Caractérisation et modélisation des composants MOS des technologies avancées (FDSOI, nanofil, GaN HEMT, LTPS…)

Characterization and modelling of MOS transistors from advanced technologies (FDSOI, nanowire, GaN HEMT, LTPS…)

• Auteur / Autrice : Donghyun Kim
• Direction : Francis Balestra, Jae Woo Lee, Christoforos Theodorou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Koryŏ taehakkyo. Asea munje yŏn’guso (Séoul, Corée S.)
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Ji-Woon Yang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hyun Suk Kim, Pascal Masson, Quentin Rafhay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hyun Suk Kim, Pascal Masson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Nitrure de gallium

FD-SOI (transistors)

MOS complémentaires

Mots clés libres

Microelectronique

Caracterisation

Mosfet

Charactertization

Microelectronics

Mosfet

Résumé

Dans cette étude, la caractérisation électrique et la modélisation de divers dispositifs électroniques basés sur la structure MOSFET ont été effectuées.-La caractérisation électrique des FET à nanofeuillets empilés verticalement sur FDSOI a été réalisée en utilisant une approche statistique. Ces NSFET présentaient diverses dimensions et ont été étudiés à la fois pour les NFET et les PFET. Chaque dispositif a été mesuré dans un grand nombre de matrices, totalisant plus de 170 unités. Les paramètres électriques ont été extraits au moyen de diverses méthodes, notamment la fonction Y et la fonction LW, entre autres. La corrélation entre différents paramètres électriques tels que Ion, Ioff, SS, la mobilité et les facteurs de dégradation de la mobilité a été étudiée. L'écart-type de chaque paramètre électrique a été utilisé pour interpréter la loi de Pelgrom.-L'analyse des GaN HEMT jusqu'à la température cryogénique a été effectuée. Une caractérisation électrique détaillée et l'extraction des paramètres du transistor ont été réalisées sur des HEMT GaN/Si compatibles CMOS de 200 mm, même à des températures cryogéniques extrêmement basses. Les principaux paramètres du transistor, tels que la tension de seuil Vth, la mobilité à faible champ μ0, l'oscillation inférieure au seuil SS, et la résistance série source-drain Rsd, ont été extraits dans la région linéaire en utilisant les méthodes de la fonction Y et de la fonction Lambert-W, et ce, pour des longueurs de grille allant jusqu'à 0,1 μm. La méthode de la fonction Y a également été employée dans la région de saturation pour extraire la vitesse de saturation. Les résultats indiquent que ces dispositifs GaN/Si HEMT conservent leur excellent fonctionnement même à très basse température, avec une amélioration de la mobilité et de la pente inférieure au seuil.L'analyse TLM a également révélé que la résistance série source-drain Rsd est davantage limitée par la résistance de contact que par la résistance de la région d'accès 2DEG lorsque la température diminue.-Les caractéristiques électriques et le profilage des pièges dans les TFT LTPS par rapport aux substrats rigides et flexibles ont été examinés.Nous avons mené une étude approfondie du transport de porteurs dans des transistors à couches minces en silicium polycristallin de type p (LTPS) sur un substrat flexible, en le comparant avec celui sur un substrat en verre, dans le but d'améliorer les performances du dispositif. Afin de comprendre l'origine du transport des porteurs sur ces substrats différents, nous avons effectué des caractérisations dépendantes de la température pour des paramètres des dispositifs électriques tels que VTH, SS, Ion et μeff.Il est bien établi que la taille des grains de poly-Si (Lgrain) et la hauteur de barrière (EB) entre les joints de grains sont les principaux facteurs déterminant le transport dans le silicium polycristallin, et ces paramètres peuvent être extraits en utilisant le modèle de mobilité polycristalline. Cependant, nos études systématiques ont montré que ce n'est pas la taille des grains, mais plutôt la hauteur de la barrière EB, qui a une plus grande influence sur la dégradation des TFT LTPS sur les substrats flexibles. La hauteur de barrière EB sur un substrat flexible est environ 18 fois plus élevée que sur un substrat en verre, tandis que la taille des grains est similaire pour les deux types de substrats. En comparaison avec les TFT LTPS sur substrat en verre, une hauteur de barrière EB plus élevée entraîne une dégradation d'environ 24 % de l'Ion, 30 % de la SS et 21 % de μeff sur le substrat flexible à température ambiante.L'analyse du bruit basse fréquence (LFN) a également révélé que la densité totale de pièges (Nt) sur un substrat flexible est jusqu'à quatre fois plus élevée que sur un substrat en verre, confirmant ainsi la valeur élevée de EB dans le dispositif fabriqué sur le substrat flexible.

In this study, the electrical characterization and modeling of various electronic devices based on MOSFET structure were carried out.-Electrical characterization of 2-vetically stacked Nanosheet FETs on FDSOI by using statistical analysis.NSFETs contained various dimensions were investigated for both NFET and PFET. Each device was measured in a lot of dies over 170 ea. Electrical parameters were extracted using various methods (Y-function and LW function, etc). The correlation of different electrical parameters (Ion, Ioff, SS, mobility, and mobility degradation factors) was investigated. The standard deviation of each electrical parameter was utilized for the interpretation of Pelgrom's law.-GaN HEMT analysis down to cryogenic temperatureA detailed electrical characterization and transistor parameter extraction on 200 mm CMOS compatible GaN/Si HEMTs was performed down to deep cryogenic temperatures. The main transistor parameters (threshold voltage Vth, low-field mobility μ0, subthreshold swing SS, source-drain series resistance Rsd) were extracted in linear region using the Y-function and the Lambert-W function methods for gate lengths down to 0.1 μm. The Y-function method was also employed in saturation region for the extraction of the saturation velocity. The results indicate that these GaN/Si HEMT devices demonstrate a very good functionality down to very low temperature with improvement of mobility and subthreshold slope. It was also shown by TLM analysis that the source-drain series resistance Rsd is more limited by the contact resistance than by the 2DEG access region resistance as temperature lowered.-Electrical characteristics and Trap profiling in LTPS TFT comparing to on rigid and flexible substrates.The carrier transport of p-type low temperature polycrystalline silicon (LTPS) thin-film transistors (TFTs) on flexible substrate has been intensively studied and compared to that on glass substrate in order to improve device performance. To investigate the origin of carrier transport on different substrates, temperature dependent characterizations are carried out for electrical device parameters such as threshold voltage (VTH ), subthreshold swing (SS), on-current (Ion) and effective carrier mobility (μeff). The poly-Si grain size Lgrain and the barrier height EB between grain boundaries are well known to be the main parameters to determine transport in polycrystalline silicon and can be extracted based on the polycrystalline mobility model. However, our systemic studies show that it is not grain size but EB that has more influence on the degradation of LTPS TFT on flexible substrates. The EB of flexible substrate is roughly 18 times higher than glass substrate whereas grain size is similar for both devices on different substrates. Compared to the LTPS TFT on glass substrate, higher EB degrades approximately 24 % of Ion, 30 % of SS and 21 % of μeff on the flexible substrate at room temperature. From low frequency noise (LFN) analysis, it is observed that the total trap density (Nt) for flexible substrate is up to four times higher than that of glass substrate, which also supports the high value of EB in the device fabricated on the flexible substrate.