Strain integration and performance optimization in sub-20nm FDSOI CMOS technology

La technologie CMOS à base de Silicium complètement déserté sur isolant (FDSOI) est considérée comme une option privilégiée pour les applications à faible consommation telles que les applications mobiles ou les objets connectés. Elle doit cela à son architecture garantissant un excellent comportement électrostatique des transistors ainsi qu'à l'intégration de canaux contraints améliorant la mobilité des porteurs. Ce travail de thèse explore des solutions innovantes en FDSOI pour nœuds 20nm et en deçà, comprenant l'ingénierie de la contrainte mécanique à travers des études sur les matériaux, les dispositifs, les procédés d'intégration et les dessins des circuits. Des simulations mécaniques, caractérisations physiques (µRaman), et intégrations expérimentales de canaux contraints (sSOI, SiGe) ou de procédés générant de la contrainte (nitrure, fluage de l'oxyde enterré) nous permettent d'apporter des recommandations pour la technologie et le dessin physique des transistors en FDSOI. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le transport dans les dispositifs à canal court, ce qui nous a amené à proposer une méthode originale pour extraire simultanément la mobilité des porteurs et la résistance d'accès. Nous mettons ainsi en évidence la sensibilité de la résistance d'accès à la contrainte que ce soit pour des transistors FDSOI ou nanofils. Nous mettons en évidence et modélisons la relaxation de la contrainte dans le SiGe apparaissant lors de la gravure des motifs et causant des effets géométriques (LLE) dans les technologies FDSOI avancées. Nous proposons des solutions de type dessin ainsi que des solutions technologiques afin d'améliorer la performance des cellules standard digitales et de mémoire vive statique (SRAM). En particulier, nous démontrons l'efficacité d'une isolation duale pour la gestion de la contrainte et l'extension de la capacité de polarisation arrière, qui un atout majeur de la technologie FDSOI. Enfin, la technologie 3D séquentielle rend possible la polarisation arrière en régime dynamique, à travers une co-optimisation dessin/technologie (DTCO).The Ultra-Thin Body and Buried oxide Fully Depleted Silicon On Insulator (UTBB FDSOI) CMOS technology has been demonstrated to be highly efficient for low power and low leakage applications such as mobile, internet of things or wearable. This is mainly due to the excellent electrostatics in the transistor and the successful integration of strained channel as a carrier mobility booster. This work explores scaling solutions of FDSOI for sub-20nm nodes, including innovative strain engineering, relying on material, device, process integration and circuit design layout studies. Thanks to mechanical simulations, physical characterizations and experimental integration of strained channels (sSOI, SiGe) and local stressors (nitride, oxide creeping, SiGe source/drain) into FDSOI CMOS transistors, we provide guidelines for technology and physical circuit design. In this PhD, we have in-depth studied the carrier transport in short devices, leading us to propose an original method to extract simultaneously the carrier mobility and the access resistance and to clearly evidence and extract the strain sensitivity of the access resistance, not only in FDSOI but also in strained nanowire transistors. Most of all, we evidence and model the patterning-induced SiGe strain relaxation, which is responsible for electrical Local Layout Effects (LLE) in advanced FDSOI transistors. Taking into account these geometrical effects observed at the nano-scale, we propose design and technology solutions to enhance Static Random Access Memory (SRAM) and digital standard cells performance and especially an original dual active isolation integration. Such a solution is not only stress-friendly but can also extend the powerful back-bias capability, which is a key differentiating feature of FDSOI. Eventually the 3D monolithic integration can also leverage planar Fully-Depleted devices by enabling dynamic back-bias owing to a Design/Technology Co-Optimization

Simulation study of scaling design, performance characterization, statistical variability and reliability of decananometer MOSFETs

