Dominique FLEURY mercredi 2 Décembre 2009

(1)

Jan 22, 2009

Dominique FLEURY

mercredi 2 Décembre 2009

Thèse préparée à l’école doctorale EEATS de l’INP Grenoble

Directeur de thèse: G. GHIBAUDO (IMEP-LAHC)

Encadrants: A. CROS (STMicroelectronics) et K. ROMANJEK (ex NXP)

(2)

Dominique FLEURY – Soutenance de Thèse, mercredi 2 Décembre 2009

Structure de la présentation: 4 parties

2

sujets traités dans cette présentation

(3)

Introduction

3

(4)

Introduction: context

4

Du produit au dispositif élémentaire:

vue en coupe d’un

transistor MOS

(5)

• Principe de fonctionnement du transistor MOS

– La tension de grille (V

_gs

) contrôle la charge dans le canal – La tension source-drain (V

_ds

) permet la circulation de ces

charges  courant de drain I

_d

.

Introduction: principe de fonctionnement

5

(6)

Introduction: principe de fonctionnement

• La caractéristique courant-tension du transistor MOS

6

(7)

Introduction: la problématique du scaling

8

• La réduction d’échelle: « loi » de Moore

– La densité d’intégration double tous les 2 ans !

(8)

• La réduction d’échelle: « loi » de Moore

– La densité d’intégration double tous les 2 ans !

• MAIS: la miniaturisation des transistors entraîne aussi des problèmes:

– Apparition des effets de canaux courts (perte du contrôle électrostatique de la grille)

– Les capacités parasites deviennent prédominantes – Le transport (la mobilité) est dégradé

Introduction: la problématique du scaling

9

(9)

Longueur effective: améliorations

10

(10)

Longueur effective: à ne pas confondre !

• Les différentes longueurs dans le transistor MOS

11

source (n) ^SDE drain (n)

L_met

définition de la grille masque de litho.

N_d= N_a dopage net (N_d–N_a)

canal

oxyde de grille espaceur grille

(poly-Si) L_poly

(p)

L_eff L_eff L_mask L_mask

dopage type p (canal) dopage type n

SDE

≠

(11)

L _eff doit être mesurée précisément ! Longueur effective: définition

12

La longueur effective de canal (L

_eff

) est CELLE qui gouverne les CRITÈRES DE PERFORMANCE:

– le courant de drain Id (transport, champ électrique) – les effets de canaux courts (DIBL, CSE)

– la durée de vie du dispositif (fiabilité HCI)

(12)

Longueur effective: définition

L’état de l’art des méthodes d’extraction de L _eff :

• basées sur les mesures de courant ex: R _tot (L)

– Ne prennent pas en compte la dégradation de mobilité qui apparait sur les transistors courts

• basées sur les mesures capacitives (C _gc , C _gb ):

– Ne prennent pas en compte les capacités parasites

(13)

Longueur effective: problématique de la mesure La problématique de cette étude

14

CE TAVAIL ÉTAT DE

L’ART

(14)

• Les capacités parasites propres au transistor MOS

contact

C_cont

C_if

C_ov

source

grille

substrat SDE

espaceur

C_if

C_of C_of

C_ov

drain C_cont

C_junc

C_junc CC_junc_junc

contact

SDE

espaceur

Longueur effective: capacités parasites

15

V

_D

STI D

RAIN

(n

⁺

) X

_J

LDD

C

_of

C

_if

C

_ov

source drain

grille

substrat

SDE

espaceur

CE QUI NOUS INTERESSE ICI…

(15)

• La réponse capacitive grille-canal (C _gc ) Longueur effective: capacités parasites

June, 05 2009 16

C

gc

(fF )

V

_gs

(V)

10 10

²

10

³

-1.2 -0.6 0.0 0.6 1.2

grille (high)

substrat (masse) drain (low) source

(low) 1µm

0.2µm

0.1µm 0.12µm 0.4µm L_mask=10µm fuite de

grille

(16)

Longueur effective: capacités parasites

• Mieux comprendre la capacité de bord interne en utilisant des structures sans recouvrement (C _ov =0)

17

acc. layer gate

S/D C_if C_of

extrapolation C_if

V_fb

Inv. layer S/D C_if C_of

V_th

C

gc

(fF )

V

_gs

(V)

accumulation depletion (C_if écrantée) (C_ifmax)

(C_if écrantée) inversion

acc. layer gate

S/D C_if C_of

0 2 4 6 8 10

-2.5 0.0 2.5

gate bias V _g (V)

gate-to-channel capacitance

(17)

Longueur effective: capacités parasites

• Comment modéliser la capacité de bord interne ?

