dimension critique
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E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 1
2006
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La Nanoélectronique et la mécanique quantique font-elles
bon ménage ? Simon Deleonibus
Laboratoire Nanodispositifs Electroniques (Electronic Nanodevices Laboratory)
CEA/LETI/Département NANOTEC(NANOTEC Division) CEA Grenoble
17 rue des Martyrs 38054 Grenoble Cedex France
Tel : 33 (0)4 38 78 59 73 Fax: 33 (0)4 38 78 54 59
email: [email protected]
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 2
2006
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1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
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1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
1,00E+10
1958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008 2013 2018
Date
No
mb
re d
e t
ran
sis
tors
par
pu
ce
100µm
10µm
1µm
0,10µm
10 nm
Dim
ensi
on c
riti
que
4004
8080
808680286
i386
i486Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium IV
Itanium
1k4k
16k
64k
256k
1M4M
16M
64M128M
256M512M
1G2G
4G
Progrès possible grâce à l’introduction continue d’innovations
micr
opro
cesse
urs
mémoire
s dynamiques
(DRAM
)
course à l’intégration / course à la miniaturisation
Introduction contacts « plugs »(3niv met)
Introduction vias « plugs »,CMP(4niv met)
Introduction FSG(6 niv met)
Introduction damascene(5niv met)
Introduction Cu (7niv met)
Introduction Cu+H(M)SQ (9niv met)
Introduction polymères +ALD (10niv met)
Introduction ULK (11niv met)
Introduction poly gate
Introduction polycide
1 milliard
•loi de Moore initiale (1965) : nbr. transistors x 2 /an
Office PC
Main Frame
C.T.V.
VCRDefense
Home PC
InternetPortable
Convergence
10 millions
Introduction STI, salicide
CameraDigitale
DRAM X4/3an
s
MPU X2.5/3ans
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Three major product families
• High Performance (HP) t=CV/I
– Connection to power network
• Low Operating Power (LOP)
– Intermittent Nomadic Function
• Low Stand-by Power (LSTP) Pstat= VddxIoff
– Permanent Nomadic Function
Nomadic consumer and professional products: biggest market share
Pdyn=CVdd2 f
Ptot=Pstat+ Pdyn
few 109 tr./system
109 tr./system
few 108 tr./system
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La baisse des coûts, moteur de la diffusion de la microélectronique
1995
Une réduction des coûts unique dans l’histoire de l’industrie
(40 000 F)
(3 000 F)
(800 F)
(200 F)
(35 F)
(3 F)
(40 centimes) (3 centimes)
(500 000 F)
Coût de 1 million de transistors(équivalent à un livre de 200 pages)
1973 1977 1981 1984 1987 1990 2000 2005
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Les deux secrets de la microélectronique
Miniaturisation
Traitement collectif
De plus en plus de transistors par centimètre carré de Silicium
De plus en plus de centimètres carrés de Silicium traités simultanément
1 lot de fabrication à ST Crolles 2 : = 500 milliards
de transistors !!!
1 lot de fabrication à ST Crolles 2 : = 500 milliards
de transistors !!!
En 2015, l’ensemble des livres de la BNF F. Mitterrand sur une seule puce de silicium !
Plaques de silicium de 100, 200, puis 300 mm de diamètre
Lot de fabrication
Réduction des coûts
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1999: First 20nm MOSFET
20nm poly-gate MOSFET(hybrid lithography)
SiO² hard-mask
Gate length: 20nmGate oxide thickness:1.2nmExtensions; BF2 pockets; n+ HDDS.Deleonibus et al. ED Letters April 2000
Simulation(ATHENA/SILVACOTM)
Estimated metallurgical length: 4 nm(1018cm-3)
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0 0.5 1 1.5
Lg=20nmLg=25nm
Id(A
)Vd(V)
1.2nm gate oxyde
Beyond the roadmap !!
