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

Daviot Renaud

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• Publié par: Asli
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• Langue: Slovak

Extrait

L ISTE DES FIGURES

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Introduction Figure 1 : Exemple d'un schéma possible d'un téléphone cellulaire avec ses étages de réception et d'émission. .................................................................................................................................32 Figure 2 : Octogone représentant les paramètres à ajuster lors de la conception de circuits analogiques. ...............................................................................................................................33 Figure 3 : Représentation des performances des technologies par rapport aux applications micro- [5] ondes .......................................................................................................................................34 Figure 4 : Processus de fabrication des plaques SOS............................................................................35 Figure 5 : Procédé de fabrication des tranches SOI par a) ELO et b) ZMR.....................................35 Figure 6 : Processus de fabrication de plaques SOI par la technique SIMOX. ................................36 ® Figure 7 : Procédé de fabrication de plaques SOI par le procédé Smart-Cut..................................37 Figure 9: Représentation de diverses structures de MOSFET a) sur silicium massif et b) sur Silicium-Sur-Isolant (SOI). .....................................................................................................39 Chapitre I : La technologie SOI 130 nm Figure 1: a) Schéma d'un MOSFET SOI vu en coupe parallèlement à la longueur du canal. b) Vue du MOSFET SOI au microscope électronique à balayage........................................46 [2] Figure 2 : Schéma capacitif équivalent du MOSFET SOI complètement déserté d'après. .........47 Figure 3 : Le MOSFET à canal n sur substrat massif. a) schéma du transistor; b) illustration du potentiel distribué dans le transistor......................................................................................49 Figure 4 : Diagramme de bandes d'énergies pour un MOSFET à canal n à désertion. MOSFET en régime a) accumulation; b) désertion; c) inversion faible; d) inversion forte.............49 Figure 5 : Visualisation des quantités de charges par unité de surface présentes dans le MOSFET [6] pour chaque régime de fonctionnement. ...........................................................................50 Figure 6 : Représentation idéale des quantités de charges dans le silicium en fonction deV, gb [4-7] d'après .Les régimes de fonctionnement sont indiqués ainsi que leurs potentiels spécifiquesV gb . .........................................................................................................................51 Figure 7 : Représentation des diverses zones de fonctionnement du MOSFET en fonction de la [4-7] polarisationVet deV(Vest constant) ou deV(V. Àest constant), d'après gs dssb sddb droite, dans l'encadré, l'évolution du potentiel de surface dans le canal du côté du drain [5] est représentée en fonction deV, pour une polarisationVdonnée, d'après. .........52 ds gb Figure 8: Représentation des lignes de champ électrique dans le MOSFET. L'orientation des vecteurs des champs électriquesEest illustrée à droite....................................................55 Figure 9 : Caractéristiques d'un nMOSFET SOI à‛‛body” flottant avecL= 0,12 µm etW= 2,5 g µm pour deux polarisations distinctes deV ds .......................................................56, d'après. Figure 10 : Variations de la caractéristiquedI/dVfonction de enV etdeV, pour un ds gsgs sb [11] nMOSFET SOI partiellement déserté avecL= 5µm etW.2,5 µm, d'après =V g sb varie de -0.5 V à 1 V par pas de 0,25 V,V ds = 0,1 V..........................................................57 Figure 11 : Modulation de la longueur du canal pour un MOSFET en saturation. a)V=V; b) ds ds,sat V>V; c) représentation du champ électrique longitudinal dans le canal en fonction ds ds,sat de la longueur pourV>V...............................................................................................58 ds ds,sat.

