Understanding of mechanical stress contribution on the electrical performances of advanced transistors on SOI

In microelectronic, the device's performance evolution is limited by the down-scaling. The mechanical stresses are a potential mobility booster to overcome these limitations. However it is essential to properly control their process integration and to understand their influence on channel transport. The aim of this thesis is to study the mechanical stress evolution in CMOS technology and its impact on electronic transport in sub-20nm realistic technologies. This work is based on bidimensional mechanical simulations. Different architectures FDSOI and TriGate are then studied. The simulated stress maps are compared to experimental characterization from electron diffraction. Several methods of electrical characterization and extraction of MOS transistor are used, especially the magnetoresistance technique. We analyze the mechanical stress impact on the mobility variations according to geometrical dimensions. Finally, we use the TCAD simulation in order to explore the potential of new innovative devices under development for future generations. Among them, the integration of high germanium concentration in source-drain regions or the impact of relaxations induced by dummy gates in process flow. In this perspective, electrical simulations based on piezoresistive approach become essential.

L’évolution des performances des dispositifs microélectroniques se heurte aux limites de la miniaturisation. Les contraintes mécaniques constituent un levier potentiel pour dépasser ces limitations. Il est cependant indispensable de bien maitriser leur génération et de connaitre leur influence sur le transport dans le canal. L’objectif de cette thèse vise à étudier l’évolution de la contrainte mécanique en technologie CMOS et son influence sur le transport électronique dans des technologies sub-20nm réalistes. Ce travail s’appuie sur des simulations mécaniques bidimensionnelles. Différentes architectures TriGate et FDSOI sont alors étudiées. Les contraintes obtenues sont comparées à des mesures issues de la diffraction électronique. Plusieurs méthodes de caractérisation électrique et d’extraction de paramètres de transistor MOS sont utilisées. Parmi elles figurent notamment la technique de l’extraction de la mobilité par magnétorésistance. Nous analysons les variations de mobilité en fonction des dimensions et de leur impact sur la contrainte mécanique. Enfin nous utilisons la simulation TCAD pour explorer le potentiel de nouvelles briques technologiques innovantes en voie de développement pour des générations ultérieures. Parmi elles, citons l’intégration des zones fortement contraintes par des source-drains en SiGe à fort pourcentage en germanium ou l’impact des relaxations introduites par l’utilisation des grilles sacrificielles au cours de la fabrication. Dans cette perspective, des simulations électriques basées sur une approche piézo-résistive deviennent indispensables.