MODELLING OF CARRIER TRANSPORT UNDER MECHANICAL STRAIN FOR SUB-65 NM CMOS TRANSISTORS
MODELISATION DU TRANSPORT SOUS CONTRAINTE MECANIQUE DANS LES TRANSISTORS SUB-65 NM POUR LA MICROELECTRONIQUE CMOS
Résumé
The race for MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) performance now implies the introduction of technological boosters. Nowadays, mechanical stress engineering is one of the essential steps involved in device conception. In this context, the main goals of this work are to model the devices candidate for the next technology nodes and quantify the influence of mechanical stress on carrier transport. The mobility is the main figure of merit used to quantify device performance and is a core parameter for commercial simulators. In this framework, the concept of effective mobility and magnetoresistance mobility are analyzed. The central role of non stationary effects on mobility extraction is highlighted and quantified thanks to advanced models. Next, thanks to the Full Band version of the Monte Carlo Simulator MONACO developed during this thesis, the influence of stress on Silicon band structure is studied. The consequences on carrier transport in short channel devices are quantified. Contrary to electrons, hole transport is far from ballistic transport and the mobility can still be considered as a reasonable figure of merit for device performance. Finally, hole transport under uniaxial stress in inversion layers is studied through wafer bending experiments. Thanks to a Kubo-Greenwood mobility calculation tool (coupled to a self consistent 6 band k.p Schrödinger / Poisson solver) developed during this thesis, experimental trends can be explained by the strong coupling between stress and carrier confinement.
La course à la miniaturisation des transistors MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) implique l'utilisation de nouvelles technologies d'amélioration des performances. Notamment, l'ingénierie de contrainte mécanique est aujourd'hui devenue une étape incontournable. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail sont de modéliser les dispositifs des prochains nœuds technologiques et de quantifier l'impact de la contrainte mécanique sur le transport. La mobilité est le facteur de mérite principalement exploité pour quantifier les performances d'une technologie et l'un des paramètres clés des simulateurs commerciaux. Dans ce cadre, le concept de mobilité effective et de mobilité de magnétorésistance dans les dispositifs courts est analysé et le rôle prépondérant des effets non stationnaires dans leur extraction est clairement identifié et quantifié par des modèles avancés. Ensuite, grâce à la version « Full Band » du simulateur particulaire Monte Carlo MONACO développée durant cette thèse, l'influence de la contrainte sur la structure de bandes et ses répercussions sur le transport dans les transistors courts sont étudiées. En bande de valence, le régime balistique est loin d'être atteint et la mobilité reste représentative des performances. Enfin, l'impact de la contrainte uniaxiale sur la mobilité des trous en couche d'inversion est étudiée par le biais d'expériences de flexion mécanique. Grâce à l'outil de calcul de mobilité Kubo-Greenwood (couplé à une résolution autocohérente des équations de k.p Schrödinger à 6 bandes et de Poisson) développé dans cette thèse, les tendances observées sont expliquées par les forts couplages existants entre les effets de contrainte et de confinement des trous.
Loading...