Etude en radiofréquences de transistors à effet de champ MOS partiellement désertés en technologie

Daviot Renaud

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• Publié par: Mezat
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• Langue: Français

Extrait

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Le propos de cette étude concerne l'analyse des MOSFET SOI en technologie 0,13 µm à canal n et à inversion. À la différence de leurs homologues sur substrat massif, ces dispositifs sont constitués d'une couche d'oxyde comprise entre le substrat et la zone active. En fonction de leurs dimensions et de leurs polarisations, celle-ci implique une désertion partielle dans le film de silicium. Cette zone neutre est appelée‛‛body”. Celle-ci peut être reliée ou non à la source. Dans le premier cas, la zone neutre est mise à la masse par l'intermédiaire d'une connexion de résistivité non nulle. Dans le second cas, le potentiel statique de la zone neutre n'est pas fixé. Ces MOSFET SOI partiellement désertés seront appelés à‛‛body” flottant. L'objectif final de cet exposé est l'étude du comportement physique en petit signal et en bruit, dans les micro-ondes, des MOSFET SOI partiellement désertés avec la zone de‛‛body” flottante et la zone de‛‛body” connectée à la source. A la suite d'une description non exhaustive des principales techniques de réalisation des tranches de SOI, ce mémoire débute par une analyse bibliographique du sujet. Le premier chapitre rappelle les notions essentielles à la compréhension du comportement général des transistors à effet de champ MOS. Ensuite, les effets physiques liés à la réduction des dimensions sont abordés. Ces effets physiques modifient le fonctionnement du MOSFET suggéré par les modèles classiques apportés par l'étude des transistors à canal long. Ce chapitre s'achève sur la description des différents effets inhérents à l'architecture des MOSFET SOI partiellement désertés. Ainsi, les isolations électrique et thermique apportées par l'oxyde enterrée révèlent de nouveaux effets physiques comme les effets d'auto-échauffement. Le potentiel flottant de la zone neutre du film de silicium des MOSFET SOI partiellement désertés apporte des modifications sur la caractéristiqueI(V) lorsque cette zone est contrôlée par le courant d'ionisation par ds ds impact. Ces phénomènes regroupent l'effet‛‛kink” et l'effet transistor bipolaire parasite. Cette première description sert de point de départ à cette étude. Finalement, ce chapitre soulève des interrogations sur le comportement des MOSFET SOI dans les micro-ondes en petit signal et vis-à-vis de leurs sources de bruit internes. Par exemple, quels sont les impacts de l'auto- échauffement sur le niveau du bruit thermique dans le canal des MOSFET SOI partiellement désertés ? Est-ce que l'effet‛‛kink” et l'effet bipolaire parasite améliorent ou détériorent les performances des MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” flottant ? Quel est le rôle de la résistivité de substrat sur le comportement des MOSFET SOI ? Afin de trouver des réponses à ces questions, ce projet s'est déroulé en trois étapes : la mesure des paramètres statiques et dynamiques RF et en bruit des MOSFET SOI, la modélisation en petit signal et l'analyse de ces données. Le travail a débuté par la mise en place et la validation d'un banc de caractérisation en bruit dans les micro-ondes avec la prise en compte de toutes les contributions des appareils de mesure et du câblage. Les principales caractéristiques du bruit électronique ainsi que les techniques de mesures des paramètres en petit signal des MOSFET SOI sont exposés au chapitre II. Elles nécessitent notamment d'appliquer un calibrage LRM afin d'obtenir des résultats cohérents surtout pour des fréquences de travail élevées. Aux annexes V et VII, d’autres informations peuvent guider le lecteur pour lui permettre d’estimer les niveaux de bruit d’un dispositif à l’aide d’un banc de mesure multi-impédances. Grâce à ce banc, le bruit électronique est estimé de façon macroscopique par l'intermédiaire des 4 paramètres de bruit qui sontF,R min n