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Figure 12 : Représentation deI(V) pour un MOSFET présentant l'effet de modulation de la ds ds longueur de canal. ....................................................................................................................59 Figure 13 :I(L) pour différents MOSFET SOI partiellement désertés, d'après ........................60 ds,sat g Figure 14: Visualisation des effets liés au partage des charges par comparaison de la région de désertion sous le canal pour, a), un MOSFET SOI à canal long et, b), à canal court. Un grossissement de la région de désertion est donné en c)....................................................61 Figure 15 : Représentation du phénomène de partage des charges dans un MOSFET à canal long, a), et à canal court, b)...............................................................................................................62 Figure 16 : Variations de la tension de seuil en fonction de la longueur du canal pour différents MOSFET SOI partiellement désertés en technologie 0,13 µm.V................. 2= 1,2V. ds .6 Figure 17: Variations de la tension de seuil en fonction de la longueur du canal en utilisant les paramètres extraits pour BSIMSOI 2.2 pour la technologie MOSFET SOI 0,13 µm à ‛‛body” connectée.....................................................................................................................63 Figure 18 : Effets DIBL sur la caractéristiqueI(V) prononcés pour un nMOSFET SOI ds ds partiellement déserté de longueur 0,12 µm à gauche, par rapport à un dispositif avec L g .................................e......àdorti=2µm............................................................................6...4 Figure 19 : Oxydes de champ pour des MOSFET SOI partiellement déserté avec des Structures a) LOCOS; b) STI....................................................................................................................66 Figure 20 : Représentation des transistor latéraux pour une structure LOCOS...............................66 Figure 21: Représentation de l'épaisseur effective de l'oxyde de grille dans un MOSFET a) et illustration des effets de mécanique quantique et de polydésertion par le diagramme des bandes b). ..................................................................................................................................68 Figure 22 : Structure de bandes lorsque le courant de grille se manifeste .........................................69 Figure 23 : Représentation des courants tunnel traversant l'oxyde de grille d'un MOSFET à canal [25] n,d'après................................................................................................................................70 Figure 24 : Variations de la caractéristiqueI(V) en fonction deV pourun MOSFET SOI ds gsds partiellement désertés en technologie 0,13 µm.L= 0,13 µm etW= 5 µm. LorsqueV g ds = 1,2 V etV< -0,4 V, les effets GIDL apparaissent.......................................................70 gs Figure 25 : Représentation de la structure des bandes proche de la région de drain, avec l'effet GIDL .........................................................................................................................................71 Figure 26 : Schématisation du processus d'ionisation par impact dans un MOSFET à canal n.....72 Figure 27 : Représentation des résistances séries dans les zones source et drain du MOSFET SOI. a) 4 résistances composent les résistances séries. b) Polarisation du MOSFET avec les résistancesséries.......................................................................................................................73 Figure 28 : MOSFET SOI partiellement déserté avec les effets de substrat flottant – l'effet kink. ....................................................................................................................................................76 Figure 29 : Effets liés au potentiel flottant de la zone‛‛body” flottant sur les caractéristiques I(V) etg(V), pour plusieurs polarisation deV. ..........................................................76 ds dsds dsgs Figure 30 : Effets‛‛kink” sous le seuil sur la caractéristique log(I(V)) pourV=1,4 V. ds gsds nMOSFET SOI partiellement déserté, + :‛‛body” connecté; o :‛‛body” flottant. .........77 Figure 31 : Effets GIFBE sur la caractéristiqueg(V) pourVnMOSFET SOI= 0,3 V. m gsds partiellement déserté avecL= 0,5 µm etW= 50 µm.......................................................77 g Figure 32 : MOSFET SOI partiellement déserté avec les effets de substrat flottant – l'effet bipolaire parasite. .....................................................................................................................78 Figure 33: Caractéristiques statiques du MOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” flottant étudié dans ce paragraphe.......................................................................................................78 Figure 34 : Schéma de MOSFET SOI à a)‛‛body” lié, à b)‛‛body” connecté avec une grille en T et à c)‛‛body” connecté avec une grille en H.......................................................................80 Figure 35 : Variations de la caractéristiqueI(V) en fonction de la structure des MOSFET SOI ds ds partiellement désertés en technologie 0,13 µm.L= 0,13 µm etW= 5 µm etV= 0,8 g gs V. ................................................................................................................................................80