This thesis describes a comprehensive, simulation based scaling study – including device design, performance characterization, and the impact of statistical variability – on deca-nanometer bulk MOSFETs. After careful calibration of fabrication processes and electrical characteristics for n- and p-MOSFETs with 35 nm physical gate length, 1 nm EOT and stress engineering, the simulated devices closely match the performance of contemporary 45 nm CMOS technologies. Scaling to 25 nm, 18 nm and 13 nm gate length n and p devices follows generalized scaling rules, augmented by physically realistic constraints and the introduction of high-k/metal-gate stacks. The scaled devices attain the performance stipulated by the ITRS. Device a.c. performance is analyzed, at device and circuit level. Extrinsic parasitics become critical to nano-CMOS device performance. The thesis describes device capacitance components, analyzes the CMOS inverter, and obtains new insights into the inverter propagation delay in nano-CMOS. The projection of a.c. performance of scaled devices is obtained. The statistical variability of electrical characteristics, due to intrinsic parameter fluctuation sources, in contemporary and scaled decananometer MOSFETs is systematically investigated for the first time. The statistical variability sources: random discrete dopants, gate line edge roughness and poly-silicon granularity are simulated, in combination, in an ensemble of microscopically different devices. An increasing trend in the standard deviation of the threshold voltage as a function of scaling is observed. The introduction of high-k/metal gates improves electrostatic integrity and slows this trend. Statistical evaluations of variability in Ion and Ioff as a function of scaling are also performed. For the first time, the impact of strain on statistical variability is studied. Gate line edge roughness results in areas of local channel shortening, accompanied by locally increased strain, both effects increasing the local current. Variations are observed in both the drive current, and in the drive current enhancement normally expected from the application of strain. In addition, the effects of shallow trench isolation (STI) on MOSFET performance and on its statistical variability are investigated for the first time. The inverse-narrow-width effect of STI enhances the current density adjacent to it. This leads to a local enhancement of the influence of junction shapes adjacent to the STI. There is also a statistical impact on the threshold voltage due to random STI induced traps at the silicon/oxide interface

Etude des transistors MOSFET à barrière Schottky, à canal Silicium et Germanium sur couches minces

