Structure MOS – transistor MOSFET

1. Structure MOS – transistor MOSFET Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

2. plan • Structure Métal Oxyde Semi-conducteur • Différents régimes: • Accumulation • Désertion – Déplétion • Faible inversion • Forte inversion : tension de seuil de la structure • Capacité de la structure MOS Idéale • Structure MOS réelle • Présence de charge dans l’oxyde • Différence des travaux de sortie • Transistor MOS-FET • Inverseurs à transistor MOS-FET • Inverseurs N-MOS • Inverseur C-MOS

3. Structure Métal Oxyde Semiconducteur Capacité MOS Diagramme énergétique hors équilibre Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

4. SC Métal EC EF EF EV Mise en équilibre de la structure SC Métal eVd EC EF EF EV dx Système indépendant Système à l’équilibre Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

5. Les différents régimes de fonctionnement : f(travaux de sortie) • Accumulation • Flat band • Désertion – déplétion • Faible inversion • Forte inversion

6. Les différents régimes de fonctionnement : f(Vg) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

7. Champ, potentiel et charges dans le silicium • On se place dans le cas d’un semi- conducteur de type p: Attention: dans certains ouvrage, la définition est sans la valeur absolue !!!! Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

8. Champ, potentiel et charges dans le silicium • Équation de Poisson: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

9. Champ, potentiel et charges dans le silicium

10. Or le champ électrique est donné par: Champ, potentiel et charges dans le silicium • on intègre cette équation depuis de le volume (« bulk ») vers la surface V(x=« bulk »)=0 et Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

11. Champ, potentiel et charges dans le silicium Avec la longueur de Debye: En utilisant le théorème de Gauss: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

12. Champ, potentiel et charges dans le silicium • Pour Vs (donc Vg) négatif (accumulation) • Pour Vs (donc Vg) positif mais inférieur à 2Ffi (déplétion – faible inversion) • Pour Vs (donc Vg) > 2Ffi (forte inversion) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

13. Seuil de forte inversion Critère pour le seuil de forte inversion: ns=p0=NA Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

14. VG wP MOS t + i V(t) R vref ~ V(t)=sin(wmt) t Détection synchrone (« lock in amplifier ») Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

15. S M O Vg Vox VSC Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Lorsque l’on applique une tension Vg sur la grille, celle ci se répartie entre l’oxyde et le SC: L’oxyde et le SC se comporte comme des capacités Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

16. Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • Capacité d’oxyde: • Elle s’exprime également par : Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

17. Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • Capacité du semi-conducteur Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

18. Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • Capacité globale de la structure: • Soit encore en combinant les 3 expressions: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

19. Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • La charge dans le SC dépend du régime de fonctionnement 2 types de charges, fixes et mobiles: • Soit encore:

20. Cox Cox Csc Cs Cdep Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • Soit en résumé : la capacité MOS est la mise en série de 2 capacités, dont l’une variable est la mise en // des capacités image du SC: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

21. Mesure de la capacité de la structure MOS idéale • Conclusion: la capacité de la structure complète est fonction au travers de CSCdu régime de fonctionnement ,ie de la polarisation VG. Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

22. Capacité de la structure MOS idéale • Régime d’accumulation: VS<0 ie VG<0 • kT=26 meV, VS:0,3 V à 0,4 V en acc,  dès que VG>-1 à –2 V, CMOS = Cox

23. Capacité de la structure MOS idéale • Régime de bandes plates: VS =0 V ie VG=0 V (Attention : ici structure idéale !!!!!) Calcul analytique: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

24. Capacité de la structure MOS idéale • Régime de déplétion et de faible inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!)

25. Capacité de la structure MOS idéale accumulation dep ??? Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

26. Capacité de la structure MOS idéale • Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Quel est le mécanisme de formation de cette couche d’inversion ? • SC type p: on doit créer des électrons à l’interface oxyde – SC. D’où proviennent-ils? • Métal : NON il y a l’oxyde • SC (région neutre) : NON ce sont des minoritaires +ZCE Seule solution : génération thermique ou optique Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

27. Capacité de la structure MOS idéale • Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) • Où se passe la génération ? • Dans la ZCE + évacuation des charges par le champ électrique • Dans la zone neutre du SC C’est le premier phénomène qui domine, mais il est « lent ». Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

28. Capacité de la structure MOS idéale • Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) • Calcul du temps de création de la couche d’inversion: La limite de forte inversion : nS = NA En fait :

29. Capacité de la structure MOS idéale • Lors de la mesure de C(V), le résultat dépend si ouiounon on « laisse le temps » à cette couche de se former et d‘évoluer: • si oui, on la mesure • si non, c’est la couche de déplétion qui assure la neutralité par augmentation de sa largeur. Tout dépend de la fréquence de mesure Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

30. Q Q Q x x x Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion 3 cas : Basse fréquence + Rampe lente de Vg Haute fréquence + Rampe lente de Vg Haute fréquence + Rampe rapide de Vg Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

31. Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion • Capacité minimum (HF): BF HF Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

