DIBL vs GIDL vs perçage (punch-through) : lieu, causes, signature Id-Vg, remèdes

DIBL, GIDL et perçage concernent tous un courant de fuite qui circule alors que le transistor devrait être bloqué, mais ils se produisent à des endroits différents et pour des raisons différentes. Le DIBL (abaissement de barrière induit par le drain) survient lorsque la grille est assez courte pour que le champ du drain atteigne le côté source et abaisse la barrière de potentiel entre source et canal : la tension de seuil baisse quand la tension de drain augmente. Le perçage survient lorsque les zones de déplétion de la source et du drain se rejoignent et qu’un courant circule profondément dans le substrat, hors de portée de la grille ; on peut le voir comme une forme extrême de DIBL. Le GIDL (fuite de drain induite par la grille) est un courant tunnel bande à bande provoqué par le champ intense là où la grille recouvre le drain ; il dépend davantage de la tension grille-drain que de la longueur de grille.

CritèreDIBLGIDLPerçage (punch-through)
Où il se produitÀ l’extrémité source du canal, près de la surface, là où la barrière de potentiel source-canal est abaisséeDans le drain, près de la surface où la grille le recouvre (le bord du drain)Dans le substrat sous le canal, là où les zones de déplétion de la source et du drain se rejoignent
Polarisation qui le révèleÉtat bloqué ou proche du seuil, avec une tension de drain élevéeÉtat bloqué avec une forte tension grille-drain (pour un nMOS, grille à 0 V ou négative et drain haut)Tension de drain élevée ; presque indépendant de la tension de grille
Cause physiqueLe champ du drain atteint la source et prend à la grille une partie du contrôle de la hauteur de barrière (effet électrostatique bidimensionnel)Le champ intense courbe fortement les bandes et des électrons passent par effet tunnel de la bande de valence à la bande de conduction (effet tunnel bande à bande) ; dans un nMOS, les électrons vont au drain et les trous vers le substratLa zone de déplétion du drain rejoint celle de la source, la barrière dans le substrat disparaît et les porteurs circulent directement de la source au drain
Manifestation sur Id-VgAugmenter la tension de drain décale la courbe sous le seuil vers la gauche (vers les tensions de grille plus basses), ce qui se traduit par une tension de seuil plus basse et un courant à l’état bloqué plus élevéLorsque la tension de grille descend sous le seuil, le courant de drain baisse d’abord puis se met à remonter (remontée du côté des faibles tensions de grille)La pente sous le seuil s’adoucit et abaisser la tension de grille ne réduit pas assez le courant pour bloquer le composant
Manifestation sur Id-VdLe courant continue d’augmenter avec la tension de drain même en saturation (résistance de sortie plus faible)À l’état bloqué, le courant augmente avec la tension de drain, d’autant plus que la tension de grille est basseAu-delà d’une certaine tension de drain, le courant augmente brutalement quelle que soit la tension de grille
Dépendance à la longueur de grille (Lg)Forte : plus important quand la grille est plus courteFaible : il se produit au bord du drain et dépend surtout d’autres facteurs (intensité du champ, dopage du bord du drain, épaisseur du diélectrique de grille)Très forte : plus probable avec des grilles courtes et des substrats faiblement dopés
Dépendance à la tensionLa tension de seuil baisse à peu près proportionnellement à la tension de drain ; souvent exprimé en mV/VAugmente fortement avec la tension grille-drain (Vdg)Augmente fortement avec la tension de drain ; la grille n’a presque aucun contrôle
Principales contre-mesuresDiélectrique de grille plus mince (high-k), extensions peu profondes, implantation halo (implantation poche), corps minces (FD-SOI, FinFET, GAA)Profil de dopage plus progressif au bord du drain (comme une structure LDD), recouvrement grille-drain optimisé, limitation de la tension grille-drainDopage du substrat plus élevé (implantation d’arrêt de perçage), implantation halo (implantation poche), jonctions peu profondes, caissons rétrogrades, structures sans chemin de courant profond (SOI, FinFET, GAA)
Où il compteTransistors logiques à grille courte en général : fuite en veille et gain réduit dans les circuits analogiquesComposants exigeant une fuite à l’état bloqué extrêmement faible, comme les transistors de cellule DRAM, et circuits qui bloquent les transistors avec une tension de grille négativeTransistors à grille trop courte ou composants à tension de drain élevée ; il fixe les limites de longueur de grille et de tension utilisables

