Etude et fabrication de MOSFET de la filière III-V

1
THESE
UNIVERSITE LILLE1 SCIENCES ET TECHNOLOGIES
ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L’INGENIEUR
Pour obtenir le titre de
Docteur de l’Université Lille1 Sciences et Technologies
Spécialité
Electronique
Par
Jiongjiong MO
Etude et fabrication de MOSFET de la filière III-V
Thèse dirigée par : Prof. Sylvain BOLLAERT
Soutenue le 11/07/2012
Mme Mireille MOUIS Rapporteur
Mr Thierry BARON Rapporteur
Mr Christophe GAQUIERE Examinateur
Mr Guilhem LARRIEU Examinateur
Mr Michel RENVOISE Examinateur
Mr Sylvain BOLLAERT Directeur de thèse
Mr Nicolas WICHMANN Co-encadrant de thèse
N° d’ordre: 40844
Thèse de Jiongjiong Mo, Lille 1, 2012]
© 2012 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

2
Thèse de Jiongjiong Mo, Lille 1, 2012]
© 2012 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

3
Remerciements
Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d’un projet ANR MOS III-V au sein d’IEMN
avec la collaboration de différents laboratoires de recherche y compris l’IEF de Paris pour la
simulation Monte Carlo du composant, l’OMMIC de Paris, le CEA-LETI de Grenoble pour la
déposition de l’oxyde, le CIMAP de Caen pour l’image TEM et la groupe Epiphy au sein
d’IEMN pour la préparation du substrat. Je tiens à remercier Monsieur le professeur Alain
Cappy, ancien directeur de l’IEMN, Monsieur Lionel Buchaillot, directeur de recherche
CNRS et actuel directeur de l’IEMN pour m’avoir accueilli au sein de laboratoire d’IEMN
pendant ces durées du travail.
Je remercie Monsieur le professeur Gilles Dambrine, professeur de Lille1, ancien responsable
du groupe Anode et Monsieur le professeur Francois Danneville, professeur de Lille1,
responsable du groupe ANODE actuel, pour m’avoir accueilli au sein du groupe.
Je remercie Madame Mireille Mouis, responsable de recherche à l’INP Grenoble et Monsieur
Thierry Baron, directeur de recherche à CEA Grenoble, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en
acceptant d’être rapporteurs de ce travail de thèse.
Je remercie également Monsieur Christophe Gaquiere, professeur à l’Université des Sciences
et Technologies de Lille, Monsieur Guilhem Larrieu, chargé de recherche à LAAS Toulouse
et Monsieur Michel Renvoise,chercheur de OMMIC de participer à ce jury en tant
qu’examinateurs.
Je tiens à remercier mon directeur de thèse, Monsieur Sylvain Bollaert, professeur à Lille1,
pour m’avoir encadré au cours de cette thèse. Grâce aux nombreuses discutions, Sylvain m’a
permis d’avancer mon travail. Je remercie également Monsieur Nicolas Wichmann, maître de
conférences à Lille1, qui a co-encadré ce travail avec l’aide et les conseils m’ont permis de
progresser efficacement.
Je remercie aussi tous les membres du groupe ANODE y compris les permanents Yannick
Roelens et Mohammed Zaknoune pour les discussions. Je remercie aussi Xavier Wallart et
Thèse de Jiongjiong Mo, Lille 1, 2012]
© 2012 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

4
Ludovic Desplanque du groupe Epiphy pour m’avoir fourni les échantillons d’épitaxie pour
travailler au dessus.
Je remercie également à mes collègues post-docs, thésards, pour leur soutien et amitié :
Nicolas, Yoann, Cyrille, Phillippe, Nan, Aurélien, Albert, Arame, Laurent, Jinshan, Julien,
David. Aurélien m’a transmis toutes ses connaissances avec ses premiers résultats dans ce
projet MOS III - V.
Je remercie également Sylvie Lepilliet et Vanessa Sbrugnera-Avramovic de centrale de
caractérisation, qui m’ont appris de la mesure. Et aussi Marc Francois, Yves Deblock,
Francois Vaurette, Pascal Tilmant pour la lithographie électronique et optique, Christiane
Legrand pour la gravure sèche, André Leroy, Annie Fattorini pour la métallisation, Christophe
Boyaval pour la caractérisation MEB, et David Troadec pour la préparation de lame TEM de
centrale de technologies.
Thèse de Jiongjiong Mo, Lille 1, 2012]
© 2012 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

