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

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

Verspannungstechniken zur Leistungssteigerung von SOI-CMOS-Transistoren

Mit dem Erreichen der Grenzen der konventionellen MOSFET-Skalierung werden neue Techniken untersucht, um die Leistungsfähigkeit der CMOS-Technologie dem bisherigen Trend folgend weiter zu steigern. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung mechanischer Verspannungen im Transistorkanal. Mechanische Verspannungen führen zu Kristalldeformationen und ändern die elektronische Bandstruktur von Silizium, so dass n- und p-MOSFETs mit verspannten Kanälen erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeiten und demzufolge eine gesteigerte Leistungsfähigkeit aufweisen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen mechanischer Verspannungen auf die elektronischen Eigenschaften planarer Silicon-On-Insulator-MOSFETs für Höchstleistungsanwendungen sowie mit deren Optimierung und technologischen Begrenzungen. Der Effekt der Verspannung auf die Bandstruktur von Silizium und die Ladungsträgerbeweglichkeit wird zunächst systematisch mit Hilfe der empirischen Pseudopotenzialmethode und der Deformationspotenzialtheorie untersucht. Verringerte Streuraten und kleinere effektive Massen als Folge der Aufspaltung der Energiebänder sowie von Bandverformungen sind der Hauptgrund für eine erhöhte Löcher- bzw. Elektronenbeweglichkeit. Die unterschiedlichen Konzepte zur Erzeugung der Verspannung werden kurz rekapituliert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den verspannten Deckschichten, den Si1-xGex- bzw. Si1-yCy- Source/Drain-Gebieten, den verspannungsspeichernden Prozessen und den verspannten Substraten. Die starke Abhängigkeit dieser Verspannungstechniken von der Transistorstruktur macht die Nutzung numerischer Simulationen unabdingbar. So werden die Auswirkungen von Variationen der Transistorgeometrie sowie von Prozessparametern im Hinblick auf die Verspannung und die Drainstromänderungen der Transistoren neben den Messungen am gefertigten Transistor auch anhand numerischer Simulationen dargestellt und verglichen. Wesentliche Parameter für eine erhöhte Verspannung werden bestimmt und technologische Herausforderungen bei der Prozessintegration diskutiert. Die durchgeführten Simulationen und das erlangte Verständnis der Wirkungsweise der Verspannungstechniken ermöglichen es, das Potenzial dieser Verspannungstechniken für weitere Leistungssteigerungen in zukünftigen Technologiegenerationen abzuschätzen. Dadurch ist es möglich, die Prozessbedingungen und die Eigenschaften der fertigen Bauelemente im Hinblick auf eine gesteigerte Leistungsfähigkeit hin zu optimieren. Mit der weiteren Verkleinerung der Strukturgrößen der Bauelemente wird der zunehmende Einfluss der parasitären Source/Drain-Widerstände als Begrenzung der Effektivität der Verspannungstechniken identifiziert. Anschließend werden die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Verspannungstechniken hervorgehoben bzw. die gegebenenfalls auftretenden Einschränkungen angesprochen. Abschließend wird das Transportverhalten sowohl im linearen ohmschen Bereich als auch unter dem Einfluss hoher elektrischer Feldstärken analysiert und die deutlichen Unterschiede für die Leistungssteigerungen der verspannten n- und p-MOSFETs begründet.As conventional MOSFET scaling is reaching its limits, several novel techniques are investigated to extend the CMOS roadmap. One of these techniques is the introduction of mechanical strain in the silicon transistor channel. Because strain changes the inter-atomic distances and thus the electronic band structure of silicon, ntype and p-type transistors with strained channels can show enhanced carrier mobility and performance. The purpose of this thesis is to analyze and understand the effects of strain on the electronic properties of planar silicon-on-insulator MOSFETs for high-performance applications as well as the optimization of various stress techniques and their technological limitations. First, the effect of strain on the electronic band structure of silicon and the carrier mobility is studied systematically using the empirical pseudopotential method and the deformation potential theory. Strain-induced energy band splitting and band deformations alter the electron and hole mobility through modulated effective masses and modified scattering rates. The various concepts for strain generation inside the transistor channel are reviewed. The focus of this work is on strained overlayer films, strained Si1-xGex and Si1-yCy in the source/drain regions, stress memorization techniques and strained substrates. It is shown, that strained silicon based improvements are highly sensitive to the device layout and geometry. For that reason, numerical simulations are indispensable to analyze the efficiency of the strain techniques to transfer strain into the channel. In close relation with experimental work the results from detailed simulation studies including parameter variations and material analyses are presented, as well as a thorough investigation of critical parameters to increase the strain in the transistor channel. Thus, the process conditions and the properties of the fabricated devices can be optimized with respect to higher performance. In addition, technological limitations are discussed and the potential of the different strain techniques for further performance enhancements in future technology generations is evaluated. With the continuing reduction in device dimensions the detrimental impact of the parasitic source/drain resistance on device performance is quantified and projected to be the bottleneck for strain-induced performance improvements. Next, the effects from a combination of individual strain techniques are studied and their interactions or possible restrictions are highlighted. Finally, the transport properties in the low-field transport regime as well as under high electrical fields are analyzed and the notable differences between strained n-type and p-type transistors are discussed

