Etudes électrothermiques de dispositifs électroniques innovants pour les technologies submicroniques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Electrothermal study of innovative electronics structures in submicron technology

Etudes électrothermiques de dispositifs électroniques innovants pour les technologies submicroniques

Résumé

High density integration in advanced CMOS technology, such as STMicroelectronics’ 28 nm UTBB FD-SOI technology, leads to elevated power density. This results in an increase of the local or global temperature which could cause dysfunction of the system, or even lead to its destruction by thermal runaway. In this context, we present innovative solutions for the “ robust integration regarding the electro-thermal activity following different scaling factors within the scope of integrated circuits development ”. Thus, we studied, at first, structures with dual source contact enabling : (i) in-situ heating in MOS transistors (temperature elevation up to hundreds of Kelvin degrees) ; (ii) performance recovery of these transistors by local annealing (MOSFET’s threshold voltage return to its typical value) ; (iii) creation of OTP memory dots (use of an electromigration effect inside the silicide) and (iv) temperature self-regulation of the transistors (utilisation of an integrated temperature sensor). Secondly, we developed a new low power temperature sensor (1 mV.K-1 slope for the output voltage and power of the order of picowatt) and its integration within a circuit using another transistor enabling electro-thermal behavior modification of the circuit. All our electronics structures were fabricated on 28 nm UTBB FD-SOI silicon demonstrators and measured. To carry out our work, we relied on some software for electro-thermal simulations. Their adaptation to our needs has been a third line of work.
La haute densité d’intégration dans les technologies CMOS avancées, telle que la technologie 28 nm UTBB FD-SOI de STMicroelectronics, conduit à des densités de puissance élevées. Ceci se traduit par des élévations de température locales ou globales pouvant conduire au dysfonctionnement du système, voire à sa destruction par emballement thermique. Dans ce cadre, nous présentons des solutions innovantes pour « l’intégration robuste vis-à-vis de l’activité électrothermique suivant les différents facteurs d’échelle dans le cadre de développement de circuits intégrés ». Ainsi, nous avons étudié, dans un premier temps, les structures à double contacts de source permettant : (i) le chauffage in-situ dans les transistors MOS (élévation de la température jusqu’à plusieurs centaines de degrés kelvin) ; (ii) le rétablissement des performances desdits transistors par recuit local (retour de la tension de seuil d’un MOSFET vers sa valeur typique) ; (iii) la création de points mémoires OTP compacts (utilisation d’un phénomène d’électromigration dans le siliciure) et (iv) l’autorégulation en température de ces transistors (utilisation d’un capteur de température intégré). Dans un deuxième temps, nous avons développé un nouveau capteur de température basse consommation (pente de 1 mV.K-1 pour la tension de sortie et puissance de l’ordre du picowatt) et son intégration dans un circuit avec un transistor permettant la modification du comportement électrothermique du circuit. Tous nos dispositifs électroniques ont été fabriqués sur des démonstrateurs silicium en 28 nm UTBB FD-SOI et mesurés. Pour réaliser nos travaux, nous avons utilisé plusieurs logiciels de simulations électrothermiques. Leur adaptation à nos besoins a constitué un troisième axe de travail.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03097350 , version 1 (05-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03097350 , version 1

Citer

Renan Lethiecq. Etudes électrothermiques de dispositifs électroniques innovants pour les technologies submicroniques. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. Français. ⟨NNT : 2020GRALT029⟩. ⟨tel-03097350⟩
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