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etY. Ces paramètres sont suffisant pour évaluer l'impact du bruit électronique dans un système opt analogique micro-ondes. Dans le but d'estimer les niveaux des sources de bruit intrinsèques à un dispositif donné, il est nécessaire de quantifier ces valeurs à partir du modèle comportemental en petit signal et pour un modèle de bruit donné. Le modèle le plus naturel pour l'étude du bruit électronique dans les MOSFET SOI est celui donné par Aldert Van Der Ziel. La phase d'extraction qui suit l'étape de la mesure, doit révéler au mieux le comportement analogique des MOSFET SOI. Toutes les étapes de l'extraction sont décrites au chapitre II. À partir de la mesure des paramètres S du dispositif sous test, des techniques d'épluchage sont appliquées afin de prendre en compte l'impact des lignes d'accès au MOSFET SOI. Ensuite, un ensemble de méthodes a été analysé afin de mettre en évidence la méthode optimale par rapport aux besoins de l'étude. Finalement, un synoptique a été établit dont la méthode repose sur l'optimisation non linéaire du modèle comportemental micro-onde petit signal. Ce dernier est établit à partir de l'analyse du comportement physique du MOSFET SOI. L'optimisation linéaire fait intervenir deux algorithmes en parallèle : la méthode Levenberg-Marquardt et la méthode de Powell Dog's Leg. Ces deux techniques itératives s'appuient sur la minimisation de la fonction erreur, dans le domaine Hilbertien, par les méthodes de descente rapide et du gradient. À noter que la méthode de Levenberg-Marquardt a également été appliquée sur les mesures de la figure de bruit en fonction de l'impédance de source, dans le but d'obtenir les quatre paramètres de bruit. En fin, c'est par l'estimation des niveaux des sources de bruit, en s'appuyant du modèle de A. Van der Ziel, que s'achève la phase d'extraction de paramètres. Après l'extraction des paramètres comportementaux à partir des données issues de la mesure, l'analyse des données révèle le comportement physique des MOSFET SOI énoncé au premier chapitre. Les phénomènes étudiés sont l'auto-échauffement, l'effet‛‛kink”, l'effet transistor bipolaire parasite et l'impact du substrat sur le comportement micro-ondes de ces dispositifs. Les résultats expérimentaux et théoriques indiquent que les 4 paramètres de bruit sont optimisés lorsqueRest faible, c’est-à-dire lorsque le rapportW/Nest faible, puisque la source g ff de bruit équivalente en courant vue à l’entrée du transistor dépend en partie de la résistance de grille. Le tableau ci-dessous indique comment optimiser les paramètres comportementaux des MOSFET SOI partiellement désertés en fonction de la largeur de grille W et du nombre de doigts N . f   ,F ,, ,Γ tot mmin ng maxopt & Nconstan , ,, F, ,Γ, |°, T°KΓ|, ,C N opt DSopt Tmax min nm gg f & constante Tableau 1 : Amélioration des performances des paramètres comportementaux des MOSFET SOI partiellement désertés en fonction de la largeur de grille et du nombre de doigts. Au tableau précédent, il est possible de noter qu'en fonction de Nou de W, certaines f f performances des MOSFET SOI sont améliorées au détriment d'autres paramètres. Par conséquent, un compromis est nécessaire lors de la conception d'un système analogique à base de MOSFET SOI partiellement désertés. À noter également qu'au moment de la saturation et avant l’effet‛‛kink”, la figure de bruit minium et le gain en puissance sont proche de sa valeur minimale en fonction des conditions de polarisation, et par extension en fonction du courant dans le canal. L'élévation de température liée à l'isolation thermique de l'oxyde enterré modifie les paramètres intrinsèques du MOSFET SOI. Une élévation de quelques dB du niveau de bruit est observable lorsque la consommation du dispositif s'accroît, c’est-à-dire en fonction de son