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

DIBL
Un indicateur de la variation de la tension de seuil et du courant à l’état bloqué d’un transistor à grille courte en fonction de la tension de drain. On extrait la tension de seuil à une tension de drain basse et à une tension haute, puis on divise l’écart par l’écart de tension de drain.
GIDL
À soupçonner lorsque pousser davantage la grille vers l’état bloqué (grille négative pour un nMOS) ne réduit pas la fuite, voire l’augmente. Il est particulièrement important pour la rétention des données en DRAM et pour les conceptions qui polarisent la grille en négatif afin de réduire la fuite en veille.
Perçage (punch-through)
L’état extrême des effets de canal court, où le courant circule sans aucun contrôle de la grille. Il faut le considérer comme la limite qui fixe la longueur de grille minimale et la tension de drain maximale d’un transistor.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre DIBL et perçage ?

Dans les deux cas, la tension de drain abaisse la barrière côté source. Avec le DIBL, la barrière près de la surface du canal baisse et la tension de seuil diminue, mais la grille contrôle encore le courant. Avec le perçage, les zones de déplétion de la source et du drain se rejoignent profondément dans le substrat et le courant suit un chemin que la grille n’atteint pas : le transistor ne peut plus être bloqué. Il est utile de voir le perçage comme un DIBL poussé à l’extrême.

Comment distinguer DIBL et GIDL sur une courbe Id-Vg ?

Le DIBL apparaît comme un décalage vers la gauche de la courbe sous le seuil lorsque la tension de drain augmente, le courant continuant de baisser quand on abaisse la tension de grille. Le GIDL apparaît comme un courant qui recommence à augmenter lorsque la tension de grille est poussée bien en dessous du seuil. En bref, le DIBL se manifeste par un décalage de la tension de seuil, et le GIDL par une remontée du courant du côté des faibles tensions de grille.

Pourquoi l’implantation halo (poche) atténue-t-elle les effets de canal court ?

Augmenter localement le dopage près des bords de source et de drain avec des dopants du même type que le canal empêche la zone de déplétion du drain de s’étendre dans le canal. Cela atténue le DIBL, la chute de la tension de seuil (roll-off) et le perçage, avec une perte de mobilité moindre que si l’on augmentait le dopage de tout le canal. Comme le dopage près de la jonction augmente, la fuite et la capacité de jonction peuvent croître.

Ces effets disparaissent-ils dans les FinFET et les transistors GAA ?

Ils ne disparaissent pas, mais le DIBL et le perçage sont fortement réduits. La grille entoure un canal mince sur plusieurs côtés : le champ du drain a moins d’influence et il y a moins de chemins de courant profonds hors de portée de la grille. Les FinFET sur substrat massif, dont les ailettes sont reliées au substrat, reçoivent généralement une implantation d’arrêt de perçage fortement dopée à la base de l’ailette. Le GIDL dépend du champ au bord du drain : il doit donc encore être maîtrisé par la conception des jonctions et les conditions de polarisation, même avec les nouvelles structures.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la définition du DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) ?

  1. ALa rupture progressive du diélectrique de grille au cours du temps
  2. BLa migration des atomes métalliques des interconnexions sous l'effet du courant
  3. CL'abaissement de la barrière de potentiel côté source, et donc de la tension de seuil, lorsque la tension de drain augmente
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Réponse : C. L'abaissement de la barrière de potentiel côté source, et donc de la tension de seuil, lorsque la tension de drain augmente

Lorsque la grille est courte, le champ électrique du drain s'étend jusqu'à proximité de la source et abaisse la barrière de potentiel entre la source et le canal. En conséquence, plus la tension de drain est élevée, plus la tension de seuil baisse et plus le courant de fuite à l'état bloqué augmente. Le DIBL s'exprime en « variation de seuil par volt de tension de drain (mV/V) » et est limité à quelques dizaines de mV/V ou moins dans les transistors avancés. Dans les amplificateurs, il réduit aussi la résistance de sortie.

