Fabrication de CMOS à basse température pour l'intégration 3D séquentielle

par Cao-Minh Lu

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Claire Fenouillet-Béranger et de Thomas Skotnicki.

Le président du jury était Francis Calmon.

Le jury était composé de Jean-Pierre Colinge, Perrine Batude, Jean-Baptiste Pin.

Les rapporteurs étaient Jean Fompeyrine, Adrian M. Ionescu.


  • Résumé

    Alors que la miniaturisation des transistors suivant la loi de Moore semble ralentir dû à des limites physique, technologique et économique, il devient essentiel de trouver des alternatives afin de répondre à la demande croissante en électronique : informatique et télécommunication, objets intelligents et interconnectés, domaine médical et biologique… En cela, l’utilisation de la troisième dimension, par opposition à la fabrication planaire de composants électrique, semble être une option prometteuse. L’intégration 3D permet en effet d’incorporer plus de composants sur une même surface en les empilant à un coût technologique et économique plus faibles que celui de la miniaturisation. En particulier, l’intégration séquentielle ou CoolCubeTM au CEA-Leti permet de profiter pleinement de la troisième dimension en fabriquant successivement les uns sur les autres chaque étage d’une puce, permettant un alignement optimal des transistors unitaires à chaque niveau. Néanmoins, plusieurs verrous technologiques particuliers à l’intégration 3D Séquentielle doivent alors être levés.Dans ce manuscrit, nous nous intéresserons à la réduction du budget thermique pour la fabrication des transistors supérieurs, nécessaire afin de ne pas endommager les étages inférieurs lors de la réalisation des composants sus-jacents. Nous commencerons par définir le budget thermique maximal afin de ne pas dégrader les couches inférieures avant d’identifier les briques technologiques impactées lors de la fabrication d’un transistor. Nous verrons alors dans ce manuscrit qu’il sera non seulement nécessaire d’étudier de nouveaux matériaux, mais aussi de nouveaux procédés voire de nouvelles techniques de recuit. Plus particulièrement, nous évaluerons tout d’abord l’utilisation des diélectriques low-k comme espaceurs de grille permettant notamment d’améliorer les performances dynamiques des composants. Ensuite, nous présenterons différentes stratégies de préparation de surface et de croissance épitaxiale à basse température pour la réalisation des sources et drains surélevés. Enfin, nous étudierons l’impact d’un budget thermique faible ainsi que de nouvelles techniques de recuits micro-onde et laser sur les propriétés de l’empilement de grille. Nous verrons en particulier que la difficulté principale d’une intégration à bas budget thermique est l’obtention d’une bonne fiabilité des transistors. Toute cette étude nous permettra alors de proposer des solutions à l’intégration d’un transistor à un bas budget thermique compatible avec l’intégration 3D Séquentielle.

  • Titre traduit

    Low thermal budget CMOS processing for 3D Sequential Integration


  • Résumé

    As the scaling of transistors following Moore’s law seems to slow down due to physical, technological and economical barriers, it becomes mandatory to find alternatives to cope with the increasing demand in electronics: computing and telecommunication, smart and interconnected objects, medical and biological fields… To that end, the use of the third dimension, in opposition to the planar processing of electronical devices, appears to be a promising option. Indeed, 3D integration allows incorporating more devices per area by stacking them at a lower technological and economical cost than scaling. More specifically, 3D sequential or CoolCubeTM at CEA-Leti allows benefiting fully from the third dimension by processing successively one on top of each other each level of a die, allowing an optimal alignment of single transistors at each layer. However, several technological barriers specific to 3D Sequential Integration need then to be alleviated.In this work, we will study the reduction of thermal budget for the transistors fabrication, which is required to not damage bottom levels during the processing of top devices. First, we will define the maximal thermal budget in order not to degrade bottom layers prior to identifying the technological modules impacted during the fabrication of a transistor. We will then see in this work that not only new materials need to be studied, but also new processes and new annealing techniques. Specifically, we will first evaluate the use of low-k dielectrics as gate offset spacers, allowing the improvement of devices dynamic performance. Then we will present different strategies of surface preparation and epitaxial growth at low temperature for the formation of raised sources and drains. Finally, we will study the impact of a low thermal budget process flow along with novel microwaves and laser annealing techniques on the gate stack properties. In particular, we will see that the biggest challenge in a low thermal budget integration is to get a good reliability of transistors. This study leads to a proposed low thermal budget process flow for transistor fabrication compatible with 3D Sequential Integration.


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