Dispositifs innovants de la technologie FD-SOI

Innovative devices in FD-SOI technology

• Auteur / Autrice : Hyungjin Park
• Direction : Jean-Pierre Colinge, Sorin Cristoloveanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 10/07/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bonnaud, Maryline Bawedin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Sampedro, Bogdan Mihail Cretu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Transistors MOSFET

FD-SOI (transistors)

Mots clés libres

Simulation

Modeling

Characterization

Résumé

L'objectif principal de ce travail de doctorat est d'étudier les principes fondamentaux des effets de corps flottants (FBE) dans les dispositifs FDSOI ultraminces de dernières générations. Plusieurs FBE, (i) kink, (ii) FBE induit par la grille, (iii) transistor bipolaire parasite, (iv) commutation brusque, (v) hystérésis de courant, et (vi) effet transitoire (MSD), sont examinés en termes d’interaction entre des trous et des électrons dans le corps ultramince. La clé de voûte est que les FBE proviennent de l'interaction des trous en excès qui sont stockés ou éliminés. Pour une meilleure compréhension des FBE, la variation du potentiel interne Vb a été mesurée directement sur les n-MOSFET a contact en H. La variation dynamique de Vb a également été étudiée grâce aux contacts latéraux P+ prolongés dans le silicium non dopé situé sous la grille avant.Grâce à la mesure de Vb, trois résultats principaux ont été mis en évidence pour la première fois: (i) la corrélation entre l’apparition des FBE et la variation de Vb, (ii) de nouvelles preuves expérimentales de l’effet de super-couplage observé alors que le potentiel de surface voire entre déplétion et inversion, (iii) une nouvelle méthode d'extraction de la tension de seuil, comparée à la méthode typique basée sur la caractéristique courant-tension.Enfin, des dispositifs FDSOI innovants, comme le MOSFET latéral N+NN+ sur InGaAs à grille arrière, et le Z2-FET en tant que magnétodiode et capteur optique, sont caractérisés. Nous démontrons les performances de base du substrat InGaAs sur isolant en utilisant la technique du pseudo-MOSFET. Les caractéristiques de détection du Z2-FET sont vérifiées sous champ magnétique et sous éclairage.

The main purpose of this PhD work is to investigate the fundamentals of floating body effects (FBEs) in recent generations of ultrathin FDSOI devices. Several FBEs, (i) kink effect, (ii) gate-induced FBE, (iii) parasitic bipolar transistor, (iv) sharp switching, (v) current hysteresis, and (vi) transient and history effect (MSD), are scrutinized in terms of interaction between holes and electrons in ultrathin transistor body. The key point is that in an n-channel SOI MOSFET the FBEs are originated from the interplay of the excess holes which are either being stored or eliminated. For better understanding of FBEs, the body potential Vb has measured directly in H-gate body contact n-MOSFETs. The dynamic Vb variation has also been monitored successfully thanks to lateral P+ body contacts extended into the undoped-silicon film underneath the front-gate.Through the measurements of Vb, there are three major findings highlighted for the first time: (i) correlation between the onset of the FBEs and the Vb variation, (ii) new experimental evidence of super-coupling effect observed while the surface potential is changed from depletion to volume inversion, (iii) establishment of a new technique for extracting threshold voltage VT compared with the typical methods based on the current-voltage characteristics.Finally, innovative FDSOI devices such as back-gated InGaAs lateral N+NN+ MOSFET, and Z2-FET sensors, are characterized. We demonstrate the basic performance of the InGaAs-on-Insulator substrate by using Ψ-MOSFET technique. Sensing features of the Z2-FET are investigated under magnetic field or illumination.