Numerical study of electro-thermal effects in silicon devices

par Thu Trang Nghiem Thi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Dollfus et de Jérôme Saint-Martin.

  • Titre traduit

    Etude numérique des effets électrothermiques dans les nanodispositifs de Silicium


  • Résumé

    Le développement de la technologie des composants CMOS ultimes à grille ultra-courte (L < 20 nm) se heurte à de nombreuses difficultés technologiques, mais également à des limites thermiques qui perturbent notablement les règles de mise à l'échelle communément employées jusqu'à présent. Les fortes densités de courant obtenues dans des zones actives aussi réduites génèrent un important échauffement local (par effet Joule), lié à l'émission de phonons par les porteurs chauds, qui peut conduire à des réductions très sensibles des performances, voire à des défaillances. Ce phénomène est identifié comme un des plus critiques pour la poursuite de l'augmentation de la densité d'intégration des circuits. Cela est particulièrement crucial dans les technologies SOI (silicium sur isolant), où la présence de l'isolant enterré constitue un frein à l'évacuation de la chaleur. À l'échelle nanométrique, l'étude théorique de ces phénomènes d'échauffement n'est plus possible par des modèles macroscopiques (coefficient de diffusion de la chaleur) mais nécessite une description microscopique détaillée des transferts de chaleur qui sont localement hors d’équilibre. Il s'agit donc de modéliser de façon appropriée, non seulement le transport électronique et la génération de phonons, mais aussi le transport de phonons hors équilibre et les interactions phonons-phonons et électrons-phonons.Le formalisme de l’équation de transport de Boltzmann (BTE) est très bien adapté à l'étude de ce problème. En effet, il est largement utilisé depuis des années pour l'étude du transport des particules chargées dans les composants semi-conducteurs. Ce formalisme est beaucoup moins standard pour étudier le transport des phonons. Une des problématiques de ce travail concerne le couplage de la résolution de la BTE des phonons avec celle des électrons.Ce travail de thèse a développé un algorithme de calcul du transport de phonons par résolution directe de la BTE des phonons. Cet algorithme de transport de phonon a été couplé au transport électronique simulé grâce au logiciel "MONACO" basé sur une résolution statistique (ou Monte Carlo) de la BTE. Finalement, ce nouveau simulateur électrothermique a été utilisé pour étudier les effets d’auto échauffement dans des nano-transistors. L’intérêt principal de ces travaux est de permettre une analyse du transport electro-thermique au-delà d’une approche macroscopique (respectivement formalisme de Fourier pour la thermique et dérive-diffusion pour le courant). En effet, il donne accès aux distributions de phonons dans le dispositif et pour chaque mode de phonon. En particulier, ce simulateur apporte une meilleure compréhension des effets des électrons chauds sur les points chauds et leur relaxation dans les accès.


  • Résumé

    The ultra-short gate (LG < 20 nm) CMOS components (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) face thermal limitations due to significant local heating induced by phonon emission by hot carriers in active regions of reduced size. This phenomenon, called self-heating effect, is identified as one of the most critical for the continuous increase in the integration density of circuits. This is especially crucial in SOI technology (silicon on insulator), where the presence of the buried insulator hinders the dissipation of heat.At the nanoscale, the theoretical study of these heating phenomena, which cannot be led using the macroscopic models (heat diffusion coefficient), requires a detailed microscopic description of heat transfers that are locally non-equilibrium. It is therefore appropriate to model, not only the electron transport and the phonon generation, but also the phonon transport and the phonon-phonon and electron-phonon interactions. The formalism of the Boltzmann transport equation (BTE) is very suitable to study this problem. In fact, it is widely used for years to study the transport of charged particles in semiconductor components. This formalism is much less standard to study the transport of phonons. One of the problems of this work concerns the coupling of the phonon BTE with the electron transport.In this context, wse have developed an algorithm to calculate the transport of phonons by the direct solution of the phonon BTE. This algorithm of phonon transport was coupled with the electron transport simulated by the simulator "MONACO" based on a statistical (Monte Carlo) solution of the BTE. Finally, this new electro-thermal simulator was used to study the self-heating effects in nano-transistors. The main interest of this work is to provide an analysis of electro-thermal transport beyond a macroscopic approach (Fourier formalism for thermal transport and the drift-diffusion approach for electric current, respectively). Indeed, it provides access to the distributions of phonons in the device for each phonon mode. In particular, the simulator provides a better understanding of the hot electron effects at the hot spots and of the electron relaxation in the access.


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