Transistors MOS sur films minces de Silicium-sur-Isolant (SOI) complètement désertés pour le noeud technologique 10nm

par Siméon Morvan

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Gérard Ghibaudo.

Soutenue le 18-11-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Francis Calmon.

Le jury était composé de Michel Haond, Francois Andrieu.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Sallese, Amara Amara.


  • Résumé

    Depuis plusieurs générations technologiques, la réduction des dimensions des transistors à effet de champ Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOSFET) n'est plus suffisante pour augmenter à elle seule les performances des circuits intégrés. Pour les circuits logiques à partir du nœud 28 nm, l'architecture planaire sur silicium massif a été abandonnée au profit de structures à canaux entièrement désertés (Fully Depleted). Malgré l'avantage apporté par la fabrication de ces transistors (FinFET ou Fully Depleted Silicon On Insulator FDSOI planaire), l'introduction et l'optimisation des contraintes mécaniques dans le canal restent indispensables. Ce travail de recherche présente l'intégration de divers procédés de fabrication permettant de contraindre les MOSFET planaires sur SOI. L'efficacité des couches de nitrure (CESL) contraints, de l'épitaxie des source/drain en SiGe, des substrats de silicium contraints sur isolant (sSOI) ainsi que l'effet de l'orientation du canal a été mesurée pour des longueurs de grille jusque 14 nm. L'intégration de MOSFET à grille damascène (gate-last) a également été développée sur SOI. En particulier, l'intérêt de ce type de grille pour ajuster la tension de seuil et pour optimiser les contraintes a été étudié. Finalement des perspectives sont présentées pour le nœud 10 nm. Des simulations mécaniques ont permis de valider une structure innovante permettant un transfert de contraintes depuis une couche de SiGe enterrée vers le canal. Par ailleurs, une intégration basée sur un procédé d'espaceurs sacrificiels (SIT) est présentée. Celle-ci permet de fabriquer des transistors à forte densité sur SOI.

  • Titre traduit

    MOS transistors on thin fully depleted Silicon-On-Insulator (SOI) films for the 10nm technological node


  • Résumé

    Since several technological nodes, the scaling of Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistors (MOSFET) alone is not sufficient to increase performances of integrated circuits. For numerical circuits beyond the 28 nm node, the planar architecture on bulk silicon has been discarded in favor of structures with fully depleted channels. Despite the advantage of such transistors (FinFET or planar Fully Depleted Silicon On Insulator FDSOI), the use and the optimization of mechanical stress in the channel remains mandatory. This study presents the integration of various fabrication processes allowing to stress planar MOSFET on SOI. The efficiency of stressed nitride layers (CESL), of SiGe epitaxially raised source/drain (RSD) regions, of strained silicon on insulator (sSOI) substrates as well as the effect of the channel orientation has been measured for gate lengths down to 14 nm. The integration of replacement metal gate (gate-last) has been developed on SOI. Particularly, the interest of this kind of gate for threshold voltage adjustment and for stress optimization has been studied. Finally, perspectives for the 10 nm node are presented. Mechanical simulations enabled to validate an innovative structure which transfers stress from a buried SiGe layer to the channel. Moreover, an integration based on sacrificial spacers (SIT) is presented. It enables to fabricate high density transistors on SOI.


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