the 28 nm node. However, theimplementation of ESD (Electrostatic Discharges) protections in these technologies isstill a challenge. While the standard approach relies on SOI substrate hybridization (byetching the BOX (buried oxide)), allowing to fabricate vertical power devices, we focushere on structures where the current flows laterally, in the silicon film. In this work,alternative approaches using innovative devices (Z²-FET and BBC-T) are proposed. Theirstatic, quasi-static and transient characteristics are studied in detail, with TCADsimulations and electrical characterizations.L’architecture FDSOI (silicium sur isolant totalement déserté) permet une amélioration significative du comportement électrostatique des transistors MOSFETs pour les technologies avancées et est employée industriellement à partir du noeud 28 nm.L’implémentation de protections contre les décharges électrostatiques (ESD pour« Electro Static Discharge ») dans ces technologies reste un défi. Alors que l’approche standard repose sur l’hybridation du substrat SOI (gravure de l’oxyde enterré : BOX)permettant de fabriquer des dispositifs de puissance verticaux, nous nous intéressons ici à des structures dans lesquelles la conduction s’effectue latéralement, dans le film de silicium. Dans ces travaux, des approches alternatives utilisant des dispositifs innovants(Z²-FET et BBC-T) sont proposées. Leurs caractéristiques statiques, quasi-statiques et transitoires sont étudiées, par le biais de simulations TCAD et de caractérisations électriques

Caractérisation électrique et modélisation du transport dans matériaux et dispositifs SOI avancés

This thesis is dedicated to the electrical characterization and transport modeling in advanced SOImaterials and devices for ultimate micro-nano-electronics. SOI technology is an efficient solution tothe technical challenges facing further downscaling and integration. Our goal was to developappropriate characterization methods and determine the key parameters. Firstly, the conventionalpseudo-MOSFET characterization was extended to heavily-doped SOI wafers and an adapted modelfor parameters extraction was proposed. We developed a nondestructive electrical method to estimatethe quality of bonding interface in metal-bonded wafers for 3D integration. In ultra-thin fully-depletedSOI MOSFETs, we evidenced the parasitic bipolar effect induced by band-to-band tunneling, andproposed new methods to extract the bipolar gain. We investigated multiple-gate transistors byfocusing on the coupling effect in inversion-mode vertical double-gate SOI FinFETs. An analyticalmodel was proposed and subsequently adapted to the full depletion region of junctionless SOI FinFETs.We also proposed a compact model of carrier profile and adequate parameter extraction techniques forjunctionless nanowires.Cette thèse est consacrée à la caractérisation et la modélisation du transport électronique dans des matériaux et dispositifs SOI avancés pour la microélectronique. Tous les matériaux innovants étudiés(ex: SOI fortement dopé, plaques obtenues par collage etc.) et les dispositifs SOI sont des solutions possibles aux défis technologiques liés à la réduction de taille et à l'intégration. Dans ce contexte,l'extraction des paramètres électriques clés, comme la mobilité, la tension de seuil et les courants de fuite est importante. Tout d'abord, la caractérisation classique pseudo-MOSFET a été étendue aux plaques SOI fortement dopées et un modèle adapté pour l'extraction de paramètres a été proposé. Nous avons également développé une méthode électrique pour estimer la qualité de l'interface de collage pour des plaquettes métalliques. Nous avons montré l'effet bipolaire parasite dans des MOSFET SOI totalement désertés. Il est induit par l’effet tunnel bande-à-bande et peut être entièrement supprimé par une polarisation arrière. Sur cette base, une nouvelle méthode a été développée pour extraire le gain bipolaire. Enfin, nous avons étudié l'effet de couplage dans le FinFET SOI double grille, en mode d’inversion. Un modèle analytique a été proposé et a été ensuite adapté aux FinFETs sans jonction(junctionless). Nous avons mis au point un modèle compact pour le profil des porteurs et des techniques d’extraction de paramètres

