Selon la feuille de route des industriels de la microélectronique (ITRS), la dimension critiqueminimum des MOSFET en 2026 ne devrait être que de 6 nm [1]. La miniaturisation du CMOS reposeessentiellement sur deux approches, à savoir la réduction des dimensions géométriques physiques etdes dimensions équivalentes. La réduction géométrique des dimensions conduit à la diminution desdimensions critiques selon la " loi " de Moore, qui définit les tendances de l'industrie dessemiconducteurs. Comme la taille des dispositifs est réduite de façon importante, davantage d'effortssont consentis pour maintenir les performances des composants en dépit des effets de canaux courts,des fluctuations induites par le nombre de dopants.... [2-4]. D'autre part, la réduction des dimensionséquivalentes devient de plus en plus importante de nos jours et de nouvelles solutions pour laminiaturisation reposant sur la conception et les procédés technologiques sont nécessaires. Pour cela,des solutions nouvelles sont nécessaires, en termes de matériaux, d'architectures de composants et detechnologies, afin d'atteindre les critères requis pour la faible consommation et les nouvellesfonctionnalités pour les composants futurs ("More than Moore" et "Beyond CMOS"). A titred'exemple, les transistors à film mince (TFT) sont des dispositifs prometteurs pour les circuitsélectroniques flexibles et transparents.

L'introduction du SiGe dans les pMOS (Bulk et FDSOI) exige un bon contrôle de la tension de seuil (VT). Ceci nécessite une extraction précise des paramètres électriques ainsi qu'une compréhension des effets électriques du Ge dans de tels dispositifs. Dans cette thèse, nous avons d'abord proposé des méthodes pour une identification précise des paramètres électriques du « gate stack »: VT, la tension de bande plate (VFB) et l'épaisseur équivalente d'oxyde (EOT). Ces méthodes ont été validées avec des simulations Poisson-Schrödinger (PS) et appliquées avec succès aux mesures. Dans un second temps, nous avons étudié les effets électriques du Ge sur les paramètres du « gate stack » des pMOS. La comparaison des caractérisations électriques (C-V) avec les simulations PS a montré un décalage supplémentaire du travail de sortie effectif qui croit avec le Ge. Des caractérisations STEM, EELS et SIMS ont prouvé que ce décalage est due à la présence de dipôles à l'interface SiGe/oxyde. / Maintaining good threshold voltage (VT) centering is a paramount challenge for CMOS technology. The SiGe introduction in bulk and FDSOI pFETs requires VT control for such devices. To this end, we have to extract accurately electrical parameters and to understand Ge integration effects in SiGe based pFETs. In this thesis, first, we have proposed extraction methods to determine VT, flat band voltage (VFB) and equivalent oxide thickness (EOT) parameters in bulk and FDSOI transistors. The extraction methods have been validated via Poisson-Schrodinger (PS) simulations and successfully applied to measurements. Second, we have highlighted and explained electric effects of Ge on pMOS gate stack parameters. Electrical characterizations compared with PS simulations have evidenced an additional effective work function increase, induced by Ge, related to interfacial dipoles. STEM, EELS and SIMS characterizations have demonstrated that dipoles are located at SiGe/IL interface.

Selon la feuille de route des industriels de la microélectronique (ITRS), la dimension critiqueminimum des MOSFET en 2026 ne devrait être que de 6 nm [1]. La miniaturisation du CMOS reposeessentiellement sur deux approches, à savoir la réduction des dimensions géométriques physiques etdes dimensions équivalentes. La réduction géométrique des dimensions conduit à la diminution desdimensions critiques selon la « loi » de Moore, qui définit les tendances de l’industrie dessemiconducteurs. Comme la taille des dispositifs est réduite de façon importante, davantage d’effortssont consentis pour maintenir les performances des composants en dépit des effets de canaux courts,des fluctuations induites par le nombre de dopants…. [2-4]. D’autre part, la réduction des dimensionséquivalentes devient de plus en plus importante de nos jours et de nouvelles solutions pour laminiaturisation reposant sur la conception et les procédés technologiques sont nécessaires. Pour cela,des solutions nouvelles sont nécessaires, en termes de matériaux, d’architectures de composants et detechnologies, afin d’atteindre les critères requis pour la faible consommation et les nouvellesfonctionnalités pour les composants futurs (“More than Moore” et “Beyond CMOS”). A titred’exemple, les transistors à film mince (TFT) sont des dispositifs prometteurs pour les circuitsélectroniques flexibles et transparents. / Novel advanced metal-oxide semiconductor (MOS) devices such as fully-depleted-silicon-on-insulator (FD-SOI) Tri-gate transistor, junctionless transistor, and amorphous-oxide-semiconductor thin film transistor were developed for continuing down-scaling trend and extending the functionality of CMOS technology, for example, the transparency and the flexibility. In this dissertation, the electrical characteristics and modeling of these advanced MOS devices are presented and they are analyzed. The sidewall mobility trends with temperature in multi-channel tri-gate MOSFET showed that the sidewall conduction is dominantly governed by surface roughness scattering. The degree of surface roughness scattering was evaluated with modified mobility degradation factor. With these extracted parameters, it was noted that the effect of surface roughness scattering can be higher in inversion-mode nanowire-like transistor than that of FinFET. The series resistance of multi-channel tri-gate MOSFET was also compared to planar device having same channel length and channel width of multi-channel device. The higher series resistance was observed in multi-channel tri-gate MOSFET. It was identified, through low temperature measurement and 2-D numerical simulation, that it could be attributed to the variation of doping concentration in the source/drain extension region in the device. The impact of channel width on back biasing effect in n-type tri-gate MOSFET on SOI material was also investigated. The suppressed back bias effects was shown in narrow device (Wtop_eff = 20 nm) due to higher control of front gate on overall channel, compared to the planar device (Wtop_eff = 170 nm). The variation of effective mobility in both devices was analyzed with different channel interface of the front channel and the back channel. In addition, 2-D numerical simulation of the the gate-to-channel capacitance and the effective mobility successfully reconstructed the experimental observation. The model for the effective mobility was inherited from two kinds of mobility degradations, i.e. different mobility attenuation along lateral and vertical directions of channel and additional mobility degradation in narrow device due to the effect of sidewall mobility. With comparison to inversion-mode (IM) transistors, the back bias effect on tri-gate junctionless transistors (JLTs) also has been investigated using experimental results and 2-D numerical simulations. Owing to the different conduction mechanisms, the planar JLT shows more sensitive variation on the performance by back biasing than that of planar IM transistors. However, the back biasing effect is significantly suppressed in nanowire-like JLTs, like in extremely narrow IM transistors, due to the small portion of bulk neutral channel and strong sidewall gate controls. Finally, the characterization method was comprehensively applied to a-InHfZnO (IHZO) thin film transistor (TFT). The series resistance and the variation of channel length were extracted from the transfer curve. And mobility values extracted with different methods such as split C-V method and modified Y-function were compared. The static characteristic evaluated as a function of temperature shows the degenerate behavior of a-IHZO TFT inversion layer. Using subthreshold slope and noise characteristics, the trap information in a-IHZO TFT was also obtained. Based on experimental results, a numerical model for a-IHZO TFT was proposed, including band-tail states conduction and interface traps. The simulated electrical characteristics were well-consistent to the experimental observations. For the practical applications of novel devices, the electrical characterization and proper modeling are essential. These attempts shown in the dissertation will provides physical understanding for conduction of these novel devices.