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RÉSUMÉ
Dans cet article, l'état de l'art et les perspectives des technologies SOI sont présentés. La synthèse des matériaux et les avantages essentiels des circuits SOI sont tout d'abord exposés. Les méthodes de caractérisation et les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI sont détaillés. Le SOI ayant un fort potentiel pour repousser les frontières de la nanoélectronique, les avantages des transistors les plus prometteurs, incluant les canaux alternatifs, les dispositifs multi-grilles, les nanofils et les composants à effet tunnel, sont passés en revue.
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In this article, state-of-the-art SOI technologies and their prospects are presented. Materials and the major advantages of SOI circuits are firstly dealt with. Characterization methods and the physical mechanisms that govern the operation of MOS transistors on SOI are described. As SOI technology has high potential for pushing back the boundaries of nanoelectronics, the advantages of the most promising transistors, including alternative channels, multi-gate devices, nanowires and tunneling FETs are reviewed.
Auteur(s)
-
Francis BALESTRA : Directeurs de recherche au CNRS, Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (IMEP) Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP)
INTRODUCTION
La technologie silicium sur isolant (« Silicon On Insulator » : SOI) a été inventée dans les années 1960-1970 pour satisfaire la demande de circuits intégrés durcis aux irradiations ionisantes. Le premier matériau, le silicium sur saphir (SOS), a été suivi par une variété de structures SOI. Leur dénominateur commun est d'offrir, grâce à un oxyde enterré, une parfaite isolation diélectrique entre la couche active des circuits et le substrat de silicium massif. En effet, dans un transistor à effet de champ métal oxyde semi-conducteur (MOSFET), il n'y a que la couche superficielle de silicium, d'épaisseur 0,1 à 0,2 µm (c'est-à-dire moins de 0,1 % de l'épaisseur totale de la plaquette de silicium), qui est vraiment utile pour le transport des électrons. Le reste de la plaquette est responsable d'effets parasites indésirables, que l'on peut éviter en faisant appel à une solution de type SOI .
Depuis le début des années 1990, la mise au point de nouveaux matériaux SOI, ainsi que l'explosion des appareils électroniques portables, ont promu le SOI comme une technologie de choix pour la fabrication de composants à basse consommation et à haute fréquence.
Nous décrivons l'état de l'art des technologies SOI, en commençant par les méthodes de synthèse des principaux matériaux. Les avantages essentiels des circuits SOI, par rapport aux dispositifs conventionnels sur silicium massif, sont présentés, avant de faire plus ample connaissance avec les composants typiques déjà fabriqués sur SOI. Les méthodes de caractérisation, in situ ou fondées sur l'inspection des composants, sont évoquées. Nous verrons que les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI, partiellement ou totalement désertés, sont assez différents de ceux habituellement rencontrés dans les MOSFET (« Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ») sur silicium massif. Le SOI a un fort potentiel pour repousser les frontières de la micronanoélectronique, par la miniaturisation des transistors MOS conventionnels ou bien par les architectures innovantes qu'il peut accueillir.
Ce travail a été réalisé au laboratoire IMEP-LAHC de l'Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP). Nos collègues – du LETI, STMicroelectronics, SOITEC et de très loin –, porteurs du virus SOI, sont remerciés pour tout ce qu'ils nous ont appris.
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MOTS-CLÉS
MOSFET silicium sur isolant multigrille nanofil Si contraint
KEYWORDS
MOSFET | silicon-on-insulator | multigate | nanowire | strain Si
DOI (Digital Object Identifier)
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Transistors MOS à déplétion totale4. Caractérisation des structures
La caractérisation des matériaux et des dispositifs SOI est une opération rendue délicate par la minceur du film de silicium, la présence de l'oxyde enterré et la configuration multi-interface de la structure. On doit aussi affronter des conditions particulières (contraintes mécaniques, inhomogénéités d'épaisseur) ainsi que des défauts spécifiques .
Toute la panoplie des techniques physico-chimiques (spectroscopies de diffusion élastique RBS, d'électrons Auger, spectrométrie de masse des ions secondaires SIMS, de rayons X, ellipsométrie, etc.) et microscopiques (microscopie électronique à transmission MET, microscopie à force atomique AFM, etc.) est utilisable, sous condition de prendre en compte la spécificité du SOI. Par exemple, le comptage des dislocations, la mesure de la rugosité des interfaces et l'identification des défauts dans le film (attaque chimique pour les agrandir ou pour imprimer leur marque dans le BOX) sont des opérations qui demandent une bonne dose d'expertise
La caractérisation des propriétés électriques du SOI exige encore plus d'originalité. Certaines méthodes classiques, utilisées pour l'évaluation des semi-conducteurs massifs, ne sont plus applicables (en particulier celles qui nécessitent un contact avec le film de silicium, telles que C (V) classique, pompage de charge, etc.), alors que des techniques inédites (comme le pseudo-MOS) peuvent être conçues.
Nous discutons ci-après plus en détail les moyens susceptibles de révéler l'image électrique, car ce sont bien les paramètres électriques qui gouvernent la performance des circuits intégrés.
4.1 Caractérisation électrique des plaquettes
La qualité des plaquettes est un élément clé pour la promotion de la technologie SOI sur le marché des composants. Il est usuel, en microélectronique, de déduire les propriétés du semi-conducteur des résultats de test des circuits intégrés. Afin d'optimiser rapidement les technologies SOI, il était impératif de procéder à la caractérisation...
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Caractérisation des structures
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CRISTOLOVEANU (S.), LI (S.S.) - Electrical characterization of SOI Materials and Devices. - Kluwer, Norwell (1995).
-
(2) - CRISTOLOVEANU (S.) - Silicon films on sapphire. - Rep. Prog. Phys., 3, 327 (1987).
-
(3) - MORIYASU (Y.), MORISHITA (T.), MATSUI (M.), YASUJIMA (A.) - Preparation of high quality silicon on sapphire. - Silicon-On-Insulator Technology and Devices IX, Electrochemical Soc., Pennington, 99–3, 137-142 (1999).
-
(4) - CELLER (G.K.), CRISTOLOVEANU (S.) - Frontiers of silicon-on-insulator. - Journal of Applied Physics, 93 (9), 4955–4978 (2003).
-
(5) - CRISTOLOVEANU (S.) - A review of the electrical properties of SIMOX substrates and their impact on device performance - . J. Electrochem. Soc., 138, 3131 (1991).
-
(6) - BRUEL (M.) - Silicon on insulator material technology - ....
ANNEXES
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