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RÉSUMÉ
Dans cet article, l'état de l'art et les perspectives des technologies SOI sont présentés. La synthèse des matériaux et les avantages essentiels des circuits SOI sont tout d'abord exposés. Les méthodes de caractérisation et les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI sont détaillés. Le SOI ayant un fort potentiel pour repousser les frontières de la nanoélectronique, les avantages des transistors les plus prometteurs, incluant les canaux alternatifs, les dispositifs multi-grilles, les nanofils et les composants à effet tunnel, sont passés en revue.
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Francis BALESTRA : Directeurs de recherche au CNRS, Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (IMEP) Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP)
INTRODUCTION
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. 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 .
Depuis le début des années 1990, la mise au point de nouveaux matériaux SOI, ainsi que l'explosion des appareils électroniques portables, ont 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 micronanoélectronique, par la miniaturisation des transistors MOS conventionnels ou bien par les architectures innovantes qu'il peut accueillir.
Ce travail a été réalisé au laboratoire IMEP-LAHC de l'Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP). Nos collègues – du LETI, STMicroelectronics, SOITEC et de très loin –, porteurs du virus SOI, sont remerciés pour tout ce qu'ils nous ont appris.
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MOTS-CLÉS
MOSFET silicium sur isolant multigrille nanofil Si contraint
VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 2002 par Sorin CRISTOLOVEANU, Francis BALESTRA
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Caractérisation des structures
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3. Dispositifs
L'utilisation de composants SOI s'impose techniquement dans divers domaines de l'électronique. À titre indicatif, voici quelques exemples :
-
circuits à très faible consommation, notamment pour les portables (téléphones, tablettes, consoles de jeu, ordinateurs, montres) ;
-
circuits microprocesseurs très rapides destinés aux serveurs et PC ;
-
circuits radiofréquences pour la communication sans fil ;
-
circuits moyenne et haute tensions pour l'éclairage, la commande des moteurs, etc. ;
-
circuits haute température pour les industries du pétrole, de l'automobile et de l'aéronautique ;
-
circuits durcis pour l'espace et la défense ;
-
mémoires non volatiles, DRAM et SRAM, avec une meilleure intégration et une plus faible consommation.
Les performances supérieures des dispositifs SOI justifient un certain surcoût, qui est d'ailleurs en train de diminuer sous l'effet de l'accroissement du volume des marchés. Ce surcoût était essentiellement engendré par le prix relativement élevé des plaquettes SOI (surtout en raison de leur rareté), ainsi que par les frais initiaux liés à l'apprentissage, à la mise en place de la technologie SOI et à la constitution de modèles et de bibliothèques de conception.
Dans la suite, nous présentons plusieurs familles de composants SOI.
3.1 Circuits CMOS
À chaque nouvelle génération du CMOS, des circuits intégrés variés ont été fabriqués sur SOI, afin de démontrer leur viabilité et leurs performances supérieures par rapport au Si. Les circuits SOI sont capables de fonctionner à plus haute fréquence ou à plus basse consommation . Des records sont sans cesse battus, leur nature éphémère étant l'apanage d'une technologie SOI en plein essor.
Des microprocesseurs haute performance sont fabriqués (AMD, IBM, Sony) pour serveurs, PC et consoles. Parmi les dix premiers super-ordinateurs en puissance de calcul, un seul n'est pas en SOI. ARM et Sharp proposent des processeurs à très...
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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, 327 (1987).
-
(3) - 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, 137-142 (1999).
-
(4) - CELLER (G.K.), CRISTOLOVEANU (S.) - Frontiers of silicon-on-insulator. - Journal of Applied Physics, 93 (9), 4955–4978 (2003).
-
(5) - CRISTOLOVEANU (S.) - A review of the electrical properties of SIMOX substrates and their impact on device performance - . J. Electrochem. Soc., 138, 3131 (1991).
-
(6) - BRUEL (M.) - Silicon on insulator material technology - ....
ANNEXES
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