Bottom-up fabrication of Si nanodot transistors using the nc-Si dots solution

A new approach to fabricate nanometer-scale silicon devices is recently attracting much attention, which combines the conventional top-down silicon processing techniques and the bottom-up assembly of silicon nanodots, whose structures are controlled on the atomic scale. This technique enables to investigate the electronic states and transport properties of strongly-coupled multiple nanodots which will be crucial particularly for quantum information device applications. Various unique properties have been studied in such systems. For example, electrostatic interactions have been investigated for double Si dots [1] and for the two-dimensional Si multidots [2]. Coherent wavefunction coupling and associated quasi-molecular states have also been observed for a tunnel-coupled double Si nanodots [3]. In addition, metal-insulator transition has been investigated for an artificial lattice of self-organized nano-paraticles [4]. In this paper we propose and examine a novel technique of fabricating nanoscale transistors with a Si nanodot cluster as a channel based on the self-assembly of the nanocrystalline Si dots from the solution on the patterned SOI substrates

Caractérisation électrique et modélisation du transport dans matériaux et dispositifs SOI avancés

This thesis is dedicated to the electrical characterization and transport modeling in advanced SOImaterials and devices for ultimate micro-nano-electronics. SOI technology is an efficient solution tothe technical challenges facing further downscaling and integration. Our goal was to developappropriate characterization methods and determine the key parameters. Firstly, the conventionalpseudo-MOSFET characterization was extended to heavily-doped SOI wafers and an adapted modelfor parameters extraction was proposed. We developed a nondestructive electrical method to estimatethe quality of bonding interface in metal-bonded wafers for 3D integration. In ultra-thin fully-depletedSOI MOSFETs, we evidenced the parasitic bipolar effect induced by band-to-band tunneling, andproposed new methods to extract the bipolar gain. We investigated multiple-gate transistors byfocusing on the coupling effect in inversion-mode vertical double-gate SOI FinFETs. An analyticalmodel was proposed and subsequently adapted to the full depletion region of junctionless SOI FinFETs.We also proposed a compact model of carrier profile and adequate parameter extraction techniques forjunctionless nanowires.Cette thèse est consacrée à la caractérisation et la modélisation du transport électronique dans des matériaux et dispositifs SOI avancés pour la microélectronique. Tous les matériaux innovants étudiés(ex: SOI fortement dopé, plaques obtenues par collage etc.) et les dispositifs SOI sont des solutions possibles aux défis technologiques liés à la réduction de taille et à l'intégration. Dans ce contexte,l'extraction des paramètres électriques clés, comme la mobilité, la tension de seuil et les courants de fuite est importante. Tout d'abord, la caractérisation classique pseudo-MOSFET a été étendue aux plaques SOI fortement dopées et un modèle adapté pour l'extraction de paramètres a été proposé. Nous avons également développé une méthode électrique pour estimer la qualité de l'interface de collage pour des plaquettes métalliques. Nous avons montré l'effet bipolaire parasite dans des MOSFET SOI totalement désertés. Il est induit par l’effet tunnel bande-à-bande et peut être entièrement supprimé par une polarisation arrière. Sur cette base, une nouvelle méthode a été développée pour extraire le gain bipolaire. Enfin, nous avons étudié l'effet de couplage dans le FinFET SOI double grille, en mode d’inversion. Un modèle analytique a été proposé et a été ensuite adapté aux FinFETs sans jonction(junctionless). Nous avons mis au point un modèle compact pour le profil des porteurs et des techniques d’extraction de paramètres

Nouvelles méthodes pseudo-MOSFET pour la caractérisation des substrats SOI avancés

