couragrq h vobnt{ h santé et ,hvatience {e terminer ce ?résent
trayaif
'Mous e-gorzm o' ns n o treVrolfonû gr ra t itu d4 n o tre re co n n a zrsa n c e e t n os sinceves remtercleznents à -foln zb6o Câemseâine,Vour nous ayofr encaûé et suiitti tout Ê 6?U & no,trer travai{ quiVar ses ârectiyes el
ses corueiG a dté ungruffiirrécieu.r ûn-r féhûoration û ce mémoire.
-Mou-r rer.nerciçns aussi fes memfires Æ_lrry /avoir accevté févafuation û c,e moûsle tra.yaif
rufr4 nos remerciements s'adiressent à tous fes ensegmants du diiVartemenT.TÊctrtnryn" qui ant contrtfiaévar ûurs ces à
notreifortzatton,. Et ausst tautes frs_persannes qui nous ont aiû Æ iare? au û hin-
I
fe ûdie ce moÆsTe trattaif
3 mon ami etifrëre û ûfunt " Câou.i6 >; Qu'A[a6 fuiifasse
misérzcarde et ,famené auVara{rs.
A mes câercstarentsVour frurs sarutiens, /amou4 hVatienc4
f Vcoute, et 'h 6anne 6umeur, qu:e dieu fesirrotègentVour moi et feur accor{ent ane 6anne santé et une fangue y/e.
A mæ câersifrère.r et mes c6ères sæurs,'
A mes tantet oncÉt ccus/ns, cousines et mes uoisins,'
3 toas mes coflëgues {es étu{es etVarticufie'rement mainramotzon,'
A m:es erzsegtnants et mes amls ûVuis mttt ergfaruce,'
A tous €ê1t.r qui m'ont affi Æirrès ou Æ hin" à réa/7ser ce 2/cimoire.
.l{AKo'utr
9édis7wùJ
Je û{ie ce maûsTe travaif
3 man ami eTifre're É ûfunt c C6oui6 >,. eu'Ah6 fuiifasse mkéncsrû et ,famené auVara{rs.
3 mes cfrerslzarentsVour ûurc stwtierq famoar hVatience,
rVcoure, et ,h 6onne âumeuti qa:e {zeu ÉsVrotègentVour moi et Éur
,zccorÆnt une Sonne santé et une fongrue aie.
A mes ciersifuères;
A mes tanteg oncfes, cottstns, cotuines et mes uotsins,.
A Tou-r mes cafÉgues [es études etVarttcufzerement maVromotion,.
3 mtes ts et mtts amts ûVuts mon erqfartce,.
A taus €€xtr quf m'onr ard{ ûirrès ou Æ hin" à réaftser ce -fuleimoire.
-/{A-n{ZJ'
Table des matières
LISTES DES ACRONYMES
INTRODUCTION GENERATE
INTRODU TION GTINERALE I
CHAPITRE I TRANSISTOR MOSFEÎ
|LJNTROûUCTtOtl
I.2 LETRANSISTOR MOSFET 3
1.2.1 Evontfl oN TEclrNoLoGleuE I.2.2 STRUçTURË ÛU ÎRÂfÉSiSTÛR iVlÛSFËT 1.2.2.L MOSFET n mPAUVRISSEMENT DE cANAL I.2.2 .2MOSFET A ENRICHISSEMËNT DE CANAL
| ? 2l Â.AÊÀrr?Ë n'|.lÊ
4 o 6 7 o
L3. REGII',,IES DE FONCTIONNSMEI.JT 9U TRANSIISTOR 9
1.3.1. EquATroNs DE tlAsE FouR uN MOSFET toNG ËT'|-ARGE
I.3.2. PorerwEt DE B/INFEs PLATES
I.3.3. TENSIoN DE SEUIL 1.3.4. CoURANT l^- Er l^.