Until the early 2000’s Dennard’s scaling rules at the transistor level have enabled to achieve a performance gain while still preserving the basic structure of the MOSFET building block from one generation to the next. However, this conservative approach has already reached its limits as shown by the introduction of channel stressors for the sub-130 nm technological nodes, and later high-k/metal gate stacks for the sub-65 nm nodes. Despite the introduction of high-k gate dielectrics, constraints in terms of gate leakage and reliability have been delaying the diminution of the equivalent oxide thickness (EOT). Concurrently, lowering the supply voltage (VDD) has become a critical necessity to reduce both the active and passive power density in integrated circuits. Hence the challenge: how to keep decreasing both gate length and supply voltage faster than the EOT without losing in terms of ON-state/OFF-state performance trade-off? Several solutions can be proposed aiming at solving this conundrum for nanoscale transistors, with architectures in rupture with the plain old Silicon-based MOSFET with doped Source and Drain invented in 1960. One approach consists in achieving an ION increase while keeping IOFF (and Vth) mostly unchanged. Specifically, two options are considered in detail in this manuscript through a review of their respective historical motivations, state-of-the-art results as well as remaining fundamental (and technological) challenges: i/ the reduction of the extrinsic parasitic resistance through the implementation of metallic Source and Drain (Schottky Barrier FET architecture); ii/ the reduction of the intrinsic channel resistance through the implementation of Germanium-based mobility boosters (Ge CMOS, compressively-strained SiGe channels, n-sSi/p-sSiGe Dual Channel co-integration). In particular, we study the case of thin films on insulator (SOI, SiGeOI, GeOI substrates), a choice justified by: the preservation of the electrostatic integrity for the targeted sub-22nm nodes; the limitation of ambipolar leakage in SBFETs; the limitation of junction leakage in (low-bandgap) Ge-based FETs. Finally, we show why, and under which conditions the association of the SBFET architecture with a Ge-based channel could be potentially advantageous with respect to conventional Si CMOS.Jusqu’au début des années 2000, les règles de scaling de Dennard ont permis de réaliser des gains en performance tout en conservant la structure de la brique de base transistor d’une génération technologique à la suivante. Cependant, cette approche conservatrice a d’ores et déjà atteint ses limites, comme en témoigne l’introduction de la contrainte mécanique pour les générations sub-130nm, et les empilements de grille métal/high-k pour les nœuds sub-65nm. Malgré l’introduction de diélectriques à forte permittivité, des limites en termes de courants de fuite de grille et de fiabilité ont ralenti la diminution de l’épaisseur équivalente d’oxyde (EOT). De façon concommitante, la diminution de la tension d’alimentation (VDD) est devenue une priorité afin de réduire la densité de puissance dissipée dans les circuits intégrés. D’où le défi actuel: comment continuer de réduire à la fois la longueur de grille et la tension d’alimentation plus rapidement que l’EOT sans pour autant dégrader le rapport de performances aux états passant et bloqué (ON et OFF) ? Diverses solutions peuvent être proposées, passant par des architectures s’éloignant du MOSFET conventionnel à canal Si avec source et drain dopés tel que défini en 1960. Une approche consiste en réaliser une augmentation du courant passant (ION) tout en laissant le courant à l’état bloqué (IOFF) et la tension de seuil (Vth) inchangés. Concrètement, deux options sont considérées en détail dans ce manuscrit à travers une revue de leurs motivations historiques respectives, les résultats de l’état de l’art ainsi que les obstacles (fondamentaux et technologiques) à leur mise en œuvre : i/ la réduction de la résistance parasite extrinsèque par l’introduction de source et drain métalliques (architecture transistor à barrière Schottky) ; ii/ la réduction de la résistance de canal intrinsèque par l’introduction de matériaux à haute mobilité à base de Germanium (CMOS Ge, canaux SiGe en contrainte compressive, co-intégration Dual Channel n-sSi/p-sSiGe). En particulier, nous étudions le cas de couches minces sur isolant (substrats SOI, SiGeOI, GeOI), un choix motivé par: la préservation de l’intégrité électrostatique pour les nœuds technologiques sub-22nm; la limitation du courant de fuite ambipolaire dans les SBFETs; la limitation du courant de fuites de jonctions dans les MOSFETs à base de Ge (qui est un matériau à faible bandgap). Enfin, nous montrons pourquoi et dans quelles conditions l’association d’une architecture SBFET et d’un canal à base de Germanium peut être avantageuse vis-à-vis du CMOS Silicium conventionnel

Advanced Silicon and Germanium Transistors for Future P-channel MOSFET Applications

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Addressing performance bottlenecks for top-down engineered nanowire transistors

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Threshold voltage instabilities in MOS transistors with advanced gate dielectrics

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2007, nr 2

kwartalni

Modelling the cryogenic properties of germanium for emerging liquid hydrogen power applications

Ph. D. ThesisIn recent years, there has been an increase in research focused towards the reduction and/or elimination of greenhouse emissions from applications used in everyday life. In addressing this, liquid hydrogen has been highlighted as an attractive alternative fuel source for commercial vehicles due to it’s lower weight, higher power density and zero greenhouse emissions in comparison to petrol and diesel fuels. Incorporating such a fuel source however introduces a cryogenic environment of 20 K affecting the power electronics used to deliver the power from source to load. Herein, the physical properties of semiconductors influencing the overall efficiency of devices within an H-bridge circuit are considered. From this, germanium is hypothesised to be the most suitable semiconductor for power devices at or near temperatures of 20 K. Closed-loop models are developed for the carrier concentration, carrier mobility, carrier velocity, for both electrons and holes as a function of doping concentration and temperature with critical analysis of the range of suitability for each. Multiple models are also developed for both carrier concentration and carrier mobility which offer a trade off depending on whether one requires accuracy or simplicity in calculation. A significant influence on the device characteristics of MOSFETs is that of the oxide/semiconductor interface. For the first time, ZrO2 is fabricated directly on germanium substrates through the thermal oxidation of zirconium on germanium. The interface state density of these capacitors are comparable to literature values offering a much cheaper and simpler fabrication method for high-κ dielectric formation on germanium substrates. The leakage current density of the ZrO2 MOS capacitors are low in comparison to reported values and are shown to decrease with decreasing temperature. With the physical models of both bulk and interfacial germanium, multiple PiN germanium diodes are simulated using technology computer aided design (TCAD) that show the potential for germanium power devices with breakdown voltages in excess of 800 V at room temperature and 400 V at 20 K. Simulations of vertical power MOSFETs incorporating a ZrO2 interlayer show great promise for low temperature power electronics at or near 20 K where other commercial devices experience significant resistive losses. With the work conducted here, vertical power MOSFETs fabricated using germanium and ZrO2 open the gateway for low voltage applications incorporating liquid hydrogen fuel cells.Engineering and Physical Sciences Research Counci