Bascules à impulsion robustes en technologie 28nm FDSOI pour circuits numériques basse consommation à très large gamme de tension d'alimentation

The explosion market of the mobile application and the paradigm of the Internet of Things lead to a huge demand for energy-efficient systems. To overcome the limit of Moore's law due to bulk technology, a new transistor technology has appeared recently in industrial process: the fully-depleted silicon on insulator, or FDSOI.In modern ASIC designs, a large portion of the total power consumption is due to the leaves of the clock tree: the flip-flops. Therefore, the appropriate flip-flop architecture is a major choice to reach the speed and energy constraints of mobile and ultra-low power applications. After a thorough overview of the literature, the explicit pulse-triggered flip-flop topology is pointed out as a very interesting flip-flop architecture for high-speed and low-power systems. However, it is today only used in high-performances circuits mainly because of its poor robustness at ultra-low voltage.In this work, explicit pulse-triggered flip-flops architecture design is developed and studied in order to improve their robustness and their energy-efficiency. A large comparison of resettable and scannable latch architecture is performed in the energy-delay domain by modifying the sizing of the transistors, both at nominal and ultra-low voltage. Then, it is shown that the back biasing technique allowed by the FDSOI technology provides better energy and delay performances than the sizing methodology. As the pulse generator is the main cause of functional failure, we proposed a new architecture which provides both a good robustness at ultra-low voltage and an energy efficiency. A selected topology of explicit pulse-triggered flip-flop was implemented in a 16x32b register file which exhibits better speed, energy consumption and area performances than a version with master-slave flip-flops, mainly thanks to the sharing of the pulse generator over several latches.Avec l'explosion du marché des applications portables et le paradigme de l'Internet des objets, la demande pour les circuits à très haute efficacité énergétique ne cesse de croître. Afin de repousser les limites de la loi de Moore, une nouvelle technologie est apparue très récemment dans les procédés industriels afin de remplacer la technologie en substrat massif ; elle est nommée fully-depleted silicon on insulator ou FDSOI. Dans les circuits numériques synchrones modernes, une grande portion de la consommation totale du circuit provient de l'arbre d'horloge, et en particulier son extrémité : les bascules. Dès lors, l'architecture adéquate de bascules est un choix crucial pour atteindre les contraintes de vitesse et d'énergie des applications basse-consommation. Après un large aperçu de l'état de l'art, les bascules à impulsion explicite sont reconnues les plus prometteuses pour les systèmes demandant une haute performance et une basse consommation. Cependant, cette architecture est pour l'instant fortement utilisée dans les circuits à haute performance et pratiquement absente des circuits à basse tension d'alimentation, principalement à cause de sa faible robustesse face aux variations.Dans ce travail, la conception d'architecture de bascule à impulsion explicite est étudiée dans le but d'améliorer la robustesse et l'efficacité énergétique. Un large panel d'architectures de bascule, avec les fonctions reset et scan, a été comparé dans le domaine énergie-délais, à haute et basse tension d'alimentation, grâce à une méthodologie de dimensionnement des transistors. Il a été montré que la technique dite de « back bias », l'un des principaux avantages de la technologie FDSOI, permettait des meilleures performances en énergie et délais que la méthodologie de dimensionnement. Ensuite, comme le générateur d'impulsion est la principale raison de dysfonctionnement, nous avons proposé une nouvelle architecture qui permet un très bon compromis entre robustesse à faible tension et consommation énergétique. Une topologie de bascule à impulsion explicite a été choisie pour être implémentée dans un banc de registres et, comparé aux bascules maître-esclave, elle présente une plus grande vitesse, une plus faible consommation énergétique et une plus petite surface

Optimisation des jonctions de dispositifs (FDSOI, TriGate) fabriqués à faible température pour l’intégration 3D séquentielle

