Développement de la modélisation TCAD pour l'ingénierie de la contrainte dans les dispositifs CMOS avancés sur film minces

Development of TCAD modeling for low field electronics transport and strain engineering in advanced Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) CMOS transistors

• Auteur / Autrice : Olivier Nier
• Direction : Raphaël Clerc, David Esseni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 18/12/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Università degli studi (Udine, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Clerc, David Esseni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christoph Jungemann, Christophe Delerue

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

TCAD

FDSOI

Contraintes

Monte Carlo

Kubo-Greenwood

NEGF

TCAD

FDSOI

Strain

Monte Carlo

Kubo-Greenwood

NEGF

Résumé

La conception des dispositifs nanométriques CMOS apporte de nouveaux défis à la communauté TCAD. En effet, de nos jours, les améliorations des performances des transistors ne sont plus simplement dû à une simple diminution des dimensions des dispositifs, mais aussi à l'introduction de boosters de technologies tels que des nouvelles architectures (FDSOI, trigate), des oxydes de grille à forte permittivité, l'ingénierie de la contrainte ou de nouveaux matériaux de canal (Ge, III-V). Pour faire face à tous ces nouveaux défis technologiques, la modélisation TCAD (Technology Computer Aided Design) est un outil puissant pour guider le développement mais aussi pour réduire les coûts. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à améliorer la modélisation TCAD pour les technologies 28/14 et 10FDSOI, avec une attention particulière sur les impacts des contraintes mécaniques sur leurs performances. Dans un premier temps, les différents mécanismes impactant la mobilité des technologies FDSOI ont été étudiés en détail. Les modèles implémentés dans des outils de simulations avancés (NEGF, Multi subbands Monte Carlo, Kubo-Greenwood) sont étudiés, comparés et des développements du logiciel interne à STMicroelectronics (UTOXPP) sont proposés. Dans un second temps, une approche « top down » a été mis en place. Elle consiste à calibrer les modèles TCAD empiriques non pas sur des mesures mais sur des outils de simulations avancés (Kubo-Greenwood). Les modèles TCAD calibrés montrent de très bons accords avec les mesures de mobilité (split-CV) en variant la température, la polarisation du substrat et l’épaisseur de l’IL (Interfacial layer). Dans un troisième temps, les méthodes utilisées lors de cette thèse pour modéliser les contraintes induites par le procédé de fabrications sont décrites. Enfin, la dernière partie concerne la modélisation TCAD des technologies 28 et 14FDSOI. Des simulations mécaniques sont effectuées pour modéliser les profils de contraintes dans les transistors. Des solutions pour optimiser la configuration des contraintes dans le canal pour ces technologies sont proposées.

The design of nanoscale CMOS devices brings new challenges to TCAD community. Indeed, nowadays, CMOS performances improvements are not simply due to device scaling but also to the introduction of new technology “boosters” such as new transistors architectures (FDSOI, trigate), high-k dielectric gate stacks, stress engineering or new channel material (Ge, III-V). To face all these new technological challenges, Technology Computer Aided Design (TCAD) is a powerful tool to guide the development of advanced technologies but also to reduce development time and cost. In this context, this PhD work aimed at improving the modeling for 28/14 and 10FDSOI technologies, with a particular attention on mechanical strain impacts. In the first section, a summary of the main models implemented in state of the art device simulators is performed. The limitations and assumptions of these models are highlighted and developments of the in-house STMicroelectronics KG solvers are discussed. In the second section, a “top down” approach has been set-up. It has consisted in using advanced physical-based solvers as a reference for TCAD empirical models calibration. Calibrated TCAD reproduced accurately split-CV mobility measurements varying the temperature, the back bias and the Interfacial Layer (IL) thickness. The third section deals with a description of the methodologies used during this thesis to model stress induced by the process flow. Simulations are compared to nanobeam diffraction (NBD) strain measurements. The use and calibration of available TCAD models to efficiently model the impact of stress on mobility in a large range of stress (up to 2GPa) is also discussed in this section. The last part deals with TCAD modeling of advanced CMOS devices for 28/14 and 10FDSOI technology development. Mechanical simulations are performed to model the stress profile in transistors and several solutions to optimize the stress configuration in sSOI and SiGe-based devices have been presented.