Etude et modélisation des phénomènes physiques émergents pour la simulation de dispositifs électroniques à base de nanofils de silicium

par Julien Dura

Thèse de doctorat en Micro et Nanoélectronique

Sous la direction de Daniela Munteanu.

Le président du jury était Ian O'Connor.

Le jury était composé de Daniela Munteanu, Ian O'Connor, Arnaud Bournel, Thomas Zimmer, Hervé Jaouen, Jean-Luc Autran, François Triozon.

Les rapporteurs étaient Arnaud Bournel, Thomas Zimmer.


  • Résumé

    Dans le contexte actuel d'optimisation des performances des dispositifs de microélectronique, le transistor MOSFET, brique de base, est soumis à des contraintes géométriques telles que son architecture même est remise en cause. L'augmentation du nombre de grille afin d'accentuer le contrôle électrostatique de la grille sur le canal a mis en avant des architectures ultimes telles que le nanofil dont la grille enrobe totalement le canal. Dans ce travail, une étude du nanofil de silicium a été réalisée afin d'estimer les potentialités de cette architecture au niveau transistor jusqu'à l'étude de petits circuits. Pour cela, un modèle analytique en courant a été mis en place et implémenté en Verilog-A afin de simuler des petits circuits dans un environnement de type ELDO. Toutefois, les paramètres du modèle telles que les masses effectives de transport (ou de confinement) ou le transport dans le film sont la clé de la prédictibilité au niveau circuit. C'est pourquoi des simulations avancées de type liaisons fortes ou Kubo-Greenwood ont été développées afin d'étudier finement l'évolution des caractéristiques du nanofil notamment vis-à-vis de son intégration géométriques. Issues de ces approches numériques, des expressions analytiques ont été établies afin d'inclure dans le modèle toute la physique observée en amont. Des effets comme l'évolution de la structure de bande ou l'impact des mécanismes d'interaction ont ainsi pu être apportés jusqu'au niveau circuit. Les résultats en courant acquièrent une certaine pertinence en créant un lien entre simulations numériques et données expérimentales.


  • Résumé

    The microelectronics industry is extremely competitive in the increase of performances for devices or circuits. Nanowire architectures are now considered for the integration of strongly scaled devices as predicted for advanced technology nodes. The particular shape of nanowires combined to the reduction of geometrical dimensions (diameter of several atomic layers) leads to the emergence of physical phenomena on the MOSFET electrostatics characteristics such as quantum confinement (2D effects), short channel or band structure effects as well as the electronic transport with quasi-ballistic effect. In this work, we propose an analytical model including these last mechanisms for silicon GAA nanowires. In order to guarantee the pertinence of the model, numerical code have been developed such as a Schrödinger-Poisson solver for the band structure and a mobility calculation based on the Kubo-Greenwood formula including phonons, surface roughness and remote Coulomb scattering. The different results have been gathered in a continuous model, validated on numerical simulations and experimental data. Finally, a complete chain has been built to study the impact of last phenomena from the atomistic study, the MOSFET device characteristics up to small circuit performances.


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