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET ( -MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de -MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le -MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept -MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration -MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or.Silicon-On-Insulator (SOI) device architectures represent attractive alternatives to bulk ones thanks to the improvement of transistors and circuits performances. In this context, the SOI starting material should be of prime quality.In this thesis, we develop novel electrical characterization tools and models for advanced SOI substrates. The classical pseudo-MOSFET ( -MOSFET) characterization for SOI was revisited and extended to low temperatures. Enriched variants of -MOSFET, proposed and demonstrated on numerous geometries, concern split C-V and low-frequency noise measurements. Based on split C-V, an extraction method for the effective mobility was validated. A model explaining the capacitance variations with the frequency shows good agreement with the experimental results. The -MOSFET was also extended to highly doped SOI films and a model for parameter extraction was derived. Furthermore, we proved the possibility to characterize SiGe nanowire 3D stacks using the -MOSFET concept. Finally thin film -MOSFET proved to be an interesting, technology-light detector for gold nanoparticles.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

A study of silicon and germanium junctionless transistors

Technology boosters, such as strain, HKMG and FinFET, have been introduced into semiconductor industry to extend Moore’s law beyond 130 nm technology nodes. New device structures and channel materials are highly demanded to keep performance enhancement when the device scales beyond 22 nm. In this work, the properties and feasibility of the proposed Junctionless transistor (JNT) have been evaluated for both Silicon and Germanium channels. The performance of Silicon JNTs with 22 nm gate length have been characterized at elevated temperature and stressed conditions. Furthermore, steep Subthreshold Slopes (SS) in JNT and IM devices are compared. It is observed that the floating body in JNT is relatively dynamic comparing with that in IM devices and proper design of the device structure may further reduce the VD for a sub- 60 mV/dec subthreshold slope. Diode configuration of the JNT has also been evaluated, which demonstrates the first diode without junctions. In order to extend JNT structure into the high mobility material Germanium (Ge), a full process has been develop for Ge JNT. Germanium-on-Insulator (GeOI) wafers were fabricated using Smart-Cut with low temperature direct wafer bonding method. Regarding the lithography and pattern transfer, a top-down process of sub-50-nm width Ge nanowires is developed in this chapter and Ge nanowires with 35 nm width and 50 nm depth are obtained. The oxidation behaviour of Ge by RTO has been investigated and high-k passivation scheme using thermally grown GeO2 has been developed. With all developed modules, JNT with Ge channels have been fabricated by the CMOScompatible top-down process. The transistors exhibit the lowest subthreshold slope to date for Ge JNT. The devices with a gate length of 3 μm exhibit a SS of 216 mV/dec with an ION/IOFF current ratio of 1.2×103 at VD = -1 V and DIBL of 87 mV/V

Wide Bandgap Based Devices: Design, Fabrication and Applications, Volume II

Wide bandgap (WBG) semiconductors are becoming a key enabling technology for several strategic fields, including power electronics, illumination, and sensors. This reprint collects the 23 papers covering the full spectrum of the above applications and providing contributions from the on-going research at different levels, from materials to devices and from circuits to systems