source
gateextension
drainHDD
pockets
Lm
Lg
Gate oxide
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Low field mobility Low field mobility degradation due to halo degradation due to halo overlap mostly in the case overlap mostly in the case of efficient SCE controlof efficient SCE control
LETI: G. Bertrand et al., ULIS 2003, SSE 2004
Leakage currents and Access resistance are still issues
source
gateextension
drainHDD
pockets
Lm
Lg
Gate oxide
Nanoscale bulk MOSFET Lg= 15nm
Lg~16nm
6893 P18
0
60
120
0
100
200
300
400
500
0,01 0,1 1 10
Gmmax
Gmmax
Rsd
>>2000 .µm
Rsd
=1200 .µm
Gm
max
(S
/m)
@ V
d=
50
mV
Gm
sat (
S/m
) @
Vd=
1.5
V
Lg
Scattering by impurities of Scattering by impurities of highly doped short channelhighly doped short channel ( room temperature)( room temperature)
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
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source
grille
extensiondrain
HDD
substratCanal
isolant de grilleLg
Tox
Xj
L
Transistor MOS
2ox .2
µCTGDsatD VVV
L
WI
2
0
exp0
q
kT
CC
CCC
L
WµCI
kT
qVII
Dox
ssDoxD
GD
Courant d’inversion faible (« sous le seuil ») Courant de saturation
(inversion forte)
G
BFFBT C
QVV 2
Tension de seuil
n(p) n(p)p(n)
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Saturation regime and non equilibrium
Velocity saturation : vsat max ≤vth
where:eff
th m
kTv
2
Velocity overshoot : vinj>vsat
Non equilibrium (non stationary transport).
If no collision in channel : ballistic transport
effm
qµ
2
2
1
kE
meff
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Classical parasitic effects
SCE : Short channel effect (charge sharing S-D-G)
Effet de canal court(perte de contrôle charge)
DIBL: Drain Induced barrier Lowering Abaissement de barrière induit par le drain
punch through
gate current
DIBL
SCE
oVg
oVdoVs(0V)
LeKBV FT 2/1)2(
L
VVT d2
substrate current
ox
i
CNq
KBS2
L
xx
xej
j
121 0
201,0 µm
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Caractéristiques et effets parasites dans un transistor MOS
10-15
10-13
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Vd=50mVVd=1.5VVd=50mVVd=1.5V
Id (
A)
Vg (V)
b/
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Vd=50mVVd=1.5VVd=50mVVd=1.5V
Id (
A)
Vg (V)
a/
65nm
75nm
perçage DIBL(*)
VT=DIBL+SCE SCE(*)inversion forte
inversion faible(pente 1/S)
VT
VT: tension de seuil
Lg = 75 nm
Lg = 65 nm
Vg step = 250 mV
W = 10 µm
0 0.4 0.8 1.2 1.60
1
2
3
4
5
6
Id (
mA
)
Vd (V)
Vg=1.5V « Courant de saturation »
ox
D
CC
qkTS 1).10log(.
0XC Si
D
ox
oxox
TC
Sous le seuil
oxD CC
decmVq
kTS /62)10log(.
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Parasitic effects in an ultimate MOSFET
Punch-through
Direct tunneling gate current
DIBL+SCE + punch-through : classical effects* Direct tunneling current through gate oxide * Field assisted tunneling current drain/channel diode
DIBL
SCE
oVg
oVd
Field assisted tunneling current
ToxEUmqh
P 024exp
- E
U0
Tox
I~ F2exp[-A Eg 3/2 / F]
* direct tunneling current between source and drain(<10nm)
S-D direct tunneling
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
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ITRS: 3 devices families according to applicationsIsat, Vdd vs Ioff ITRS 2003
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Ioff(nA/µm)
Isat
(µA
/µm
)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
VD
D(V
)
LOP HPLSTPLow STandby Power Low Operating Power High Performance
18
110
110
18110
18
22
3245
65
80
90
100
110
18
110
18
110
18
Ptot= Pstat + Pdyn
Pstat= VddxIoff
and Pdyn=CVdd2 f
d= CV/Isat
MOSFET Engineering
2006
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Classical MOSFET linear scalingChannel length K
Voltage U
Gate oxide K
Junction depth K
Electric field U/K2
Channel doping U/K
Parasitic capacitance K(ACox,ACj)
Current (vel. sat.) U2/K(U)
Delay(vel. sat.) K2/U(K)
Power (vel. sat.) U3/K(U2)
Speed.Power product KU2 Baccarani et al,IEDM 1984
To double density (X2), (follow Moore’s law)
then
Nowadays ITRS trend from technology node to
the next node !!
2
2K
i.e.