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Chapitre II : La caractérisation micro-onde des MOSFET Figure 1 : Schéma bloc du fonctionnement d'un VNA........................................................................91 Figure 2 : Schéma du banc pour la mesure des paramètres S du DUT..............................................91 Figure 3 : Structures utilisées pour les différentes techniques de calibrage; a) motif‛‛open”; b) motif‛‛short”; c) motif‛‛thru line”; d) motif‛‛load”. ..........................................................92 Figure 4 : Diagramme reflétant la chronologie à suivre pour l'étude des paramètres petit signal des transistors. .................................................................................................................................94 Figure 5: Représentations du MOSFET SOI avec ses lignes d'accès et ses plots. a) Dessin du MOSFET SOI avec deux niveaux de métallisation, les échelles ne sont pas respectées. B) Schéma équivalent des plots et lignes d'accès avec leurs contributions......................95 Figure 6 : Motifs employés pour l'épluchage. a) motif circuit ouvert ou‛‛Open”; b) motif court- circuit ou‛‛Short”; c) ligne de transmission ou‛‛Thru”; d) charges adaptées ou‛‛Load”. ....................................................................................................................................................95 Figure 7 : Schéma, sous forme de quadripôle, représentant le transistor étudié entouré des effets liés aux plots de contact et aux lignes d'accès......................................................................96 Figure 8 : Résultats de différentes techniques d'épluchage appliquée aux paramètresS d'un MOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” flottant. a) paramètresS; a) paramètres 11 S 21 ..................................9.8............................................................................................................. Figure 9 : Evolution des fréquences de coupuresf etf enfonction deVutilisant en T maxgs différentes méthodes d'épluchage appliquée aux paramètresS d'unMOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” flottant.................................................................................99 Figure 10: Visualisation des admittances résiduelles des lignes d'accès extraites suivant les deux méthodes présentées..............................................................................................................100 Figure 11 : a) Représentation des effets du champ électrique dans le MOSFET SOI. b) Effets du + champ électrique transversal sur les charges de la région n. ..........................................101 Figure 12 : Évolution des capacités extrinsèques en fonction de la largeur totale de grille ou de la longueur de grille. L'estimation de leurs valeurs est assurée grâce à la méthode d'ajustement de courbes donnée un peu plus loin dans ce chapitre...............................102 Figure 13 : a) Représentation des quatre effets résistifs entraînant l'existence deR etR. b) s d Structure multi-doigts............................................................................................................103 Figure 14 : Comportement des résistances en fonction des dimensions des MOSFET SOI partiellement déserté..............................................................................................................103 Figure 15: Modèle comportemental simplifié en petit signal des éléments extrinsèques d'un MOSFET SOI partiellement déserté. .................................................................................104 Figure 16 : Vue en coupe d'une structure multi-doigts d'un MOSFET SOI partiellement déserté pour les applications micro-ondes. À gauche : l'application d'un signal analogiquev(ω) gs sur la grille induit une variation du couranti(ω). Dans une représentation ds quadripolaire, ceci est symbolisé par Y. À droite : illustration de la partie intrinsèque 21 du MOSFET SOI. .................................................................................................................104 Figure 17 : Représentation des chemins des courants dans le MOSFET SOI. G, D, S, B et M représente respectivement la grille, le drain, la source, la zone‛‛body” et le substrat (masse). ....................................................................................................................................105 Figure 18: Modèle comportemental en petit signal simplifié d'un MOSFET SOI partiellement déserté. Ce modèle comprend les éléments extrinsèques ainsi que les admittances définies à l'équation (8)..........................................................................................................105 Figure 19 : Caractéristique statiqueg(V) pour un MOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” ds ds flottant aveL g =0,12 µm etW...........................................................................107= 120 µm. Figure 20 : Caractéristiques statiquesg(V) pour un MOSFET SOI partiellement déserté à m gs ‛‛body” flottant aveL=0,12 µm etW= 120 µm..............................................................108 g

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Figure 21 : Évolution des capacités intrinsèques en fonction deVet deV. ..............................109 gs ds Figure 22 : Modèle comportemental simplifié en petit signal d'un MOSFET SOI partiellement déserté. Ce modèle comprend uniquement les éléments intrinsèques, les effets capacitifs sur les charges de la grille ainsi que les éléments liés aux effets du potentiel flottant du‛‛90................................................dybo..”...........1..................................................... Figure 23 : Représentation des chemins des courants dans le MOSFET SOI avec prise en compte du substrat, nœud M..............................................................................................................110 Figure 24 : Evolution des valeurs extraites des constantes de temps introduites par les effets non quasi-statique, en fonction deL ²et deV............................................. 11 g ds ...........................1 Figure 25 : Schéma équivalent du comportement du MOSFET sur substrat massif en petit signal polarisé à‛‛froid” :V=0 V etV=0 V..............................................................................114 gs ds Figure 26 : Organigramme détaillée de l'extraction des paramètres du MOSFET SOI. ...............117 Figure 27 : Comparaison des paramètres extraits avec la mesure, en représentation polaire et diagramme de Smith. Mesure et estimation du modèle comportemental.f∈[10 MHz – 65 GHz]...................................................................................................................................118 Figure 28 : Variations defet defen fonction deIet de la transconductanceg. Les symboles T maxds m carrés ainsi que les triangles représentent respectivement les valeurs def T et def ma . ..120 x Figure 29 : Variations defen fonction defpour différentes polarisations (VetV). ........... T maxds gs 120 Chapitre III : Modélisation Figure 1 : Représentation des sources de bruit basée sur le théorème de Thévenin ou de Norton. ..................................................................................................................................................128 Figure 2 : Sources de bruit en tension en série et en parallèle...........................................................128 Figure 3: Représentations équivalentes du bruit dans un quadripôle. Le dispositif est considéré non bruité et les sources de bruit sont ramenées en entrée ou en sortie du quadripôle. ..................................................................................................................................................129 Figure 4 : Dispositif "bruyant" relié à une source de bruit.................................................................132 Figure 5 : Figure de bruit d’éléments cascadés.....................................................................................133 Figure 6 : Représentation du facteur de bruit en fonction de l'admittance présentée par la source ..................................................................................................................................................135 Figure 7 : Variation de la figure de bruit en fonction de la résistance équivalente de bruit. a)R=10Ω; b)R=100Ω; c)R=1 kΩ................................................................36..............1. n nn Figure 8 : Schéma du banc employé pour mesurer le bruit micro-onde dans les dispositifs sous test (DUT). Le tuner est un CCMT-1808 de Focus..........................................................138 Figure 9 : Schéma simplifié du banc de mesure de bruit micro-onde. Illustration des gains disponibles de puissance et des températures équivalentes de bruit pour chaque étage du banc. ...................................................................................................................................140 Figure 10 : Schéma simplifié d'un banc de mesure de bruit micro-onde. Le tuner peut parfois être remplacé par une liaison directe...........................................................................................140 Figure 11 : Différences entre la méthode du facteur Y et la méthode‛‛hot”/‛‛cold” ....................143 Figure 12 : Diagramme de la méthode de calibrage du banc de bruit et de mesure du bruit........144 Figure 13 : Synoptique de l'étude des niveaux de bruit dans les MOSFET SOI............................146 Figure 14 : Différentes représentations de densités spectrales du bruit...........................................148 + Figure 15 : Flux de courant au travers d’une jonction p-n ...............................................................151 Figure 16 : Bruit de génération-recombianison dans un semi-conducteur de type N. a) génération; b) recombinaison directe; c) piègeage; d) recombinaison par centres............................152 Figure 17 : Densité spectrale du courant de drain en fonction de la fréquence pour des MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” flottant ou non, pour différentes polarisation de [52] V ds ...1....54....................................................................................................................rpsèda',

