Etude par simulation Monte Carlo d'architectures de MOSFET ultracourts à grille multiple sur SOI

par Jérôme Saint-Martin

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Électronique

Sous la direction de Arnaud Bournel.

Soutenue en 2005

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Multigrille
• Double grille
• Balistique
• Gaz 2D

Résumé

Dans les transistors MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) fortement submicroniques (<100 nm), l'augmentation de la densité d'intégration des composants s'accompagne d'une dégradation de certaines caractéristiques électriques (effets de canal court), tout particulièrement dans le régime sous le seuil. Parmi les solutions possibles pour atteindre les longueurs de grille de " fin de roadmap ", les architectures MOSFET (Transistor à effet de champ de type MOS) à grille multiple sur SOI (Silicium sur Isolant) apparaissent particulièrement séduisantes, surtout en termes de contrôle électrostatique. Grâce au simulateur particulaire MONACO de type Monte Carlo, ce travail commence par analyser la transition apparaissant dans les transistors ultracourts entre un régime de transport diffusif vers un régime de plus en plus balistique. D'après notre étude, les dispositifs ultimes devraient délivrer des courants très proches de la limite balistique. Ensuite, l'optimisation du dimensionnement de tels transistors MOS à grille multiple sur SOI a été étudiée, entre autres pour limiter l'augmentation des impédances parasites. Le meilleur compromis entre comportement sous le seuil acceptable et rapidité est obtenu dans le cas des architectures à double grille. Enfin, une nouvelle version très novatrice du logiciel MONACO développée durant cette thèse est présentée. Par résolution de l'équation de Schrödinger 1D, elle permet la prise en compte des effets de quantification d'énergie qui ont lieu perpendiculairement à la direction du transport de charges 2Dk, c'est à dire selon l'axe des grilles, dans les MOSFET à double grille ultra courts qui sont aussi ultrafins.

Titre traduit

Study of ultra short multiple gate MOSFETs on SOI using Monte Carlo simulation

Résumé

In ultra submicronic (<100 nm) MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), the increase of device integration density deteriorates I-V characteristics (phenomena called “short channel effects”), particularly in the subthreshold regime. Multiple gate MOSFETs are considered the most appealing devices to succeed the classical bulk MOSFET due to their better electrostatic control. In this context, this work analyses the transition from diffusive to quasi-ballistic transport which occurs in ultra short MOSFET using MONACO a Monte Carlo simulator. According to our studies, “End-of-Roadmap” devices will deliver current very closed to the ballistic limit. Next, the scaling of multiple gate devices on SOI is studied, inter alia in order to limit parasitic impedances. A compromise between subthreshold behaviour and switching dynamic is discussed and double gate MOSFETs appear to be the most attractive devices. At last, a new version of MONACO, developed during this thesis, is presented. By coupling the 1D Schrödinger equation with the Monte Carlo Algorithm, this version takes into account quantization effects along the gate axis in ultra-short double gate MOSFETs which are also ultra thin and considers the transport of confined carrier along the source-drain axis.