Node n: D
Node n+1: K.D
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 18
2006
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
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Basic Quantum effects on energy
222
2
L
n
mEn
rkin
ne .0
b0 TEU2mq
h
4πexpP
-Energy Barrier: tunneling
Schroedinger’s equation:
Possible solutions:Eigenvalues for energy E and eigenfunctions
(E, k - allowed values in reciprocal space)Typical significant cases in Microelectronics
-Potential well : Standing waves
L
Tb
and combination of both: inversion layer at MOS gate oxide interface!
L
nkn
U0
EVm
).1
(2 rr
2
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2006
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Quantum confinement => degeneracy splitting
(id. standing waves)
repopulation of higher energy levels with different meff
higher threshold energies required
« dead depleted » zone due to reflexion of electron wave function
Coexistence of 3D and 2D electron gases at a MOSFET interface
2D electron gas energy splitting in triangular potential
2D gas discretized levels
3D gascontinuum
M O S
EF
quantum correctionquantum correction
« Dead depleted » zone
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2006
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Example: Global Strain on Si/SiGe
EcEv
lh hh (4) (2)
Si
Six Ge1-xEv =0.74x
Ev Ec
(2) (4)hh lh
Six Ge1-x
Si Ec =0.6x
Relaxed Si
Biaxial Compressive strain
Si standardsubstrate
SiGe
a= 5.43
Relaxed Si
Biaxial Compressive strain
Si standardsubstrate
SiGe
a= 5.43
Biaxial tensile strain
Relaxed SiGe
SiGe relaxedvirtual substrate
Si
5.43<a<5.65
Biaxial tensile strain
Relaxed SiGe
SiGe relaxedvirtual substrate
Si
5.43<a<5.65
Relaxed SiGe
SiGe relaxedvirtual substrate
Si
5.43<a<5.65
Band offset and splitting Lower meff bands accessible
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2006
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Strain and bandgap engineeringCompressive strain Tensile strain Tensile strain
Six Ge1-x
Si
In Si1-x-y GexCy No strain if x=10y
Si
Si1-y Cy
Si
Six Ge1-x
a= 5.43
5.43<a<5.65
Compressive strain Tensile strain Tensile strain
Six Ge1-x
Si
Six Ge1-x
Si
In Si1-x-y GexCy No strain if x=10y
Band offset and splittingBand offset and splitting
Si
Si1-y Cy
Si
Si1-y Cy
Si
Six Ge1-x
SiSi
Six Ge1-x
a= 5.43
5.43<a<5.65
Global
Local
Stressors (CESL, source & drain, salicide,…)
nMOSnMOS
30nmsSiSiGe
30nmsSiSiGe
pMOS
pMOSnMOS
Band offset and splitting
EcEv
lh hh (4) (2)
Si
SixGe1-xEv=0.74x
Ev Ec
(2) (4)hh lh
Si
Si1-y CyEc=-6.5y
Ev Ec
(2) (4)hh lh
Six Ge1-x
Si Ec=0.6x
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 23
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Strained Si + strained Ge channels
0
5 10-6
1 10-5
1.5 10-5
2 10-5
2.5 10-5
3 10-5
-1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2
A
x6
VD=+/-1.2V
W=400µm
LG=10µm
TiN CVD gate
x1.65
Gate overdrive VG-V
TH (V)
Dra
in C
urre
nt I
Dsa
t (A/µ
m)
Dra
in C
urre
nt I
Dsa
t (A/µ
m)
Dra
in C
urre
nt I
Dsa
t (A/µ
m)
PMOS NMOS
s-Si
Si
s-Ge
SiDra
in C
urre
nt I
Dsa
t (A/µ
m)
80
160
240
320
400
480
560
0 2 105 4 105 6 105 8 105 1 106
Mob
ility
(cm
2 .V-1
.s-1
)
Effective field (V/cm)
s-Ge
s-Si
Si refs.
Si refs.