I.4 REGIMES DE FOIICTIONNEMENT DESTRANSIISTORS MOSFETS 14
I .5. LIMITATION LIGE A tA MINIATURISATION DES DISPOSITIFS
TL
t2
13 13
| ç I l'ççFFr nç DFPaIGFr -.rYrr-
| .5.2 LEs EFFETS DEs cANAUx couRrs
!5
L6
| .6 CONCTUSTON 18
RËFEREI{CES SIBIIOG RAPHIQUËg
îËaPiïBElt larEcHfrtol{}€tE slt !ct{#.*,! suR lsotAt{T c
II.l INTRODUCTIONI
,t(l
2l
il.21-ATECHNOIOG|E S|UC|UM SUR tSotANT SCll 2L
i l.!i AVANTAGES FO N DAiviEttiTAUX 22
il,{ utSFLrSt I tr
II.5 AVANTAGES DE LATECHNOLOGIE SOI PAR IRAPPORTAU MOSFET BUIK 24
11.5.1. DrnanunoN Dt:s EFFÊrs pARAsrrEs
II-5,2.AMEIIoRAIoN Du eoNTRoLE DE LA GRtt[E sUR LA CHARGE DE DEPTETIoN II.5.3.AMELIoRATIoN DE tA PEiITE sous tE SEUIT
II.6INEONVENIENT MAJEUR DE TATECHNOLOGIE SOI 27
II.7 FONCNONNEMIENT DES TRANSISTORS MOSIFETS SUR SOI 28
z+
25 25 26
I l. 7. 1. TRANsrsroRs p/IRTTELLEMENT ET ToTAIEMENT DESERTES
fI t t h-^^- â^r ôÈa'Al
- F^-^r tt.r..4. r|ll'fl,lttÈtÈlÈLÈLlt{t|rluÈ5 lJÈ,5 tr.t,|]rst:lut$)rljJrl.rt Èt rlJlLtl II.7.3 CoURANT DE SA]TURATIoN
ll.7.4MoBrffiE
ll-7 q- ÀvÂfrrrÂ|1Fî' rn,Mi'lrNî, Âilv rEÂNt|ÊTnpç pnqnl FT Fnqf|l
n)AueuonmoN DU coMpRoMrs ENERGTE orsgpee/vrsse DE FoNcnoNNEMENT
al laar rçrae.
E' |5ULAilUlY tUtALE El\,tnÈ LE5 tnArrrJrrr(Jn5
c)PRocEDE DE FABRTCATToN srMpLrFrE pAR RAppoRT AU Sil MAssrF
il_8 CONCLUSTTN
28 1a 30 30 31 31
îâJZ 32
32
RËFERENCËS BIBLI(}€RÂPHIQUËs 33 CHAPITRE III MODETISATION COMPACT DU TRANSISTOR MOS 34
lll.1. INTRODUCTIOTN 34
III.2. NOTION DE MODETE COMPACT 34
III.Z.1. DIFFERENT TYF'ES DË MoDEtEs
nlla uooelmroN PHYsleuE
e) LA MoorLrsATroN prHENoMENoLoGreue (ou euprRrcrue)
c) LA MoDELrsATroN A BAsE DE DoNNEES ExpERtMENTAres (ou een rneus)
III,3. tE MODELE EKV
36 36 37 38
38
III.3.1. MODELE DU COURANT DE DRAIN DANS IEs TRAnEISToRS A cANAt toNG.
lll I ? aâr lD^N? FrE fro^rrrl
|lt 2 | ttttTEDDDFr^'rtatN Duvcta|| tE ta
.ar.J.9lltaLtla rlblnalvrt I rl.JfgVL -*
111.3.1. couRAr{T DE DRA|N
III.3,2. EXPRESSI0N DIJ CoURANT ET DE I.A CI{ARGE
lll.3.3.LEs rRANscoNDUcrANcEs
ut-/l- LÈ MuuÈLÈ [vl_ll-
39 ûtl
4L 42 43
43
REGttN È'ÂccilMULAT'oN
REGIME D,INVERSIoN FAIBLE oU DE DEPLETIoN REGIME D,INVERSIoN FoRT :
REFERENCES BIBTIOIG RAPHIOUES
45 46 46
47
*)
a) c)
CHAPII'RE IV SIMUTATION NUMERIOUE DESVARIATIONS ETECTRIOUES
tv.l. fNTR DUCT|O 49
1V.2.1. CanncrensneuEs IDS(VDS) ou nrooel EI(v 1V.2.2. C*nncrcns*,quss |OS{VGSI cu mooer. EKV
IV.3. tE MCDEL TJIIT E'JL
lv.3.l.cmacrERtsilQuEs lDs(vDsl DU MoDEr Ml1
1v.3.2. €ARAsrERtsilCuËS lDs{vGsl DU MODEr Mlt.
