S. Cristoloveanu2, C. Mazuré1, F. Letertre1, H. Iwai3 Intégration de matériaux à forte conductivité thermique pour les transistors MOSFET sur SOI Nicolas BRESSON1,2, S. Cristoloveanu2, C. Mazuré1, F. Letertre1, H. Iwai3 2) 3) 1) bresson@enserg.fr

Sommaire Le SOI (Silicium sur Isolant) - Présentation et Procédé de Fabrication Auto-échauffement dans les MOSFETs sur SOI - Le BOX: une barrière thermique Modèle Analytique - Contributions à la dissipation thermique - Changement du matériaux de BOX Simulations Numériques (SILVACO) - Profils de Température par Simulations 2-D - Fringing fields - Effets de canaux cours et paramètres électriques

Fabrication des composants Isolation verticale et horizontale Présentation du SOI SOI= Silicon On Insulator Film de Silicium BOX Substrat de Silicium Fabrication des composants Isolation verticale et horizontale Support mécanique Image TEM SOI tsi=160nm tox=150nm - Isolation électrique: verticale et latérale - Jonctions: réduction des courants de fuite et des capacités - Excellente tolérance aux effets de radiations - Simplification du process et grande flexibilité - Structures idéales pour les sondes, MEMS, dispositifs haute température Atténuation des effets de canaux courts Application basse consommation et faibles tensions

Procédé de fabrication SOI= Silicon On Insulator Substrat Si Implantation d’oxygène Recuit haute température Couche Si fortement défective Forte densité d’oxygène Mono-Si avec défauts Sio2 SIMOX

Différents procédés de fabrication SOI= Silicon On Insulator BOX= Buried Oxide Silicium Si SiO2 UTF Avantages technologiques du Smart-Cut : plus grands volumes - films de silicium minces (UTF) épaisseur de BOX ultra-fine qualité améliorée diversification des matériaux de film et de BOX (XOI et SOX) Pourquoi changer les matériaux ? augmentation de la mobilité (spécificité cristalline des matériaux, SiGe, SSOI,…) BOX avec une forte conductivité thermique Silicium SiGe, GaAs, SiC,… SiO2 XOI Silicium Si diamant, Quartz, … SOX

BOX = Barrière Thermique Auto-échauffement dans les MOSFETs sur SOI Différence thermique VG  D VG  D BOX = Barrière Thermique MOSFET Bulk MOSFET SOI Les MOSFETS sur SOI présentent de nombreux avantages comme la réduction des effets de canaux courts, faible consommation et hautes performances. L’auto-échauffement, due à la présence du BOX réduit certains de ces avantages. Est-il possible d’utiliser un autre matériau que le SiO2 ?

Il faut changer le matériau de BOX !! Auto-échauffement dans les MOSFETs sur SOI Exemples Le courant de drain est réduit à haute température et à forte puissance (ID*VD). Les films fins de silicium et les fortes puissances augmentent la température du canal. Il faut changer le matériau de BOX !!

Conductivité Thermique Permittivité Relative Remplacement du SiO2 High-K ces matériaux présentent une conductivité thermique supérieure au SiO2. Low-K dont les propriétés électriques sont plus intéressantes pour le contrôle électro-statique (réduction des fringing fields). Deux groupes de diélectriques (Compatibles avec les technologies SOI existantes) Matériau Conductivité Thermique (W m-1 K-1) Permittivité Relative r Air 2.610-2 1 SiO2 1.4 3.9 Diamant 200 – 1400 (800)* 5.8 AlN 1.5 - 5 (5)* 9 Al2O3 2- 30 (20)* 12 Les conductivités thermiques sont fortement dépendantes des conditions expérimentales de fabrication et de l’épaisseur des films. en noir: gamme typique pour des films minces. ( * ) en vert: valeurs utilisées pour les simulations. Références: Diamant: E. Jansen et al, J. Micromech. Microeng., Vol. 6, p. 118, 1996. AlN: Y. Zhao et al., J. of Appl. Phys., Vol. 96, p. 4563, 2004. Al2O3: K. Oshima et al., Electrochem. Soc. Proc. Series PV 2003-05. Pennington, NJ, p. 45, 2003.

[K. Oshima et al., Solid State Electronics, June 2004, pp. 907-917] Modèle Analytique pour MOSFETs sur SOI BOX Si Substrat Source Connections Oxide Grille Drain 1 µm 2.5 mm 700 µm tBOX tSi LG Etude de la contribution thermique du: BOX, film de Si, substrat, grille, des sources et drains et des fils de connections. => La conductivité thermique totale du transistors est définie par la construction d’un circuit thermique équivalent du transistor. LG = 10-100 nm EOT = 2 nm tBOX = 20-200 nm Références: [K. Oshima et al., Solid State Electronics, June 2004, pp. 907-917]

Contributions principales à l’auto-échauffement (c) Rth, Grille S D (b) Rth, BOX (d) Rth, Source (d) Rth, Drain Transistor Complet BOX & Si sub. Grille S/D Circuit thermique équivalent La conductivité thermique du BOX (Gth) a une contribution dominante. Pour les canaux courts, la conductivité thermique totale du transistor est réduite, à cause d’une dissipation inférieure à travers la grille.