Caractérisation électrique des propriétés d'interface dans les MOSFET nanométriques par des mesures de bruit basse fréquence

In this thesis, electrical properties of gate oxide/channel interface in ultra-scaled nanowire (NW) MOSFETs were experimentally investigated by carrier transport and low-frequency noise (LFN) characterizations. NW FETs, which have aggressively downscaled cross-section of the body, are strong candidates for near future CMOS node. However, the interface quality could be a critical issue due to the large surface/volume ratio, the multiple surface orientations, and additional strain technology to enhance the performance. Understanding of carrier transport and channel interface quality in NW FETs with advanced high-k/metal gate is thus particularly important. LFN provides deep insights into the interface properties of MOSFET without lower limit of required channel size. LFN measurement thus can be a powerful technique for ultra-scaled NW FETs. Also, fitting mobility (such as low-field mobility) extraction by Y-function method is an efficient method. Omega-gate NW FETs were fabricated from FD-SOI substrates, and with Hf-based high-k/metal gate (HfSiON/TiN), reducing detrimental effects by device downscaling. In addition, strain technologies to the channel were additively processed. Tensile strained-SOI substrate was used for NMOS, whereas compressive stressors were used for PMOS devices. Strained Si channel for PMOS was processed by raised SiGe S/D and CESL formations. Strained SiGe channel (SGOI) was also fabricated for further high-performance PMOS FETs. Firstly, the most common Id-Vg was characterized in single-channel NW FETs as the basic performance. Reference SOI NWs provided the excellent static control down to short channel of 17nm. Stressors dramatically enhanced on-current owing to a modification of channel energy-band structure. Then, extracted low-field mobility in NWs also showed large improvement of the performance by stressors. The mobility extraction effectively evaluated FET performance even for ultra-scaled NWs. Next, LFN investigated for various technological and architectural parameters. Carrier number fluctuations with correlated mobility fluctuations (CNF+CMF) model described 1/f noise in all our FETs down to the shortest NWs. Drain current noise behavior was basically similar in both N- and PMOS FETs regardless of technological splits. Larger 1/f noise stemming from S/D regions in PMOS FETs was perfectly interpreted by the CNF+CMF model completed with Rsd fluctuations. This observation highlighted an advantage of SGOI NW with the lowest level of S/D region noise. Geometrical variations altered the CNF component with simple impact of device scaling (reciprocal to both Wtot and Lg). No large impact of surface orientation difference between the channel (100) top and (110) side-walls in [110]-oriented NWs was observed. Scaling regularity with both Wtot and Lg, without much quantum effect, could be attributed to the use of HfSiON/TiN gate and carrier transport occurring mostly near top and side-wall surfaces even in NW geometry. Meanwhile, the CMF factor was not altered by decreasing dimensions, while the mobility strongly depends on the impact. Extracted oxide trap density was roughly steady with scaling, structure, and technological parameter impacts. Simple separation method of the contributions between channel top surface and side-walls was demonstrated in order to evaluate the difference. It revealed that oxide quality on (100) top and (110) side-walls was roughly comparable in all the [110]-devices. The density values lie in similar order as the recent reports. An excellent quality of the interface with HfSiON/TiN gate was thus sustained for all our technological and geometrical splits. Finally, our NWs fulfilled 1/f LFN requirements stated in the ITRS 2013 for future MG CMOS logic node. Consequently, we concluded that appropriate strain technologies powerfully improve both carrier transport and LFN property for future CMOS circuits