(holes)
(holes)
(electrons)
(electrons)
universal
universal
HfO2/TiN
gate stackelectrons
holes
• Improved hole mobility in compressively strained Ge and electron mobility in tensely strained Si
• Symetrical drain current for any dual channel CMOS
LETI: Weber et al., IEDM, 2005
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 24
2006
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-40
-20
0
20
40
60
80
100
0,01 0,1 1 10
Lo
w f
ield
Mo
bili
ty g
ain
(%
)
Effective Gate Length (µm)
symbols = exp.lines=input for Id model
Strained Devices
= CESL-sSi
= sSi= sSiGe
LETI: F.Andrieu et al. VLSI Tech. Symp, June 2005,Kyoto
ESL-sSi : m* reduction strain enhancement sSiGe : m* reduction extra charged defects sSi : quantization effects phonon scattering not dominant
Original & in-depth characterisation of µeff in strained devices
ESL-sSi : m* reduction strain enhancement sSiGe : m* reduction extra charged defects sSi : quantization effects phonon scattering not dominant
Original & in-depth characterisation of µeff in strained devices
Short channel issues on strained architectures
Global + Local
Global
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 25
2006
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Ultimate transport properties in Si. Ballistic effects
Initial injection velocity at source Reflexion on ionized dopants(channel or drain) Interface roughness Backscattering at the source , from dopants
will reduce ballisticity
Tunneling component
Thermionic component
xy
Energy subband iValley j
BallisticBallistic currentcurrentTunneling component
Thermionic component
xy
Energy subband iValley j
BallisticBallistic currentcurrent
Figure 1. 2-D potential energy distribution in the channel. The essential mechanisms governing the carrier transmission are also illustrated.
Thermionic current
Tunneling current
Ballistic
and
Diffusive
Transport2/1
*
2)(
)(
)(2
m
knv
VVCn
nvqnT
TI
Tgeff
satD
<v(n)> average thermal velocity
Ceff gate/channel capacitance
T: transmittance
Lg< Lm(mean free path 100nm@300K)
S.Datta etal, IEDM 1998, San Francisco(CA) Dec 1998
G.Bertrand et al SNW2000 Honolulu(HI), ULIS2003Munchen(FRG)
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2006
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Scaling supply voltage
Issues to address(trade of Performance & Power): room temperature operation threshold voltage controlparasitic effects
The most severe constraints are due to(*) :doping concentration fluctuations small volume,asymetry short channel effects low VT vs. VT - low Vsupply -
Tox thickness,doping concentration, Xj
leakage current in subthreshold regime even with S=60mV/dec(FDSOI) and VT = 0,20V (Vsupply=0,5V) we will get Ioff = 1nA/µm
tunnel currents SiO2 tunneling dielectric , F-N high doping level
P = Pstat + Pdyn Pstat= VddxIoff and Pdyn=CVdd2 f
(*) much higher impact than thermal fluctuation, energy equipartition, quantum fluctuations S.Deleonibus et al. ESSDERC 1999, Leuven, Sept 1999
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High K dielectric integration:Replacing SiO2
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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Calendar Year
J g(A
/cm
2)
0
5
10
15
20
25
EO
T (A
)
J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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Calendar Year
J g(A
/cm
2)
0
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EO
T (A
)
J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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Calendar Year
J g(A
/cm
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T (A
)
J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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J g(A
/cm
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)
J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
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)
J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High -k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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/cm
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
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1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
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1.E+01
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
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1.E+00
1.E+01
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
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1.E+00
1.E+01
1.E+02
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High -k needed beyond thiscrossover point
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1.E+01
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
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1.E+01
1.E+02
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J g(A
/cm
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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Calendar Year
J g(A
/cm
2)
0
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T (A
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High-k needed beyond thiscrossover point
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
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Calendar Year
J g(A
/cm
2)
0
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T (A
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J g, simulated for SiON, planar bulk
Jg, limit for SiON, planar bulk
EOT, planar bulk
EOT, UTB FD
EOT, DG
High -k needed beyond thiscrossover point
ox
ioxi ttEOT
Tox=1.2nm Active area(10cm2 circuit): 1cm2
*Pstat(0.5V)= 5W => 500W/m2(1/2 AM1) *Pstat(1V) = 50W => 5kW/m2
*Pstat(1.5V) = 750W !! => 75kW/m2!! (Small Nuclear Power station to keep 50 000 PC in standby mode!! …)
SixOxN yor large mobility gap
SiHigh KmaterialGate
(poly,metal)
(*) SiO2 AlN Al2O3 Si3N4 Ta2O5 TiO2 BaTiO3 HfO2 ZrO2
Ec(MV/cm) 10 -13 6-15 5 5-10 3.5 1 3
ε r 3.9 8.5 10 7.5 22-27 15 -40
60 -100
>1000 30 25
Eg(eV) 9 6.2 7-8 5 4.4 3.2 4.3 5.68 5.16 -7.8
(*) Bulk materials characteristics
Possible candidates
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 28
2006
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Metal Workfunctions m
tox
tdepletion
tinversionS D
G
Cg-ox
Cg-depl.