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échauffement interne. Globalement, le facteur de bruit peut être dégradé de 30 %. Un échauffement trop important réduit les gains en courant et en puissance du dispositif. Afin de remédier à ce problème, il est possible d’étendre la surface d’évacuation de la chaleur en augmentant soit la largeur de la grille, au détriment des performances de rapidité et de bruit, soit en augmentant le nombre de doigts. Les effets‛‛kink” et transistor bipolaire parasite augmentent également le niveau de bruit global des MOSFET SOI partiellement désertés à cause de la jonction‛‛body”/source et par l'action amplificatrice de g. Il est possible de contrôler le potentiel de la région‛‛body” en mb connectant ce dernier à la source. Toutefois, les performances en terme de rapidité diminuent. La liaison‛‛body”/source rajoute une impédance supplémentaire, c’est-à-dire une source de bruit en plus. La différence de niveau de bruit vue en sortie des dispositifs est proche de 15 à 20 % entre des MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” flottant et à‛‛body” connecté. Les dispositifs réalisés sur des substrats fortement résistifs ont des performances accrues et un niveau de bruit plus faible que les dispositifs sur des substrats plus faiblement résistifs. L'élévation du facteur de bruit peut atteindre quelques dB. Finalement, lors de la conception de dispositifs analogiques à base de MOSFET SOI partiellement déserté, l'optimisation des performances doit suivre les règles suivantes : •jusqu'à quelques GHz, les effets capacitifs parasites ne nécessitent pas d'être optimisés avec une grande précision. Donc, pour peu de dégradations des performances micro- ondes, le choix des MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” connecté sera à privilégier. Comparativement, les MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” flottant ont un gidentique pour une consommation statique plus élevée, liée aux m,max effets de‛‛body” flottant. •au-delà d'une vingtaine de GHz, la conception des systèmes s'effectuera à l'aide de MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” flottant. Ceux-ci comportent moins d'effets capacitifs parasites, donc ils sont plus rapides.De plus, il sera possible d'améliorer les performances en bruit en utilisant des substrats fortement résistifs. Tout n’a pas été fait lors de cette étude. De nombreux points sont encore à explorer comme la réalisation de modèles physiques robustes du substrat, des sources de bruit de la zone de‛‛body”, de la dissipation thermique corrélés aux dimensions du dispositif étudié, de l’étude des effets quantiques sur le courant de grille et ses sources de bruit. Ceci ne peut se faire que dans le respect de conditions optimales de mesure et l’utilisation d’appareils rapides et performants comme des systèmes multi-impédances ou‛‛tuners” électroniques à base de diodes PIN. De plus, dans ce mémoire, l’accent a été mis sur les techniques d’extraction. Il a été montré que les algorithmes issus des mathématiques de l’estimation sont à appliquer et à approfondir afin d’améliorer les performances de la caractérisation. Ces algorithmes trouvent tous leurs avantages pour l’identification des paramètres comportementaux des dispositifs étudiés mais également pour la connaissance des niveaux de bruit ou des effets thermiques. Un grand effort est à effectuer afin d’améliorer ces algorithmes en terme de robustesse, de performance et de rapidité. Il serait par ailleurs nécessaire de valider toutes ces méthodes sur les technologies 65 nm et 45 nm plus fines ainsi que pour la modélisation du substrat. Enfin, par rapport à la technologie 130 nm, la géométrie et les matériaux sont différents pour la technologie 65 nm : l'épaisseur de l'oxyde de grille, sa structure, la siliciuration, etc… Il est donc nécessaire d'approfondir cette étude pour ces technologies, notamment afin d'évaluer l'effet auto-échauffement qui devrait s'aggraver en considérant les modèles de résistances thermiques des MOSFET. De plus, une modélisation thermique 2D de l'impédance thermique des MOSFET SOI est nécessaire afin de comprendre ce phénomène. Par ailleurs, il serait nécessaire d'évaluer l'impact des pertes au travers de la grille comme il a été indiqué dans la littérature pour la technologie CMOS sur substrat massif.

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