Développement de modèles pour l'évaluation des performances ...

Chapitre I: Le transistor MOSFET: fonctionnement, miniaturisation et architectures.
Ce chapitre a pour objectif de définir les différents concepts théoriques et les paramètres relatifs au transistor
MOSFET (Métal-Oxyde-Semiconducteur). Nous commencerons par décrire l’architecture conventionnelle sur
substrat massif classique (BULK) idéal, c’est-à-dire sans aucun effet parasite. Ensuite, nous expliciterons les effets
de la course à la miniaturisation sur le fonctionnement du transistor MOSFET idéal. Nous détaillerons par la suite
les solutions technologiques apportées à l’architecture conventionnelle sur substrat massif classique pour lutter
contre ces effets, dits « parasites ». Enfin, la réduction des dimensions de nœuds en nœuds de l’architecture
conventionnelle sur substrat massif ne procurant plus suffisamment de gain en performance, nous décrirons les
nouvelles architectures de transistor MOSFET envisagées.
I.A. Le Transistor MOSFET idéal
tel-00820068, version 1 - 3 May 2013
I.A.1.
Principe de fonctionnement
Le transistor à effet de champ Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOSFET pour Metal-Oxide-Semiconductor Field
Effect Transistor en anglais) est la brique de base des circuits intégrés produits en technologie CMOS
(Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Ce transistor, très schématiquement représenté sur la Figure I-1-
a, est composé de quatre électrodes : la grille (G), le drain (D), la source (S) et le substrat (B). Il a simplement pour
fonction de, selon la polarisation de commande (appliquée sur la grille) laisser passer ou bloquer un courant entre
la source et le drain. On résume alors souvent son fonctionnement à celui d’un interrupteur commandé en
tension. En effet, le champ électrique vertical (dit champ de grille) dû à la polarisation de l’électrode de
commande vient moduler la densité de porteurs dans le semiconducteur, ce qui mène aux deux états de
fonctionnement fondamentaux du transistor MOSFET idéal :
L’état bloqué : aucun courant ne circule entre source et drain (Figure I-1-b).
L’état passant : un canal de conduction est formé par l’action du champ électrique vertical et, sous
l’action du champ longitudinal (dû à la polarisation du drain et de la source) les porteurs du canal de
conduction sont mis en mouvement. Un courant de porteurs circule alors entre source et drain (I ds ), il
s’agit d’électrons pour un NMOS et de trous pour un PMOS (Figure I-1-c).
S
G
B
D
a) b) c)
S
G
- - - -
D S D
I ds
Etat bloqué
Figure I-1: a) Schéma très simplifié d’un transistor MOSFET. b) Illustration de l’état passant (dans le cas d’un
NMOS c) illustration de l’état bloqué.
G
I ds
Etat passant
- - Électrons
mobiles
I.A.2.
L’architecture conventionnelle sur substrat massif (BULK)
Technologiquement, le transistor MOSFET (Figure I-2) est composé d’un empilement métal-oxydesemiconducteur
qui constitue une capacité MOS dans laquelle :
Le métal est la grille, donc l’électrode de commande du transistor. Historiquement, elle était constituée
de polysilicium dopé à dégénérescence, mais dans les technologies CMOS avancées (depuis les nœuds 45-
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