Cg-inv.
Tgateeletcrode
Cg =1
1
Cg-ox
1
Cg-depl
1
Cg-inv+ +
tox
tdepletion
tinversionS D
G
Cg-ox
Cg-depl.
Cg-inv.
Tgateeletcrode
tox
tdepletion
tinversionS D
G
Cg-ox
Cg-depl.
Cg-inv.
Tgateeletcrode
Tgateeletcrode
Cg =1
1
Cg-ox
1
Cg-ox
1
Cg-depl
1
Cg-depl
1
Cg-inv
1
Cg-inv+ +
SMSze Physics of Semiconductor Devices 1981 J.Hauser IEDM 1999 Short Course
Nb 3.99-4.30
Al 4.06-4.20
Ta 4.12-4.25
Mo 4.30-4.60
Zr 3.90-4.05
V 4.12-4.30
Ti 3.95-4.33
TaN 4.2-3.9
Ec
Ev
Ei
Co 4.41-5.00 Ru 4.60-4.71
W 4.10-5.20 Rh 4.75-4.98
Os 4.70-4.83 Au 4.52-4.77
Cr 4.50-4.60 Pd 4.80-5.22
ZrSi2 TiSi2
TaSi2 CrSi2
MoSi2WSi2
NiSi2CoSi2
RhSi PdSi
WNx
TiNx 4.60-4.90
qSi= 4.05eV
qmSi(Ei)=4.61eV
Vacuum level
Re 4.72-5.00
Ir 5.00-5.70
Pt 5.32-5.50
RuO2 4.90-5.20
Eg=
1.12
eV
TaSixNy
WSixNy
WCxNy
TiSixNy
mn(Ei+0.2V)
mp(Ei-0.2V)
mn+(Ei+0.55V)
mp+(Ei-0.55V)
Midgap
Silicon
reduce gate depletion capacitance
« Dead depleted » zone
invdeplox tttEOT
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2006
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 30
2006
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Silicon On Insulator
A
B
SOI wafer A
New A B
Smart-Cutsplitting at 500°C
Annealing 1100°CCMP touch polishing
Wafer A becomes B
A
B
A
BB
SOI wafer AA
New A B
Smart-Cutsplitting at 500°C
Annealing 1100°CCMP touch polishing
Wafer A becomes B
SiO2
Si
tSi
L
M. Bruel, Elec. Lett., vol. 31, n° 14, p. 1201, 1995
A B
A
A
A
B
Initialsilicon
Oxidation
Smart-Cutimplant
Cleaning andbonding
Buried oxide
H+ ions5.1016 cm-2
AA B
A
A
A
B
A
B
Initialsilicon
Oxidation
Smart-Cutimplant
Cleaning andbonding
Buried oxide
H+ ions5.1016 cm-2
Smart-Cut process Cj
-reduced parasitic capacitance -improved isolation -improved electrostatics
improved FOM /bulk
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1Pr
opag
atio
n de
lay
(ps)
Power consumption (µW/MHz/gate)
Single inverterL = 0.25 µm
Wp/W
n=5/2.5
BULK
SOI
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 31
2006
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Co-integrated Dual Strained Channel On Insulator
down to 12nm gate length with a high-k/metal gate stack
F. Andrieu et al., IEEE SOI conf., 2005
20nm
pFETs LTiN=12nm
BOX
Si0.6Ge0.4
sSDOI
20nm
sSDOI
nFETs LTiN=14 nm
NiSiPoly Si
TiNHfO2
0
200
400
600
800
1000
-1.2 -0.6 0 0.6 1.2
Dra
in C
urr
en
t (µ
A/µ
m)
Drain Voltage (V)
WG=10µm
LG=15nm
DCOI
|VG-V
Tlin|=1V; 0.8V; ...
