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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
DOI (Digital Object Identifier)
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Miniaturisation des composants
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6. Transistors partiellement déplétés
Dans le cas des transistors MOS/SOI partiellement déplétés, la charge de déplétion contrôlée par une ou deux grilles ne s'étend pas d'une interface à l'autre. Une région neutre subsiste et, par conséquent, les effets de couplage d'interface sont supprimés. Quand la couche de silicium est à la masse (via des contacts indépendants sur le film de silicium ou des connexions directes source/film), les composants SOI partiellement déplétés se comportent de façon similaire à ceux fabriqués sur silicium massif. La plupart des équations I DS (V GS, V DS) et des concepts d'architecture conventionnels peuvent être appliqués. Si les contacts au film (body contacts) ne sont pas disponibles, des effets appelés de substrat flottant se produisent, entraînant plusieurs inconvénients majeurs qui sont expliqués ci-après.
6.1 Effet kink
Tout d'abord, l'absence de contact sur le film empêche le contrôle du potentiel dans la couche active de silicium (substrat électriquement flottant) et la récupération des porteurs libres induits par différents mécanismes (par exemple, porteurs créés par ionisation par impact sur les atomes du réseau cristallin). Cela conduit à l'effet kink. Lorsqu'un contact sur le film est disponible, son efficacité dépend de l'épaisseur du film de silicium et de l'architecture des composants qui déterminent les résistances d'accès ainsi que la barrière de potentiel entre la couche de silicium active et le contact.
L'effet kink est l'un des principaux effets de substrat flottant qui sont déclenchés par l'accumulation de charges produites par ionisation par impact dans le film de silicium. Il est identifiable, dans les MOSFET/SOI partiellement déplétés, par un excès de courant de drain I DS (V DS) et de bruit électrique en saturation . L'ionisation par impact dans la région de fort champ électrique latéral, près du drain, mène...
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Transistors partiellement déplétés
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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