Etude, fabrication et propriétés de transport de transistors CMOS associant un diélectrique haute permittivité et un canal de conduction haute mobilité

par Olivier Weber

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Frédérique Ducroquet.

Soutenue en 2005

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    La miniaturisation des transistors CMOS permet d'améliorer les performances, la densité d'intégration et le coût des circuits électroniques. Plusieurs ruptures technologiques concernant l'architecture et les matériaux des transistors doivent s'additionner pour atteindre les dimensions ultimes, à l'échelle de l'atome. L'introduction d'un diélectrique haute permittivité comme isolant de grille à la place du SiO2 vise à améliorer le compromis épaisseur d'oxyde/courant de fuite de grille. Un canal haute mobilité doit permettre d'améliorer la vitesse des porteurs et donc le compromis vitesse (fréquence d'horloge)/puissance active des circuits. Cette thèse porte sur l'étude, la fabrication et les propriétés de transport de transistors CMOS cumulant ces deux nouvelles options technologiques. Ceci concerne en particulier des transistors avec un empilement de grille TiN/HfO2 : nMOS à canaux Si contraints, pMOS à canaux SiGe(:C) ou Ge contraints et une nouvelle architecture pMOS selon l'orientation cristallinne (111). Des gains en mobilité élevés par rapport aux transistors de référence HfO2/Si, pouvant atteindre +800% pour la mobilité des trous sur les transistors Ge contraints, sont obtenus conjointement avec l'effet du diélectrique HfO2 : une réduction de 4 décades du courant de fuite de grille par rapport à un oxyde SiO2. Une caractérisation électrique approfondie permet de montrer l'importance de l'optimisation de l'interface diélectrique/canal sur les gains en mobilité. Les caractéristiques des transistors sont analysées et discutées jusqu'à des longueurs de grille inférieures à 50nm. Finalement, la dégradation de la mobilité avec un empilement de grille TiN/HfO2, point critique limitant l'émergence de tels empilements, est analysée en détail et les mécanismes de collisions des porteurs sont déterminés expérimentalement.

  • Titre traduit

    Study, fabrication and transport properties of high mobility channel CMOS transistors with high-k gate dielectrics


  • Résumé

    CMOS scaling allows an improvement of the performance, the integration density and the price of electronic circuits. Several breakthroughs, concerning the MOSFET architecture and materials must be added to push the transistor at his atomic scale limit. The replacement of the gate silicon oxide by a high-k dielectric is promising to improve the oxide thickness/gate leakage current trade-off. A high mobility channel provides a carrier velocity improvement and thus, an increase of the speed/active power ratio in the circuits. This work concerns the study, the fabrication and the transport properties of CMOS transistors with both of these new technological options. It includes several different transistors with a TiN/HfO2 gate stack: strained Si channel nMOSFETs, strained SiGe(:C) or Ge pMOSFETs and a new pMOS architecture with a (111) surface oriented channel. High mobility enhancements compared to the HfO2/Si reference, up to +800% for the hole mobility in strained Ge, are reported in addition to the high-k dielectric characteristic: a 4 decades gate leakage reduction compared to the silicon oxide. Our in-depth electrical characterization demonstrates that the dielectric/channel interface optimization is crucial to obtain high mobility gains. Transistors characteristics are presented and discussed down to 50nm gate length. Finally, the mobility degradation with a TiN/HfO2 gate stack, which constitutes a serious issue for the high-k/metal gate stack emergence, is analysed and the mobility scattering mechanisms are determined experimentally.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (198 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 183-197

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3021)
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