IV.4. COMPARAISON ENTRE tES MODETES EKV IET Mll 54
1V.5.1. CARAcrERtsfltluEs IDS DU FDSOI IV.5.2. CARACTERISTIQUES IDS DU MOS iBULKi
lV.5.3.CoMpARAtsoN DEsrENsroNs DE sEurl DU TRANsrsron MOS (BULKI ET Du rRANstsroR FDSOI
IV.6. COMPAF.AISON DES CARACTERISTIQUES ËILECTRIQUES 9€S MODELES COMPASfS DU TRANSISTOR MOS IBULKI 28NM AVEC TCAD
50
5!
52 53
59 59 60
61
IV.7. EFFET DE LATEMPERATURE 62
IV.7.1 TEFFET T}E LA TIEMPE*ÂTURE suR LA TENSIoN DE SEUII
IV .7.2 |jeTTTT DE VARIATIoN DE LA TEMPIRATURE suR I.E CoURANT DE DRAIN
lv.Ë.cuNcLUStuN
63
æ
tr
*EFERËNEES BIBLiÛIGRAPHiûUËS Ë6
CONCTUSION GENERALE 67
Listes des acronymes DD
BC Bande de conduction.
BV Bande de vaience.
BULK Transistor sur silicium massif'
c
Ccx Ca;paeité d'oxyde par unité de surfaee.
Ceox Capacité d'oxyde du box
Ca"p Chrarge de déplétion dans le canal
Csi Dérsigne ia capacité du fiiiii ,iç siliciuirr eoiiipiéienient 'jÉpiÉtÉe
Coxl Calpacité d'oxyde situé dans ll partie supérieure du film de silicium
Cox2 Capacité d'oxyde situé dans lil partie inferieure du film de silicium
Cznn Capacité de la zone de charge d'espace.
D
D Le coeffieient de diffusion
DIBL Abaissement de la barrière de potentiel au niveau du drain
DW Comection de largeur du canal.
DL Corection de longueur du canLal.
E
Ec Energie du niveau !e plus bas ,Ce la bande de conduction.
Ev Energie du niveau le plus haut de la bande de valence.
Er Energie du niveau de FERMI dU semi-conducteur.
E r* Energie du niveau de FERMI du métal.
Ei La position du niveau de FERJMI du semi-conducteur intrinsèque.
E0 Le coefficient de reduction de mobilité.
Eg Enr:rgie de gap.
F
FD SOI Transistor MOSSOI entièrement déplété.
G
G La conductance du canal.
CAMMA Le iessffiçlent d'effet de substrat.
Gm La transconductance.
J
I
Id Courant de drain
Ioff Le courant de drain à Vos = Vpp et V6s: 0.
Ion Le courant de drain à Vos: !'cs =VDo.
Ioot Courant de saturation du drain.
ItsA Coelïcient d'une première ionisation par impact.
IBB Coe;fficient d'une deuxième iornisation par impact.
IBN Facteur de tension de saturatio'n de I'impact d'ionisation.
J La densité de eourant de difûrsion.
K
K Cornstante de Boltzmann.
KP Le paramètre de transconductance.
KF Coefficient de bruit.
L La longueur du canal.
Len Longueur effective du canal.
LAMBDA Facteur de modulation de la longueur du canal.
LETA Coefficient de I'effet canal-court.
M
MOS Me,tal Oxide Semi-con<iucteur.
MOSFET Metal-Oxyde-SemiconductorField-EffectTransistor.
N
}{iviûS Transistor M()S a canai i.i.
Nr Dqpage du substrat.
h{i Dolpage intrinsèque.
NSUB La concentration des dopants rlu canal.
r
PMOS Transistor MOS a canal P.
PHI Le potentiel de fermi.
ô\<
a Charge d'électron.
Qss La densité de charge d'interfac,es.