nMOS
pMOS
0
50
100
150
200
250
300
350
0 5 1012 1 1013
Si/HfO2
sSi/HfO2
DCOI/HfO2
Si/SiO2
sSi/SiO2
Hol
e M
obili
ty (
cm2/ V
s)
Inversion Charge Density (cm-2)
+100%
SOI or sSDOI
DCOI
LG=10µm
0
400
800
0 5 1012 1 1013
Si/HfO2
sSi/HfO2
Si/SiO2
sSi/SiO2
Ele
ctro
n M
obili
ty (
cm2/ V
s)
Inversion Charge Density (cm-2)
+85%+100%
SOI
sSDOI
LG=10µm
VT matching SOI -> LP DCOI -> HP
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Fully Depleted SOIV
T(V
)
Tsi(nm)
Bulk or PD SOI like
FDSOI
Quantum
confinementN+ poly gate
J.Lolivier et al, ECS Spring meeting, Paris, May 2003
222
2
sieffn T
n
mE
Quantum confinement in thin film(TSi thk):
111 2
2ox
siAffbT C
TqNVV Fully depleted SOI:
Low Doped thin channel
=> Lower dopant fluctuations
=> Higher VT stability vs thickness
Gate Workfunction engineering for dual gate /undoped FD channel Low VDD
E2Phi Nantes Aug 22-25 2006 S.Deleonibus LETI/D2NT 33
2006
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With thinner buried oxide, fringing fieldsin substrate depletion region
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
Fringing fields through buriedoxide contributeto SCE
Adding a ground-plane help reducingSCE and DIBL but degrade Ssw
Except if ground-plane connected to gate=> Double-gate device
1 2
3 4
With thinner buried oxide, fringing fieldsin substrate depletion region
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
Fringing fields through buriedoxide contributeto SCE
Adding a ground-plane help reducingSCE and DIBL but degrade Ssw
Except if ground-plane connected to gate=> Double-gate device
1 2
3 4
FDSOI optimization from single gate to multi gate
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
GATE
SOURCE DRAIN
SILICON SUBSTRATE
PLANAR DGMOS
Planar or non planar?
(design/layout issue very strong)
BOX
GATE
CHANNEL
FINFET, Tri Gate FET
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Double gate - channel population
Ravaioli, SINANO Modeling Summer School Glasgow Aug 2005
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Double gate versus Single gate(FDSOI) MOSFET by Wafer Bonding(Lg=40nm)
M.Vinet et al. , SSDM 2004, Sept2004, Tokyo
IST NESTOR project
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Planar Double gate by wafer bonding
Lg~13nm
Lg~8nm
Lg~13nm
Lg~8nm
LETI: M.Vinet et al. IEEE EDL, May 2005
IonN(10nm) =1130µA/µm IoffN(10nm)=7µA/µm
Lg=10nm
IonN(20nm) = 1250 µA/µm IoffN(20nm)= 1.3 µA/µm
Lg=20nm
Best Ion/Ioff trade off @ Lg=10nm
published to date!!
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FET Non Planar MultigateFET Non Planar Multigate
Excellent ION/IOFF ratio of 5.105 for a 10 nm non planar device and very good channel control
LETI : Jahan et al, VLSI Tech Symposium, June 2005 Kyoto(Japan)
Functional N-Fets tested down to Lg=10 nm
NMOS: ION=326µA/µm, IOFF=600pA/µm @ VD=1.2V, SS=90mV/dec, DIBL=130mV
1E-10
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2VG (V)
I D (
A/µ
m)
NMOSLg=10 nm
WFIN=50 nm
VD=0.1V
VD=1.2V
TEM cross-section of a 60 nm silicon finger fet device
Si
HfO2TiN
Lg = 10 nm
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Silicon On Insulator based architecturesSubthreshold regime – optimizing electrostatics
• Subthreshold regime is limited to 60mV/decade at 300K
SiO2
gate
SiO2
SiFilm thickness tSi required for a given L value
x 1/4
X 1/2
x1
X 1-2B.Doyle – VLSI’03 10A-2, 2003M. Ieong et al. Science vol. 306 Dec. 2004
* No direct S-D tunnel introduced …
Ratio : tsi/L
SiO2
Si
tSi
L
SiO2
Si
Planar Fully Depleted SOI
Planar Double-gate, FinFET
Tri-gate,-FET
Surrounding-gate(nanowire)
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Gate SiPoly/TiN/HfO2
SiChannels
HM
S/D SEG
SOISource Drain
BOX
multigate devices HfO2/TiN gate stack
nanowire matrix with HfO2/TiN gate
Planar multichannels:
SiHfO2/TiNSi
HfO2/TiNSi
HfO2/TiNSi
SiHfO2/TiNSi
HfO2/TiNSi
HfO2/TiNSi
RTB: 3D Nanowire matrix
(a) CVD growth of single nanowire
200 nm(b) CVD growth within Al2O3 pattern
(c) MBE growth of wire heterostucture
Courtesy of : T.Ernst et al., E.Hadji et al.
