Conception, fabrication, caractérisation et modélisation de transistors MOSFET haute tension en technologie avancée SOI (Silicon-On-Insulator)

Nowadays the scaling of bulk silicon CMOS technologies is reaching physical limits. In this context, the FDSOI technology (fully depleted silicon-on-insulator) becomes an alternative for the industry because of its superior performances. The use of an ultra-thin SOI substrate provides an improvement of the MOSFETs behaviour and guarantees their electrostatic integrity for devices of 28nm and below. The development of high-voltage applications such DC/DC converters, voltage regulators and power amplifiers become necessary to integrate new functionalities in the technology. However, the standard devices are not designed to handle such high voltages. To overcome this limitation, this work is focused on the design of a high voltage MOSFET in FDSOI. Through simulations and electrical characterizations, we are exploring several solutions such as the hybridization of the SOI substrate (local opening of the buried oxide) or the implementation in the silicon film. An innovative architecture on SOI, the Dual Ground Plane EDMOS, is proposed, characterized and modelled. It relies on the biasing of a dedicated ground plane introduced below the device to offer promising RON.S/BV trade-off for the targeted applications.A l’heure où la miniaturisation des technologies CMOS sur substrat massif atteint des limites, la technologie FDSOI (silicium sur isolant totalement déserté) s’impose comme une alternative pour l’industrie en raison de ses meilleures performances. Dans cette technologie, l’utilisation d’un substrat SOI ultramince améliore le comportement des transistors MOSFETs et garantit leur intégrité électrostatique pour des dimensions en deçà de 28nm. Afin de lui intégrer de nouvelles fonctionnalités, il devient nécessaire de développer des applications dites « haute tension » comme les convertisseurs DC/DC, les régulateurs de tension ou encore les amplificateurs de puissance. Cependant les composants standards de la technologie CMOS ne sont pas capables de fonctionner sous les hautes tensions requises. Pour répondre à cette limitation, ces travaux portent sur le développement et l’étude de transistors MOS haute tension en technologie FDSOI. Plusieurs solutions sont étudiées à l’aide de simulations numériques et de caractérisations électriques : l’hybridation du substrat (gravure localisée de l’oxyde enterré) et la transposition sur le film mince. Une architecture innovante sur SOI, le Dual Gound Plane EDMOS, est alors proposée, caractérisée et modélisée. Cette architecture repose sur la polarisation d’une seconde grille arrière pour offrir un compromis RON.S/BV prometteur pour les applications visées

Contribution à la modélisation des dispositifs MOS haute tension pour les circuits intégrés de puissance ("Smart Power")

Au cours des dernières décennies, les circuits intégrés de puissance ont connu une croissance très importante. Aujourd'hui la régulation et distribution d'énergie électrique jouent un rôle crucial. La réduction constante des dimensions ainsi que le besoin en densité de puissance de plus en plus élevée ont mis en évidence la nécessité de structures toujours plus performantes. La technologie “smart power” a été développée pour satisfaire ces demandes. Cette technologie utilise les dispositifs DMOS, offrant de nouvelles solutions grâce à ses caractéristiques uniques forte tension et fort courant. Le fonctionnement de ces dispositifs est accompagné par l’apparition de nombreux phénomènes. Une bonne modélisation permet de rendre compte de ces phénomènes et prédire le comportement physique du transistor avant sa production. L'objectif de cette thèse était donc d'améliorer la modélisation et de mettre en place une méthode d'extraction de certains paramètres physiques liés au fonctionnement du MOS HV (High Voltage). Cette thèse a été principalement dédiée à la modélisation du phénomène de l'auto-échauffement et à la définition d'une méthode d'extraction des parasites RF dans les transistors MOS et, enfin, à la comparaison du macro-modèle utilisé par STMicroelectronics avec le modèle compact HiSIM_HV dédié au MOS HV. Pour cela, il était essentiel de mettre en place des nouvelles procédures de modélisation et d'extraction et de dessiner des structures de test spécifiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont été validés par différentes comparaisons avec les mesures en technologies sur SOI et sur substrat massif.In recent decades, power integrated circuits have experienced very significant growth. Today the regulation and distribution of electrical energy are crucial. The reduction of the dimensions and the need for power highlighted the need for efficient structures. Technology "smart power" has been developed to meet these demands. This technology uses high voltage devices, offering new solutions through its unique characteristics at high voltages and currents. The behavior of these devices is accompanied by the appearance of many phenomena. An accurate modeling of these phenomena is needed to replicate its physical behavior. The objective of this thesis is to improve modeling and to establish a good method of extracting physical parameters related to HV MOS. This thesis has been mainly devoted to modeling the phenomenon of self-heating: development of test structure, modeling of thermal coupling between the sources of transistor, development tool for generating the thermal network. This thesis also looks at the definition of a method for extracting RF noise in the high-voltage transistor including extrinsic gate resistance and capacity Cgs and Cgd. Finally, the last part of the thesis presents a brief assessment of compact HiSIM_HV dedicated to HV MOS and compares it with the macro model used by STMicroelectronics. The results presented in this thesis have been validated by comparison with different measures on SOI technology and solid substrate

Optimization of power MOSFET devices suitable for integrated circuits

Táto doktorská práca sa zaoberá návrhom laterálnych výkonových tranzistorov s nízkym špecifickým odporom pri zapnutom stave, vhodných pre integráciu do Integrovaných Obvodov.This doctoral thesis deals with the design of lateral power transistor with lower specific on-resistance for integration into IC.The new model of MOSFET with waffle gate pattern is there described. For first, time the conformal transformation the Schwarz-Christoffel mapping has been used for the description of nonhomogeneous current distribution in the channel area of MOSFET with waffle gate pattern. In addition base on the figure of merit definition Area Increment (AI) the topological theoretical limit of MOSFET with waffle gate pattern has been a first time defined

Improved modeling of isolated EDMOS in advanced CMOS technologies.

Session A - CADInternational audienc