Qs La densité d'électron par unité de surface dans le semi-conducteur.
Qm La iiensité de trous par unité de surfrce dans le métal.
R
Rc Résistance contact.
s
't'*^f I tvl 'r^,--X-^+,,-^ I vIIIPVtgtutv Â^ LIv tvMvltvv.-AçA-^ ^^
Tnom Latempérature nominale.
T La température de travail.
Rsp Résistance de délocalisation.
SS pente sous le seuil.
SOI (silicon on insulator) silicium sur isolant.
SCE efïi:ct canauli courts.
T
Tox L'épaisseur d'oxyde.
TCAD Co:nception assisté par ordinateur (Techno!og,., Computer Aided Design) .
THETA Coefficient de réduction de mobilité.
TCV Le coefficient de température de la tension de seuil.
U
Uo Mobilité de silicium.
Uer Mobilité effective des porteurs v
Vo Tension de drain
Vos Tension entre le drain et la source
!'cs Terisiorr enire la source ei ia griile
VFB La tlension de bandes plates (flat band).
VTO La tension de seuil à tension de substral nulle.
VMAX La vitesse de saturation.
VTH Lgr tension de seuil
VGB Latension intrinsèque Grille-Subsfiat.
VSB La tension infinsèque Source-Substrat.
w
W La largeur du canal.
\ff-61 Largeur effilctive du canai.
WETA Cosfficient de I'effet canal- long.
x
XJ Prollondeur de Jonction.
z
ZCE Zone de charge d'espace.
V Le potentiel électrique.
ps (r)La densité volumique des charges à la distance x
psi Résistivité du silicium.
tsr Perrmittivité de silicium.
to, Permittivité d't S!A.
Ôr Travail de sortie de semi-conducteur.
0* Travail de sortie du métal.
0* DifËrence des travaux de sortie du métal et du semi-conducteur.
Ôu Potentiel de fermi.
Introduction générale
Depuis plus de 30 ans, I'industrie des semi-condueteurs s'est toujours distinguée par sa rapidité à produire de nouvelles générations de composants toujours de plus en plus perfarmants. Cefie ér'oh:tio* est décrite depuis 1970 par la loi de Gcrdon Èlocre [1] qui
prévoit un doublerment du nombre de composants par circuit, tous les dix-huit mois.
f,'augmentation de la densité d'intégration et la rapidité des circuits sans cesse croissante a abourli à la réalisation de dispositifs submicroniques et à I'apparition de limites physiques intrinsèques. C'est pourquoi, les grands laboratoires de recherche du monde entier se sont regroupés au sein de I'hrternational 1-echnology Road map for Semiconductors {ITRS) [2] afin de déterminer les principaux challenges technologiques.
Le transistor MOSFET est considéré jusqu'à présent comme étant lc plus important dispositif de I'industrie des circuits intégrés (CI). Sa taille n'a cessé de décroitre d'un facteur de 2 tous les deux ans respectant ainsi la loi de Gordon Moore. Sa consommation et elle aussi en continuelle décroissance pour chaque nouvelle génération de transistors conçus [2].
Malgré de nombreuses évolutions technologiques, la réduction des dimensions arrive aujourd'hui à des limites aveç des composants de taille inferieure à 20-30nm et I'adoption par l'industrie de nouveaux concepts devient nécessaire. Le passage d'un substrat de silicium rnassif un substral < silieium sur isolant > (ou SOI) ultramince constitue un de ces nouveaux modèles que sont en train d'adopter les fabricarrts de semi-conducteurs. Ainsi la technologie totalement désertdie abrégée FDSOI (de I'anglais << Fully-Depleted Silicone on Insulator >) avec des compostnts réalisés dans un film de silicium de quelques nanomètres d'épaisseur (moins de 10nm) permet d'atteindre des vitesses de calcul améliorées et des consommations énergétiques réduitss pour les circuits numériques de nouvelle génération [3].
Le principal problème de la miniaturisation ûarrt la dépendance directe des caraetéristiques él'ectriques vis-Èr-vis des paramètres physiques csntrôlables. Ceci entraine de nombreux effets prarasites qui modifient les performances et la consommation d'énergie des systèmes.