From Multichannels to Nanowires (planar and 3D)
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route
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General trend towards few electron electronics
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Candidates for Post CMOS Nanoelectronics
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Coulomb blockade effect and Single Electron Transistor
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10 -11
10 -10
10 -9
10 -8
10 -7
10 -6
10 -5
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
Vd=100µV
Vd=300µV
Vd=500µV
Dra
in C
urr
en
t (A
)
Vg
T=75K
T=20K
Lg=20nm W=10µm
Limits: from CMOS to SET-MOS
CEA /CEA-LETI:
M. Specht et al. IEDM1999
G. Bertrand et al., Proceedings ULIS 2003
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Few electron phenomena will appear in future NV memory generations
Molas et al., IEDM2004, San Francisco(CA), Dec. 2004
Si substrate
Control gate
ADAMANT
N= 1012cm-2, = 5nm
LPCVD Si
Non Volatile (Flash) Memories
multilevel storage!!
Defect in conventional Flash memories (Stress Induced Leakage Current): => retention
10 10010
102
103N
um
ber
of e
lect
ron
sp
er
bit
, N
Flash TechnologyNode[nm]
VTh-max=3VNOR Flash
NAND Flash
Si-Nanocrystals Memories(NAND )
35nm
200
10 10010
102
103N
um
ber
of e
lect
ron
sp
er
bit
, N
Flash TechnologyNode[nm]
VTh-max=3VNOR Flash
NAND Flash
Si-Nanocrystals Memories(NAND )Si-Nanocrystals
Memories(NAND )
35nm
200
35nm
200
insulator
Tunn.Ox
Control gate
Floating gate
Control gate
Nanocrystals
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Molecular Memories
WORM
• Memory applications of molecular electronics– Strong market demand – High density and low cost– Redundancy
• Few examples– Porphyrins …– Thermal budget > 400°C– Multi-Bit/cell
Meyyappan NASA 2004
Bocian UC Riveside 2003
Forrest Princeton 2003
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Sommaire
•Introduction et contexte
•Dispositifs CMOS : physique, effets ultimes (géometries ultimes)
•Feuille de route de la nanoélectronique et mise à l’échelle linéaire (ITRS and linear down scaling)
•Nécessaires « Boosters » pour maintenir le progrès
-Nouveaux matériaux pour amélioration CMOS: transport, parasites et courant de fuite
-Nouvelles architectures CMOS Nanoélectronique
•Architectures post CMOS. Opportunités mémoires
•Conclusions : futurs systèmes/puce(SOC), feuille de route architectures
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Integration of new functions on chip. Future System On Chip
MEL-ARI Nanoelectronics Roadmap
few e-memories
Training, education issues to mix devices in design!!
Integration of new materials for new functions with new devices exploiting new physical phenomena Pluri and inter
disciplinarity!!
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Perspectives: Dispositifs CMOS Nanoelectroniques
• Réduction de leurs dimensions : visibilité jusqu’à Lg=5nm(2020) /encore de nombreux défis!!
• Constitueront la plateforme de base de la Nanoelectronique Nouvelles fonctionnalités sur la puce=> Pluridisciplinarité
• Consommation énergétique constitue le défi majeur tout en gagnant en performances (Valim: sub 1V). => Optimisation : architectures des dispositifs(*) et systèmes
(*) effets quantiques rôle majeur
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Construire un pôle compétitif internationalement
Education
Industrie
• Multidisciplinarité• Excellence • Masse critique• Plate-forme technologique
RechercheOperationnel en 20064000 personnes en 2007
170 M€ investis par les partenaires
Merci de votre attention
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Formulaire(1)
Courant dans le transistor en régime linéaire: (Vd<Vdsat):
Courant dans le transistor en régime de saturation : (Vd=Vdsat):
A Vd=Vdsat le canal est pincé
Transconductance: régime linéaire
Transconductance: régime de saturation
Temps de propagation par porte CMOS:
d= CV/Isat si les TMOS N et P sont symétriques(Isat N=IsatP)
s=1/2 CV/(IsatN-1 + IsatP-1) si les TMOS ne sont pas symétriques
Courant sous le seuil(VG<VT)
2. DTGDoxDlin
VVVV
L
WµCI
2ox .2
µCTGDsatD VVV
L
WI
DG
Dm V
L
W
V
Ig ox
maxmax µC
)(µCox TGG
Dsatmsat VV
L
W
V
Ig
2
0
exp0
q
kT
CC
CCC
L
WµCI
kT
qVII
Dox
ssDoxD
GD
outloadDS CCC /
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2006
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SkT
qLog
dqV
kT
dLog I
kT
qLog
C
C
G
D
w
ox
10 10 1.
