Advanced numerical modeling applied to current prediction in ultimate CMOS devices

par Fabio Goncalves Pereira

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Marco Pala, Denis Rideau et de François Triozon.

Le président du jury était Gérard Ghibaudo.

Le jury était composé de Raphaël Clerc.

Les rapporteurs étaient Arnaud Bournel, Marc Bescond.

  • Titre traduit

    Modélisations numériques avancées pour la prédiction des courants dans les dispositifs CMOS ultimes


  • Résumé

    Parmi les plus important dispositifs pour l'industrie des semi-conducteurs, le transistor “Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor” (MOSFET) est largement utilisé pour le développement d'un grand nombre d'applications électroniques. La miniaturisation de ces dispositifs MOSFET a été un processus très efficace pour améliorer la performance de la technologie “Complementary Metal-Oxide Semiconductor” (CMOS). La mise à l'échelle des transistors selon “scaling rules” a permis l'amélioration des performances jusqu'à nœud technologique 90 nm, mais la diminution continue des dimensions MOSFET fait face à des limitations physiques et économiques. Afin de surmonter ces limitations et de parvenir à l'exigence de performance, plusieurs “boosters” ont été explorées par l’industrie des semi-conducteurs, notamment l'utilisation de dispositifs efficaces tel que "Fully Depleted Silicon On Insulator" (FDSOI), dont l'architecture a été choisie pour être explorée dans ce travail.Pour la technologie CMOS ultime, la modélisation fiable du transport électronique est une préoccupation majeure. Ce travail de thèse vise à améliorer la modélisation de dispositifs ultimes FDSOI, concentré sur le transport des porteurs. Dans ce scénario, “Technological Computer-Aided Design” (TCAD) basé sur des modèles Densité-Gradient et de Dérive-Diffusion se présente comme un outil rapide et puissant pour soutenir le développement technologique dans le secteur technologique. Cependant, nous avons montré que leur précision pour prédire les nœuds avancés est souvent douteuse. Afin de surmonter ce problème, nous avons présenté un outil de simulation à deux dimensions (UTOXPP) basé sur des modèles physiques et qui est implementé sur une efficace architecture C++ avec une bonne interface graphique. Au moyen de la méthode Finite-Difference, nous décrivons une stratégie de modélisation complète pour les parties les plus importantes de ce outil, à savoir 1.5D Poisson-Schrödinger, Quantum Drift-Diffusion et les modèles de mobilité de la formulation Kubo-Greenwood et de la fonction de Green hors equilibrium (NEGF). Les résultats de simulation ont montré l'efficacité de UTOXPP pour résoudre les effets quantiques à la fois pour la distribution de charge et également pour le transport des dispositifs choisis. L'objectif de ce travail de thèse a été réalisée puisque UTOXPP se montré capable de fournir des résultats fiables et rapides pour les nœuds avancés, raison d'être un excellent choix pour l'usage quotidien dans la industrie.


  • Résumé

    One of the most important device for semiconductor industry nowadays is the Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) which is hugely applied in the development of a vast number of electronic applications. The downscaling of MOSFET geometry has been a very successful process to improve the performances of Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) devices. The scaling of transistors dimensions according to scaling rules enabled the performance improvements up to the 90 nm technology node, but the continuous shrinking of MOSFET dimensions faces both physical and economical limitations. In order to overcome these limitations and achieve the performance requirement, several “boosters” have been explored by the semiconductor industries, notably the use of alternative device structures such as “Fully Depleted Silicon On Insulator” (FDSOI), whose architecture has been chosen to be explored in this work.For advanced CMOS technology, robust and predictive electronic transport modeling is a major concern. This PhD work intended to improve the device modeling for ultimate FDSOI devices, with a particular focus on carrier transport. In this scenario, Technological Computer-Aided Design (TCAD) based on Density-Gradient and Drift-Diffusion models arise as a fast and powerful tool to support the technological development within the industry, however we have shown that their accuracy for predicting advanced nodes is often doubtful. In order to overcome this issue, we presented a two-dimensional simulation tool (UTOXPP) based on physical models which makes use of state of the art C++ architecture and accounts for a complete and friendly GUI. By means of Finite-Difference method, we describe a complete modeling strategy for the most important parts of the solver, namely 1.5D Poisson-Schrödinger, Quantum Drift-Diffusion and the mobility models from Kubo-Greenwood formulation and Nonequilibrium Green’s function (NEGF). Simulation results showed the efficiency of UTOXPP for solving electrostatics and the quantum effects for both carrier distribution and transport for the given devices. The objective of this PhD work has been achieved as UTOXPP delivers reliable results for advanced nodes in a timely manner, being an excellent choice for the industrial daily use.


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