Caractérisation, mécanismes et applications mémoire des transistors avancés sur SOI

Ce travail présente les principaux résultats obtenus avec une large gamme de dispositifs SOI avancés, candidats très prometteurs pour les futurs générations de transistors MOSFETs. Leurs propriétés électriques ont été analysées par des mesures systématiques, agrémentées par des modèles analytiques et/ou des simulations numériques. Nous avons également proposé une utilisation originale de dispositifs FinFETs fabriqués sur ONO enterré en fonctionnalisant le ONO à des fins d'application mémoire non volatile, volatile et unifiées. Après une introduction sur l'état de l'art des dispositifs avancés en technologie SOI, le deuxième chapitre a été consacré à la caractérisation détaillée des propriétés de dispositifs SOI planaires ultra- mince (épaisseur en dessous de 7 nm) et multi-grille. Nous avons montré l excellent contrôle électrostatique par la grille dans les transistors très courts ainsi que des effets intéressants de transport et de couplage. Une approche similaire a été utilisée pour étudier et comparer des dispositifs FinFETs à double grille et triple grille. Nous avons démontré que la configuration FinFET double grille améliore le couplage avec la grille arrière, phénomène important pour des applications à tension de seuil multiple. Nous avons proposé des modèles originaux expliquant l'effet de couplage 3D et le comportement de la mobilité dans des TFTs nanocristallin ZnO. Nos résultats ont souligné les similitudes et les différences entre les transistors SOI et à base de ZnO. Des mesures à basse température et de nouvelles méthodes d'extraction ont permis d'établir que la mobilité dans le ZnO et la qualité de l'interface ZnO/SiO2 sont remarquables. Cet état de fait ouvre des perspectives intéressantes pour l'utilisation de ce type de matériaux aux applications innovantes de l'électronique flexible. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes concentrés sur le comportement de la mobilité dans les dispositifs SOI planaires et FinFET en effectuant des mesures de magnétorésistance à basse température. Nous avons mis en évidence expérimentalement un comportement de mobilité inhabituel (multi-branche) obtenu lorsque deux ou plusieurs canaux coexistent et interagissent. Un autre résultat original concerne l existence et l interprétation de la magnétorésistance géométrique dans les FinFETs.L'utilisation de FinFETs fabriqués sur ONO enterré en tant que mémoire non volatile flash a été proposée dans le quatrième chapitre. Deux mécanismes d'injection de charge ont été étudiés systématiquement. En plus de la démonstration de la pertinence de ce type mémoire en termes de performances (rétention, marge de détection), nous avons mis en évidence un comportement inattendu : l amélioration de la marge de détection pour des dispositifs à canaux courts. Notre concept innovant de FinFlash sur ONO enterré présente plusieurs avantages: (i) opération double-bit et (ii) séparation de la grille de stockage et de l'interface de lecture augmentant la fiabilité et autorisant une miniaturisation plus poussée que des Finflash conventionnels avec grille ONO.Dans le dernier chapitre, nous avons exploré le concept de mémoire unifiée, en combinant les opérations non volatiles et 1T-DRAM par le biais des FinFETs sur ONO enterré. Comme escompté pour les mémoires dites unifiées, le courant transitoire en mode 1T-DRAM dépend des charges non volatiles stockées dans le ONO. D'autre part, nous avons montré que les charges piégées dans le nitrure ne sont pas perturbées par les opérations de programmation et lecture de la 1T-DRAM. Les performances de cette mémoire unifiée multi-bits sont prometteuses et pourront