Intégration 3D de nanofils Si-SiGe pour la réalisation de

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Intégration 3D de nanofils Si-SiGe pour la réalisation detransistors verticaux 3D à canal nanofil

Guillaume Rosaz

To cite this version:Guillaume Rosaz. Intégration 3D de nanofils Si-SiGe pour la réalisation de transistors verticaux 3D àcanal nanofil. Autre. Université de Grenoble, 2012. Français. NNT : 2012GRENT108. tel-00981971

THÈSE Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : NANO ELECTRONIQUE ET NANO TECHNOLOGIES

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Guillaume ROSAZ Thèse dirigée par Thierry BARON coencadrée par Bassem SALEM et Nicolas PAUC préparée au sein du Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (CNRS) et du Laboratoire Silicium, Nanoélectronique, Photonique et Structures (CEA-INAC-SP2M) dans l'École Doctorale EEATS

Intégration 3D de nanofils Si et SiGe pour la réalisation de transistors verticaux à canal nanofil. Thèse soutenue publiquement le 11 décembre 2012 devant le jury composé de :

Dr, Gérard, GHIBAUDO Directeur de recherche, IMEP/LAHC, Grenoble, Président

Pr, Jean-Luc, AUTRAN Professeur, IM2NP, Marseille, Rapporteur

Dr, Emmanuel, DUBOIS Directeur de recherche, IEMN, Villeneuve d’Ascq, Rapporteur

Dr, Guilhem, LARRIEU Chargé de recherche, LAAS, Toulouse, Examinateur

Dr, Jean-Louis, LECLERCQ Chargé de recherche, Ecole centrale de Lyon, Examinateur

Dr, Thierry, BARON Directeur de recherche, LTM, Grenoble, Directeur de thèse

Dr, Bassem, SALEM Chargé de recherche, LTM, Grenoble, Encadrant de thèse

Dr, Nicolas, PAUC Ingénieur CEA, INAC/SiNaPS, Grenoble, Co-encadrant de thèse

À mes parents et grands-parents,

« Anything that can go wrong, will go wrong »

Edward A. Murphy Jr.

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VT

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VDS IDS VG

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dΨs

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Cox

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Cox

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d(lnID)= (ln10)

dVG

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kT

) = (ln10)

(

kT

q

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Cox

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(

kT

q

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Cox + CD + Cit

Cox

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qφiBn = q (ΦM − χ)

♥ r♠ s♠♦♥tr s♦é ♥ét♥t é♥ér♠♥t ♣s ♥é ♠ét s♦é ♥♦s

♣♦♦♥s é♥r ♣♦r s♠♦♥tr ♥ tr s♦rt ΦS ♦♠♠ ét♥t ér♥ é♥r ♥tr

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♥① r♠ r♣♦ss s ♣♦rtrs ♠♦rtrs s♠♦♥tr ♦♥ ♥tr q st

s ♣♦r ΦnS < ΦM ♦rs ♦♥tt st rrssr ♥ t ♥s tt ♦♥rt♦♥ s ♦rs ♥

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♥tr ♥s♥t ♣r à♠ê♠ t sttstq ♦t③♠♥♥ ♥ ésrt♦♥ ♣r♦rss ♣♦rtrs

♠♦rtrs ♣♣♥t s étts ♦♥t♦♥ t rs♣♦♥ss tr♥s♣♦rt étr♦♥q ♦♥trr

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s ♣♦r ΦnS > ΦM ♦rs ♦♥tt sr ♦♠q r ♠♦♥tr ①♠♣ ♥ s♠♦♥tr

t②♣ ♥ ♦r♠♥t ♥ ♦♥t♦♥ ♦tt② t②♣ rrssr

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t ♣♦t♥t ΨiB ♥s s♠♦♥tr st ♦♥♥é ♣r

ΨiB = − | ΦM − ΦS |

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st ♣♣é ré♦♥ é♣ét♦♥ ♦ ③♦♥ r s♣ ♣r♦ ♣♦t♥t étrq ♣t êtr

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♦♥♥ss♥t strt♦♥ r t♦t

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Nd t Na ♦♥♥trt♦♥s cm−3) s ♦♣♥ts ♦♥♥rs t ♣trs rs♣t♠♥t s♣♣♦sés t♦s

♦♥sés ♥s s♠♦♥tr ♠ss s♣♣♦sé t②♣ ♥ ♣ st ♦♥♥trt♦♥ tr♦s rs t ♥

♦♥♥trt♦♥ étr♦♥s rs ♥ ♣♣q♥t té♦rè♠ ss t ♥ ♦♥sér♥t Na t p ♦♠♠

♥és ♥♦s tr♦♦♥s q rr é♣ét♦♥ ❲ st é♥ ♦♠♠

WD =

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(

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♠♥ ♥ r s♦ ♠♥t ♣♦t♥t étr♦sttq t ♦rr s ♥s

①♣ér♠♥t♠♥t s éqt♦♥s t ♥ ♣rés♥t ♣s ♦rrt♠♥t tr rrèr t

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rrèr ♦♠♠ ①♣qé ♣♦r ♣r♠èr ♦s ♣r r♥ ♥ s étts sr ♥s♥t

♥ ♦ ré à ♥tr rs♣♦♥s ♥ rt♦♥ ♣♦t♥t sr s♠♦♥tr ♣r

r♣♣♦rt ♥ r♠ ♠ét ♠♦♥t ♣r à ♠ê♠ tr rrèr ♣r s étr♦♥s

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s étr♦♥s ♥t ♥é♣♥♥t tr s♦rt ♠ét t st ①é ♣r ♥sté rs ♣éés

♥ sr t ♣r t① ♦♣ s♠♦♥tr ♥s s ♦♥ ♣r r♠ ♣♥♥♥ ♦

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♠♦è r♥ été ♣r♦♣♦sé ♥ ♦♥sér♥t ♣rés♥ ♥ ♦ ♥tr ♥tr ♠ét t

s♠♦♥tr t été ♣r st r ♥ ①♣qr s étts ♥tr s♥s tt ♦ ②

♣r♥♣♠♥t ① és ♣r♠tt♥t ①♣qr s étts ♥tr s étts ♥ts ♥s ♣ ♣r

♠ét ♦ ♣♦r ♠t ♥ ♣ stts t s éts ♥tr ♥s ♣r♠r s s étts

♥tr s♦♥t ♣r♦♦qés ♣r q ♦♥t♦♥ ♦♥ s étr♦♥s ♠ét q sét♥ trrs

♥tr ♥s s♦♥ s ♥trr♣t♦♥ ♣♦t♥t ♣ér♦q s ① ♠tér① ♦♥t à s

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tr♦s é♠♥t s♦♠♠ s ① rrèrs st é ♣ s♠♦♥tr EG = φBn + φBp

é♥s♠s tr♥s♣♦rt ♥s ♥ ♦♥tt ét♠♦♥tr

t♠♣értr ♠♥t ♥ ♦ ♦tt② é ♥ ♦♠♣♦rt♠♥t rrssr û à ♥tr ②s♠étrq

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♥ ♣r♦éé érs♦♥ ♥s ③♦♥ r s♣ s ♠é♥s♠s ♣♥t êtr ♦♠♣rs ♥

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♦♥q ♣♦t♥t t à ♥tr t résst♥ ♠t♥t st ① étr♦♥s ②♥t ss♠♠♥t

é♥r ♣♦r sr♠♦♥tr rrèr ♥ tr ôté ♣r♦éé érs♦♥ ♠t tr♥s♣♦rt

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♣s é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q ♦♠♥r ♦s ♦♥s ♣rés♥tr té♦r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q t

♦r♠s♠ ♣r♠tt♥t t♥r ♦♠♣t à ♦s ♣é♥♦♠è♥ ♠s é♠♥t s ♣r♦éés ér t

s♦♥ ♥s ❩ ♥♥ ♥♦s ♣rés♥tr♦♥s s ① trs ♠é♥s♠s rést♥t t t♥♥ à

♦♥t♦♥ t ♣♦sr♦♥s ♥♦s ②♣♦tèss ♣♦r st ét

Js→m =´

∞

EF+qΦB

qvxdn

vx

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Js→m (V = 0)

J = Jsm − Jms = Nc

(

kT

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)1

2

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kT

[

exp

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kT

− 1

]

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I = SA∗T 2exp

[

−qφibn

kT

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exp

[

qV

kT

]

− 1

)

A∗

A∗

A=

A∗Si

ASi

(1− x) +A∗

Ge

AGe

x

♦♥st♥t rs♦♥ q t ♠ s rs s ♦♥st♥ts ♣♦r s♠

t r♠♥♠ s♦♥t rés♠és ♥s t

❱rs A∗/A ♣♦r t ♣rès ③❬❪♠♦♥tr ♠ r♠♥♠

t②♣ ♣ t②♣ ♥ t②♣ ♥

♦r♠s♠ ♥st q ♣♦r s ♥ tr♥s♣♦rt ♦♠♥é ♥q♠♥t ♣r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q

♦r ♦♠♠ ♥♦s ♦♥s ♣réé♠♠♥t s ♣é♥♦♠è♥s ér t s♦♥ s ♣♦rtrs ♥s

❩ ♣♥t ♠tr ♦♥trt♦♥ tt é♠ss♦♥ ♦s ♦♥s ♦♥ ♣rés♥tr rè♠♥t té♦r

s♦♥ ♥s ❩ t ♥♦s ♣rés♥tr♦♥s ♠♦è ♣r♠tt♥t t♥r ♦♠♣t à ♦s é♠ss♦♥

tr♠♦♦♥q t s♦♥ér s rs ♥s ❩

é♦r s♦♥

té♦r s♦♥ ♦tt② rést qtr ②♣♦tèss

tr rrèr à ♦♥t♦♥ ♠éts♠♦♥tr st r♥ ♥t é♥r tr♠q

s ts s ♦s♦♥s étr♦♥qs ♥s ❩ s♦♥t ♣rss ♥ ♦♠♣t

♦♥♥trt♦♥ s ♣♦rtrs à ① t ①❲ ♥ é♣♥ ♣s ♦r♥t

s♠♦♥tr ♥st ♣s éé♥éré

♦s ♥ ♣rés♥tr♦♥s ♣s t♦t é♠r ♣r♠tt♥t rrr réstt ♠s ♦♥s srt♦t ♥♦s ♦♥♥

trr sr ♦♠♥s♦♥ tt té♦r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q ♣r♠tt♥t t♥r ♦♠♣t s

① ts té♦r s♦♥ ♣r♠t érr q ♥sté ♦r♥t à trrs ♦♥t♦♥ é♣♥

t♥s♦♥ s♥t ♦ s♥t

J ≈ qµnNcEmexp

(

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kT

)[

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(

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kT

)

− 1

]

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[

exp

(

qV

kT

)

− 1

]

tt ♦r♠ st très s♠r à é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q ♣♥♥t ♦r♥t strt♦♥ st

♠♦♥s s♥s à t♠♣értr ♥s s té♦r s t ♣s s♥s ♣♦t♥t ♣♣qé ♣r

r♣♣♦rt à ♣r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q ❯♥ s②♥tès s s ① té♦rs été ♣r♦♣♦sé ♣r r♦ t

③❬❪ tt ♦♠♥s♦♥ ♦♥♥ té♦r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥qs♦♥

é♦r é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥qs♦♥

❯♥ ♦s ♦♠♥és s ① ♣réé♥ts té♦rs ♦♥♥♥t ♥ ①♣rss♦♥ ♥ ♦r♥t à trrs

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J = A∗∗T 2exp

(

−qφBn

kT

)[

exp

(

qV

kT

)

− 1

]

E00

E00 =q

2

√

N

m∗εs

εs kT ≫ E00

kT ≪ E00 kT ≈ E00

é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q st ♥r♦♥ ♠♣q q ♥♦s ♣♦♦♥s ♦♥sérr ♦r♥t t♥♥

♦♠♠ ♥é ♦rsq r tr♥sst♦r ♥st ♣s ♣♦rsé

r ♣♣♦rt ♦r♥t t♥♥ sr ♦r♥t tr♠♦♦♥q ♥s ♥ ♦ ♣♦r ér♥tst♠♣értrs t ér♥ts ♥① ♦♣ s♠♦♥tr

♦rsq r st ♣♦rsé ♥sté ♣♦rtrs rs ♥s ♥♥♦ st ♦rt♠♥t ♠♦é ♥s♥t

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3VT

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3VT ♣♦r s t IOFF = VT + 1

3VT ♣♦r s P t IOFF = VT − 1

3VT

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♠r♥ tt ♣r♦ér st ♣♣qé ♣♦r s t♥s♦♥s VDSts ♦♥t♦♥♥♠♥t ♦ VCC ❯♥ ①♠♣

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Cox =2πε0εrL

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IDS − VGS

IDS VT IDS

IDS − VGS VGS VT VT

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Cox + CD + Cit

Cox

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dVGS

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Cox

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①trt♦♥ ♦s ♦♥s és♦r♠s ♣♦♦r ♥♦s ♥térssr à rtérst♦♥ étrq s tr♥sst♦rs à

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tr♠ rt r♦ss♥ ♥♦s ♣r♠t és♥r s ♥♥♦s ♥②♥t s ♥ trt♠♥t ♣♦st

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IDS − VDS

IDS − VDS

RTOT = RS +RNF +RD

RTOT RS RNF

RD RS

RD RNF

IDS − VDS

IDS − VDS

IDS

R =ρL

S

ρ Ω

ρ ≈ 6.5 Ω.cm

Ω

Ω

RTOT ≈ RS + RD

IDS

IDS−VGS

NiXSiY

N2

NiSi2

NiSi2

NiSi2

IDS − VDS

IDS − VDS

r rtérstqs IDS−VGS ♥ s♣♦st ♥t t ♣rès rt ♣rés♥tés ♥ é ♥ért ♥ é ♦rt♠q ♠ètr st ♥♠ t ♦♥r r ♠

tr rrèr s ♦♥tts

r ♥♦s ♣r♠t ①trr s rs rrèr ♥ s♥t ②♣♦tès qà VG = 0V ♦r♥t

♠sré ♥s ♥♥♦ rést ♠♦rtr♠♥t é♠ss♦♥ tr♠♦♦♥q r ♦♣ ♠sré ♥s s

s st ss♠♠♥t ⑦ ♠ ♥ r♦t♥ t♠t ♥♦s ♣♦♦♥s ♥s trr

r tr rrèr ♥ ♦♥t♦♥ t♥s♦♥ VDS ♣♣qé ♦♠♠ ♣rés♥té ♥s r

r ♦r IDS − VDS rtérstq ♥ tr♥sst♦r à ♥♥♦ ♣♦r ér♥ts t♥s♦♥s r rrèr tr rrèr é à ♣rtt s ♦rs IDS − VDS ♥ s♣♣♦s♥t ♠é♥s♠ tr♥s♣♦rt ♦♠♠ ét♥t ♣r♠♥t tr♠♦♦♥q tt ♦r ♠t ♥ é♥ à ♦s ss♠♥t rrèr ♥t ♣r r ♠s é♠♥t ♣r t♥s♦♥ r♥

♦s ♦♥stt♦♥s q tt tr rrèr ♥st ♣s ♦♥st♥t t q ♠♥ t♥s♦♥

♣é♥♦♠è♥ st ♦♥♥ s♦s ♥♦♠ ♦tt②rrr♦r♥ ♦ ♥ r♥çs ss♠♥t

tr rrèr ♦tt② ♥♦s ♦♥sér♦♥s ♥ s②stè♠ ♠ét ♥s ♥ ♣r♠r t♠♣s ♥♦s

♣♦♦♥s r q é♥r ♥éssr à ♥ étr♦♥ ♣♦r sé♣♣r ♥ ♣s ♥

r♠ ♠ét st qφm ♥ t étr♦♥ s tr♦ à ♥ st♥ ① ♠ét ♥ r ♣♦st t

r ♠ st ♥t à sr ♠ét ♦r ttrt♦♥ ♥tr étr♦♥ t r ♣♦st st

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♠ ♣t ♥s êtr ért ♦♠♠

F =−q2

4πε0(2x)2=

−q2

16πε0x2

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é à ♥tér tt ♦r ♥tr ♥♥ t ♣♦♥t sss ① q ♦rrs♣♦♥ ♥ t tr q

♦t ♦r♥r ♥tr s ① ♣♦♥ts s♦t

E(x) =−q2

16πε0x

♦rsq♥ ♠♣ étrq ①tr♥ st ♣♣qé é♥r ♣♦t♥t t♦t ETOT (x) st ♦♥♥é ♣r

s♦♠♠

ETOT (x) =−q2

16πε0x− q|E |x

tt éqt♦♥ ♠t ♥ ♠①♠♠ ss♠♥t rrèr ∆φ t ♦st♦♥ ss♠♥t xm s♦♥t

♦♥♥és ♣r ♦♥t♦♥ dETOT

dx= 0 s♦t

xm =

√

q

16πε0|E |

∆φ =

√

q|E |4πε0

= 2|E |xm

s réstts ♣♥t êtr tr♥s♣♦sés à ♥ s②stè♠ ♠éts♠♦♥tr ♣♥♥t ♠♣ ♦t êtr

r♠♣é ♣r ♣rés♥t à ♥tr t ♣r♠ttté ♣r s♠♦♥tr t s♦rt

q

∆φ =

√

qEm

4πεs

VGS

IDS − VDS

VDS

IDS − VDS

EG E m

∆φ =

√

qE m

4πεs+ αE m + βEG

E m EG

E m

EG

E m

E m =

√

2qN |Ψs|εs

,

N Ψs

|Ψs| = φBn0 − φn + VR

φBn0 φn

(EC − EF )/q VR

r♥rs rtérstqs s tr♥sst♦rs à ♥♥♦s

t♦ ION/IOFF

①st ♣srs ♠ét♦s ♣r♠tt♥t ①trr r♣♣♦rt ION/IOFF s♦♥ tr s ♦r♥ts tsé

t s♥t ♦♥♥ s rs r♣♣♦rt ♥ ♦♥t♦♥ ♠ét♦ tsé

♦♠♣rs♦♥ ♥tr s ♦r♥ts à étt ♦rt t r♠é ①trts s♦♥ ① ♠ét♦s

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GeO2

1, 6.104atomes.cm−3

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