La caractérjsation électrique d'un dispositif est d'une grande importance et exige une attention particuliilre dans le développement des technologies MOSFET avancées. Le choix de la longueur du canal, l'épaisseur d'oxyde de grille, le dopage de substrat et la technologie de Source/Drain déterminent en grand partie les performances du dispositif, En concevant
dispositifs plus petits, on doit également considerer l'impact de la réduction des dimensions sur la flebilité des cirouits intégrés.
Toutefois, après quasiment une vingtaine d'années de course effrénée à la réduction des dimensions d,es composants électroniques, les problèmes ne se limitent plus aux seules
difficultés de réalisation. Nous voyons apparaitre, à présent, des phénomènes d'ordre théorique remettamt en cause les avantages qu'offrait la technologie CMOS. Parmi ces phénonrènes, nous a,vons nstamment I'abaissement de la barrière de potentiel au niveau du drain (DIBL), les effets canaux courts(SCE), les phénomènes de nature quantique, le courant firnnet de otiltc ta {Ïrnfrrafinn alÉqfnina rlca Ânnanf [1]uvr sùlis.. L-l .
Pour contoumer ces difficultés, I'une des solutions consistant à modifier l'architecture des composants actuel. parait une solution de choix pour l'avenir de la microélectronique.
Mais ces dispositifs, pour pouvoir être utilisés par les concepteurs de circuits intégrés, ont besoin d'être modélisés sous la forme de modèles compacts interprétables par des simulateurs
de cireuits. Ces modèles compaets doivent être capables de décrire le plus exactement possible le comportement électrique de ces dispositifs. La simulation des composants m.iernéleetrnninrrec e donc besoin de uv nouvelles ravÉiùiiùs théories e.t uivvitvJ va tech.ninnec a!!iûiiiiÉ!J ale UV irrvsvrrrBirurrmnr-{,éli"-stinn améliorant la compréhension physique des dispositifs de taille miuo et nanométrique [4].
Notre travail présente particulièrement l'étude des MOSFETs SOI. le manuscrit s'articulera autour de quatre grands chapitres. Une introduction et une conclusion générale.
Le premier chapitre consacré à la présentation des transistors MOSFETs. On y présente alors les differents types de transistors MûSFETs en y mettant I'accent sur leur mode de fonctionnrement. Ainsi que les limitations liées à la miniaturisation des dispositifs.
Le deuxième chapitre est consacré à la technclogie SOI avcc ses solutions émergentes.
Présenterons les avantages fondamentaux et les inconvénients majeur de la technologie SOI, ies avaritages rje ia ieciirioiogie SOi par.rapporl au IvIOSFET iiulk et les firnctionrrenienis dcs transistors MOSFIiTs sur SOI.
Dans !e tr+isième chapitre, nous exposerons une notion des modèles compacts modèle EKV et modèle Ml1 pour un transistor MOS canal long, afin de pouvoir présenter un modèle utile pour une meillleure compréhension des phénomènes.
. Dans le dernier chapitre, nous allons présenter les résultats de nos calculs et les simulations effectrés sur le simulateur SILVAC0-TCAD.
Une conclusion svnthétise les résultats obtenus.
2
rhapitre I transistor MOSFET
v
Les notionrs du tratrsistor MOS (Métal Oxyde Se.mi-conducteur) ont été brevetés par
Lili Enfield et Hel en l930.Cependant des difficultés technologiques ont retardé sa réalisation
pratique dus priincipalement aux prcb!èrnes d'interfaces Si/SiO:. Par ccnséquent, il n'apparaîtra sous sa forme actuelle qu'en 1955 grâce à Ross. Cela bien après la réalisation par Shockley en 1947 du premier transistor de type bipolaire.
C'est en 1t960 que Kahng et Attala ont exhibé le premier transistor MOS sur Silicium en utilisant une gille isolée dont le diélectrique de grille était en oxyde de silicium SiOz. Le silicium fut un choix très avisé car c'est l'élémerrt le plus abondant de la croûte terrestre, après I'oxygène. De plurs son oxyde est non seulement un très bon isolant électrique mais il s'est aussi étabii somrne étant pariaitement adapté pour former des couches dites de passivation protégeant les cirrcuits, accroissant remarquablement leur fïabilité. Les transistors MOSFET sur silicium, plus simples et moins onéreux que leurs rivaux les transistors bipolaires, ont connu leur envol dans les années 70-80 grâce à la technologie CMOS (Complementary MOS) inventée en 1968 qui consomme très peu d'énergie. Actuellement, le transistor MOSFET est la base de la conception des circuits intégrés VLSI et ULSI et a mené la technologie CMOS au rang incontestl de technologie dominante de I'industrie du semi-conducteur. Au fil des
a-nnées. la eomplexité des circuits intégrés a augmenté efe fhçon eontinue, prineipalement grâce aux performances accrues des nouvelles générations de transistors MOSFET [5].
Au cours <!e ce prenrier chapitre, le transistor MOSFET est présenté. On s'intéresse alors à son fonctionnemento vu que cet élément est considéré comme le dispositif de base de la micro-électronique. Il est cependant à noter que son développement et tout particulièrement la diminution de ses grandeurs géométriques all fil des années a laissé malheureusement apparaitre certain phénomènes parasites non rnégligeables.
1.2 Le transisterr M(}SFET
Le transistor MOSFET est le dispositif le plus répandu dans la production actuelle des composants semi-conducteurs, il est le cornposant de base de tout circuit intégré CMOS (Complémenter Àtfétal Oxyde Semi-conducteur). La technologie CMOS est basée sur I'utilisation de cieux types de iransistors complémentaires : le iransisior n-fuTûSFET riont les porteurs sont des électrons et le transistor p-MOSFET dont les porteurs sont des trous. La technologie CMOII englobe plus de 80 % de [a production mondiale de circuits intégrés, grâce aux qualités de faible consommation et de fbible taille. Le principe de fonctionnement d'un
3
Chapitre I Transistor MOSFET transistor MOSFI]T (Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effet Transistor) est base sur le ccncept de la morCulation de la ccnductivité des matériaux rnise en é.,'idenc€ par J. E. Lilien feld en 1928. ll n'a cependant pu être exploiÉ qu'à partir des années 60, lorsque des interfaces silicium/oxyde ont été suffrsamment dç bonne qualité permettant à Jack Kilby de fabriquer le premier circuit intégré. Le transistor MOSFET, qu'on représente sur la figure I.l,
se caractérise par le fait que la grille contrôle à travers I'oryde de grille la densité de porteurs dans Ie canai ciu dispositif ei ainsi I'iniensité du osurant par le biais eie i'efict de champ électrique. [6].
Body
Figure I.l : Représentarion schématirque d'un uansistor MûSFET.
I.2.1 Evolution ûechnologique
La course à I'intégration et à la miniaturisation est lancée, et ne s'arrêtera plus.
L'accroissement dle la densité des transistors, c'ept-à-dire le nombre de transistors que l'on
peut placer sur une puce électronique, s'est fait de façon exponentielle, par un doublement tous les 18 mois. Ce rythme avait été remarqué des 1965 par Gordon Moore (d'où le nom de la loi de Moore) [7]. Moore prédit aussi que le nombre de composants par circuit intégré ou puce électronique allait augmenter au même rytfune pendant les prochaines années. Un exemple illustrant cette loi est donné sur la Figurel.2.
4
Oxide
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Figure I.2 : Illustration de la Loi do Moore : Course vers la miniaturisation de la langueur de canal.
En 2003, la microélectronique est passée à l'échelle nanométrique en descendant sous la barre des 100 nrn de la longueur de grille du transistor (næud de 90 nm). Depuis 2005, la résolution des circuits intégrés est de 65 nm et au début de I'année 2007, elle est passée à 45 nm pour des micrcprocesseurs très rapides. La taille des composants continue de décroitre pour atteindre les il2 nm fin 20û9 et 22 nm fin 201 I (tigure 1.3). Les concepteurs prév*ient vers I'an 2020 avair des næuds sub-10 nm
l\
Figune 1.3 : Evolution des transistors au cours des années en fonction du næud techrrologie.
Néanmoins, la réduction dc la taille des trarnsistors ne sulT-rt plus pour augmenter à elle seule les performarnces des transistors marquant. L'enjeu pour les transistors nanométriques est de réduire les efftts parasiies liés à la miniaturisatian afin '3'augmenter la vitesse de commutation d'une porte logique. Autrement dit, oeci passe par une diminution du courant de fuite (Iop) et un accroissement du courant débité par le transistor [oN).
JIT',..,,, End of Mo're's
1. ô.:ls p* L'art: ÂPProirch to
\o.25 gm s!'stem irrnovation
-\0.18 pm changes
\O. l j lrnr
\o.oeo Fm
Xlri*-l
\--- r\T
Inc.reirsing strs*eptibi iity to teclrnological surprise
Evolution des transistors au cours des années en fonction
Chapitre I Transistor MOSFET Plusieurs solutions trouvees depuis quelques années pour continuer d'augmenter les perfurn:ances Ces transistors I\,IOSFET ccnsistent à la ccnception de nou',,elles architæfures MOSFET et ou à l'inhoduction de nouveaux matériaux [7].
i.2.2 Sfmcture rùu transistor MOSFET
Le transistor MOS (ou standard) est constitué d'un substrat semi-conducteur sur lequel rÊFûse une fine i:ouche 'C'oxyde isolante SiO2 d'épaisseur Tox. t-Ine coache ccnductr"ice (métal ou poly silicium fortement dopé), appeléo électrode de grille, est aussi déposee sur I'oxyde. Enfin, deux régions fortement dopées de profondeur Xj, appelées source et drain, sont formées dans le substrat de part et d'autre de la grille, la structure basique d'un transistor MOSFET est repr,ésentée sur la figure I.4 ;
En raison rdu procédé de fabrication, la grille de longueur Lg recouwe légèrement les régions de source et de drain. La région entre les jonctions de source et de drain est appelee la région du canal et est définie par sa longueur L et sa largeur lV [8] :
lligure I.4 : La structure basique d'un transistor Ir4OSFFT.
Selon la réalisation du canal on peut olasser les MOSFET en deux types fondamentaux
qui sont les MOTSFET à appauvrissement (Déplétion) D-MOSFET, et les MOSFET à
enrichissement @nchantement) E-MOSFET [91.
1.2.2.1MOSFET à appauvrissement de eanal
Dans le cix des MOSFET à appauvrissqment de canal des étapes technologiques supplémentaire permettent de fabriquer ce canal qui existe déjà avant toute polarisation de la grille. Les MOSFIET s à appauwissement sont donc passants sans tension de commande sur
v(}I
-Grll$e 1*
grille (NORMALLY ON), ils deviennent de moins en moins conducteurs au fur et à mesure que la tensicn de ccmmanCe al.rgmente pcur finalement se bloquer au:delà C'une tensicn de blocage.
ï'COF ci!rr+.1 it qt aulll;rulrrie,:È{1ft(}ttt
Figure I.5 : MûSFET à appauvrissement de oanal N.
Pour le cils du D-MOSFET canal N, si on applique une tension négative sur la
grille par rapport au substrat, les électrons sont repoussés et la conductivité du canal diminue. Contrairement à cela, pour du D-MOSFET à canal P, si on applique une tension positive sur la griile par rapport au substrart, ii;s trous sûnt repoussés et la conductivité du canal diminue [9].
I.2.2.L]$.f.ÛSFET à enriehissement dc canal
Dans les û:ansistors MOSFET s à enrichissement de canal, ce dernier est induit suite à
une tension Vcri appliqué sur la grille du transistor. Les transistors MOSFET s à
enrichissement sont bloqués sans tension de commande sur la grille (NORMALLY OFF), ils deviennent passants à partir d'une certaine l;ension de grille V6 fthreshold voltage) qui est la tension appliquée entre la grille et le substrat, r:ntraïnant I'inversion de la nature du substrat sous la grille.lVçsplV611, et le transistor devient passant.
Chapitre I Transistor MOSFET
MOS san.r-l p it Ênr:içlri.+g<:n*nt
fa
. :: :..::. :::-i,iJi j itl,: ra.:.,:.,1r-": :.i:-:ral:i :: jnj:.. -
e:: : fr::t: f::_ i:1rj rr:l::,:--*,:_::È:tii.iiiirt,:rjr .a ..
Fig;ure I.6 ; iviûSFET'à e,rurie:hissemenr de çânâi P.
Dans le oas d'un transistor MOSI]ET à canal N et à enrichissement de canal, I'applieatiott d'une tension positive sur la grille pennet d'attirer les électro*s à i'iniertaee isolant/semi-conducteur et on repousse les û'ous. .A partir d'une certaine tension de seuil, une couche d'inversion appa.raît et le transistor dlevierrt de plus en plus pa^ssant. Contrairement au
N-MOSFET, dans le ca.s d'un transistor MOSIIIiT à canal P et à enrichissement de canal, I'application d'unre tension négative sur la gri.lle par rapport au substrat va permettre de repousser les électraas nrajoritaires et les trous nrinoritaires sont attirés. A pariir d'une tension de seuil Vth, une couche d'inversion apparaît et le transistor devient de plus en plus passant
ttnlI r_vl
Selon les 2 types clu subsitrat P ou N, on peut conLcevoir deux types de transistors MOSFET les N-MOSFET et P-IUOSFET respectivement :
a) Transistor MOSFET à canal N
Dans les tla.osisfirrs N-MOSFET, le sr-rbstrat est de type P. Dans ee oas la grille est polarisée positivelrent par une tension Vc suffisante, qui va peupler I'interface SC-oxyde, d'électrons permettant l'apparition de deux zones peuplées d'électrons la source et le drain reliées par un ea*ll rempli d'électrcns, et la tenliion VDs doit être positive afin de drainer ces électrons, le courant circule du drain vers la sour,ce [9].
b) Transistor MOSFET à canal P
Dans les frimsistors P-MOSFET, le surbsûrat est de type N le P-MOSFET, dont la grille est polarisée négaiivemeilt par unË tensiûn lls s;u.lfisante, qui va peupler de trous I'interface SC-oxyde, et qui clonne deux zones peuplées de trous : la source et le drain relié par un canal renrnli rfe trôrtc cf la fcnqinn ll^. r r t.l u!_r! Ani+ Âfrc néoqfirra qfin Âe Âraincr I a nnrrrqnf nirnrrla rlnnn rlcÈtr! rrvbuir uû uiÉiiivi, Lv vvgagiat viivgiù uvaaû gv
la source vers le drain.
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IiZ,3La capacité MOS
La capacité ivf0fi est ui-r dispasitif semi-ccindiiçicur de 'Jeii:<-bor-rc çoiriiric ii-rdiqué sur la Figure I.7, il se compose d'un contact enr mrltal séparé du semi-conducteur par un isolant diélectrique. Un contact ohmique additionnel est réralisé sur substrat semi-conducteur presque universellement, ia structure MûS utilisé le siliciurn dopé en tant que substrat et son oxyde, le dioxyde de silicium(Sio2), comme isolant. Dans le système de silicium-oxyde de silicium, la rjensiré cies états cie surferce à i'inrerface oxycie-serni --conriucteur est très basse par rappon à ia densité de porteur typique de canal dans un transist.or MOSFET. En outre, la qualité isolante de I'oxyde est tourl à fait acceptable.
Figure I.7 z Cupacirté MOS.
f t DÉni*on à., fan-*i^-- a*^-4 À.. +,-^-^2^.t^*
I r*te l\ÇËrlÊtlçJ tlf; .UttItL lltrll lltllltl-l f L.r tl l.il liiirS.lJ LU I
L'applicati,on d'un potentiel électrique sur la grille modifie les courbures de bandes
A'ânarnia rfir cami-nnnrlrrnfarrr vrvsr ' I a ffarrro I rç lrËsrç f {| rrrnrÉcanfo :rltr r!'l,rçsçrlçL ,r- srl ur9Ërr4rlrrrtL âio-.o--o .lo Lo^Âo uÈ t,4rrsv A)Anonnios vlrçrËlç
d'un transistor N- MOSFET dans le régime dcs bandes plates et dans le régime de faible inversion.
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