être considérablement améliorées par optimisation technologique de ce dispositif.The evolution of electronic systems and portable devices requires innovation in both circuit design and transistor architecture. During last fifty years, the main issue in MOS transistor has been the gate length scaling down. The reduction of power consumption together with the co-integration of different functions is a more recent avenue. In bulk-Si planar technology, device shrinking seems to arrive at the end due to the multiplication of parasitic effects. The relay has been taken by novel SOI-like device architectures. In this perspective, this manuscript presents the main achievements of our work obtained with a variety of advanced fully depleted SOI MOSFETs, which are very promising candidates for next generation MOSFETs. Their electrical properties have been analyzed by systematic measurements and clarified by analytical models and/or simulations. Ultimately, appropriate applications have been proposed based on their beneficial features.In the first chapter, we briefly addressed the short-channel effects and the diverse technologies to improve device performance. The second chapter was dedicated to the detailed characterization and interesting properties of SOI devices. We have demonstrated excellent gate control and high performance in ultra-thin FD SOI MOSFET. The SCEs are efficiently suppressed by decreasing the body thickness below 7 nm. We have investigated the transport and electrostatic properties as well as the coupling mechanisms. The strong impact of body thickness and temperature range has been outlined. A similar approach was used to investigate and compare vertical double-gate and triple-gate FinFETs. DG FinFETs show enhanced coupling to back-gate bias which is applicable and suitable for dynamic threshold voltage tuning. We have proposed original models explaining the 3D coupling effect in FinFETs and the mobility behavior in ZnO TFTs. Our results pointed on the similarities and differences in SOI and ZnO transistors. According to our low-temperature measurements and new promoted extraction methods, the mobility in ZnO and the quality of ZnO/SiO2 interface are respectable, enabling innovating applications in flexible, transparent and power electronics. In the third chapter, we focused on the mobility behavior in planar SOI and FinFET devices by performing low-temperature magnetoresistance measurements. Unusual mobility curve with multi-branch aspect were obtained when two or more channels coexist and interplay. Another original result in the existence of the geometrical magnetoresistance in triple-gate and even double-gate FinFETs.The operation of a flash memory in FinFETs with ONO buried layer was explored in the forth chapter. Two charge injection mechanisms were proposed and systematically investigated. We have discussed the role of device geometry and temperature. Our novel ONO FinFlash concept has several distinct advantages: double-bit operation, separation of storage medium and reading interface, reliability and scalability. In the final chapter, we explored the avenue of unified memory, by combining nonvolatile and 1T-DRAM operations in a single transistor. The key result is that the transient current, relevant for 1T-DRAM operation, depends on the nonvolatile charges stored in the nitride buried layer. On the other hand, the trapped charges are not disturbed by the 1T-DRAM operation. Our experimental data offers the proof-of-concept for such advanced memory. The performance of the unified/multi-bit memory is already decent but will greatly improve in the coming years by processing dedicated devices.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF