Etude par simulation Monte Carlo des effets de quantification sur le transport dans les structures à effet de champ

par Florian Monsef

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Sylvie Galdin-Retailleau.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    The increasing performances of integrated circuits are correlated to the shrinking of MOS transistors characteristics length: the gate length. The complex physical phenomena that take part into sub-0. 1 mM devices need to be analysed using adequate modelling tools. At the IEF, a device and carrier transport simulator (MONACO) has been developed for almost 20 years, and is particularly well adapted to small device analyses. Quantization phenomena, that have an increasing influence in MOS transistors, especially when using Si/SiGe heterojunctions, are not taken into account in the current version. The first step in my PhD work consisted in calculating and implementing the scattering rates in the case of a 2D silicon-based system. To validate these models, we used experimental transport data (mobility and carrier density). A positive critical analysis on technological parameters of the experimental samples has been performed in order to estimate the real doping profiles of the structures that have a significant influence on the mobility. A very good agreement between simulation results and experiments has been obtained, which validates our approach. To perform a simulation of a whole field effect transistor (FET), it is necessary to take into account the presence of a state continuum or 3D gas. The second part of this work has focused on the way of including and handling the simultaneous presence of 2D and 3D gases in a Monte Carlo algorithm. Our approach has been successfully tested on a MOS capacitor: the number of sub-bands included in the 2D gas does not change the global results; it does not change the average behaviour of the fundamental sub-bands either. These two important results testify of the robustness of the algorithm and seem to be solid basis for future works which aim at including quantization in FET devices modeling.


  • Résumé

    L'augmentation constante de la vitesse des circuits intégrés, va de pair avec la diminution de la grandeur caractéristique du transistor MOS : la longueur de grille. Des phénomènes physiques complexes interviennent dans le fonctionnement des composants sub-0,1 mM et des outils de modélisation précis sont nécessaires pour les étudier. À l'IEF, un simulateur particulaire (MONACO), basé sur la méthode Monte Carlo est développé depuis plusieurs années. Ce dernier est particulièrement bien adapté à l'étude de dispositifs de petites dimensions. Toutefois les phénomènes de confinement quantique (gaz 2D), qui prennent une importance croissante dans les dispositifs MOS, en particulier en présence d'hétérojonctions Si/SiGe, ne sont pas pris en compte dans la version actuelle de MONACO. Dans un premier temps, mon travail de thèse a consisté à développer puis à mettre en oeuvre les modèles de probabilités d'interactions en gaz 2D pour la filière silicium. La validation de ces modèles s'est appuyée sur des résultats expérimentaux de mobilité. Une analyse critique des paramètres technologiques des structures expérimentales a été entreprise afin d'estimer notamment les profils de dopage réels dont l'influence s'avère déterminant sur la mobilité. Un très bon accord des résultats de simulation avec l'expérience a alors été obtenu, validant ainsi l'approche adoptée et les modèles retenus. Pour parvenir à simuler un dispositif entier, il est souhaitable pour réduire l'encombrement mémoire, d'assimiler les sous-bandes de hautes énergies à un continuum d'états ou gaz 3D. La deuxième partie de ce travail de thèse a alors porté sur la gestion et la prise en compte des transitions de porteurs entre les deux gaz, et ce, au sein d'un algorithme Monte Carlo. L'approche retenue a été testée sur un cas d'école et permet d'affecter un nombre arbitraire de sous-bandes au gaz 2D sans modifier les résultats globaux. Ces résultats permettent de juger d'une robustesse de l'algorithme, et constituent une étape importante en vue de la prise en compte des effets de quantification dans la modélisation des dispositifs à effet de champ.

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Informations

  • Détails : 222 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.[207]-220.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)200
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