Amélioration des performances à haute température de composants de puissance et de protections ESD

Avantages de la technologie SOI

 Depuis plusieurs années, les grandes industries microélectroniques commencent à utiliser la technologie SOI pour fabriquer leurs produits. Les avantages de cette technologie résultent en une grande amélioration des performances et de la durée de vie des composants dans plusieurs conditions. Nous allons passer en revue ci-après, les avantages de dispositifs sur substrat SOI.

 Haute fréquence

 La fréquence de fonctionnement dans les circuits logiques dépend des temps de propagation ou des temps de commutation. Ces paramètres sont proportionnels à la capacité de sortie du transistor. Les capacités source/substrat (CJS) et drain / substrat (CJD) dans la technologie SOI sont 4 à 7 fois plus faibles que sur silicium massif (Figure 1.13). Tandis que sur silicium massif CJS (resp. CJD) équivaut à la capacité d’une jonction polarisée en inverse, dans le SOI CJS (resp. CJD) est dominée par la capacité de l’oxyde enterré sous la source (resp. le drain), qui est beaucoup plus faible. La réduction des capacités parasites se répercute au niveau du circuit et améliore les performances en hautes fréquences des SOI MOSFETs par rapport au silicium massif .

Suppression du phénomène de latch-up

 L’effet de latch-up est un phénomène qui induit le déclenchement du thyristor parasite représenté (Figure 1.14) par deux transistors bipolaires NPN et PNP dans les technologies CMOS sur substrat massif. Le déclenchement du latch-up est lié à la proximité des zones N+ et P+ de transistors NMOS et PMOS voisins. Sur le SOI, ces zones sont complètement isolées et le claquage entre ces deux zones est impossible quelle que soit la distance qui les sépare. 

Faible courant de fuite

 Le courant de fuite associé aux jonctions drain/substrat et source/substrat est proportionnel à leur surface. Cette surface est diminuée en utilisant un substrat SOI car les jonctions planes de drain et de source sont éliminées à cause du contact avec l’oxyde enterré (Figure 1.15). Cette diminution du courant de fuite donne un avantage très important qui est la réduction de la consommation, qui constitue un avantage crucial pour les applications nomades et la durée de vie de la batterie. 

 Réduction de l’effet de canal court

 La réduction de la longueur de grille et donc du canal est associé à des effets parasites, appelés effets de canal court (Short Channel effects), entraînant une perte de contrôle électrostatique de la grille sur le canal. Le phénomène qui en est principalement responsable, s’appelle le partage de charges (Drain Induced Barrier Lowering) [16]. Pour un transistor long, le potentiel le long du canal est quasiment constant sur l’ensemble de la longueur de grille. Plus la longueur du canal va diminuer, plus l’influence des extensions des zones de charge d’espace des régions source et drain va s’accroître, diminuant ainsi la zone contrôlée par la grille (Figure 1.16). C’est l’effet du partage de charges qui a pour effet de modifier le potentiel au centre du canal et ainsi d’abaisser la barrière de potentiel source/ canal/ drain. La tension de seuil VT chutant ainsi de manière incontrôlée, on assiste à une augmentation du courant de fuite IOFF du transistor. Figure 1.16: Schéma montrant l’effet de partage de charges [17] Dans la technologie SOI, l’influence des zones de charge d’espace des régions source et drain diminue, ce qui réduit leur impact sur le potentiel du centre du canal et par conséquent limite l’effet d’abaissement de la barrière de potentiel source/ canal/ drain, et donc l’effet de canal court.

Augmentation de la densité d’intégration

 La miniaturisation de tous les produits électroniques requiert la réduction des tailles des composants et l’accroissement de la densité d’intégration tout en gardant la même performance et la même durée de vie ou plus. L’utilisation d’un substrat SOI permet à la fois une isolation diélectrique verticale parfaite entre les différents composants (puissance, logique et analogique), grâce à la couche diélectrique enterrée et une densité d’intégration plus importante. 

Meilleure tenue aux radiations 

Certaines applications comme l’aéronautique et l’espace sont soumises au rayonnement cosmique. Des forts flux de particules chargées engendrent des « photo-courants » dans les circuits intégrés. Par ailleurs, une particule unique très ionisante (proton ou ion) produit le long de sa trace un plasma conducteur (Figure 1.17) responsable d’effets isolés : claquages ou courts-circuits, tous deux destructifs ; basculement d’un point mémoire ou erreur dans un circuit logique, non destructifs mais entraînant des erreurs graves au niveau système. Figure 1.17 : Effet des irradiations (a) sur substrats massifs et (b) sur SOI. Le durcissement vis-à-vis de ces effets est obtenu principalement par la réduction du volume de silicium contenant les composants. L’utilisation de fines couches actives de silicium minimise l’impact des radiations ionisantes sur les performances des composants. A noter que la technologie BCD, offre des avantages moins significatifs que les technologies de PDSOI et FDSOI, en particulier concernant la haute fréquence de fonctionnement, le faible courant de fuite et la réduction de l’effet de canal court. Par contre, les autres avantages cités sont valides pour toutes les structures de type SOI