June, 05 2009 18

grille-substrat C

_gb

(V

_gs

)

grille (high)

substrat (low)

drain source

totale C

_tot

(V

_gs

)

grille (high)

substrat (low)

drain (low) source

(low)

grille-canal C

_gc

(V

_gs

)

0 10 20

-2 -1 0 1

V_gs (V) Cgc (mF/m²)

mesure

0 10 20

-2 -1 0 1

V_gs (V) Ctot (mF/m²) ^mesure

0 10 20

-2 -1 0 1

V_gs (V) Cgb (mF/m²)

mesure

grille (high)

substrat (masse)

drain (low) source

(low)

ECRANTAGE

(18)

Longueur effective: capacités parasites

• Modélisation du phénomène d’écrantage dans C _gb (V _gs )

– Définition d’une fonction d’écrantrage F

_shield

(nouveau)

19 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 20 40 60 80 100

C_dep/C_inv Fshield

modèle analytique simulations numériques

0.1%

1.0%

10.0%

100.0%

1000.0%

-2 -1 0 1 2

V_gs (V) Fshield

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 20 40 60 80 100

C_dep/C_inv Fshield

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

-2 -1 0 1 2

V_gs (V)

réponse capacitive (fF)

Cgb depuis modèle analytique Cgb sans effet d'écrantage Cgb effective

(19)

Longueur effective: capacités parasites

• Modélisation du phénomène d’écrantage dans C _gb (V _gs )

– Définition d’une fonction d’écrantrage F

_shield

(nouveau)

20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 20 40 60 80 100

C_dep/C_inv Fshield

0.1%

1.0%

10.0%

100.0%

1000.0%

-2 -1 0 1 2

V_gs (V) Fshield

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 20 40 60 80 100

C_dep/C_inv Fshield

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

-2 -1 0 1 2

V_gs (V)

réponse capacitive (fF)

Cgb depuis modèle analytique Cgb sans effet d'écrantage Cgb effective

(20)

Longueur effective: capacités parasites

• Modélisation de la capacité de bord interne: C _if (V _gs )

21

0 2 4 6

-2.5 0 2.5

V_gs (V)

Cgc (fF/µm) ^{a = 1}

a =0.75 a =0.5 a =0.25 a = 0 Cif

0 1 2

-1.5 -1 -0.5 0

V_gs (V) Cgc (fF/µm)

a = 1 a = 0.75 a = 0.5 a = 0.25 a = 0

0 1.5

-1.25 V_gs (V) 0.25

Cgc (fF/µm)

a = 1 a = 0.75 a = 0.5 a = 0.25 a = 0

Simulation d’un transistor sans recouvrement

max(C_if)

(21)

Longueur effective: capacités parasites

• Modélisation de la capacité de bord interne: C _if (V _gs )

22

acc. layer gate

S/D C_if C_of

extrapolation C_if

V_fb

Inv. layer S/D C_if C_of

V_th

C

gc

(fF )

V

_gs

(V)

accumulation depletion (C_ifécrantée) (C_ifmax)

(C_ifécrantée) inversion

acc. layer gate

S/D C_if C_of

0 2 4 6 8 10

-2.5 0.0 2.5

gate bias V_g (V)

gate-to-channel capacitance

0 2 4 6

-2.5 0 2.5

V_gs (V)

Cgc (fF/µm) ^{a = 1}

a =0.75 a =0.5 a =0.25 a = 0 Cif

0 1 2

-1.5 -1 -0.5 0

V_gs (V) Cgc (fF/µm)

a = 1 a = 0.75 a = 0.5 a = 0.25 a = 0

0 1.5

-1.25 V_gs (V) 0.25

Cgc (fF/µm)

a = 1 a = 0.75 a = 0.5 a = 0.25 a = 0

Simulation d’un

transistor sans

recouvrement

(22)