5
Table des matières
Introduction générale: .............................................................................................................9
Chapitre 1 Introduction aux Transistors MOSFET de la filière III-V ..................................... 15
1.1 Contexte et enjeux sociétaux ........................................................................................ 15
1.1.1 Fin de la loi de Moore ............................................................................................ 15
1.1.2 L’exigence de l’intelligence ambiante .................................................................... 17
1.2 Principaux paramètres d’un MOSFET.......................................................................... 20
1.2.1 En régime statique ................................................................................................. 20
1.2.1.1 Tension de bande plate VFB .............................................................................. 20
1.2.1.2 Caractéristiques log(Id)=f(VGS)......................................................................... 20
1.2.1.3 Courant de grille .............................................................................................. 23
1.2.1.4 Transconductance ............................................................................................ 23
1.2.1.5 Conductance de sortie ...................................................................................... 23
1.2.1.6 Défaut d’interface ............................................................................................ 23
1.2.1.7 Mobilité effective du canal............................................................................... 25
1.2.1.8 Densité d’états d’un matériau DOS .................................................................. 25
1.2.2 En régime dynamique ............................................................................................ 26
1.3 Consommation de puissance : défi et challenge du ‘Beyond CMOS’ ............................ 27
1.4 Matériaux .................................................................................................................... 30
1.5 Architectures du transistor basse consommation........................................................... 32
1.5.1 MOSFET vs. HEMT .............................................................................................. 32
1.5.2 Architectures alternatives ....................................................................................... 34
1.6 Technologie des MOSFET III-V : défis et contraintes .................................................. 37
1.6.1 L’oxyde sur un matériau III-V : défi majeur de la technologie des MOSFET III-V 37
1.6.1.1 Technique de dépôt d’oxyde ............................................................................ 37
1.6.1.2 Défauts dans l’oxyde Al2O3 (charge fixe)......................................................... 39
1.6.1.3 Défauts à l’interface d’oxyde/semiconducteur .................................................. 40
1.6.1.4 Techniques de passivation : ............................................................................. 40
1.6.2 Matériaux III-V et substrat ..................................................................................... 41
1.6.3 Budget thermique .................................................................................................. 42
1.7 Etat de l’art des MOSFET III-V ................................................................................... 43
1.7.1 Défaut d’interface entre l’oxyde et le semiconducteur ............................................ 43
1.7.2 Comportement sous le seuil ................................................................................... 44
1.7.3 Mobilité effective, courant de drain et transconductance ........................................ 46
1.7.4 Performances fréquentielles ................................................................................... 48
1.8 Les objectifs du travail ................................................................................................. 50
Bibliographie: ....................................................................................................................... 53
Chapitre 2 Fabrication et caractérisation de MOSFET In0.53Ga0.47As .................................... 63
2.1 Introduction ................................................................................................................. 63
2.2 Fabrication et caractérisation de MOSFET In0.53Ga0.47As en technologie « Gate-First » :
structure de référence............................................................................................................ 63
2.2.1 Procédé de fabrication et structure épitaxiale des MOSFET In0.53Ga0.47As en
technologie « Gate-First » ................................................................................................. 63
2.2.1.1 Couche épitaxiale : .......................................................................................... 64
2.2.1.2 Définition de la grille ....................................................................................... 65
2.2.1.3 Masque MOSFET InGaAs multi-doigts de grille ............................................. 67
2.2.2 Briques technologiques de fabrication .................................................................... 69
Thèse de Jiongjiong Mo, Lille 1, 2012]
© 2012 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr