Intégration de transistor mono-électronique et transistor à atome unique sur CMOS

par Veeresh Deshpande

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Noël Magnéa et de Maud Vinet.

Soutenue le 27-09-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Christophe Delerue.

Le jury était composé de Noël Magnéa, Marco Fanciulli, Xavier Jehl, Romain Wacquez.

Les rapporteurs étaient Arnaud Bournel, Abdelkader Souifi.


  • Résumé

    La réduction (« scaling ») continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture «nanofil canal» est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de «blocage de Coulomb», et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS («Au-delà du dispositif CMOS»), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors « Trigate » nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil ‘‘trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé «dispositif SETMOS» dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante.

  • Titre traduit

    Scaling Beyond Moore : Single Electron Transistor (SET) and Single Atom Transistor Integration on CMOS


  • Résumé

    Continuous scaling of MOSFET dimensions has led us to the era of nanoelectronics. Multigate FET (MuGFET) architecture with ‘nanowire channel' is being considered as one feasible enabler of MOSFET scaling to end-of-roadmap. Alongside classical CMOS or Moore's law scaling, many novel device proposals exploiting nanoscale phenomena have been made either. Single Electron Transistor (SET), with its unique ‘Coulomb Blockade' phenomena, and Single Atom Transistor (SAT), as an ultimately scaled transistor, are prime nanoelectronic devices for novel applications like multivalued logic, quantum computing etc. Though SET was initially proposed as a substitute for CMOS (‘Beyond CMOS device'), it is now widely considered as a compliment to CMOS technology to enable novel functional circuits. However, the low operation temperature and non-CMOS fabrication process have been major limitations for SET integration with FET. This thesis makes an effort at combining scaled CMOS, SET and SAT through a single integration scheme enabling trigate nanowire-FET, SET or SAT. In this work, for the first time, fabrication of room temperature operating SET on state-of-the-art SOI CMOS technology (featuring high-k/metal gate) is demonstrated. Room temperature operation of SET requires an island (or channel) with dimensions of 5 nm or less. This is achieved through reduction of trigated nanowire channel to around 5 nm in width. Further study of carrier transport mechanisms in the device is carried out through cryogenic conductance measurements. Three dimensional NEGF simulations are also employed to optimize SET design. As a step further, cointegration of FDSOI MOSFET and SET on the same die is carried out. Room temperature hybrid SET-FET circuits enabling amplification of SET current to micro-ampere range (proposed as ‘SETMOS device' in literature), negative differential resistance (NDR) and multivalued logic are shown. Alongside this, on the same technology, a Single Atom Transistor working at cryogenic temperature is also demonstrated. This is achieved through scaling of MOSFET channel length to around 10 nm that enables having a single dopant atom in channel (diffused from source or drain). At low temperature, electron transport through the energy state of this single dopant is studied. These devices also work as scaled MOSFETs at room temperature. Therefore, a novel analysis method is developed correlating 300 K characteristics with cryogenic measurements to understand the impact of single dopant on scaled MOSFET at room temperature.


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