Transistor MOS et sa technologie de fabrication

Le transistor MOS est, de loin, le dispositif le plus répandu dans la production actuelle de composants semi-conducteurs, car il est le composant de base de la technologie CMOS (Complementary MOS), qui, à elle seule, englobe plus de 70 % de la production mondiale de circuits intégrés.

Plusieurs sigles plus ou moins justifiés sont utilisés dans la littérature pour décrire le transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) : MOSFET (MOS Field Effect Transistor), IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) et MOST (Metal Oxide Semiconductor Transistor).

Le transistor MOSFET se caractérise par le fait que la grille, par l’effet de champ électrique, contrôle à travers l’oxyde de grille la densité de porteurs dans le canal du dispositif et ainsi l’intensité du courant dans le canal. Le canal est relié de part et d’autre à deux régions fortement dopées entre lesquelles est appliquée une tension donnant lieu à la circulation du courant. Ce transistor n’est qu’un élément d’une famille plus vaste de composants dits FET (Field Effect Transistor) utilisant l’effet de champ pour moduler l’intensité du courant dans un canal. En fait, on distingue trois groupes dans la famille des FET :

• le IGFET, dont l’effet de champ provient d’une grille isolée du canal par un diélectrique mince ; actuellement, le diélectrique utilisé presque exclusivement, est l’oxyde SiO₂ d’où la dénomination MOSFET ; cependant il faut remarquer que d’autres diélectriques, comme Si₃N₄, un empilement SiO₂/Si₃N₄ ou un empilement SiO₂/Ta₂O₅, peuvent aussi être utilisés ;

• le JFET (Junction FET), dont l’effet de champ provient d’une jonction PN polarisée en inverse ; si la région P est la grille, elle module l’épaisseur du canal (région N) et, ainsi, son courant par l’extension de la zone de charge d’espace sous l’effet de la polarisation inverse de la jonction ;

• le MESFET (Metal Semiconductor FET), dont l’effet de champ provient d’une jonction Schottky (métal-semi-conducteur) polarisée en inverse, le fonctionnement de la grille métallique étant analogue à celui de la grille du JFET.

Dans cet article concernant le transistor MOS (IGFET ou MOSFET), nous aborderons son fonctionnement ainsi que la technologie de fabrication. Le fonctionnement est décrit suivant trois niveaux de difficulté :

• un niveau qualitatif, permettant d’acquérir une bonne intuition du principe de fonctionnement du transistor ;

• un niveau « modèle simplifié », permettant de décrire le fonctionnement d’un transistor idéal ;

• un niveau « modèle complet », permettant de comprendre tous les effets parasites, ainsi que ceux dits secondaires, et d’analyser leur impact sur les caractéristiques du transistor.

La partie technologique montre l’intérêt de tous les éléments de l’architecture du transistor et de leurs modes de réalisation technologique. Différentes architectures de transistors (par exemple, à canal surfacique, à canal enterré, à canal à hétérostructure, etc.) sont détaillées, ainsi que l’assemblage d’une technologie complète.