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RÉSUMÉ
La récente technologie Fully Depleted SOI (FD-SOI) est le prolongement naturel du SOI pour réaliser des circuits intégrés à forte densité, haute fréquence et basse consommation. En raison de leurs dimensions nanométriques, aussi bien en épaisseur qu’en longueur, les transistors FD-SOI présentent des mécanismes de fonctionnement et des caractéristiques très spécifiques. L’état de l’art du FD-SOI est décrit en insistant sur les atouts des composants, les effets physiques particuliers et les techniques de caractérisations dédiées. Des exemples de dispositifs innovants conçus en filière FD-SOI sont discutés.
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Fully Depleted SOI (FD-SOI) is a natural evolution of SOI technology, oriented to the fabrication of high-density, high-frequency, low-power integrated circuits. FD-SOI transistors feature nanometer thickness and length, which lends them very specific operation mechanisms and characteristics. This article describes the state of the art and the unique qualities of FD-SOI components. Their special physical effects and dedicated characterization techniques are underlined. Selected examples of innovative devices made possible by the unrivaled flexibility of FD-SOI technology are discussed.
Auteur(s)
-
Sorin CRISTOLOVEANU : Directeur de Recherche CNRS - IMEP-LAHC, Grenoble INP & CNRS, Minatec, - Grenoble Cedex, France
INTRODUCTION
La technologie SOI, sujet de l’article « Technologie silicium sur isolant (SOI) » [E 2 380], a donné naissance au FD-SOI, filière CMOS d’avant-garde, où les composants totalement désertés (FD : fully depleted) s’affichent avec une épaisseur de 6 à 7 nm. Cet article évoque, parfois en détail, les spécificités du FD-SOI par rapport aux structures SOI conventionnelles à plus forte épaisseur.
L’accent est mis sur l’incomparable flexibilité du FD-SOI en regard du FinFET, son concurrent. La possibilité de polariser le substrat de silicium représente l’atout incontesté du FD-SOI, permettant d’émuler des transistors à double grille. On peut ainsi moduler les propriétés des transistors en termes de tension de seuil, de mobilité de porteurs et de courant de fuite.
Tout d'abord, sont décrits les avantages génériques et les caractéristiques des composants FD-SOI. Puis les mécanismes physiques particuliers qui gouvernent le fonctionnement des transistors MOSFET sont explicités. Nous insistons sur les effets dimensionnels en épaisseur et longueur de canal. La caractérisation de structures multi-interfaces de taille nanométrique représente un défi considérable. Les techniques recommandées sont ensuite abordées. L’extrême souplesse de la technologie offre l’opportunité de concevoir des dispositifs innovants, essentiellement basés sur l’exploitation du dopage électrostatique. Des exemples sélectionnés sont discutés : dispositifs à modulation de bandes, diode virtuelle, mémoires DRAM sans capacité de stockage, etc.
Pour une vue complète et synthétique, il est préférable de parcourir cet article après la lecture de l'article [E 2 380].
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
MOSFET | silicon technology | SOI | FD-SOI | CMOS
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Mécanismes physiques particuliers dans les transistors FD-SOI
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1. Filière FD-SOI
1.1 Contexte et atouts du FD-SOI
Les mérites traditionnels du SOI sont bien connus : isolation totale des dispositifs, jonctions fines permettant de réduire les courants de fuite et les capacités parasites, robustesse aux irradiations, etc. . Ils n’ont pourtant pas suffi pour détrôner la technologie CMOS sur silicium massif. Lorsque la miniaturisation des transistors s’est trouvée bloquée, il a été démontré que la seule possibilité pour continuer d’avancer sur la route de Moore est de réduire leur épaisseur. Cet argument a été décisif non seulement pour remettre en selle le SOI, mais aussi pour donner naissance à la technologie concurrente FinFET.
Un transistor MOS mince est par nature totalement déserté (fully depleted), d’où le nom FD SOI. Le concept de déplétion totale est connu depuis très longtemps, déjà à l’époque des filières SOS (années 1970) et SIMOX (années 1980) . De nombreux modèles et techniques de caractérisation ont été développés ...
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Filière FD-SOI
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CRISTOLOVEANU (S.), BALESTRA (F.) - La technologie Silicium Sur Isolant. - Techniques de l'Ingénieur, 2nd édition, art. no. [E 2 380v2], 1-24 (2013).
-
(2) - WORLEY (E.R.) - Theory of the fully depleted SOS/MOS transistor, Solid-State Electronics. - Vol. 23, Issue 11, 1107-1111 (1980).
-
(3) - LIM (H.-K.), FOSSUM (J.G.) - Threshold voltage of thin-film Silicon-on-insulator (SOI) MOSFET's. - IEEE Transactions on Electron Devices ; 30 : 1244-51 (1983).
-
(4) - CRISTOLOVEANU (S.), LI (S.S.) - Electrical characterization of SOI Materials and Devices. - Kluwer, Norwell (1995).
-
(5) - COLINGE (J.-P.) - Silicon-on-Insulator Technology : Materials to VLSI. - 3rd edition, Springer (2004).
-
(6) - * - https://soiconsortium.eu/
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
HAUT DE PAGE
EUROSOI-ULIS : Joint International EUROSOI Workshop and International Conference on Ultimate Integration on Silicon
https://eurosoiulis2019.sciencesconf.org
ESSDERC-ESSCIRC : European Solid-State Device Research Conference & European Solid-State Circuits Conference
http://www.esscirc-essderc2018.org
IEDM : International Electron Devices Meeting
S3S : IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference
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