Theoretical study of mobility degradation in FDSOI architectures for advanced technological nodes (< 20 nm)

Pour augmenter les performances des MOSFET, il est indispensable de comprendre les différents phénomènes physiques qui dégradent la mobilité apparente des électrons et trous traversant le canal et qui limitent l’amélioration obtenue par réduction de sa longueur. Pour cela, une étude précise du transport par des simulations Monte-Carlo a été effectuée. Cette méthode de simulation semi-classique permet de résoudre l’équation de transport de Boltzmann en prenant en compte à la fois le régime quasi-balistique, les interactions avec les phonons, les impuretés ionisées, la rugosité de surface, et le confinement quantique, par génération aléatoire des électrons et de leurs interactions, décrites selon les lois de la mécanique quantique.Un modèle simple de mobilité a alors pu être établi et validé par les simulations. Il est basé sur trois paramètres importants : la mobilité à canal long, la résistance d’accès et la résistance balistique. Ce modèle de mobilité s’est avéré compatible avec des résultats expérimentaux, ce qui suggère que la résistance d’accès est déterminante dans la réduction de mobilité apparente.Par ailleurs, la contribution du transport balistique dans la mobilité a été calculée en tenant compte précisément du confinement quantique et des fonctions de distribution des différentes sous-bandes, ce qui a ainsi permis d’améliorer le modèle de mobilité apparente de Shur qui sous-estime (d’environ 50 Ω.µm) la résistance balistique. Cette résistance balistique est inférieure à la résistance d’accès mais elle pourrait avoir une incidence sur les dispositifs ultimes.To improve the MOSFET performances, it is necessary to understand the physical phenomena contributing to the apparent mobility of electrons and holes crossing the channel, and limiting the improvement obtained by reducing the channel length. Therefore, a precise study of transport using Monte Carlo simulations was performed. This semi-classical simulation method allows for solving the Boltzmann transport equation, taking into account the quasi-ballistic regime, phonon and Coulomb scattering, surface roughness, as well as the quantum confinement, by randomly generating electrons and their scattering events described by the laws of quantum mechanics.A simple mobility model has been established and validated by the simulations. It is based upon three important parameters: the long channel mobility, the access resistance, and ballistic resistance. This mobility model proved compatible with experimental results, suggesting that the access resistance is determining in the apparent mobility reduction.By the way, the ballistic transport contribution in the mobility was calculated by taking into account the quantum confinement accurately and the distribution functions of the different subbands, allowing for an improvement of Shur’s apparent mobility model, which underestimates (of about 50 Ω.µm) the ballistic resistance. The latter is lower than the access resistance but it could have an incidence on the ultimate devices.Keywords: MOSFET, FDSOI, mobility degradation, analytical model, contact resistance, ballistic, multi-subband Monte Carlo, simulation