Caractérisation et modélisation électrique de substrats SOI avancés

Silicon-on-insulator (SOI) substrates represent the best solution to achieve high performance devices. Electrical characterization methods are required to monitor the material quality before full transistor fabrication. The classical configuration used for SOI measurements is the pseudo-MOSFET. In this thesis, we focused on the enrichment of techniques in Ψ-MOSFET for the characterization of bare SOI and III-V wafers. The experimental setup for static ID-VG was improved using a vacuum contact for the back gate, increasing the measurement stability. Furthermore, this contact proved to be critical for achieving correct capacitance values with split-CV and quasi-static techniques (QSCV). We addressed the possibility to extract Dit values from split-CV and we demonstrated by modeling that it is impossible in typical sized SOI samples because of the time constant associated to the channel formation. The limitation was solved performing QSCV measurements. Dit signature was experimentally evidenced and physically described. Several SOI structures (thick and ultra-thin silicon films and BOX) were characterized. In case of passivated samples, the QSCV is mostly sensitive to the silicon film-BOX interface. In non-passivated wafers, a large defect related peak appears at constant energy value, independently of the film thickness; it is associated to the native oxide present on the silicon surface. For low-frequency noise measurements, a physical model proved that the signal arises from localized regions surrounding the source and drain contacts.Les substrats Silicium-sur-Isolant (SOI) représentent la meilleure solution pour obtenir des dispositifs microélectroniques ayant de hautes performances. Des méthodes de caractérisation électrique sont nécessaires pour contrôler la qualité SOI avant la réalisation complète de transistors. La configuration classique utilisée pour les mesures du SOI est le pseudo-MOFSET. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'amélioration des techniques autour du Ψ-MOFSET, pour la caractérisation des plaques SOI et III-V. Le protocole expérimental de mesures statiques ID-VG a été amélioré par l'utilisation d'un contact par le vide en face arrière, permettant ainsi d'augmenter la stabilité des mesures. De plus, il a été prouvé que ce contact est essentiel pour obtenir des valeurs correctes de capacité avec les méthodes split-CV et quasi-statique. L'extraction des valeurs de Dit avec split-CV a été explorée, et un model physique nous a permis de démontrer que ceci n'est pas possible pour des échantillons SOI typiquement utilisés, à cause de la constante de temps reliée à la formation du canal. Cette limitation a été résolue un effectuant des mesures de capacité quasi-statique (QSCV). La signature des Dit a été mise en évidence expérimentalement et expliquée physiquement. Dans le cas d'échantillons passivés, les mesures QSCV sont plus sensibles à l'interface silicium-BOX. Pour les échantillons non passivés, un grand pic dû à des défauts d'interface apparait pour des valeurs d'énergie bien identifiées et correspondant aux défauts à l'interface film de silicium-oxyde natif. Nous présentons des mesures de bruit à basses fréquences, ainsi qu'un model physique démontrant que le signal émerge de régions localisées autour des contacts source et drain

Characterization of heavily doped SOI wafers under pseudo-MOSFET configuration

International audienceVol. 90, pp. doi: (Dec. 2013

Thickness shear mode vibrations in silicon bar resonators

This paper demonstrates a dielectrically transduced high quality factor (Q) quarter-wave thickness shear silicon resonator. Dielectric transduction provides a κ2 reduction in motional impedance relative to air-gap electrostatic transduction. The resonator is fabricated on the 1.8 µm thick device layer of a heavily doped SOI wafer with 68 nm thick silicon nitride thin-film on top. The quarter-wave thickness shear mode of the silicon bar resonator has a resonant frequency of 713 MHz, a motional impedance Rx of 10.5 kΩ and Q of 1,517 in air. After partial release, the bar resonates at 723 MHz, exhibiting a motional impedance Rx of 2.4 kΩ and Q of 4,400 in air. Additionally, by varying a tuning voltage between the resonator and silicon substrate from 50 V to 150 V across a 2.5 micron gap, approximately 5 MHz of frequency tuning is observed

Channel-select micromechanical filters using high-κ dielectrically transduced MEMS resonators

This paper demonstrates electrically and mechanically coupled channel-select filters comprised of dielectrically transduced thickness shear mode resonators. The filters are fabricated on the 3.2 μm thick device layer of a heavily doped SOI wafer with a 30 nm thick hafnium dioxide film sandwiched between the polysilicon electrodes and the silicon device layer. An 809 MHz half-wave thickness shear resonator is demonstrated with a quality factor (Q) of 7,800 in air and a motional impedance (RX ) of 59 Ω. An array of such resonators is coupled electrically and mechanically to form dielectrically transduced MEMS filters. Electrically coupled channel-select filters with 814 MHz center frequency, 600 kHz bandwidth, -4 dB insertion loss (IL) and \u3c 1 dB pass-band ripple are presented. In addition, a mechanically coupled 804 MHz center frequency filter is demonstrated exhibiting -34 dB stop-band rejection and a 20 dB shape factor of 1.28