3D sequential integration is a promising candidate for the scaling sustainability for technological nodes beyond 14 nm. The main challenge is the development of a low temperature process for the top transistor level that enables to avoid the degradation of the bottom transistor level. The most critical process step for the top transistor level fabrication is the dopant activation that is usually performed at temperature higher than 1000 °C. In the frame of this Ph.D. work, different solutions for the dopant activation optimization at low temperature (below 600 °C) are proposed and integrated in FDSOI and TriGate devices. The technique chosen for the dopant activation at low temperature is the solid phase epitaxial regrowth. First, doping conditions have been optimized in terms of activation level and process time for low temperatures (down to 450 °C) anneals. The obtained conditions have been implemented in FDSOI and TriGate devices leading to degraded electrical results compared to the high temperature process of reference (above 1000 °C). By means of TCAD simulation and electrical measurements comparison, the critical region of the transistor in terms of activation appears to be below the offset spacer. The extension first integration scheme is then shown to be the best candidate to obtain high performance low temperature devices. Indeed, by performing the doping implantation before the raised source and drain epitaxial growth, the absence of diffusion at low temperature can be compensated. This conclusion can be extrapolated for TriGate and FinFET on insulator devices. Extension first integration scheme has been demonstrated for the first time on N and PFETs in 14 nm FDSOI technology showing promising results in terms of performance. This demonstration evidences that the two challenges of this integration i.e. the partial amorphization of very thin films and the epitaxy regrowth on implanted access are feasible. Finally, heated implantation has been investigated as a solution to dope thin access regions without full amorphization, which is particularly critical for FDSOI and FinFET devices. The as-implanted activation levels are shown to be too low to obtain high performance devices and the heated implantation appears a promising candidate for low temperature devices if used in combination with an alternative activation mechanism.L’intégration 3D séquentielle représente une alternative potentielle à la réduction des dimensions afin de gagner encore en densité d’une génération à la suivante. Le principal défi concerne la fabrication du transistor de l’étage supérieur avec un faible budget thermique; ceci afin d’éviter la dégradation du niveau inférieur. L’étape de fabrication la plus critique pour la réalisation du niveau supérieur est l’activation des dopants. Celle-ci est généralement effectuée par recuit à une température supérieure à 1000 °C. Dans ce contexte, cette thèse propose des solutions pour activer les dopants à des températures inférieures à 600 °C par la technique dite de recristallisation en phase solide. Les conditions de dopage ont été optimisées pour améliorer le niveau d’activation et le temps de recuit tout en réduisant la température d’activation jusqu’à 450°C. Les avancées obtenues ont été implémentées sur des dispositifs avancés FDSOI et TriGate générant des dispositifs avec des performances inférieures aux références fabriquées à hautes températures (supérieures à 1000 °C). En utilisant des simulations TCAD et en les comparant aux mesures électriques, nous avons montré que la région la plus critique en termes d’activation se trouve sous les espaceurs de la grille. Nous montrons alors qu’une intégration dite « extension first » est le meilleur compromis pour obtenir de bonnes performances sur des dispositifs fabriqués à faible température. En effet, l’implantation des dopants avant l’épitaxie qui vise à surélever les sources et drains compense l’absence de diffusion à basse température. Ces résultats ont par la suite été étendus pour des dispositifs TriGate et FinFETs sur isolants. Pour la première fois, l’intégration « extension first » a été démontrée pour des N et PFETs d’une technologie 14 nm FDSOI avec des résultats prometteurs en termes de performances. Les résultats obtenus montrent notamment qu’il est possible d’amorphiser partiellement un film très mince avant d’effectuer une recroissance épitaxiale sur une couche dopée. Finalement, une implantation ionique à relativement haute température (jusqu’à 500 °C) a été étudiée afin de doper les accès sans amorphiser totalement le film mince, ce qui est critique dans le cas des dispositifs FDSOI et FinFET. Nous montrons que les niveaux d’activation après implantation sont trop faibles pour obtenir des bonnes performances et que l’implantation ionique « chaude » est prometteuse à condition d’être utilisée avec un autre mécanisme d’activation comme le recuit laser