32. Vg n+ n ou p C(V), I(V) p Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion • Gate-Controlled Diode • Dans cette configuration, si Vg > VT, même en HF, la couche d’inversion suit la modulation de grille car « réservoir » par l’implantation n. Technique de caractérisation pour les propriétés d’interface (mobilité du canal, …) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

33. Structure MOS : cas réel • 2 facteurs modifient le modèle « idéal » de la capacité MOS. • Présence de charges dans l’oxyde ou à l’interface Oxyde – SC. • Différence des travaux de sortie Métal et SC Influence sur la tension de seuil VT de la structure. Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

34. - - - - + + + + MOS réel : charges dans l’oxyde • Répartition des charges dans l’oxyde: • Charges ioniques mobiles • Charges piégées dans l’oxyde • Charges fixes dans l’oxyde • Charges piégées à l’interface Si-SiO2 K+ Na+ Ioniques mobiles SiO2 piégées SiOx + + + + + x x x x Si En fonction de leur position dans l’oxyde, ces charges auront une influence plus ou moins grande sur la population électronique sous la grille.

35. Q Vg=0V r(x) Métal Oxyde Si x1 0 x Q Vg=Vfb r(x) dox x -Q MOS réel : charges dans l’oxyde • Effet d’une charge pelliculaire dans l’oxyde sur le potentiel de surface: La charge dans l’oxyde est compensée par une charge dans le métalet le SC. Si Vg=Vfb, par définition la charge dans le SC est nulle. Seul le métal fait « le travail » pour compenser la charge dans l’oxyde. Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

36. E x1 x MOS réel : charges dans l’oxyde À partir du théorème de Gauss: : Champ induit dans l’oxyde : tension induite par ce champ et supportée par la grille Si la répartition est non uniforme: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

37. En général, pour simplifier l’écriture, on introduit une charge équivalente d’oxyde par unité de surface: MOS réel : charges dans l’oxyde • L’influence est maximum lorsque les charges sont situées à l’interface Oxyde – SC, ieQox=QSS . Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

38. MOS réel : charges dans l’oxyde • Ces charges dans l’oxyde et à l’interface oxyde – SC modifient la capacité totale de la structure. On montre que la capacité associée est en parallèle avec la capacité du silicium (SC): Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

39. eci Zone déplétée MOS réel • Différence des travaux de sortie Métal et SC. • Même si Vg = 0 V, la structure n’est pas en bandes plates. La tension à appliquer pour se ramener en bandes plates est VFB = fM – fS = fMS Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

40. MOS réel • Différence des travaux de sortie Métal et SC. • Exemple: grille en polysilicium n+ sur structure p-MOS

41. MOS réel • Tension de bandes plates globale ( effets de fMS et charges dans l’oxyde) Att! C’est la tension à appliquer sur la grille pour amener la structure en situation de bandes plates. Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

42. Tension de seuil de la structure MOS • Paramètre essentiel pour le fonctionnement du MOS-FET • Plusieurs définitions (même résultat!): • nS = NA • Vs = 2 ffi • … Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

43. Tension de seuil de la structure MOS C’est la tension à appliquer sur la grille pour amener la structure en limite de forte inversion. (On suppose ici que le substrat (le silicium) n’est pas polarisé !!) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

44. Tension de seuil de la structure MOS • Effet substrat (« body effect ») • En général les dispositifs MOS sont réalisés sur un substrat commun  la tension substrat est égale pour tous • Dans certains montages l’arrangement des portes entre elles entraîne des tensions source – substrat non nulles qui vont modifier le VT . On introduit un coefficient qui rend compte de cet effet : g Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

45. Tension de seuil de la structure MOS • Effet substrat (« Body effect ») • Si Vsb=0, la condition d’inversion est donnée par Vs=2FFi • Sion applique VSB , cette tension de surface Vsest augmentée de VSBet la largeur de la ZCE dans ces conditions est donnée par: Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

46. Tension de seuil de la structure MOS • Cette augmentation de la ZCE (pour absorber l’excédent de tension VSB ) entraîne une charge supplémentaire • Soit une sensibilité dVT/dVSB : • On réécrit alors VT: avec Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

47. Tension de seuil de la structure MOS Pour assurer une dérive positive de la tension de seuil, il faut appliquer une tension source-substrat inverse Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

48. Valeur typique : Tension de seuil de la structure MOS • Effet de la température: • Modification du « gap » • Modification de FFI • Dans le cas de structure avec grille poly-silicium n+: m=1.1 augmentation du courant à l’état bloqué d’un facteur 30 à 50 fois entre 25°C et 100°C. Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

49. Le transistor MOS-FET Fonctionnement Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

50. Étapes technologiques (succint) Étape : gravure du poly sauf grille Étape : dépôt de l’isolant SiO2 Étape : dépôt du Polysilicium (métal de grille) Étape : implantation source et drain Étape : etching du métal non nécessaire Étape : évaporation du métal Étape : ouverture des fenêtres pour dépots contacts ohmiques Source et Drain Étape : gravure de l’oxyde pour implantation source et drain Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET