Strain integration and performance optimization in sub-20nm FDSOI CMOS technology

par Rémy Berthelon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Claverie.

  • Titre traduit

    Intégration de contraintes mécaniques et optimisation des performances des technologies CMOS FDSOI pour les noeuds 20nm et en deçà


  • Résumé

    La technologie CMOS à base de Silicium complètement déserté sur isolant (FDSOI) est considérée comme une option privilégiée pour les applications à faible consommation telles que les applications mobiles ou les objets connectés. Elle doit cela à son architecture garantissant un excellent comportement électrostatique des transistors ainsi qu'à l'intégration de canaux contraints améliorant la mobilité des porteurs. Ce travail de thèse explore des solutions innovantes en FDSOI pour nœuds 20nm et en deçà, comprenant l'ingénierie de la contrainte mécanique à travers des études sur les matériaux, les dispositifs, les procédés d'intégration et les dessins des circuits. Des simulations mécaniques, caractérisations physiques (µRaman), et intégrations expérimentales de canaux contraints (sSOI, SiGe) ou de procédés générant de la contrainte (nitrure, fluage de l'oxyde enterré) nous permettent d'apporter des recommandations pour la technologie et le dessin physique des transistors en FDSOI. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le transport dans les dispositifs à canal court, ce qui nous a amené à proposer une méthode originale pour extraire simultanément la mobilité des porteurs et la résistance d'accès. Nous mettons ainsi en évidence la sensibilité de la résistance d'accès à la contrainte que ce soit pour des transistors FDSOI ou nanofils. Nous mettons en évidence et modélisons la relaxation de la contrainte dans le SiGe apparaissant lors de la gravure des motifs et causant des effets géométriques (LLE) dans les technologies FDSOI avancées. Nous proposons des solutions de type dessin ainsi que des solutions technologiques afin d'améliorer la performance des cellules standard digitales et de mémoire vive statique (SRAM). En particulier, nous démontrons l'efficacité d'une isolation duale pour la gestion de la contrainte et l'extension de la capacité de polarisation arrière, qui un atout majeur de la technologie FDSOI. Enfin, la technologie 3D séquentielle rend possible la polarisation arrière en régime dynamique, à travers une co-optimisation dessin/technologie (DTCO).


  • Résumé

    The Ultra-Thin Body and Buried oxide Fully Depleted Silicon On Insulator (UTBB FDSOI) CMOS technology has been demonstrated to be highly efficient for low power and low leakage applications such as mobile, internet of things or wearable. This is mainly due to the excellent electrostatics in the transistor and the successful integration of strained channel as a carrier mobility booster. This work explores scaling solutions of FDSOI for sub-20nm nodes, including innovative strain engineering, relying on material, device, process integration and circuit design layout studies. Thanks to mechanical simulations, physical characterizations and experimental integration of strained channels (sSOI, SiGe) and local stressors (nitride, oxide creeping, SiGe source/drain) into FDSOI CMOS transistors, we provide guidelines for technology and physical circuit design. In this PhD, we have in-depth studied the carrier transport in short devices, leading us to propose an original method to extract simultaneously the carrier mobility and the access resistance and to clearly evidence and extract the strain sensitivity of the access resistance, not only in FDSOI but also in strained nanowire transistors. Most of all, we evidence and model the patterning-induced SiGe strain relaxation, which is responsible for electrical Local Layout Effects (LLE) in advanced FDSOI transistors. Taking into account these geometrical effects observed at the nano-scale, we propose design and technology solutions to enhance Static Random Access Memory (SRAM) and digital standard cells performance and especially an original dual active isolation integration. Such a solution is not only stress-friendly but can also extend the powerful back-bias capability, which is a key differentiating feature of FDSOI. Eventually the 3D monolithic integration can also leverage planar Fully-Depleted devices by enabling dynamic back-bias owing to a Design/Technology Co-Optimization.


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