Chapitre II. Performances en statique et en saturation a différentes T
II.5. Résultats et discussion
II.5.2. Résultats obtenus en régime de saturation
Les mesures en régime de saturation ont été réalisées pour différentes longueurs de grille de la puce D07. Dans la Figure II. 21 sont représentées les caractéristiques de sortie typiques ID(VD) GD(VD) obtenues pour différentes longueurs de grille à une température de fonctionnement de 10 K.
Figure II. 21 : Caractéristiques de sortie ID(VD) GD(VD) pour différentes longueurs de grille de la puce D07 à une température de 10 K.
Courant ION/IOFF
Les valeurs des courants ION et IOFF extraites à différentes températures pour les dispositifs étudiés sont rapportées dans le tableau II.5. On remarque l’amélioration de ces courants avec la réduction de la température. Cette influence est moins prononcée pour le courant ION qui augmente d’environ 40% en passant de 300 K à 10 K pour le composant à canal long. Par contre, pour le transistor à canal court, la réduction de température ne semble pas avoir un impact sur le courant ION.
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Quant au courant IOFF, l’amélioration due à la baisse de température est nettement remarquable pour les composants et est d’environ 83-93% en passant de 300 K à 10 K. Ces améliorations au niveau des courants ION et IOFF sont plus importantes dans le dispositif long. Le fonctionnement des transistors à basse température améliore le rapport des ION/IOFF. Il est plus prononcé pour les dispositifs à canal court.
10 K 77 K 300 K ION (A) LG= 120 nm 5 10-4 5 10-4 5 10-4
LG= 1 µm 1 10-4 9 10-5 7 10-5 IOFF (A) LG= 120 nm 1.3 10-8 1 10-8 8 10-8 LG= 1 µm 2.6 10-8 3 10-8 4 10-7
Tableau II. 5: CourantsION et IOFF extraits à différentes températures.
Vitesse de saturation des porteurs
La Figure II. 22 montre l’évolution de la vitesse de saturation des porteurs en fonction de l’inverse de la longueur de grille pour les différents dispositifs étudiés. Cette vitesse évolue d’une manière inversement proportionnelle à la longueur de grille.
Figure II. 22 : Evolution de la vitesse de saturation des porteurs en fonction de l’inverse de la longueur de
grille.
On constate que cette vitesse croit en diminuant la température de fonctionnement pour toutes les longueurs étudiées. Ceci peut être expliqué par les collisions sur les phonons qui sont réduites à basse température. L’impact de la réduction de température sur la vitesse de saturation des porteurs parait plus important dans les transistors à canal court. En fait, en passant de 300 K à 10 K, cette vitesse est multipliée par un facteur de 1.3 pour le transistor le plus court.
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DIBL
La Figure II. 23montre l’évolution du paramètre DIBL en fonction de l’inverse de la longueur de grille à différentes températures. On observe l’amélioration de ce paramètre pour les petites longueurs. Ceci est mis en évidence par la déviation de son évolution par rapport à la tendance attendue. Cette constatation était aussi observée dans d’autres technologies [Cretu’2002]. On remarque aussi une légère réduction du paramètre DIBL en diminuant la température. L’amélioration du paramètre DIBL à très basse température était déjà observée dans d’autres travaux [Yan’90, Woo’2012].
Figure II. 23: Evolution du paramètre DIBL en fonction de l’inverse de la longueur de grille.
Tension Early VEA
La Figure II. 24montre l’évolution de la tension Early VEA en fonction de la longueur de grille à différentes températures. On observe une dépendance linéaire de ce paramètre avec la longueur de grille quelle que soit la température avec un taux d’évolution de 75 V/µm à 10 K et de 111 V/µm à 300 K. Ceci dépasse le taux habituellement trouvé dans le MOSFET conventionnel [Lederer‘2005]. A température cryogénique, on remarque que l’évolution du paramètre VEA a tendance à baisser par rapport à la température ambiante en passant vers les transistors les plus longs.
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Figure II. 24: Evolution de VEA en fonction de la longueur de grille.
Gain intrinsèque Av
La Figure II. 25 représente l’évolution du gain intrinsèque du transistor en fonction de la longueur de grille à différentes températures. Par rapport à d’autres travaux réalisés sur des technologies FinFETs [Pavanello’2007], les valeurs trouvées semblent être de même ordre de grandeur. A température cryogénique, excepté la plus petite longueur (LG = 120 nm), ce gain est plus élevé par rapport à la température ambiante et atteint un facteur maximum de 1.5 pour la longueur 125 nm.
