Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Sorin CRISTOLOVEANU
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Francis BALESTRA : Directeurs de recherche au CNRS, Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (IMEP), École nationale supérieure d’électronique et de radioélectricité de Grenoble (ENSERG)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La technologie silicium sur isolant (« silicon on insulator » : SOI) a été inventée dans les années 1960-1970 pour satisfaire la demande de circuits intégrés durcis aux irradiations ionisantes. Le premier matériau, le silicium sur saphir (SOS), a été suivi par une variété de structures SOI. Leur dénominateur commun est d’offrir, grâce à un oxyde enterré, une parfaite isolation diélectrique entre la couche active des circuits et le substrat de silicium massif (figure 1). En effet, dans un transistor à effet de champ métal oxyde semi-conducteur (MOSFET), il n’y a que la couche superficielle de silicium, d’épaisseur 0,1 à 0,2 µm (c’est-à-dire moins de 0,1 % de l’épaisseur totale de la plaquette de silicium), qui est vraiment utile pour le transport des électrons. Le reste de la plaquette est responsable d’effets parasites indésirables, que l’on peut éviter en faisant appel à une solution de type SOI (figure 1) .
Depuis le début des années 1990, la mise au point de nouveaux matériaux SOI, ainsi que l’explosion des appareils électroniques portables, a promu le SOI comme une technologie de choix pour la fabrication de composants à basse consommation et à haute fréquence.
Nous décrivons l’état de l’art des technologies SOI, en commençant par les méthodes de synthèse des principaux matériaux. Les avantages essentiels des circuits SOI, par rapport aux dispositifs conventionnels sur silicium massif, sont présentés, avant de faire plus ample connaissance avec les composants typiques déjà fabriqués sur SOI. Les méthodes de caractérisation, in situ ou fondées sur l’inspection des composants, sont évoquées. Nous verrons que les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI, partiellement ou totalement désertés, sont assez différents de ceux habituellement rencontrés dans les MOSFET (« metal oxide semiconductor field effect transistor ») sur silicium massif. Le SOI a un fort potentiel pour repousser les frontières de la microélectronique, par la miniaturisation des transistors MOS conventionnels ou bien par les architectures innovantes qu’il peut accueillir. Nous discuterons finalement les défis qui restent à relever avant que le SOI puisse jouer le rôle dominant qu’il mérite sur le marché de la micro-électronique.
Ce travail a été réalisé en partie au sein du Centre de projets en microélectronique avancée (CPMA) créé par le CNRS, le Laboratoire d’électronique, de technologie et d’instrumentation (LETI) du Commissariat à l’énergie atomique (CEA), l’Institut national polytechnique de Grenoble (INPG) et l’Institut national de sciences appliquées (INSA). Nos collègues – du CPMA, de l’IMEP et de très loin –, porteurs du virus SOI, sont remerciés pour tout ce qu’ils nous ont appris.
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VERSIONS
- Version courante de août 2013 par Sorin CRISTOLOVEANU, Francis BALESTRA
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Avantages fondamentaux1. Synthèse des matériaux
Les tableaux regroupant les Notations et symboles et les Sigles et abréviations peuvent être consultés à la fin de l’article.
1.1 Silicium sur saphir
Le silicium sur saphir (silicon on sapphire : SOS, figure 2 a ) est le parrain de la famille SOI. La croissance épitaxiale d’un film fin de silicium sur un substrat massif de saphir (Al2O3) se matérialise par la formation de petits îlots de Si qui finissent par coalescer. La région interfaciale de transition contient de nombreux défauts, résidus d’une adéquation imparfaite des coefficients thermiques et des réseaux cristallins du silicium et du saphir, ainsi que de l’exodiffusion d’atomes d’aluminium du substrat. Les propriétés de transport électronique sont détériorées par la présence de contraintes latérales, d’une inhomogénéité verticale et de défauts interfaciaux .
Après une carrière honorable dans l’électronique de défense, le vieillissant SOS a récemment bénéficié d’une cure de rajeunissement. Des plaquettes de large diamètre (15 à 20 cm), avec des films minces (0,1 µm) de qualité cristallographique convenable, sont dorénavant disponibles sur le marché . Ces améliorations sont obtenues au moyen de la recristallisation en phase solide (solid phase epitaxial regrowth : SPER). Après l’épitaxie, des ions de silicium sont implantés afin d’amorphiser le film et de gommer ainsi la mémoire des...
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Synthèse des matériaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CRISTOLOVEANU (S.), LI (S.S.) - Electrical Characterization of SOI Materials and Devices - . Kluwer, Norwell (1995).
-
(2) - CRISTOLOVEANU (S.) - Silicon films on sapphire - . Rep. Prog. Phys., 3, 1987, 327.
-
(3) - JOHNSON (R.A.), DE LA HOUSSEY (P.R.), CHANG (C.E.), CHEN (P.-F.), WOOD (M.E.), GARCIA (G.A.), LAGNADO (I.), ASBECK (P.M.) - Advanced thin-film silicon-on-sapphire technology : microwave circuit applications - . IEEE Trans. Electron Devices, 45, 1998, 1047.
-
(4) - MORIYASU (Y.), MORISHITA (T.), MATSUI (M.), YASUJIMA (A.) - Preparation of high quality silicon on sapphire - . Silicon-On-Insulator Technology and Devices IX, Electrochemical Soc., Pennington, 99–3, 1999, 137-142.
-
(5) - CRISTOLOVEANU (S.) - SOI : a metamorphosis of silicon - . IEEE Magazine : Circuits & Devices 99–18, 15 (1), 1999, 26-32.
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(6) - CRISTOLOVEANU (S.) - A...
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