Dans l’industrie de la micro-électronique, les efforts à fournir pour les nouvelles applications développées deviennent de plus en plus contraignants et difficiles à supporter en terme de coût. Les agressions provenant des décharges électrostatiques (ESD) générées par l’environnement direct sur les puces constituent un facteur important de la chute de rendement et donc des coûts. Ces difficultés s’ajoutent aux limites physiques plus strictes pour fabriquer des transistors lorsque l’on aborde des échelles nanométriques. La technologie Silicium sur Isolant (SOI) a été développée afin de contourner cette difficulté, mais l’intégration des protections ESD limite son émergence du fait de la complexité de la mise au point et du développement d’un réseau de protection pour la puce.L’objectif annoncé de ce travail de recherche, effectué en collaboration entre STMicroelectronics le CEA et l’IMEP est d’évaluer les caractéristiques principales de la technologie pour la protection contre les décharges et de proposer une stratégie innovante de protection adaptée au SOI. En effet, à partir de résultats expérimentaux, nous avons pu constater que l’oxyde enterré, le BOX, limite les performances en robustesse et diminue la fenêtre de conception pour le déclenchement des protections. Pour y remédier, une structure commandée bidirectionnelle a été développée sur PDSOI afin de faciliter la dissipation thermique et améliorer la robustesse. Pour prolonger cette solution sur technologie FDSOI, une étude approfondie sur le thyristor afin a été menée afin de porter cette solution. L’analyse de simulation 3D et de résultats silicium ont permis de proposer une stratégie de protections innovantes pour le thyristor sur FDSOI. / In the microelectronics industry, the fabrication process for advanced technological nodes becomes more and more cumbersome and limiting in terms of cost. The electrostatic discharges (ESD) generated by the direct environment affect the circuits and constitute an important factor for the decrease of the yield and thus result in an increase of the costs. Apart from these difficulties, there are also issues arising from the physical limits of transistor integration when reaching the nanoscale.The Silicon on Insulator (SOI) technology was developed in order to bypass this difficulty. However, the integration of ESD protections limits its emergence due to the development complexity and the protection circuit needed. The goal of this work which was a collaboration between STMicroelectronics, CEA and IMEP was to evaluate the principal characteristics of this technology for electrostatic discharge protection and propose a novel protection strategy adapted for SOI.In fact, we were able to confirm from experimental results that the buried oxide (BOX) limits the performances in terms of robustness and narrows the window of conception for the triggering of the protections. A commanded bidirectional structure was developed on PDSOI and proposed as a solution to facilitate the thermal dissipation and improve the robustness.In order to extend this solution on FDSOI technology, a detailed study on the thyristor was performed. Analysis of the 3D simulations and experimental results permitted to propose an innovative strategy for ESD protections on FDSOI.

Este trabalho apresenta o estudo do desempenho analógico do transistor SOI MOSFET com tensão de limiar dinamicamente variável (DTMOS). Esse dispositivo é fabricado em tecnologia SOI parcialmente depletado (PD). A tensão de limiar desta estrutura varia dinamicamente porque a porta do transistor está curto-circuitada com o canal do mesmo, melhorando significativamente suas características elétricas quando comparadas aos transistores PD SOI MOSFET convencionais. Entre as características principais desse dispositivo, pode-se citar a inclinação de sublimiar praticamente ideal (60 mV/dec), devido ao reduzido efeito de corpo, resultando num aumento significativo da corrente total que corresponde à soma da corrente do transistor principal com a corrente do transistor bipolar parasitário inerente à estrutura. Diversas simulações numéricas bidimensionais, utilizando o simulador ATLAS, foram executadas a fim de se obter um melhor