Nanoscale characterization and simulation of advanced CMOS and emerging devices variability

Durant les darreres dècades, els dispositius electrònics han esdevingut essencials per a la nostra societat i es poden trobar al nostre voltant en tots els aspectes de la nostra vida quotidiana. Un exponent paradigmàtic és l’Internet de les Coses (IoT), que va des dels electrodomèstics intel·ligents de casa nostra fins a aplicacions i dispositius sanitaris. Efectivament, això ha estat possible gràcies a l’avanç tecnològic en les tècniques de fabricació; cosa que ha permès, seguint la tendència de la Llei de Moore, nivells més grans d’integració. Això últim ha donat lloc al desenvolupament de diversos dispositius i/o tecnologies (per exemple: smartphones, realitat virtual, superordinadors…), que ha canviat la nostra forma de vida a tot el món i ha portat la humanitat a nivells de confort inimaginables fa unes dècades. Tot i això, el requisit de nivells d’integració encara més alts per mantenir-se al dia amb els de Moore està portant la tecnologia actual al seu límit fonamental, és a dir, la mida atòmica. És en aquest context que per salvar la llei de Moore, a més de l’escalat continu de les dimensions dels MOSFET, s’estan explorant noves estructures i materials (com a dispositius emergents), com els basats en grafè i/o materials orgànics. Tot i això, la variabilitat trobada en aquests dispositius i els problemes de fiabilitat s’han tornat cada vegada més importants amb cada node tecnològic i, especialment, amb els dispositius emergents. Finalment, és important assenyalar que les fonts de variabilitat i els mecanismes d’envelliment solen estar relacionats amb les propietats a nanoescala dels materials, per la qual cosa es requereixen eines a nanoescala per al seu anàlisi, com tècniques relacionades amb la microscòpia de força atòmica (AFM). Aquesta tesi està centrada en aquest tema. Hem desenvolupat/millorat diferents configuracions i/o metodologies per correlacionar fonts de variabilitat a nanoescala (observades amb tècniques relacionades amb AFM) o mecanismes d’envelliment amb el seu impacte en les característiques del nivell del dispositiu dels dispositius corresponents. En particular, s’han aplicat a MOSFET i dispositius emergents com ara grafé-FET i l’organic TFT. La tesi s’estructura de la manera següent; El Capítol 1 presenta els conceptes fonamentals per comprendre els resultats presentats a la tesi. Al Capítol 2, presentem detalladament les tècniques avançades de caracterització utilitzades al llarg d’aquesta tesi, com la microscòpia Kelvin Prove Force (KPFM) i la Microscòpia de Força Atòmica Conductiva (CAFM), que s’utilitzen per obtenir informació a nanoescala. El Capítol 3 està dedicat a l’avaluació de l’efecte de la policristalinitat dels metalls de comporta i els dielèctrics d’alta k sobre la variabilitat dels MOSFET, mitjançant la combinació de dades experimentals obtingudes a la nanoescala, amb CAFM i KPFM, i simulacions. Al Capítol 4, presentem una nova configuració experimental intel·ligent i flexible que combina mesures a nivell de dispositiu i nanoescala en dispositius completament processats, mitjançant l’ús d’un analitzador de paràmetres de semiconductors i CAFM, que s’aplica per avaluar tant a nivell de nanoescala com a nivell de dispositiu els efectes de tensió elèctrica en transistors basats en grafè. Finalment, al Capítol 5 presentem un estudi a nivell de dispositiu i KPFM de l’impacte de l’estrès elèctric a les propietats dels OTFT.

