Substrats et dispositifs avancés sur germanium-sur-isolant (GeOI) : caractérisation, modélisation et simulation

Study of germanium-on-insulator (GeOI) substrates and devices : characterization, modeling and simulations

• Auteur / Autrice : William Van den Daele
• Direction : Sorin Cristoloveanu, Cyrille Le Royer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Dubois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Colinge, Matteo Valenza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétorésistance

Germanium

MOS (électronique)

Microélectronique

Transistors MOSFET

Mots clés libres

GeOI

Caractérisation électrique

Germanium sur isolant

Modélisation électrique

Basse température

Simulation TCAD sur GeOI

Microélectronique

Transistor à effet de champ (MOSFET)

PMOSFET (pseudo-MOSFET)

Smart-CutTM

Mobilité effective des trous

Magnetorésistance

Défauts d’interface

Microelectronic

Germanium-on-insulator

Field-effect-transistor (MOSFET)

Effective hole mobility

Interface defects

TCAD simulations

Résumé

La miniaturisation des transistors MOS à effet de champ (MOSFET) sur substrat silicium massif arrive à ses limites physiques. Afin de tenir les spécifications de l'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), plusieurs solutions se profilent, dont l'utilisation de matériaux semiconducteurs alternatifs à forte mobilité tels que le germanium (Ge). L'utilisation du GeOI (Germanium-sur-Isolant) permet de cumuler les avantages de contrôles électrostatiques de la technologie SOI avec les propriétés de transport du Ge. Cette étude propose une revue des propriétés des substrats et de dispositifs pMOSFETs sur GeOI. La première partie présente les performances électriques des substrats GeOI par la méthode pseudo-MOSFET au travers de caractérisations et de simulations TCAD. Les deux parties suivantes portent sur l'étude des pMOSFETs à grille TiN/HfO2. Nous appréhendons les phénomènes de fuites observées au drain des pMOSFETs par des mesures de modélisations dépendantes de la température. Nous nous intéresserons finalement à la forte mobilité des trous dans les dispositifs pMOSFETs sur GeOI afin de comprendre les origines physiques des phénomènes limitant le transport

Shrinking the physical dimensions of the Field-Effect Transistor (MOSFET) on Si-bulk technology leads to serious issues and silicon CMOS is now facing a dead-end. In order to follow the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) several technological solutions are visioned, like the use of alternative high-mobility materials including germanium (Ge). The germanium-on-insulator structure is expected to combine the enhanced electrostatic control in SOI devices with the advantageous transport properties of Ge. This study proposes a review of GeOI substrates and devices (pMOSFET) following three main directions. Firstly, the properties of GeOI substrates are investigated through pMOSFET characterizations and TCAD simulations. The second and third parts deal with the properties advanced pMOSFETs on GeOI with TiN/HfO2 gate stack. The experiments show an undesired current leakage and an improved carrier effective mobility. This last point enables an in-depth comprehension of transport limiting mechanisms in GeOI pMOSFETs