MODELISATION ET SIMULATION TRIDIMENSIONNELLE DES COMPOSANTS A SEMICONDUCTEUR DE TAILLE SUBMICRONIQUE
Résumé
The growth of the semiconductor integrated circuit industry over the last years has been fueled by continued miniaturization of transistors to ever-smaller dimensions. With the reduction of devices to 0.1 micron and less, new physical effects come into play which the standards two-dimensional (2D) simulators do not take in account. In order to de scribe the physical behavior of modern devices in a reliable way, one must improve these simulation too1s and adapt them to take into account these phenomena. As a matter of fact, the typical distance in the third distance is of the same order of magnitude as the one along the gate in a MOSFET, for instance, and lateral effect ought to be considered carefully. The general context of this thesis is inscribed here. The aim is to develop a three-dimensional (3D) simu1ator, suitable for simulating carrier transport in such small devices. During this work, we have developed two separate simulators for studying submicronic devices. Both simulators have been elaborated in a finite element environment, by coupling the Boltzmann transport equation with the Poisson equation in a 3D self-consistent way. All ofthis work was carried out on FLUX3D© (software developed at LEG for the numerical simulation of 3D electromagnetic devices by finite element method). * The first simulator is based on a determinist approach using a drift-diffusion model. * The second simulator is based on a stochastic approach consisting in particular dynamical simulation by the Monte-Carlo method. These tools represent an important contribution to device modeling, and they could even be used out of small devices context. Eventually, they can be coupled into a hybrid simulator in which Monte-Carlo and drift-diffusion models are combined. The innovating aspect of our project is the fact that many previous works using the Monte-Carlo technique are carried out in a 2D by a finite-difference method. Until now, a 3D study using a finite element method has never been employed, as far as we know, in such a simulation approach.
Le progrès de l'industrie des circuits intégrés, durant ces dernières années, a été poussé par une miniaturisation continue des transistors. Avec la réduction des composants à des dimensions de 0.1 micron et moins, de nouveaux effets physiques entrent en jeu que les simulateurs standard en deux dimensions (2D) ne considèrent pas. En fait la troisième dimension entre en jeu car les dimensions transversales et longitudinales des composants sont du même ordre de grandeur. Pour décrire le fonctionnement de tels composants avec plus de fidélité, il faut donc affiner les outils de simulation et les adapter afin de prendre en compte ces phénomènes. Le cadre général de ce travail s'inscrit dans cette optique. Au cours de cette thèse, on a élaboré deux simulateurs distincts pour étudier les composants submicroniques. Ces deux outils ont été développés dans un environnement à éléments finis, en combinant l'équation de transport de Boltzmann avec l'équation de Poisson dans une résolution tridimensionnelle (3D) et autonome. Nos travaux ont été réalisés sur FLUX3D© (logiciel développé au LEG pour la simulation 3D des dispositifs électromagnétiques par éléments finis). * Le 1 er simulateur est basé sur une approche déterministe par le modèle de dérive diffusion. * Le 2e simulateur est basé sur une approche stochastique consistant en la simulation dynamique des particules par la méthode de Monte-Carlo. Ces deux outils constituent une contribution importante à la modélisation des composants, et peuvent être utiles même hors du contexte des petits composants. Éventuellement, ils peuvent êtres unis dans un simulateur hybride combinant les modèles de Monte-Carlo et de dérive diffusion. L'aspect novateur de ce projet réside dans le fait que les nombreux travaux antérieurs qui utilisent la technique de Monte-Carlo se basent sur la méthode des différences finies le plus souvent en 2D seulement. Jusqu'à présent, une approche 3D par éléments finis de ces questions n'a jamais été employée, à notre connaissance.
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