Comparaison entre les effets du couplage du substrat entre les

Comparaison entre les effets du couplage du substrat
entre les architectures Bulk et FDSOI
TD 1 – PNS 3A – 23/11/11
1. Concept de « body effect » et application en microélectronique
•
•
•
•
Variation de la tension de seuil en fonction de la tension appliquée en face arrière
Utilisé en design pour faire varier la consommation de bloque de fonction dans les
microprocesseurs dédiés aux applications mobile (basses consommation)
Cependant, les effets de canaux courts poussent à changer l’architecture du
transistor : par ex. structure trigate bientôt en production par Intel. Gros effort de
recherche par alliance ST/IBM sur FDSOI
Question : le « body effect » est il toujours utilisable sur les architectures FDSOI ?
Approche :
Modélisation analytique de Vt(Vb) dans les deux architectures.
Comparaison de Vt(Vb) en fonction des différents paramètres technologiques.
2. Rappels sur les structures bulk et FDSOI et impact du body effect sur les
caractéristiques des composants MOSFET bulk et FDSOI.
a/ Schéma des structures
b/ Impact du body effect
Id
Vb
Vg
c/ Paramètres technologiques des deux structures influant le Vt et le body effect
•
•
•
Dopage : transistor bulk très dopé (1018/cm3) – transistor FDSOI peu dopé voir
« intrinsèque »
Epaisseur d’oxyde < à 1 nm – remplacement par High-K
Epaisseur de Box
3. Modélisation du Vt de Vb dans les architectures FDSOI : le modèle de
Lim & Fossum [Transaction on Electron Device, vol. 30, no 10, octobre
1983]
a/ Stratégie de modélisation :
•
•
•
•
Définition de la géométrie du système et hypothèses principales
Sélection d’un critère pour la tension de seuil
Détermination de V(x) puis Vsurf en fonction des tensions extérieures appliquées à
la structure
Equation de Vt(Vb).
b/ Définition de la géométrie du système et hypothèses principales
ox
Si
Niveau
intrinsèque
ox
Niveau de Fermi
(type p)
Energie
potentielle
Vgb
Vsf
Potentiel
electrique
Vsb
Vgb
Densité de
charge
(toutes
négatives)
Charge de d’inversion
Charge de déplétion
-tox o
tsi tsi+tox
S’il existe des couches d’inversions, on les considère comme infiniment fines.
c/ Critère de Vt :
Pourquoi est-ce qu’au seuil Vsf = 2φf ?
d/ Equation des potentiels de surface en fonction des tensions extérieures
appliquées.
Pour résoudre ce problème, on sépare l’empilement SiO2/Si/SiO2 en trois zones.
Zone 1
ox
Zone 2
Si
-tox o
Zone 3
ox
tsi tsi+tox
Zone 1 : Oxyde face avant + couche d’inversion face avant
Zone 2 : Film de Si totalement déplétée (d’où fully depleted SOI).
Zone 3 : couche d’inversion face arrière + Oxyde face arriève.
Pour obtenir une relation entre les potentiels de surfaces et les tensions extérieurs, on utilise la
loi de poisson et le théorème de Gauss dans les zones 1, 2 et/ou 3.
•
Ecrire la relation entre les deux potentiels de surface.
•
Ecrire la relation entre les tensions extérieures appliquées et les potentiels de
surface.
e/ Equation de Vtf(Vgb)
A l’aide du critère sur la tension de seuil et d’approximation à justifier, écrire la relation entre
la tension de seuil face avant et la tension de grille arrière.
4. Rappel sur le modèle de Vt de Vb dans les architectures bulk
Quelle est l’équation de la tension de seuil dans une architecture MOS de type bulk ?
5. Application numérique des deux modèles
Calculer dVt/dVb dans le cas du bulk
Calculer ∆Vtf/∆Vg dans le cas du FDSOI
Applications numériques :
Comparer les « body effects » des deux structures pour des tensions de grille arrière de
-1, 0 et 1V
Bulk :
tox = 1 nm
FDSOI :
tox = 1 nm
Na = 1018/cm3
toxb = tbox = 20-100 nm
tsi = 10-50nm
Na = 1011/cm3
Constantes physiques : ε0 = 8.85x10-12
εrox = 3.9
εrSi = 11.9
10
kbT/q = 26 meV
ni = 10 /cm3