Study and Modeling of Multi‐ Gate Transistors in the Context of CMOS Technology Scaling

Abstract

L’escalat dels transistors MOSFET convencionals ha portat a aquests dispositius a la nanoescala per incrementar tant les seves prestacions com el nombre de components per xip. En aquest process d’escalat, els coneguts “Short Channel Effects” representen una forta limitació. La forma més efectiva de suprimir aquests efectes i aixi estendre l’ús del MOSFET convencional, és la reducció del gruix de l’òxid de porta i l’augment de la concentració de dopants al canal. Quan el gruix d’òxid de porta es redueix a unes quantes capes atòmiques, apareix l’efecte túnel mecano-quàntic d’electrons, produint un gran augment en els corrents de fuita, perjudicant la normal operació dels MOSFETs. Això ha fet obligatori l’ús de materials d’alta permitivitat o materials high-κ en els dielèctrics de porta. Tot i les solucions proposades, la reducció de les dimensiones físiques del MOSFET convencional no pot ser mantinguda de forma indefinida i per mantenir la tendència tecnològica s’han suggerit noves estructures com ara MOSFETs multi-porta de cos ultra-prim. En particular, el MOSFET de doble porta és considerat com una estructura multi-porta prometedora per les seves diverses qualitats i avantatges en l’escalat. Aquesta tesi s’enfoca en la modelització de dispositius MOSFET de doble porta i, en particular, en la modelització del corrent túnel de porta que afecta críticamente al consum de potència del transistor. Primerament desenvolupem un model quàntic compacte tant per al potencial electrostàtic com per a la càrrega elèctrica en el transistor de doble-porta simètric amb cos no dopat. Després, aquest model quàntic s’utilitza per proposar un model analític compacte per al corrent túnel directe amb SiO2 com dielèctric de porta, primerament, i després amb una doble capa composta de SiO2 com a capa interfacial i un material “high-κ”. Finalment se desenvolupa un mètode precís per calcular el corrent túnel de porta. El mètode es basa en l’aplicació de condicions de frontera absorbents i, més especificament, en el mètode PML. Aquesta tesi està motivada per les recomanacions fetes pel “International Technology Roadmap of Semiconductors” (ITRS) sobre la necessitat existent de modelatge i simulació d’estructures semiconductores multi-porta.

The scaling of the conventional MOSFETs has led these devices to the nanoscale to increase both the performance and the number of components per chip. In this process, the so-called “Short Channel Effects” have arisen as a limiting factor. To extend the use of the bulk MOSFETs, the most effective ways of suppressing such effects are the reduction of the gate oxide thickness and increasing of the channel doping concentration. When the gate oxide thickness is reduced to a few atomic layers, quantum mechanical tunneling is responsible of a huge increase in the gate leakage current impairing the normal operation of MOSFETs. This has made mandatory the use of high permittivity materials or high-κ as gate dielectrics. Despite the proposed solutions, reduction of the physical dimensions of the conventional MOSFETs cannot be maintained. To keep the technological trend, new MOSFET structures have been suggested such as ultra-thin body Multi-Gate MOSFETs. In particular, the Double-Gate MOSFETs is considered as a promising MG structure for its several qualities and advantages in scaling. This thesis focuses on the modeling of Double-Gate MOSFET and, in particular, on the modeling of the gate leakage current critically affecting the power consumption. First we develop a compact quantum model for both the electrostatic potential and the electric charge in symmetric double-gate MOSFET with undoped thin body. Then, this quantum model is used to propose an analytical compact model for the direct tunnelling current with SiO2 as gate dielectric, firstly, and later assuming a dual layer consisting of a SiO2 interfacial layer and a high-κ material. Finally, an accurate method for the calculation of the gate tunnelling current is developed. It is based on Absorbing Boundary Conditions techniques and, more specifically, on the Perfectly Mached Layer (PML) method. This thesis is motivated by the recommendations given by the “International Technology Roadmap of Semiconductors” (ITRS) about the need for the modeling and simulation of multi-gate semiconductor structures.