Longueur effective: méthodologie d’extraction

• Le travail effectué sur les capacités parasites nous permet de comprendre l’allure d’une mesure C _gc (V _gs )

23

4 8 10 12 14 16

-3.5 -1.5 0.5 2.5

6 C

gc

(f F)

V

_gs

(V)

V_g~ V_fb

Vth,CV

ψ_s= 2ψ_b

capacités parasites totales

L=100nm

L=65nm

0.013 0.017

-3.5 -1.5 0.5 2.5

gate bias V_g (V)

Cov (F/m²)

V

fb

0.013 0.017

-3.5 -1.5 0.5 2.5

gate bias V_g (V)

Cov (F/m²)

0.013 0.017

-3.5 -1.5 0.5 2.5

gate bias V_g (V)

Cov (F/m²)

N_SDE= 5E26/m³

simulation N_gate=1E27/m³ t_ox=18.5Ǻ

décroissance de C

_ov

C

_if

est écrantée

C

_if

est

écrantée

(23)

Longueur effective: nouvelle métodologie

24

• Implémentation sous forme de test automatique:

0 2 4 6 8

-2.5 0.0 2.5

V

_gs

(V) C

gc

( p F) o u d C

gc

/d V

gs

( p F/ V )

L_mask= 60nm

L_mask= 40nm

L_mask= 35nm

C_par

V_par V_inv

C_inv

V_th C_gc,int

Technologie CMOS 45nm

-

déploiement sous forme de

test en ligne

(24)

Longueur effective: résultats (1/2)

25

• Mesures précises de L _eff :

– Précision de l’ordre de 1nm sur des transistors L

_eff

< 100nm – Corrélation avec les études en fiabilité (durée de vie HCI)

33.0 33.5 34.0 34.5

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

temperature (°C) Leff moyen (nm)

L_mask = 40nm C_eff = 0.155 F/cm²

0 50 100 150

-6.8 -4.8 -2.8 -0.8 1.2 3.2 5.2

écart à la moyenne (nm)

population

mesures

distribution normale

2s = 1.66nm c² = 0.61

-4 0 4 8 12 16

0.01 0.1 1

L_mask (µm)

L (nm)

nMOS pMOS transistor sub-nominal (L_eff22nm)

(25)

Longueur effective: résultats (2/2)

26

• Exemple: mise en évidence de la diffusion des extensions S/D:

7 10 13 16 19 22

30 70 110

L_mask (nm) ΔL = Lmask − Leff (nm)

RTP 1010°C RTP 980°C

1 4

30 L_mask (nm) 110

ΔLeff (nm)

diffusion des extensions S/D

C eff C eff

eff L L

L = ^  ^

 ¹⁰¹⁰ ⁹⁸⁰

(26)

Longueur effective: conclusions

27

Les conclusions de cette partie:

 Une meilleure compréhension des capacités parasites a permis de concevoir une méthodologie de mesure de L

_eff

plus robuste (résultats précis et fiables sur transistors courts).

 L’automatisation de la mesure devient possible (transfert sous forme de test en ligne) pour permettre un suivi de L

_eff

au cours du développement de la technologie.

 Ouvre de nouvelle perspectives dans l’étude des propriétés de

transport sur des transistors courts : mobilité, balisticité…

(27)

Le transport: étude expérimentale

28

(28)

Le transport: de la diffusion à balistique…

• Le libre parcours moyen: un point de départ à

l’unification des différentes théories de transport:

29

libre parcours moyen (λ)

performances

Dérive-diffusion

un grand nombre d’interactions se produisent

dans le canal, la vitesse sature pour de forts

champs

Balistique

aucune interaction dans le canal.

