Réalisation et caractérisation de dispositifs MOSFET nanométriques à base de réseaux denses de nanofils verticaux en silicium

Fabrication and characterization of field effect transitor implemented in dense arrays of silicon nanowires

• Auteur / Autrice : Xiang-Lei Han
• Direction : Emmanuel Dubois, Guilhem Larrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 29/09/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Lithographie par faisceau d'électrons

Oxydation

Nanosilicium

Siliciures

Nanofils

Transistors MOSFET

Mots clés libres

Siliciure de platine

Résumé

Dans cette thèse, un procédé innovant de transistor implémenté sur des réseaux denses de nanofils (NFs) verticaux est proposée comme une solution potentielle pour des composants très avancés.Dans une première partie, des masques de résine formant des réseaux des nanopiliers verticaux sont fabriqués par lithographie électronique sur une résine inorganique. Ces masques sont transférés dans le substrat de Si par gravure ionique réactive avec des conditions optimisées pour réaliser des réseaux ultradense de NFs verticaux avec un diamètre decananométrique et une excellente anisotropie. Enfin, le phénomène d’effondrement des nanostructures induit par les forces de capillarité a été précisément étudié.Dans une deuxième partie, les phénomènes d’oxydation et de siliciuration de nanostructures sont observés et analysés systématiquement. En utilisant l’autolimitation de l’oxydation thermique, des NFs avec un diamètre ultrafin sont réalisés tout en améliorant l’anisotropie des profils de NFs et en réduisant la rugosité de surface.Une troisième partie débute par la réalisation et caractérisation de nanocontacts implémentés sur des structures à 2 terminaux à base de réseaux de NFs verticaux où une parfaite reproductibilité des caractéristiques IV est démontrée quand un grand nombre de NFs sont considérés par rapport à un NF unique. De plus, l’impact de la surface sur la conduction dans le NF est discuté. Enfin, des transistors à base de réseaux denses de NFs verticaux avec une grille entourante sont réalisés et démontre qu’ils sont une structure efficace pour lutter contre les effets canaux courts.

In this work, a transistor device based on dense networks of vertical silicon nanowires (Si NWs) is proposed as a promising way for ultimate Field Effect Transistor (FET). The first part is dedicated to the realization of dense arrays of vertical NWs with very narrow diameters by a "top-down" approach. Firstly, dense and well-defined nanocolumns arrays have been patterned by e-beam lithography using a negative tone e-beam resist. The resist patterns were transferred by reactive ion etching using chlorine based plasma chemistry and optimized parameters. Lastly, the collapse phenomenon of nanostructures induced by capillary force is studied. The second part concerns a systematically study of oxidation and silicidation phenomenon in the case of Si nanostructures. Thermal oxidation process is identified as an effective method to realize ultra-small diameter Si NWs, improving anisotropic profile and reducing surface roughness after etching process. In the third part, first, the fabrication and characterization of two-terminal structures implemented on vertical Si NWs arrays defined by a "top-down" approach with an ultra-high density is presented. A perfect reproducibility in the I-V characteristics is demonstrated when a large number of Si NWs are considered compared to a single Si NW; the temperature dependence and the non linearity of I-V characteristics indicates that contacts dominate the overall resistance of the Si NWs and the impact of Si NWs surface on conduction of the Si NWs is discussed. Secondly, transistor implemented on dense network of vertical Si NWs with a 15 nm length gate-all-around (GAA) is produced; the characteristics show that this structure can reduce effectively the short channel effects.