Quel phénomène augmente le courant de fuite à l’état bloqué par un courant tunnel bande à bande dû au fort champ électrique dans la zone de recouvrement grille-drain ?

  1. ADIBL
  2. BNBTI
  3. CGIDL (fuite de drain induite par la grille)
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Réponse : C. GIDL (fuite de drain induite par la grille)

Même transistor bloqué, si une forte tension existe entre grille et drain, les bandes se courbent fortement près du bord de grille côté drain et un courant circule par effet tunnel bande à bande. C’est le GIDL, qui a pour caractéristique, dans un nMOS, d’augmenter lorsque la tension de grille devient plus négative. Il pose problème dans les dispositifs exigeant des fuites extrêmement faibles, comme les transistors de cellule DRAM, et se limite par la conception du dopage et du champ à l’extrémité drain. Le DIBL est la baisse du seuil due à la tension de drain, le NBTI une dégradation du pMOS.

Quelle description du perçage (punch-through) d’un MOSFET est correcte ?

  1. ALa baisse de la mobilité du canal avec la température
  2. BLa jonction des zones de déplétion de source et de drain, qui laisse passer un courant non commandé par la grille
  3. CLe claquage de l’isolant de grille
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Réponse : B. La jonction des zones de déplétion de source et de drain, qui laisse passer un courant non commandé par la grille

Avec un canal court et un substrat faiblement dopé, la tension de drain étend la zone de déplétion côté drain jusqu’à celle de la source ; un courant circule alors en profondeur dans le substrat, indépendamment de la grille, et le transistor ne peut plus être bloqué. C’est le perçage. Les remèdes consistent à placer une couche fortement dopée sous la source et le drain (implantation halo/pocket), à rendre les jonctions moins profondes et, comme dans les FinFET et GAA, à entourer le canal par la grille pour supprimer les chemins de courant non commandés.

  1. Quel est le principal objectif de l'implantation halo (poche), qui implante en oblique, aux extrémités de la source et du drain, des impuretés de même type que le canal ?
  2. Lequel des énoncés suivants correspond à un effet de canal court du MOSFET ?
  3. Quelle combinaison regroupe les principales composantes du courant de fuite d’un MOSFET à l’état bloqué ?

Questions d'entraînement sur MOSFET

Termes clés expliqués

DIBL
Abréviation de Drain Induced Barrier Lowering. Dans un MOSFET à canal court, plus la tension de drain est élevée, plus la barrière de potentiel côté source s'abaisse et plus la tension de seuil diminue. Augmente le courant de fuite à l'état bloqué.
GIDL (fuite de drain induite par la grille)
Phénomène où le champ intense dans la zone de recouvrement grille-drain provoque un courant tunnel bande à bande, augmentant la fuite à l'état bloqué. Problématique notamment pour la rétention des données en DRAM.
Perçage (punch-through)
Phénomène où les zones de déplétion de source et de drain se rejoignent, laissant circuler un courant non contrôlé par la grille. Il survient si le canal est trop court ou le dopage du substrat trop faible.
Effet de canal court
Lorsque la longueur de grille diminue, l'influence du champ de drain abaisse la tension de seuil et augmente le courant de fuite à l'état bloqué.
Implantation halo (implantation poche)
Implantation oblique, aux extrémités de la source et du drain, d'impuretés de même type que le canal. Elle limite l'extension de la zone de déplétion du drain et donc les effets de canal court.
Structure LDD
Abréviation de Lightly Doped Drain. Structure où seule l'extrémité du drain côté grille est faiblement dopée pour atténuer le champ électrique et limiter la dégradation par porteurs chauds.
Tension de seuil
Tension de grille à laquelle un canal (couche d'inversion) se forme dans un MOSFET et le courant commence à circuler. Notée Vth.
FinFET
Transistor à structure tridimensionnelle dont la grille entoure sur trois côtés un canal dressé en forme d'ailette (fin). Il limite facilement les effets de canal court.

Comparatifs associés