Durante las últimas décadas, los dispositivos electrónicos se han vuelto esenciales para nuestra sociedad y se pueden encontrar a nuestro alrededor en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana. Un exponente paradigmático de ello es el Internet de las Cosas (IoT), que va desde los electrodomésticos inteligentes de nuestras casas hasta aplicaciones y dispositivos sanitarios. Efectivamente, esto ha sido posible gracias al avance tecnológico en las técnicas de fabricación; lo que ha permitido, siguiendo la tendencia de la Ley de Moore, mayores niveles de integración. Esto último ha dado lugar al desarrollo de diversos dispositivos y/o tecnologías (por ejemplo: smartphones, realidad virtual, superordenadores…), que ha cambiado nuestra forma de vida en todo el mundo y ha llevado a la humanidad a niveles de confort inimaginables unos hace unas décadas. No obstante, el requisito de niveles de integración aún más altos para mantenerse al día con los de Moore está llevando la tecnología actual a su límite fundamental, es decir, el tamaño atómico. Es en ese contexto, que para salvar la ley de Moore, además del escalado continuo de las dimensiones de los MOSFET, se están explorando nuevas estructuras y materiales (como dispositivos emergentes), como los basados en grafeno y/o materiales orgánicos. Sin embargo, la variabilidad encontrada en estos dispositivos y los problemas de fiabilidad se han vuelto cada vez más importantes con cada nodo tecnológico y, especialmente, con los dispositivos emergentes. Finalmente, es importante señalar que las fuentes de variabilidad y los mecanismos de envejecimiento suelen estar relacionados con las propiedades a nanoescala de los materiales, por lo que se requieren herramientas a nanoescala para su análisis, como técnicas relacionadas con la microscopía de fuerza atómica (AFM). Esta tesis se centra en este tema. Hemos desarrollado/mejorado diferentes configuraciones y/o metodologías para correlacionar fuentes de variabilidad a nanoescala (observadas con técnicas relacionadas con AFM) o mecanismos de envejecimiento con su impacto en las características del nivel del dispositivo de los dispositivos correspondientes. En particular, se han aplicado a MOSFET y dispositivos emergentes tales como el grafeno-FET y el orgánico TFT. La tesis se estructura de la siguiente manera; El Capítulo 1 presenta los conceptos fundamentales para comprender los resultados presentados en la tesis. En el Capítulo 2, presentamos en detalle las técnicas avanzadas de caracterización utilizadas a lo largo de esta tesis, como la microscopía Kelvin Prove Force (KPFM) y la Microscopía de Fuerza Atómica Conductiva (CAFM), que se utilizan para obtener información a nanoescala. El Capítulo 3 está dedicado a la evaluación del efecto de la policristalinidad de los metales de compuerta y los dieléctricos de alta k sobre la variabilidad de los MOSFET, mediante la combinación de datos experimentales obtenidos a nanoescala, con CAFM y KPFM, y simulaciones. En el Capítulo 4, presentamos una nueva configuración experimental inteligente y flexible que combina medidas a nivel de dispositivo y a nanoescala en dispositivos completamente procesados, mediante el uso de un analizador de parámetros de semiconductores y CAFM, que se aplica para evaluar tanto a nivel de nanoescala como a nivel de dispositivo los efectos de tensión eléctrica en transistores basados en grafeno. Finalmente, en el Capítulo 5 presentamos un estudio a nivel de dispositivo y KPFM del impacto del estrés eléctrico en las propiedades de los OTFT.

During the last decades, electronic devices have become essential for our society and can be found around us in all aspects of our daily life. A paradigmatic exponent of this is the Internet of Things (IoT), which ranges from smart appliances in our houses to healthcare applications and devices. Indeed, this has been possible thanks to the technological advance in fabrication techniques; which has allowed, following the trend of Moore’s Law, for higher integration levels. This last has led to the development of several devices and/or technologies (e.g.: smartphones, virtual reality, supercomputers…), which has changed our way of life all around the world and has led humanity to levels of comfort that were unimaginable a few decades ago. Nonetheless, the requirement of even higher integration levels to keep up with the Moore’s is pushing the current technology to its fundamental limit, i.e. the atomic size. It is in that context, that to save Moore’s law, besides the continuous scaling of MOSFETs dimensions, new structures and materials (as emerging devices) are being explored, as those based on graphene and/or organic materials. However, the variability found in these devices and reliability issues have become increasingly important with each technological node and, specially, with emerging devices. Finally, it is important to remark that variability sources and aging mechanisms are usually related to nanoscale properties of the materials, thus requiring nanoscale tools for their analysis as Atomic Force Microscopy (AFM) related techniques. This thesis is focused on this topic. We have developed/improved different setups and/or methodologies to correlated nanoscale (observed with AFM related techniques) variability sources or aging mechanisms with their impact on device level characteristics of the corresponding devices. In particular, they have been applied to MOSFETs and emerging devices as graphene-FETs and Organic TFT. The Thesis is structured as follows; Chapter 1 presents the fundamental concepts to understand the results presented in the thesis, In Chapter 2, we present in detail the advanced characterization techniques used throughout this thesis, such as Kelvin Prove Force microscopy (KPFM) and Conductive Atomic Force Microscopy (CAFM), used to obtain nanoscale information. Chapter 3 is devoted to the evaluation of the effect of the polycrystallinity of gate metals and high-k dielectrics on the MOSFETs variability, by combining experimental data obtained at the nanoscale with CAFM and KPFM and simulations. In Chapter 4, we present a new smart and flexible experimental set-up that combines device level and nanoscale measurements on fully processed devices, by using a Semiconductor Parameter Analyzer and CAFM, which applies to evaluate at the nanoscale and at device level the effects of an electrical stress in graphene based transistors. Finally, in Chapter 5 we present a KPFM and device level study of the impact of electrical stress on the properties of the OTFTs.

Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Enginyeria Electrònica i de Telecomunicació