Remplacement du SiO2 par de nouveaux matériaux Grille en SiO2 , BOX: Air, SiO2, AlN, Al2O3, Diamant. tBOX = 50 nm LG = 50 nm diamant diamant Al2O3 Al2O3 AlN AlN SiO2 SiO2 Air Air L’avantage des matériaux high-K augmente lorsque la longueur de grille diminue. L’utilisation de films fins d’isolants augmente le budget thermique et diminue la température dans le transistor, excepté pour le diamant et l’air. BOX épais: diamant BOX fins: Al2O3

Profils de Température Conductivité thermique augmente. BOX SiO2 (50 nm) Si Film BOX Substrat S D BOX Al2O3 (50 nm) Si Film BOX Substrat S D BOX diamant (50 nm) Si Film BOX Substrat S D Contours d’iso-température typiques simulés avec Silvaco : Pour le SiO2 la chaleur est confinée dans le corps du transistor. Pour le diamant la chaleur est facilement évacuée par le BOX. Les différences de température sont importantes (50-100°C). µT-1.5 : La mobilité pourrait être augmentée de plus de 50% simplement en remplaçant le BOX.

La solution: utiliser un plan de masse (Ground Plane: GP) !! Impact des nouveaux matériaux de BOX sur les performances électriques Fringing Fields: un des principaux effets de canaux courts La constante diélectrique du BOX modifie le comportement électrostatique du transistor. Certains paramètres électriques dépendent de CBOX, comme par exemple la pente sous le seuil (S): avec Avec une architecture standard les BOX high-K ne sont pas les candidats favoris pour la performance des dispositifs. La solution: utiliser un plan de masse (Ground Plane: GP) !! S D VG  S D VG  Déplétion de substrats Plan de Masse (Zone fortement dopée ou métallique )  La polarisation du transistor induit la pénétration d’un champ électrique à partir du drain dans le corps du transistor. Le plan de masse a un positif sur la diminution des effets de canaux courts.

Potentiel Vertical dans les MOSFETs sur SOI LOW VD HIGH VD LG = 50 nm,VG = 0 V, VD= 50 mV Air SiO2 diamant AlN Al2O3 BODY BOX Substrat S LG = 50 nm, VG = 0 V, VD= 0.5 V S GP BODY BOX Substrat Air SiO2 diamant AlN Al2O3 Avec un substrat standard (NA=2.1015 cm-3), Les BOX high-K induisent une augmentation du potentiel à l’interface film-BOX. Similaire à une tension positive appliquée sur le substrat => dégradation des performances des transistors. Effet de champ très important pour les high-K. Le plan de masse permet la réduction du potentiel de body. Le plan de masse supprime la différence entre les différents matériaux de BOX.

Potentiel dans les MOSFETs sur SOI LG = 50 nm, VG = 0 V, VD= 50 mV Air SiO2 diamant AlN Al2O3 S GP GP S Source Gate Drain Profil longitudinal de la bande de conduction (de la source vers le drain) dans le canal de conduction: Cela confirme le bénéfice apporté par le plan de masse pour maintenir une bonne hauteur de barrière. Le DIBL est du aux fringings fields (DIVSB). Le contrôle du DIBL est excellent (~20 mV/V) pour le diamant, le SiO2 et l’air, et augmente (40 mV/V) pour l’Al2O3 et l’AlN. L’utilisation d’un plan de masse restaure tous les bénéfices des BOX high-K.

Paramètres Électriques GP: a e GP S S: a e GP Al2O3 diamant Air AlN SiO2 La pente sous le seuil est dégradée pour les BOX d’Al2O3 et d’AlN. La différence entre le SiO2 et le diamant est très peu importante. Pour tous les matériaux la pente sous le seuil est inférieure à 80 mV/décade si un plan de masse est utilisé. Pour LG > 40 nm, VT est très bien contrôlé, quelle que soit la nature du BOX.

Conclusion L’auto-échauffement dans les transistors MOSFETs sur SOI a été analysé avec un circuit thermique équivalent et par simulations 2-D (pour différents matériaux de BOX). Les matériaux à forte conductivité thermique améliorent les paramètres thermiques mais peuvent dégrader les paramètres électriques. Le plan de masse permet de fortement améliorer les paramètres électriques. La fabrication de substrats à partir de nouveaux matériaux de BOX devrait permettre de nouveaux progrès pour les futures technologies de transistors MOSFETs sur SOI. Cette nouvelle famille de substrats a de très fortes potentialités au niveau des circuits grande vitesse, forte puissance et pour les circuits optoélectroniques. Des prototypes de wafers SOI avec des BOX Al2O3 BOX ont déjà été fabriqués.