Caractérisation de transport des électrons dans les transistors MOS à canal court

par Narasimhamoorthy Subramanian

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Mireille Mouis et de Gérard Ghibaudo.

Soutenue le 29-11-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Abdelkader Souifi.

Le jury était composé de Mireille Mouis, Gérard Ghibaudo, Stephane Monfray, Eric Verdeil, Ousmanou Motapon, Luca Perniola.

Les rapporteurs étaient Arnaud Bournel, Philippe Lorenzini, Margareta Bergendahl norell.


  • Résumé

    La qualité du transport électronique est l’une des clés permettant de soutenir la progression des performances pour les futures générations de composants. De très nombreux facteurs, comme le choix de l’isolant et du métal de grille, le matériau de canal ou la présence de contraintes mécaniques, affectent de façon négative ou positive ces propriétés de transport. L’épaisseur du canal, qui atteint des dimensions nanométriques joue également un rôle : interactions avec les interfaces, fluctuations d’épaisseurs, effets de couplage électrostatique ou quantique entre ces interfaces. Il est probable que des mécanismes d’interaction associés à la proximité des zones surdopées de source et de drain puissent également intervenir. A ces dimensions, on s’attend à observer des phénomènes de transport hors d’équilibre, voire balistique, qui peuvent remettre en question la validité des paramètres utilisés pour caractériser le transport. Donc avec l'avancement de la technologie, il devient nécessaire de faire évoluer les modèles de transport et les paramètres afin de mieux expliquer le fonctionnement du MOSFET. Cette thèse se concentre sur la compréhension des modèles de transport existants et des méthodes d'extraction pour les noeuds technologiques actuels et futures. Les modèles de transport et les méthodes d'extraction de paramètres en régime linéaire et de saturation ont été explorés au cours de cette thèse. L'impact de la résistance série, qui est une fonction de la tension de grille, dans les MOSFET avancés est pris en compte et une nouvelle méthode d'extraction améliorée a été développée dans le régime linéaire. Des mesures à basse température ont été utilisées en régime linéaire pour l'extraction des mécanismes de diffusion en utilisant le modèle de mobilité. Une nouvelle méthode de correction pour le courant de drain dans le régime de saturation pour les MOSFET canal court est développée en utilisant les mesures à basse température. Cela permet de corriger du DIBL ainsi que des effets de « self heating ». Le modèle de saturation de vitesse et la méthode d'extraction associée sont explorés dans le régime de saturation et sont étudiés en fonction de la température et de la longueur de canal. Les modèles balistique et quasi-balistique avec le concept de la « kT layer » en régime de saturation sont également étudiés pour les noeuds sub 32 nm. Mesurer la magnétorésistance offre des perspectives prometteuses pour les dispositifs à canal court et permettant d’extraire directement la mobilité, sans la nécessité de la connaissance des dimensions du canal. Un modèle analytique pour la magnétorésistance est développé dans le cadre des noeuds technologiques sub 32 nm pour les modèles de transport balistique et quasi-balistique. La mesure de la magnétorésistance est explorée dans la région de saturation pour la première fois jusqu'à 50 nm sur les MOSFET « bulk » afin de comprendre l'applicabilité de cette méthode d'extraction à ce régime. Enfin les dispositifs bulk+ FDSON, FinFET, et GAA sont caractérisés en fonction de la température et les mécanismes de transport dans ces nouveaux dispositifs sont étudiés jusqu'à 35 nm (FinFET). En outre, le paramètre de champ effectif η est extrait pour les dispositifs sSOI. On trouve qu’il est différent du cas « bulk » comme c'était le cas pour les résultats obtenues sur bulk contraint et FDSOI. Cela est interprété par la rugosité de surface et la diffusion des phonons en raison de l'occupation préférentielle de la sous la bande fondamentale dans ces dispositifs avancés.

  • Titre traduit

    Characterization of Electron Transport in Short channel MOS Transistors


  • Résumé

    Electron transport is one of the key properties that need to be improved in order to sustain performance improvement for the next technological nodes. Many factors, such as the choice of gate stack materials, channel material or the presence of mechanical strain contribute to degrade or improve transport properties. Body thickness, which reaches dimensions of a few nanometers, is playing a role as well, through interface scattering, thickness fluctuations or electrostatic and quantum coupling effects between front and back interfaces. In addition, it is strongly suspected that additional scattering mechanisms are associated with the proximity of the highly doped source and drain regions. For the sake of sub 32nm technology nodes development, it is of fundamental importance that these various mechanisms be identified and studied. In this range of dimensions, electron transport is governed by out of equilibrium, or even ballistic, phenomena. Therefore along with the advancement in the technology nodes, it becomes necessary to evolve the transport models and parameters to better explain the MOSFET operation. This thesis focuses on understanding the existing transport models and extraction methods and improving the same under the context of current and future technology nodes mainly sub 32nm. The MOSFET transport models and static parameter extraction methods in linear and saturation regime have been explored during the course of this thesis. The impact of gate voltage dependent series resistance in the advanced MOSFETs is taken into account and a new improved extraction method has being developed in the linear regime. Low temperature measurement is used in linear regime for the extraction of scattering mechanisms using mobility model. A new saturation drain current correction for short channel MOSFETs is developed for taking into account both DIBL and self-heating using low temperature measurement. Velocity saturation vsats model and extraction method is explored in the saturation regime and vsats is studied against temperature and channel lengths. Ballistic and quasi ballistic model with concept of kT layer in saturation regime is also studied for the sake of sub 32nm nodes. Channel magnetoresistance measurement offers promising prospects for short channel devices as we can directly extract the channel mobility without the need for the knowledge of channel dimensions. An analytical magnetoresistance model is developed in the context of sub 32nm technology nodes for full ballistic and quasi ballistic transport models. Magnetoresistance measurement is explored in the saturation region for the first time down to 50nm on bulk MOSFETs in order to understand the applicability of this extraction method in this regime. Finally Bulk+ FDSON, FinFET, and GAA devices are characterized with temperature and studied the transport mechanism in these novel devices down to 35nm (FinFET). Also effective field parameter η is extracted for sSOI devices and found that this is significantly different from bulk value as in the case of previous results in strained bulk and FDSOI devices and this is interpreted as increased surface roughness and phonon scattering due to preferential sub band occupation in these advanced devices.


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