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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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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Transistors partiellement déplétés5. Transistors MOS à déplétion totale
Dans les transistors MOS sur SOI (figure 1 b ), les canaux d’inversion peuvent être activés à la fois à l’interface entre la couche mince de silicium et l’oxyde de grille avant (par la grille avant
) et à l’interface silicium/oxyde enterré (par l’intermédiaire du substrat qui agit comme une grille arrière
). L’expression « déplétion totale » signifie que la région de déplétion couvre la totalité de la couche de silicium lorsque la grille est polarisée en inversion. Par conséquent, la charge de déplétion est limitée et ne varie plus avec V GS car l’étendue de la zone de déplétion atteint l’interface opposée, à la différence des composants MOS réalisés sur silicium massif. Un meilleur couplage est donc obtenu entre la tension de grille et la charge d’inversion, conduisant en particulier à une augmentation du courant de drain.
Par ailleurs, les potentiels aux interfaces avant et arrière deviennent également corrélés. Le facteur de couplage est approximativement égal au rapport des épaisseurs entre les oxydes de grille et enterré (voir [1] et [4]). Les propriétés électriques d’un canal sont donc fortement dépendantes de la tension appliquée à la grille opposée. En particulier, les mesures effectuées en variant la tension sur la grille avant différent selon la valeur de
et selon la qualité de l’oxyde arrière et de ses interfaces. De nouvelles relations I DS(V GS), traduisant les propriétés complexes induites par les deux grilles, sont par conséquent obtenues pour les transistors MOS/SOI totalement déplétés. Les caractéristiques de transfert typiques des TMOS contrôlés par la grille avant sont illustrées de façon schématique...
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Transistors MOS à déplétion totale
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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