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Figure 18 : Représentation du réseau distribué de la structure grille-oxyde-canal pour les micro- ondes. .......................................................................................................................................156 Figure 19 : Evolution des sources de bruit en courant vues à l’entrée et en sortie du MOSFET SOI en fonction du courantI. ............................................................................................157 ds Figure 20 : Evolution des sources de bruit en courant vues à l’entrée et en sortie du MOSFET SOI en fonction de la fréquence..........................................................................................159 Figure 21 : Schéma équivalent comportemental en petit signal du MOSFET SOI avec les sources de bruit.....................................................................................................................................160 [54] Figure 22 : Représentation du modèle de Van Der Ziel d'après...................................................160 Chapitre IV : Méthodologie et résultats Figure 1 : Principales interactions intervenant sur les porteurs dans un cristal. .............................170 Figure 2: Evolution du courant de saturationIen fonction de la température pour un ds,sat nMOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” connecté comprenant un contact de [17] ‛‛body”.L g = 10 µm etW. ....................................................................170= 2 µm, d'après Figure 3: a) Evolution théorique de la vitesse de saturation des porteurs en fonction de la température du canal, d'après l'équation7). b) Evolution du courant de saturation en fonction de la température pour un nMOSFET SOI à‛‛body” connecté avec un [17] contact de‛‛body”.L g = 0,28 µm etW= 5 µm, d'après...............................................171 Figure 4 : Evolution du courant de fuiteIen fonction de la température pour un nMOSFET ds,off SOI à‛‛body” connecté avec un contact de‛‛body”.Let= 0,28 µmW =2 µm, g [17] d'après..................................................................................................................................172 Figure 5 : Effets de la température sur les caractéristiques statiquesI (V ), pour différentes ds ds valeurs deV, pour un nMOSFET SOI à‛‛body” connecté avec un contact de‛‛body”. gs [17] L g = 0,28 µm etW....712........pa'dsèr.....5=,µm................................................................ Figure 6 : Variations deT-Tfonction de enV etde la puissance consommée par un c ambgs MOSFET SOI partiellement déserté avec la zone‛‛body” connectée à la source. ......173 Figure 7 : Représentation du flux thermique, dans un matériau, selon un axeOx. ........................174 Figure 8 : Illustration des chemins possibles empruntés par le flux thermique depuis les sources thermiques jusqu'à l'environnement extérieur. ..................................................................174 Figure 9 : Variations de la résistance thermique en fonction des dimensions du transistor. ........175 Figure 10 : Illustration des chemins empruntés par le flux thermique depuis les sources thermiques jusqu'à l'environnement extérieur pour un MOSFET SOI partiellement déserté a) à canal long et b) à canal court...........................................................................176 Figure 11 : a) Dessin au niveau des masques de la structure multi-doigts pour un MOSFET SOI partiellement déserté à‛‛body” connecté. c) et b) Représentations schématiques d'une structure multi-doigts. ...........................................................................................................177 Figure 12 : Les fréquences de coupure en fonction de la puissance du circuit pour des dispositifs MOSFET SOI partiellement désertés avec la zone‛‛body” connecté et la zone‛‛body” flottante....................................................................................................................................179 Figure 13 : Représentation des paramètres de bruit de MOSFET SOI en fonction de la puissance fournie au dispositif et de sa longueur de grille.■:Rn;●:NF;▲:G. ................180 min av Figure 14 : Ecart de température dans le canal de MOSFET SOI partiellement désertés à‛‛body” connecté en fonction de la puissance fournie aux dispositifs, de leur longueur de grille et pour des conditions de polarisation similaires...............................................................181 Figure 15 : Phase deΓen fonction de la puissance fournie aux dispositifs.●:L=0,12 µm;▲: opt g L=0,24 µm. ............................................................................................................................181 g Figure 16 : MOSFET SOI partiellement déserté avec les effets de substrat flottant – l'effet kink. ..................................................................................................................................................184

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