Figure II. 25: Evolution du gain intrinsèque Av en fonction de la longueur de grille.
Conclusion
i) En régime de fonctionnement linéaire, à température ambiante :
L’effet de partage de charge impacte les composants étudiés, cependant les tensions de seuil sont toujours supérieures pour les composants D05.
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La mobilité à faible champ est plus élevée pour les composants à canal pivoté par rapport aux composants standards avec quasiment les mêmes valeurs des résistances d’accès et de ΔL.
La vitesse de commutation de l’état OFF à l’état ON est plus élevée pour les composants avec un diélectrique de grille en SiON comparé à celle des composants avec un diélectrique de grille en HfSiO
i) En régime de saturation, à température ambiante :
La réduction de la longueur de grille des composants améliore significativement le rapport des courant ION/IOFF.
La vitesse de saturation des porteurs Vdrift et le paramètre DIBL augmentent avec la réduction de la longueur de grille.
La tension Early VEA et le gain intrinsèque Av du transistor augmentent avec l’augmentation de la longueur de grille. Le taux d’évolution de la tension VEA avec LGest de l’ordre de 111 V/µm.
ii) L’impact de la température :
Faire fonctionner les dispositifs à basse température améliore, généralement, leurs caractéristiques électroniques. Particulièrement la mobilité, le gain intrinsèque, les résistances d’accès, la vitesse de saturation des porteurs, le rapport ION/IOFF.
L’impact de l’orientation du canal sur les caractéristiques électriques des transistors devient plus important en réduisant la température.
A faible température (77 K), la mobilité est beaucoup plus importante pour les composants à canal pivoté, mais, les résistances d’accès sont plus élevées que celles des composants standards. Ainsi, pour choisir entre composant standard et composant pivoté, il faut faire un compromis entre l’amélioration de la mobilité d’une part et la réduction des résistances d’accès d’autre part.
Une légère amélioration de DIBL peut être observée à basse température, en particulier pour les composants à canal court.
Une augmentation de la vitesse de saturation des porteurs peut être observée à températures cryogéniques, comme c’était attendu. Elle est plus significative pour les composants à canal court.
Chapitre II. Performances en statique et en saturation a différentes T
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C
HAPITRE
III : B
RUIT BASSE FREQUENCE
COMME OUTIL DE DIAGNOSTIC NON
DESTRUCTIF
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Introduction
Le bruit électronique dans les composants se manifeste par des fluctuations électriques indésirables (du courant ou de la tension), qui conduisent à une réduction de l’information par parasitage du signal utile. Le bruit électronique est dû à des sources extérieures (connexions et système de conditionnement électronique du composant) et aux sources intrinsèques dans le composant. L’étude du bruit intrinsèque dans les transistors MOS s’avère d’une importance fondamentale car les fluctuations du courant (tension) traversant le canal sont induites par des pièges situés à l’interface canal / diélectrique de grille, dans la profondeur de l’oxyde de grille ou dans la zone de déplétion du transistor. Ces pièges peuvent apparaitre pendant les différentes étapes technologiques de fabrication des transistors ou être liés à la qualité des matériaux utilisés. Les études du bruit permettent ainsi d’évaluer la qualité et la fiabilité des composants et également de comprendre certains phénomènes physiques liés au transport des porteurs qui peuvent être observés dans le fonctionnement du transistor MOS. De plus, le bruit basse fréquence peut constituer une figure de mérite permettant de comparer différentes technologies.
Dans ce troisième chapitre, on rappelle les différentes origines de bruit basse fréquence généralement observé pour les MOSFETs. Ensuite, on décrit la méthodologie adoptée pour la modélisation des spectres de bruit. L’origine du bruit en 1/f est investiguée. L’exploitation du bruit lorentzien en fonction de la température pour la réalisation de la spectroscopie de bruit est également présentée.
III.1. Généralités
Dans les composants semi-conducteurs en général, et pour les MOSFETs en particulier, trois types de bruit basse fréquence expliquent les variations en fréquence de la densité spectrale de bruit:
-le bruit blanc
-le bruit lorentzien ou bruit de génération-recombinaison -le bruit en 1/f ou bruit excédentaire
On peut distinguer ces trois types de bruit dans l’exemple de la densité spectrale de bruit représentée à la Figure III. 1. En effet, le bruit blanc est indépendant de la fréquence ce qui fait qu’il apparait comme un plateau. Le bruit de génération recombinaison donne naissance à des bosses qu’on appelle lorentziennes. Et le bruit en 1/f est représenté par un signal qui décroit avec la fréquence en suivant une pente en 1/fγ.