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

Daviot Renaud

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SOMMAIRE SOMMAIRE Liste des Professeurs de l'INSA de Lyon...................................................................... 3 Liste des écoles doctorales de Lyon en 2005................................................................. 7 Remerciements............................................................................................................. 11 Sommaire ..................................................................................................................... 17 Liste des figures ........................................................................................................... 21 Liste des tableaux ........................................................................................................ 29 Introduction ................................................................................................................. 31 1- Les dispositifs intégrés .............................................................................................. 32 2- Les différentes technologies...................................................................................... 33 3- Historique du SOI ..................................................................................................... 34 3.1 La technologie Silicon-On-Sapphire.................................................................................... 35 3.2 ELO et ZMR... 35 3.3 FIPOS ................................................................ ...

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S OMMAIRE

S OMMAIRE

Liste des Professeurs de l'INSA de Lyon...................................................................... 3 Liste des écoles doctorales de Lyon en 2005.................................................................7 Remerciements............................................................................................................. 11 Sommaire ..................................................................................................................... 17 Liste des figures........................................................................................................... 21 Liste des tableaux ........................................................................................................29 Introduction ................................................................................................................. 31 1-Les dispositifs intégrés .............................................................................................. 32 2-Les différentes technologies...................................................................................... 33 3-Historique du SOI ..................................................................................................... 34 3.1La technologie Silicon-On-Sapphire.................................................................................... 35 3.2........................................................................................................................ 35ELO et ZMR 3.3FIPOS .................................................................................................................................. 36 3.4Le procédé SIMOX.............................................................................................................. 36 3.4.1MICROX ..................................................................................................................... 36 3.5Bonded SOI ......................................................................................................................... 37 3.6En résumé ............................................................................................................................ 38 4-Différences entre Si massif et SOI............................................................................ 39 5-Présentation du mémoire.......................................................................................... 40 Bibliographie ............................................................................................................... 42 Chapitre I : La technologie SOI 130 nm.................................................................... 45 1.La technologie SOI.................................................................................................... 45 1.1................................................................................ 45La désertion dans les MOSFET SOI 1.2.Description de la technologie.......................................................................................... 48 2.Le MOSFET .............................................................................................................. 48 2.1.Le fonctionnement des MOSFET en statique ................................................................. 48 2.1.1.Les régimes de fonctionnement .................................................................................. 49 2.1.2.La tension de seuil ...................................................................................................... 53 2.1.3.Le courant drain-source .............................................................................................. 53 2.1.3.1.Courant en inversion faible et pente sous le seuil ............................................... 54 2.1.3.2.Régime d'inversion forte ..................................................................................... 54 2.2................................................................... 55Les phénomènes parasites dans le MOSFET 2.2.1.La mobilité effective................................................................................................... 56 2.2.2.Les effets de canal court.............................................................................................. 58 2.2.2.1.Modulation de la longueur de canal .................................................................... 58 2.2.2.2.Vitesse de saturation............................................................................................ 60 2.2.2.3.Le partage des charges ........................................................................................ 61 2.2.2.4.L'effet de canal court inverse .............................................................................. 63 2.2.2.5.Effet de réduction de la barrière de potentiel induit par le drain ......................... 63 2.2.2.6................................................................................................. 64L'effet de perçage

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S OMMAIRE 2.2.2.7.Résumé des effets de canal court ........................................................................ 65 2.2.3.Les effets de canal étroit ............................................................................................. 66 2.2.4.Les effets liés à la grille .............................................................................................. 67 2.2.4.1.Épaisseur effective de grille ................................................................................ 67 Effets de polydésertion.................................................................................................... 67 Les effets quantiques....................................................................................................... 68 2.2.4.2.Le courant de grille ............................................................................................. 68 2.2.4.3.Effet GIDL .......................................................................................................... 70 2.2.5.L'ionisation par impact................................................................................................ 71 2.2.6.Les claquages et le régime d'avalanche....................................................................... 72 2.2.7................................................................................ 73Les résistances et capacités séries 2.2.7.1.Les résistances séries........................................................................................... 73 2.2.7.2.Les LDD.............................................................................................................. 73 2.2.7.3.Les capacités de recouvrement............................................................................ 74 3.Les effets physiques liés à la technologie SOI......................................................... 74 3.1.Les effets thermiques...................................................................................................... 74 3.2................................................................. 75Les effets liés au potentiel de substrat flottant 3.2.1.L'effet‛‛kink” ............................................................................................................. 75 3.2.2.L'effet GIFBE ............................................................................................................. 77 3.2.3.L'effet transistor bipolaire parasite.............................................................................. 78 3.2.4.Les effets transitoires .................................................................................................. 79 3.2.5.Les MOSFET SOI à‛‛body” connecté ....................................................................... 80 4.Conclusion.................................................................................................................. 81 Bibliographie ............................................................................................................... 82 Chapitre II : Méthode de caractérisation microondes des MOSFET SOI ..............89 1-La réponse fréquentielle ........................................................................................... 89 1.1Le signal analogique micro-onde......................................................................................... 90 1.2Les moyens de mesures ....................................................................................................... 90 1.3Le calibrage ......................................................................................................................... 91 1.3.1SOLT ........................................................................................................................... 92 1.3.2TRL/LRM .................................................................................................................... 92 1.3.3Méthode de calibrage choisie et Précautions à prendre pour la mesure....................... 93 2-Extraction de paramètres......................................................................................... 94 2.1L'épluchage.......................................................................................................................... 95 2.2Correction des erreurs liées aux lignes d'accès.................................................................... 99 2.3Modélisation du MOSFET SOI......................................................................................... 100 2.3.1Modélisation des éléments extrinsèques .................................................................... 101 2.3.1.1Les capacités extrinsèques ................................................................................. 101 2.3.1.2Les impédances séries........................................................................................ 102 2.3.2Modélisation des éléments intrinsèques du MOSFET SOI partiellement déserté...... 104 2.3.2.1Les admittances drain/source ............................................................................. 105 2.3.2.1.1La conductance de sortie ............................................................................ 106 2.3.2.1.2Les trans-admittances ................................................................................. 107 2.3.2.2Les effets capacitifs............................................................................................ 108 2.3.2.3La région de‛‛body” .......................................................................................... 109 2.3.3Le substrat.................................................................................................................. 110 2.3.4Les effets non quasi-statique...................................................................................... 110 2.4L'extraction ........................................................................................................................111 2.4.1Techniques d'ajustement de courbes.......................................................................... 112 2.4.2Méthodes déterministes.............................................................................................. 113 2.4.3Méthodes d'optimisation linéaire ............................................................................... 114 2.4.3.1Étude du transistor‛‛froid” ................................................................................ 114 2.4.3.2MOSFET en inversion forte etV ds =0 V ............................................................. 115 2.4.3.3Polarisation quelconque ..................................................................................... 115 2.4.4Optimisation non linéaire........................................................................................... 116 3-Performances micro-ondes des MOSFET SOI partiellement désertés 130 nm. 119