( ).
Effets de canaux courts(partage de charges entre la source le drain et la grille)
Pente en faible inversion
TEUme
hP o2
4exp
Probabilité d’effet tunnel
Formulaire(2)
F
EgAFI
2/32 exp
Effet Fowler Nordheim(effet tunnel assisté par le champ électrique)
12141214
2/12/1
j
jox
oxB
j
j
ox
wBT x
W
W
x
L
t
x
W
L
x
C
CV
ox
BFFBT C
QVV 2
Tension de seuil
qinvdeploxG CCCC
1111Capacité de couplage grille/ canal(déplétion+effets quantiques
dans le canal)
ox
oxms
ox
oxmsFB C
Q
C
QV
G
BFFBT C
QVV 2
P = Pstat + Pdyn Pstat= VddxIoff and Pdyn=CVdd2 f
ox
SiAFFBT C
TqNVV
22
sMMS
VT avec contribution (déplétion+ effets quantiques)
VT TMOS SOI Fortement déserté
Puissance totale, Puissance dynamique
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Flow for Future Simulations: from Poisson / Drift Diffusion to Schroedinger/Monte Carlo
coll
BBkBr
B
t
ff.
qEf.
m
k
t
f
)( rr V
Corrected Boltzmann’s equation
EVmeff
).1
(2 rr
2
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Downscaling … and modeling
Quantum transportWigner function modelGreen function modelQuantum hydrodynamic model
Semi-classical transport
Hydrodynamic modelMonte-Carlo method
Classical transport Drift-diffusion model
Simulation model
60 70 80 90 00
100 m
10 m
1 m
100 nm
10 nm
year
dim
ensi
ons
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2006
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Material µn (cm2V-1s-1) µp (cm2V-1s-1) th (W/m/K) Rel. K Eg(eV) Vsat(107cm/s)
Si 1400 500 141 11.9 1.12 0,86
Ge 3900 1900 59.9 16 0.66 0,60
GaAs 8900 400 46 12.5 1.42 0,72
C-Diamond
1800 1800 >1500 5.7 5.47 2,7
InSb 78000 750 _ 16.8 0.16 5,0
Opportunities for other materials on Silicon
LETI: S.Deleonibus, ICSICT 2004, Beijing, Oct. 2004 , S.Deleonibus et al., Int.Journ. High Speed Electronics, March 2006
Highest thMost compact logic High short channel effect immunity
Highest µn but Worst µn/µp!!
Passive layer combine w BOx(thermal shunt)/graphite
Well established high quality material (>40yrs experience) Oxidizable !
Silicon compatible Available in all fabs
Opto Power RF applications Ge compatible
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2006
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Perspectives: Nanoelectronics CMOS devices
• Scaling can be foreseen down to Lg=5nm.• Nanoelectronics Base platform • Power consumption: major issue (sub
1V supply voltage). => Device/ system architecture optimization
New routes (LETI playground)
3D integration: elementary function
New SOC concepts(analog, RF, Hi Perf,Memories): compound SC/OI/Si based substrate, molecular electronics, …
New device architectures: Max Ion/Ioff and Low Power Multigate, Multichannels, Nanowires, Nanotubes, IMOS,…
FDSOI: Advanced substrate (BOX, stressors, thermal shunts,…) Dual strained channels(GeOI option); Dual metal gates (Hi Perf); Metallic S&D (Schottky vs ohmic cts)
65nm 45nm 32nm 22nm‘07 ‘09 ‘12
PDSOI
‘15
bulk
strain
ADD substrateengineering
ADD High µ material
MuGFETMuCFET
…
µ ?
elec
tro
stat
ic c
ntr
ol
SiON
poly
high k
metal
gate stack
planar 3D
65nm 45nm 32nm 22nm‘07 ‘09 ‘12
PDSOI
‘15
bulk
strain
ADD substrateengineering
ADD High µ material
MuGFETMuCFET
…
µ ?
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SiON
poly
SiON
poly
high k
metal
high k
metal
gate stack
planar 3D
ther
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µ+