Fonctionnement de la trigate

Le procédé de fabrication nanodamascène à grille auto-alignée implique l’alignement de l’îlot par rapport à un box, qui contiendra la grille. Comme on a pu le voir en 3.3.1, cet alignement implique une certaine marge d’erreur, nécessitant un box bien plus large que l’îlot. La ligne déposée lors de l’étape de soulèvement, et qui servira à la création de l’îlot (Figure 3-9 c) a une longueur suffisante pour déborder dans le box. Ceci permet de s’assurer que, même en cas de désalignement prononcé, elle traversera le canal, créant bien l’îlot désiré. Toutefois, afin d’assurer un bon fonctionnement de la grille, cette ligne est élargie peu après son entrée dans le box, afin de couvrir l’ensemble de la structure (partie en jaune sur la Figure 3-23). Elle est amenée jusqu’aux éléments créées lors de la photolithographie. On s’assure ainsi en théorie d’avoir un bon chemin de conduction entre tous les éléments de la grille.

Figure 3-23 Schématisation de la structure du SET, avec en jaune la partie déposée par soulèvement, et en rouge celle provenant de la couche de métal déposée avant CMP. Les grilles flottantes correspondent aux structures à l’extrémité du box, séparée de la grille par des jonctions tunnel (en noir). Réalisée sous SketchUp.

On remarquera que la structure, telle qu’elle a été réalisée, forme deux grilles flottantes à l’extrémité du box. Ces deux grilles flottantes combinées à la grille centrale forment la trigate. On évalue la capacité 𝐶𝑖𝑗 ^{entre un élément} 𝑖 et un élément 𝑗 grâce à l’équation (3-14). On obtient donc pour notre système une matrice de capacités à 6 éléments (îlot, source, drain, grille, grille flottante 1, et grille flottante 2).

𝐶_𝑖𝑗 =^𝜕𝑄_𝜕𝑉^𝑖

𝑗 ^(3-14)

Les paramètres du système de base considéré sont indiqués dans la Figure 3-24. Ils correspondent aux SET aux dimensions relâchées, tels qu’ils ont pu être produits au cours de ce projet. On y retrouve aussi la matrice capacitive correspondante.

Figure 3-24 Simulation COMSOL Multiphysics d'un dispositif SET dont la grille est polarisée (en haut à gauche). Paramètres par défaut utilisés dans les simulations pour le SET (en haut à droite). Les paramètres en gras indiquent ceux qui seront variés par la suite. Matrice capacitive du SET (valeurs en Farad) extraite des simulations COMSOL. Gf_S et Gf_D correspondent respectivement à l’élément grille flottante faisant face à la source, et faisant face au drain. La matrice devrait normalement être symétrique. La légère différence existant entre les éléments Cij et Cji provient du maillage trop grossier. Les limites de l’ordinateur utilisé pour réaliser ces calculs n’ont pas permis de l’affiner. Pour la suite, on considèrera que la capacité entre deux éléments i et j est la moyenne des capacités Cij et Cji.

Des simulations ont été effectuées avec ces paramètres sous SIMON, un logiciel utile pour la simulation d’une vaste de gamme de circuits monoélectroniques utilisant la méthode Monte-Carlo. Bien que SIMON ne puisse prendre en compte les courants thermoïoniques ou Fowler Nordheim, il a été employé ici pour sa modularité et sa souplesse d’utilisation. Il est à noter que la jonction entre la grille et les grilles flottantes a été modélisée par une jonction

tunnel, l’oxyde étant de même nature que celui formant les jonctions tunnel du SET. Les courbes de potentiels montrés dans la Figure 3-25 mettent en évidence la grande similarité entre les potentiels de la grille et des grilles flottantes. Cette quasi égalité vient du passage des charges par effet tunnel de la grille aux grilles flottantes dès que la différence de potentiel dépasse une certaine valeur. C’est pourquoi on considèrera par la suite que la capacité grille-îlot efficace est donnée par la somme de la capacité grille-grille-îlot et des capacités grilles flottantes-îlot.

Figure 3-25 Illustration du schéma électrique du SET utilisé sous SIMON (Wasshuber et al., 1997) pour la simulation (à gauche). Pour plus de clarté, toutes les liaisons capacitives n’ont pas été représentées. La liason entre la grille et les grilles flottantes est faite au moyen d’une jonction tunnel. L’évolution du potentiel de la grille flottante en fonction de la tension de grille est montré à droite. Le graphique indique aussi son état de charge. La courbe rouge en trait plein indique le potentiel de la grille flottante, la courbe noire en pointillé sert de référence et correspond au potentiel de la grille.

Les simulations effectuées à l’aide de COMSOL montrent une forte dépendance de la capacité de grille avec la distance grille canal. L’erreur au niveau de l’alignement de l’îlot ne semble pas avoir une grande influence sur la capacité de grille : capacité pour un îlot parfaitement centré : 0.75aF ; capacité pour un îlot situé à l’extrémité du box : 0.85aF. Enfin, l’influence de la largeur du box sur la capacité de grille est présent, mais moins important qu’on aurait pu l’imaginer : le passage d’un box de 100nm à un box de 200nm n’entraine qu’une variation de 0.74aF à 0.87aF. Enfin, la longueur de la grille flottante n’a pas d’impact sur la capacité de grille.

On en conclut que, la largeur du box n’ayant qu’un faible impact sur la capacité de grille, il n’est pas nécessaire d’essayer de la réduire autant que possible. Au contraire, il est préférable de la définir suffisamment grande pour que l’îlot soit correctement aligné avec le box. L’augmentation occasionnée au niveau de la capacité peut être rattrapée en augmentant la distance box-canal. Il n’est pas utile d’essayer de réduire au maximum les dimensions des grilles flottantes, car cela n’a pas d’impact sur la capacité de grille totale. Il convient ici aussi de la définir suffisamment grande pour ne pas avoir de problèmes en cas d’éventuel désalignement. Enfin, la variation de la capacité enregistrée en fonction du décentrage, si elle est faible n’en est pas moins problématique car elle implique une variabilité de comportement d’un dispositif à l’autre.

Figure 3-26 Evolution des capacités grille-îlot, grille flottante-îlot et capacité de grille totale ; en fonction des différents paramètres du box. Calcul réalisé sous COMSOL Multiphysics.