entendimento do dispositivo DTMOS, quando comparado com o SOI convencional. As características elétricas analisadas através da simulação numérica bidimensional apresentam a corrente de dreno em função da polarização da porta considerando VD baixo e alto (25 mV e 1V). O canal teve uma variação de 1 até 0,15 µm. Através dessas simulações foram obtidos as principais características elétricas e parâmetros analógicos para estudo do DTMOS em comparação com o SOI convencional como: transcondutância (gm), tensão de limiar (VTH), inclinação de sublimiar (S). Considerando a polarização de dreno em 1V foi obtido a transcondutância e a inclinação de sublimiar. Na etapa seguinte foi feito simulações para obter as curvas características de IDS x VDS, onde a tensão aplicada na porta variou de 0 a 200 mV (VGT), onde se obteve a tensão Early (VEA), a condutância de saída (gD) dos dispositivos, bem como o ganho intrínseco de tensão DC (AV) e a freqüência de ganho unitário (fT). Os resultados experimentais foram realizados em duas etapas: na primeira, extraíram-se todas as curvas variando o comprimento do canal (L) de 10 à 0,15 µm e na segunda, manteve-se um valor fixo do comprimento do canal (10 µm), variando somente a largura do canal (W) entre 10 e 0,8 µm, para identificar quais seriam os impactos nos resultados. A relação da transcondutância pela corrente de dreno do DTMOS foi 40 V-1 na média, independentemente do comprimento do canal e observou-se um aumento de 14 dB no ganho intrínseco quando usado o comprimento de canal de 0,22 µm, em comparação com SOI convencional. Foi verificado uma melhora na performance dos parâmetros analógicos do DTMOS quando comparado com o PDSOI e têm sido muito utilizado em aplicações de baixa tensão e baixa potência. / This work presents the study of analog performance parameters of PDSOI (Partially-depleted) transistor in comparison with a Dynamic Threshold MOS transistor (DTMOS). The DTMOS is a partially-depleted device with dynamic threshold voltage. This variation of threshold voltage is obtained when the gate is connected to the silicon film (channel) of the PDSOI device, improving the electrical characteristics of a conventional SOI. The characteristics of this device is an ideal subthreshold slope (60mV/dec), due to the reduced body effect and improved current drive. When the gate voltage increases in DTMOS (body tied to gate), there is a body potential increase, which results in a higher drain current due to the sum of the MOS current with the bipolar transistor (BJT) one. Several two-dimensional numerical simulations were done with the ATLAS Simulator to obtain a better knowledge of DTMOS device to compare with PDSOI. The electrical characteristics analyzed through two-dimensional numerical simulations are the drain current as a function of (VGS) with drain bias fixed at 25 mV and 1 V. The channel length varied from 10 to 1 um. Through these simulations the main electrical characteristics and the analog performance parameters were obtained of DTMOS in comparison with conventional SOI, as: transconductance (gm), threshold (VTH) voltage, and subthreshold slope (S). Considering the drain bias of 1V, transconductance and subthreshold voltage were obtained. In the next step, the characteristics curves of drain current (IDS) as a function of (VDS), where the gate bias varied from 0 to 200 mV of (VGT), to obtain the Early voltage (VEA) and output conductance (gD), the intrinsic gain DC (AV) and a unit-gain frequency to both devices were simulated. The experimental results were measured in two steps: in the first step all electrical characteristics and parameters considering a channel length (L) variation were obtained and in the second step a channel length was fixed and varied the width (W) was varied to study if this variation had any effects on the results. The gm/IDS ratio of DTMOS was 40 V-1 , independent of channel length and a increase of 14 dB in intrinsic gain, when using a channel length of 0,22 µm, compared with the conventional SOI was obtained. Improvement was observed in the performance of analog parameters when compared whit conventional SOI and DTMOS has been widely used in Low-Power- Low-Voltage applications.

Este trabalho apresenta o estudo do desempenho analógico do transistor SOI MOSFET com tensão de limiar dinamicamente variável (DTMOS). Esse dispositivo é fabricado em tecnologia SOI parcialmente depletado (PD). A tensão de limiar desta estrutura varia dinamicamente porque a porta do transistor está curto-circuitada com o canal do mesmo, melhorando significativamente suas características elétricas quando comparadas aos transistores PD SOI MOSFET convencionais. Entre as características principais desse dispositivo, pode-se citar a inclinação de sublimiar praticamente ideal (60 mV/dec), devido ao reduzido efeito de corpo, resultando num aumento significativo da corrente total que corresponde à soma da corrente do transistor principal com a corrente do transistor bipolar parasitário inerente à estrutura. Diversas simulações numéricas bidimensionais, utilizando o simulador ATLAS, foram executadas a fim de se obter um melhor entendimento do dispositivo DTMOS, quando comparado com o SOI convencional. As características elétricas analisadas através da simulação numérica bidimensional apresentam a corrente de dreno em função da polarização da porta considerando VD baixo e alto (25 mV e 1V). O canal teve uma variação de 1 até 0,15 µm. Através dessas simulações foram obtidos as principais características elétricas e parâmetros analógicos para estudo do DTMOS em comparação com o SOI convencional como: transcondutância (gm), tensão de limiar (VTH), inclinação de sublimiar (S). Considerando a polarização de dreno em 1V foi obtido a transcondutância e a inclinação de sublimiar. Na etapa seguinte foi feito simulações para obter as curvas características de IDS x VDS, onde a tensão aplicada na porta variou de 0 a 200 mV (VGT), onde se obteve a tensão Early (VEA), a condutância de saída (gD) dos dispositivos, bem como o ganho intrínseco de tensão DC (AV) e a freqüência de ganho unitário (fT). Os resultados experimentais foram realizados em duas etapas: na primeira, extraíram-se todas as curvas variando o comprimento do canal (L) de 10 à 0,15 µm e na segunda, manteve-se um valor fixo do comprimento do canal (10 µm), variando somente a largura do canal (W) entre 10 e 0,8 µm, para identificar quais seriam os impactos nos resultados. A relação da transcondutância pela corrente de dreno do DTMOS foi 40 V-1 na média, independentemente do comprimento do canal e observou-se um aumento de 14 dB no ganho intrínseco quando usado o comprimento de canal de 0,22 µm, em comparação com SOI convencional. Foi verificado uma melhora na performance dos parâmetros analógicos do DTMOS quando comparado com o PDSOI e têm sido muito utilizado em aplicações de baixa tensão e baixa potência. / This work presents the study of analog performance parameters of PDSOI (Partially-depleted) transistor in comparison with a Dynamic Threshold MOS transistor (DTMOS). The DTMOS is a partially-depleted device with dynamic threshold voltage. This variation of threshold voltage is obtained when the gate is connected to the silicon film (channel) of the PDSOI device, improving the electrical characteristics of a conventional SOI. The characteristics of this device is an ideal subthreshold slope (60mV/dec), due to the reduced body effect and improved current drive. When the gate voltage increases in DTMOS (body tied to gate), there is a body potential increase, which results in a higher drain current due to the sum of the MOS current with the bipolar transistor (BJT) one. Several two-dimensional numerical simulations were done with the ATLAS Simulator to obtain a better knowledge of DTMOS device to compare with PDSOI. The electrical characteristics analyzed through two-dimensional numerical simulations are the drain current as a function of (VGS) with drain bias fixed at 25 mV and 1 V. The channel length varied from 10 to 1 um. Through these simulations the main electrical characteristics and the analog performance parameters were obtained of DTMOS in comparison with conventional SOI, as: transconductance (gm), threshold (VTH) voltage, and subthreshold slope (S). Considering the drain bias of 1V, transconductance and subthreshold voltage were obtained. In the next step, the characteristics curves of drain current (IDS) as a function of (VDS), where the gate bias varied from 0 to 200 mV of (VGT), to obtain the Early voltage (VEA) and output conductance (gD), the intrinsic gain DC (AV) and a unit-gain frequency to both devices were simulated. The experimental results were measured in two steps: in the first step all electrical characteristics and parameters considering a channel length (L) variation were obtained and in the second step a channel length was fixed and varied the width (W) was varied to study if this variation had any effects on the results. The gm/IDS ratio of DTMOS was 40 V-1 , independent of channel length and a increase of 14 dB in intrinsic gain, when using a channel length of 0,22 µm, compared with the conventional SOI was obtained. Improvement was observed in the performance of analog parameters when compared whit conventional SOI and DTMOS has been widely used in Low-Power- Low-Voltage applications.