Effets thermiques dans les transitors MOSFET Si avancés

Abstract

Device downscaling leads to an increase of the current densities and consequently to higher power densities. Novel and confined geometries tend to make heat removal from device channel more difficult and especially for transistors built on silicon-on-insulator (SOI) platform, where the buried-oxide impedes the direct heat removal to the silicon substrate. Interface effects such as phonon boundary scattering significantly affect the thermal conductivity of materials implemented in the device fabrication, when dimensions are of the same order of magnitude as the phonon mean free path, which is ~200-300 nm in Si. This work examines self-heating in fully depleted (FD) SOI metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) with thick or thin buried-oxide (BOX), for various device geometrical characteristics considering also the thermal coupling with the back end of line structure. Self-heating parameters such as temperature increase and thermal resistance are extracted over a wide ambient temperature range, from 4.2K up to 425K, offering thus experimental results concerning self-heating in advanced Si-MOSFETs down to cryogenic operation temperatures. The impact of the temperature increase on performance and reliability also discussed. Finally, this thesis draws to a close with the study of thermal effects in 3D sequentially integrated devices including self-heating and thermal coupling between transistors fully integrated in a two-level 3D sequential integration scheme.

H συνεχόμενη σμίκρυνση των ηλεκτρονικών ημιαγωγικών διατάξεων έχει οδηγήσει στην αύξηση της πυκνότητας ρεύματος και κατά συνέπεια σε υψηλότερες πυκνότητες ισχύος. Οι νέες και περίπλοκες γεωμετρίες των τρανζίστορ επίδρασης-πεδίου μονωμένης πύλης τείνουν να κάνουν την απομάκρυνση της θερμότητας από το κανάλι του τρανζίστορ πιο δύσκολη και ειδικά στην περίπτωση αυτών που βασίζονται στην τεχνολογία πυρίτιο-σε-μονωτή (Silicon-on-Insulator), όπου το οξείδιο εμποδίζει την άμεση διαφυγή θερμότητας στο υπόστρωμα πυριτίου. Φαινόμενα διεπιφάνειας, όπως η σκέδαση phonon-boundary, επηρεάζουν σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτρονικών ημιαγωγικών διατάξεων, ειδικά όταν οι διαστάσεις τους γίνονται συγκρίσιμες με τη μέση ελεύθερη διαδρομή του φωνονίου (~200-300nm στο πυρίτιο). Η παρούσα διατριβή εξετάζει το φαινόμενο της αυτοθέρμανσης σε πλήρως απογυμνωμένα (FD) τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (MOSFETs) με παχύ και λεπτό οξείδιο, για διάφορα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, λαμβάνοντας επίσης υπόψη και τη θερμική σύζευξη αυτών με τις μεταλλικές διασυνδέσεις (BEOL). Οι παράμετροι αυτοθέρμανσης, όπως η θερμική αντίσταση και η αύξηση της θερμοκρασίας, εξήχθησαν και μελετήθηκαν σε ένα ευρύ φάσμα προσαρμοζόμενων θερμοκρασιών περιβάλλοντος από 4.2K εως 425Κ, καλύπτοντας έτσι και τις κρυογονικές θερμοκρασίες λειτουργίας των τρανζίστορ. Μνεία γίνεται για την επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας λόγω αυτοθέρμανσης στην απόδοση και αξιοπιστία των τρανζίστορ. Η διατριβή αυτή ολοκληρώνεται με τη μελέτη των θερμικών επιδράσεων στην τεχνολογία της τρισδιάστατης (3D) διαδοχικής ολοκλήρωσης ηλεκτρονικών ημιαγωγικών διατάξεων, συμπεριλαμβανομένων της αυτοθέρμανσης και θερμικής σύζευξης μεταξύ τρανζίστορ σε ένα τρισδιάστατο διαδοχικό σχήμα ολοκλήρωσης δύο επιπέδων.

La miniaturisation constante des dimensions des transistors dans le nœuds technologiques avancés a mené à une augmentation des densités de courant utilisées et par conséquent à des densités de puissance plus élevées. Les nouvelles architectures de transistor exploitants le confinement (FinFET, Nanofil, film mince…) rendent l’évacuation de la chaleur générée dans le canal d’autant plus difficile. Ces effets sont exacerbés dans le technologies silicium-sur-isolant (SOI), pour lesquelles l’oxyde enterré empêche l’évacuation de la chaleur vers le substrat en silicium. Les effets d’interface, tels que la diffusion des phonons aux interfaces, affectent de manière significative la conductivité thermique des matériaux composants le dispositif lorsque les dimensions sont de l’ordre du libre parcours moyen des phonons (~200 à 300nm dans le silicium). Ce travail de thèse examine l’auto-échauffement dans les transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ (MOSFET), fabriqués en technologie silicium-sur-isolant complément déserté (FDSOI) avec un oxyde enterré (BOX) épais ou mince, pour diverses géométries de dispositifs. Le couplage thermique avec les interconnections (BEOL) est également pris en compte. Les paramètres d’auto-échauffement, tels que l’augmentation de la température ambiantes variantes de 4.2K à 425K, offrant ainsi des résultats expérimentaux pour les MOSFET Si avancés jusqu’aux températures de fonctionnement cryogéniques. L’impact de l’augmentation de la température du canal sur les performances et la fiabilité des transistors est discuté. Finalement, cette thèse se termine avec l’étude des effets thermiques dans des dispositifs fabriqués par intégration 3D séquentielle. L’auto-échauffement et le couplage thermique entre transistors intégrés sur deux niveaux différents est discuté.