consisting of NW FETs, without any large concern about the interface quality.Dans cette thèse, les propriétés électriques de transistors à nanofils de silicium liées à l'interface oxyde de grille/canal ont été étudiées par le biais de mesures de bruit basse fréquence (bruit 1/f) et de transport dans le canal. Ces transistors nanofils dont les dimensions ont été réduites jusqu'à quelques nanomètres pour la section, représentent une alternative sérieuse pour les futurs nœuds technologiques CMOS. Cependant, la qualité de l'interface oxyde de grille/canal pose question pour transistors dont l'architecture s'étend dans les 3 dimensions, en raison du fort rapport surface/volume inhérent à ces transistors, des différentes orientations cristallographiques de ces interfaces, ou encore des matériaux contraints utilisés pour améliorer les performances électriques. La compréhension des liens entre les propriétés de transport des porteurs dans le canal, qui garantissent en grande partie les performances électriques des transistors, et la qualité de l'interface avec l'oxyde de grille est fond primordiale pour optimiser les transistors nanofils. Les mesures de bruit, associées à l'étude du transport dans le canal, sont un outil puissant et adapté à ces dispositifs tridimensionnels, sans être limité par la taille ultra-réduite des transistors nanofils. Les transistors nanofils étudiés ont été fabriqués à partir de substrats minces SOI, et intègrent un empilement de grille HfSiON/TiN, qui permet de réduire les dimensions tout en conservant les mêmes propriétés électrostatiques. Pour gagner en performances, des contraintes mécaniques ont été introduites dans le canal en silicium : en tension pour les NMOS, par le biais de substrat contraint (sSOI), et en compression pour les PMOS. Un canal en compression uni-axiale peut être obtenu par l'intégration de source/drain en SiGe et/ou par l'utilisation de couches contraintes de type CESL. Des transistors à canal SiGe sur isolant en compression ont également été fabriqués et étudiés. Les caractéristiques électriques des divers transistors nanofils (courbes Id-Vg, compromis Ion-Ioff, mobilité des porteurs) démontrent l'excellent contrôle électrostatique dû à l'architecture 3D, ainsi que l'efficacité de l'ingénierie de contraintes dans les nanofils jusqu'à de faibles longueurs de grilles (~17nm). Des mesures de bruit basse fréquence ont été réalisées sur ces mêmes dispositifs et analysées en fonction des paramètres géométriques de l'architecture nanofils (largeur W, forme de la section, longueur de grille L), et des diverses variantes technologiques. Nous avons démontré que le bruit 1/f dans les transistors nanofils peut être décrit par le modèle de fluctuations du nombre de porteurs (CNF) corrélées aux fluctuations de mobilité (CMF). Le bruit associé aux régions S/D a pu également être intégré dans ce modèle en ajoutant une contribution, en particulier pour les PMOS. Alors que les différentes variantes technologiques ont peu d'effet sur le bruit 1/f, les variations de géométrie en L et W changent la composante de bruit liée aux fluctuations du nombre de porteurs (CNF) de manière inversement proportionnelle à la surface totale (~1/WL). Cette augmentation du bruit est le reflet du transport qui se produit à proximité des interfaces avec l'oxyde. Les différentes orientations des interfaces supérieures et latérales (110) ou (100) présentent la même quantité de pièges d'interface (extrait à partir des mesures de bruit 1/f, en séparant les contributions des différentes faces du nanofil) bien qu'ayant une rugosité différente essentiellement liée au process. En revanche la composante CMF n'est pas altérée par la réduction des dimensions contrairement à la mobilité des porteurs qui décroit fortement avec L. Finalement, les mesures de bruit 1/f ont été comparées aux spécifications ITRS 2013 pour les transistors multi-grilles en vue des futurs nœuds technologiques de la logique CMOS, et démontrent que nos transistors nanofils satisfont les exigences en la matière