Quasi-balistique

quelques porteurs sont balistiques, quelques

interactions

Transport non-local

les porteurs ne relaxent pas entièrement leur énergie, phénomène de survitesse

λ L λ << L

λ >> L

état de l’art

(29)

Le transport: définition de la mobilité (1/2)

30

« En physique, la mobilité d'un électron relie sa vitesse au champ électrique,

dans un solide ou dans un gaz »

source: Wikipédia

(30)

Le transport: définition de la mobilité (2/2)

31

« En physique, la mobilité d'un électron relie sa vitesse au champ électrique,

dans un solide ou dans un gaz »

source: Wikipédia

vit esse

champ électrique

(31)

Le transport: les mécanismes de collision

• Les centres de diffusion quasi-élastiques:

– Les phonons acoustiques: µ

_ph

– Les centres chargés (interaction de Coulomb): µ

_cb

– La rugosité de surface: µ

_SR

– Les centres non chargés (dislocation, interstitiels): µ

_N

• Les centres de diffusion inélastiques

– Les phonons optiques (v

_sat

)

– Provoquent UNE DEVIATION A LA LOI D’OHM

• La mobilité effective du canal:

32

(32)

Le transport: les mécanismes de collision

• Les signatures en champ et en température…

33

T

⁰

(33)

Le transport: les mécanismes de collision

• Le concept de vitesse de saturation (v _sat )

– Collisions inélastiques  déviation de la loi d’Ohm – La vitesse sature à fort champ

35

lateral electric field

drift ve locity

saturation velocity: v

_sat

field dependent mobility model (Caughey-Thomas), reproduces experimental v

_d

(E

_lat

) behavior constant

mobility model

v =µ

^d

.E

^la^t

sat d

v E µ

E v µ

 

=

2 1 .

.

(34)

Le transport: problématique

36

Les propriétés du régime linéaire sont-elles

transposables au régime de saturation ?

(35)

Le transport: le régime linéaire

• Une chute de mobilité prononcée sur les canaux courts

37 0

50 100 150 200

0 50 100 150 200

L

_eff

(nm) µ

eff

( cm ²/ V .s)

T = 230K T = 410K modèle exp.

modèle lin.

α_µ = 0.248 nm.V.s/cm² µ_max= 257cm²/V.s

α_µ= 0.263 nm.V.s/cm² µ_max= 146cm²/V.s modèle exponentiel:

1/µ = 1/µ_+ 1/µ_N0.exp(-α_µNL_eff) modèle linéaire:

1/µ = 1/µ_max+ α_µ/L_eff

α_µN0.032nm^-1 µ_N050cm²/V.s µ_µ_eff(1µm) résultat non physique

(36)

Le transport: le régime linéaire

• La valeur du libre parcours moyen est contradictoire avec l’hypothèse de la quasi-balisticité !

38

(37)

Le transport: le régime de saturation

• Mise en évidence d’une saturation de vitesse

39 y = 1.07E-06x

y = 1.74E-06x

0.0 0.1 0.2 0.3

0 50 100 150 200 250

µ

_eff

(cm²/V.s) I

lin

 L

eff

/V

ds

o u 2 I

on

 L

eff

/V

gt

( m A /V .µ m )

régime de saturation (Vds=Vgt)

régime linéaire (Vds=10mV)

V_gt= 1.1V

0.5 1.0

0 L_eff(µm) 1 Ilin/IonVgt/2Vds

0.5 1.0

0 L_eff(µm) 1 Ilin/IonVgt/2Vds

ds gt on

lin

V V I

I

2

eff eff lin

lin

µ µ I

I 



 

0 .

1 ^eff

eff on

on

µ µ I

I 



 

6 . 0

(38)

Le transport: méthode d’extraction (1/2)

• Construction d’une nouvelle méthode d’extraction

40

ré r é gime de saturation gime de saturation

s lim

lim W v Q

I =  

limitation balistique

ré r é gime gime liné lin éaire aire

Pas de vitesse de saturation en régime lin.

T k Q qV v

W I

B s ds inj ballin

2





ds s

ddlin dd Q

L V W µ

I =  

s gt dd

ddon Q

L V W µ

I =  

2

s inj

balon W v Q

I =  

s sat

sat W v Q

I =  

saturation balistique

vitesse limite or

s inj

balon W v Q

I =  

s sat

sat W v Q

I =  

saturation balistique

vitesse limite or

lim ddon

don I I

I

1 1

1 = 

gt s don on

V WQ

I L

µ 2

et =

ballin ddlin

dlin I I

I

1 1

1 = 

ds s lin dlin

V WQ

I L

µ = et

lim lin

on

gt µ v

L µ

L

V 2

= 1



 



 



compensation de µ

_dd

équations dérive- diffusion limitation du

courant I_on

mobilité apparente

+ +

=

(39)

Le transport: méthode extraction (2/2)

• Un protocole d’extraction « simple »:

41 3

4 5 6 7

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1

V

_gt

 Q

_inv

(V) 2  (L /µ

lin

- L /µ

sat

) (µ V s/ m ²)

1/n

_lim

L

_eff

= 22nm nMOS

Mesures

I

_d

(V

_gs

) en régime linaire et saturé

correction de R

_sd

Extraction de Vth

et Rsd

Extraction n _lim

(40)

Le transport: analyse de v _lim

• Extraction de v _lim en fonction de L _eff

42 +40%

1 1.2 1.4 1.6 1.8

0 40 80 120

L

_eff

(nm) v

lim

( 1 0

7

c m /s)

T = 230K T = 410K

1.0 1.4 1.7

200 325 450

temperature (K) vlim (107 cm/s) L_eff= 22nm

L_eff= 120nm

L’augmentation

de 40% pourrait résulter des

contraintes

mécaniques

(41)

Le transport: analyse de v _lim

43 0.9

1.1 1.3 1.5 1.7

200 250 300 350 400

temperature (K) vitesse (107 cm/s)

dépendance v_inj(T) d’après Zilli et al.

v_sat(T) d’arprès Jacoboni

+40%

mesures (v_lim) mesures (v_lim)

L = 20nm

L = 40nm

L’allure de v

_lim

semble résulter de multiples collisions dans

le canal

• Identification du mécanisme de transport grâce à la

signature en température:

(42)

Le transport: hypothèse de la survitesse (1/2)

• Explication des résultats par la théorie de la survitesse

44 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8

0 10 20 30

E

_y

(0) (mV/nm)



y

E

y

(0 ) (mV /nm ²)

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

0 50 100 150 200

L

_eff

(nm) n

sat

* (1 0

7

c m /s )

mesure modèle de survitesse

33nm 44nm

efficacité à la source

22nm

∂_yE _y(0) E _y(0)

1/L_eff

τ_w= 0.35ps n_sat1x10⁷cm/s

(43)

Le transport: hypothèse de la survitesse (2/2)

• La théorie de la survitesse permet d’expliquer le comportement de v _lim en température et en L _eff .

45 0.8

0.9 1.0 1.1 1.2

200 300 400

T (K) n

sat

(1 0

7

c m /s )

extractions

modèle de Jacoboni 1.0

1.2 1.4 1.6

0 50 100 150 200

L

_eff

(nm) n

sat

* (1 0

7

c m /s )

modèle

mesures T=413K mesures T=233K

τ_w= 0.35ps

accord avec le modèle à ±5%

(44)

Le transport: conclusion (1/2)

• Les nouveautés de la méthode

– Utilisation du concept de mobilité apparente

– Utilisation des régimes linéaires et de saturation simultanément

– Concept de vitesse limite v

_lim

• Les avantages de la nouvelle extraction

– La nature de v

_lim

n’est pas présupposée – La mesure de µ

_dd

/L

_eff

n’est pas nécessaire

– Mesures rapides (courants) permettant une bonne statistique

46

(45)

Le transport: conclusion (2/2)

47

• Conclusion concernant le transport …

(46)

Le transport: étude expérimentale

48

(47)

Conclusion & Perspectives

• Conception de nouvelles méthodologies d’extraction

– Amélioration de l’extraction de la longueur effective de canal grâce à une meilleure compréhension des capacités parasites – Extraction des paramètres du courant (fonction , extraction

sous le seuil)

– Extraction des résistances séries: méthode R

_tot

(1/)

• Mise en évidence expérimentale du rôle des mécanismes de collision dans les canaux courts

• Perspectives:

– Application de l’extraction v

_lim

sur d’autres technologies – Extraction de la résistance série sur une seule longueur

– Trouver les leviers qui permettent une balisticité effective ?

49

(48)

Merci !

50

(49)

Le pot de thèse !

Pot de thèse: Bâtiment IMEP Salle Belledonne (1

^er

Dominique FLEURY mercredi 2 Décembre 2009