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S OMMAIRE Le gain transducique....................................................................................... 119 Le critère de stabilité....................................................................................... 119 Le gain unilatéral ............................................................................................ 119 Le gain disponible maximum.......................................................................... 119 Fréquence de transition du gain en courant..................................................... 119 Fréquence maximale d'oscillation................................................................... 120 4-Conclusion................................................................................................................ 121 Bibliographie ............................................................................................................. 122 Chapitre III : Evaluation du bruit dans les MOSFET SOI.....................................127 1-Le bruit électronique............................................................................................... 127 1.1Modélisation des sources de bruit...................................................................................... 128 1.1.1Circuit équivalent....................................................................................................... 128 1.1.2Les sources de bruit globales ..................................................................................... 129 1.2Les quatre paramètres de bruit........................................................................................... 131 1.2.1Notion de figure de bruit............................................................................................ 132 1.2.2Température de bruit.................................................................................................. 134 1.2.3Sources de bruit & facteur de bruit ............................................................................ 134 1.2.4Les quatre paramètres de bruit................................................................................... 135 1.2.5Facteur de bruit et gain en puissance ......................................................................... 137 1.3La mesure du bruit dans les micro-ondes .......................................................................... 137 1.3.1Le banc de mesure ..................................................................................................... 137 1.3.2Le calibrage................................................................................................................ 140 1.3.3Les méthodes de mesure du bruit............................................................................... 141 1.3.3.1Le facteur Y........................................................................................................ 141 1.3.3.2La méthode F 50 ................................................................................................... 142 1.3.3.3La méthode‛‛cold source” ................................................................................. 142 1.3.4Détails sur la méthode choisie ................................................................................... 144 1.4Méthode d'extraction ......................................................................................................... 146 2-Les sources de bruit intrinsèques........................................................................... 147 2.1La couleur du bruit............................................................................................................. 147 Les bruits blancs ............................................................................................. 147 Les bruits colorés............................................................................................ 148 2.2Les sources de bruit ........................................................................................................... 148 2.2.1Le bruit thermique...................................................................................................... 148 2.2.1.1Le bruit de diffusion........................................................................................... 149 2.2.2................................................................................................... 150Le bruit de grenaille 2.2.3Le bruit de génération-recombinaison........................................................................ 152 2.2.4Le bruit de‛‛flicker” .................................................................................................. 152 2.2.4.1Variation de la densité des porteurs.................................................................... 153 2.2.4.2Variation de la mobilité...................................................................................... 154 2.3Limite bruit BF/bruit micro-onde ...................................................................................... 154 2.4Les modèles de bruit.......................................................................................................... 155 2.4.1Le bruit dans le canal ................................................................................................. 155 2.4.2Le bruit dans la grille ................................................................................................. 158 2.4.3Corrélation entreSi ch etSi gc ....................................................................................... 159 2.4.4Modèle de Van Der Ziel............................................................................................. 159 2.4.4.1Le bruit vu à l'entrée du quadripôle.................................................................... 160 2.4.4.2Le bruit vu à la sortie du quadripôle................................................................... 161 3-Conclusion................................................................................................................ 162 Bibliographie ............................................................................................................. 163 Chapitre IV : Etude microondes des MOSFET SOI partiellement désertés..........167 1-Les effets thermiques .............................................................................................. 167 1.1Les sources thermiques...................................................................................................... 168 1.2Modélisation de la température dans le MOSFET SOI ..................................................... 169

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S OMMAIRE 1.2.1Impact de la température sur les paramètres physiques ............................................. 169 1.2.2Méthode analogique pour l'extraction des paramètres thermiques............................. 173 1.2.3La résistance thermique ............................................................................................. 174 1.3Impact de la température sur les MOSFET SOI ................................................................ 178 2-Les effets liés au potentiel flottant du‛‛body” ...................................................... 182 2.1L'ionisation par impact ...................................................................................................... 182 2.2L’effet‛‛kink” et transistor bipolaire parasite.................................................................... 183 2.2.1L'effet‛‛kink” ............................................................................................................ 183 2.2.2Effet bipolaire parasite............................................................................................... 189 3-La résistivité du substrat ........................................................................................ 192 3.1Intérêts de la haute résistivité............................................................................................. 192 3.2Impact de la résistivité de substrat sur les performances micro-ondes .............................. 193 3.3Impact de la résistivité du substrat sur les performances en bruit...................................... 195 3.4199Conclusion ......................................................................................................................... 4-Conclusion du chapitre........................................................................................... 199 Bibliographie ............................................................................................................. 200 C ONCLUSION ............................................................................................................... 205 Annexe I – Aspects mathématiques ...............................................................................i 1............................................................................................................. iLa loi binomiale 2.La loi normale............................................................................................................... i 3........................................................................................................... iiLa loi de Poisson 4.Éléments de traitement du signal...............................................................................ii 5.La densité spectrale de puissance .............................................................................iii Annexe II – Notions de physique................................................................................. iv 1.Rappels de physique................................................................................................... iv 2.Transmission des ondes ............................................................................................. iv 3.Paramètres physiques de matériaux.......................................................................... v Annexe III – Les quadripôles....................................................................................... vi 1.viiParamètres chaînes ................................................................................................... 2............................................................................................ viiiParamètres impédances 3.Paramètres admittances ............................................................................................ ix 4.Paramètres hybrides ................................................................................................... x 5.Paramètres S............................................................................................................... xi Annexe IV – Les gains ................................................................................................xii Annexe V – Méthode de mesure du bruit ..................................................................xiii Annexe VI – Estimation de la température ..............................................................xvii 1.Équations différentielles .........................................................................................xvii Annexe VII – Méthode d'épluchage.......................................................................... xxi Annexe VIII – Appareils de mesure ..........................................................................xxi Annexe VIII – Appareils de mesure .........................................................................xxii Bibliographie ............................................................................................................xxiii

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