Calibrage prédictif des simulateurs numériques de conception des dispositifs nanoélectroniques : développement et adaptation de méthodes d'analyse de données et implémentation en environnement industriel

Predictive calibration of tcad simulation tools for nanoelectronic devices : development of new data analysis methods and implementation in an industrial environment

• Auteur / Autrice : Cyril Renard
• Direction : Jean Brini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Avec la réduction des dimensions des transistors, des phénomènes qui étaient négligeables jusque là, ne le sont plus, et doivent être pris en compte dans les logiciels de simulation TCAD. Or, le développement de tels modèles est une tâche longue et difficile. Une alternative consiste à calibrer des modèles existants à partir des expériences disponibles, ce qui permet de répondre rapidement aux besoins des utilisateurs. L'objectif de ce travail est la mise en place de méthodes permettant de déterminer la distribution active de dopants d'un transistor MOS sans avoir recours aux modèles avancés de diffusion/activation des dopants. Pour cela, nous avons adopté une démarche de type modélisation inverse, qui consiste à retrouver le profil actif de dopants à partir de caractéristiques (électriques, physico-chimiques, morphologiques,. . . ) connues du transistor. A partir de mesures SIMS et de R, nous avons ainsi pu développer et calibrer un modèle empirique permettant de prédire le profil actif d'arsenic des zones 1-D des régions source et drain d'un NMOS. Par ailleurs, en couplant les logiciels de simulation TCAD avec une méthode d'optimisation efficace (programmes évolutionnaires), nous avons réussi non seulement à déterminer le dopage canal d'une capacité MOS à partir de sa caractéristique C(V), mais aussi l'épaisseur de l'oxyde de grille, la densité de charges fixes à l'interface SiO2/Si, ou bien le dopage de la grille. Pour finir, cette méthode a été étendu en 2-D et permet de connaître notamment l'extension de la zone de recouvrement des régions source et drain par la grille et donc d'avoir accès directement à la longueur effective du transistor étudié.

With the scaling of the transistors, new phenomena are no longer negligible, which must be taken into account in TCAD simulation tools in order to decribe accurately electrical characteristics of modern devices. But the development of such models is a very long and hard task. An other way consists in calibrating existing models on available experiments, which allows to answer quickly to the process engineer's problems. The main goal of this work is to provide new methodologies to get the active dopant distribution of MOSFETs without using advanced models for the diffusion/activation of dopants. We then used an inverse modelling approach, which consists in determining the active dopant profile of a transistor from its known characteristics (electrical, physico-chemical, morphological,. . . ). From SIMS and R measurements, we have then developped and calibrated an empirical model allowing to predict the active dopant profile of 1-D source/drain area of a NMOS. Moreover, by coupling TCAD simulation tools with efficient numerical optimisation methods (evolutionary programs), we have succeeded in determining the channel doping profile of a MOS capacitor from its C(V) characteristic, but also the gate oxide thickness, the fixed charge density at the SiO2/Si interface, or the gate doping profile. This methodology has finally been applicated in 2-D in order to extract the gate to source/drain overlap, which provide directly the effective channel length of the characterized transistor.