En vue de l’obtention du

En vue de l’obtention du
Doctorat de l’université Paul Sabatier Toulouse III
Ecole Doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Discipline : micro-nanoélectronique
Présenté par
Gaëtan TOULON
Conception de transistors MOS haute tension en technologie
CMOS 0,18 µm sur substrat "silicium sur isolant" (SOI) pour les
nouvelles générations de circuits intégrés de puissance
Soutenue le 18 novembre 2010 devant le jury
Président : P. AUSTIN
Rapporteurs : B. ALLARD
D. FLORES
Examinateur : B. VILLARD
N. KERNEVEZ
Invités : T. PEDRON
Directeur de thèse : F. MORANCHO

Remerciements
Le travail réalisé dans ce manuscrit de thèse s’est déroulé dans l’école Doctorale
GEET. Il a été effectué dans le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS)
du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), dans le groupe Intégration de
Systèmes de Gestion de l’Énergie (ISGE). Je remercie les directeurs successifs du LAAS,
Monsieur Raja CHATILA et Monsieur Jean-Louis SANCHEZ, pour la confiance qu’ils m’ont
accordée. Je tiens aussi à remercier Madame Marise BAFLEUR, qui dirige le groupe ISGE,
de m’avoir accueilli en son sein.
Ce travail a été conduit sous la direction de Monsieur Frédéric MORANCHO,
Professeur à l’Université Paul Sabatier. Je tiens à la remercier pour m’avoir proposé ce sujet
de thèse, mais aussi pour sa confiance, son soutien, sa disponibilité et pour toutes les
discussions que nous avons eu pendant toute la durée de ma thèse.
Je tiens également à remercier Messieurs Bruno ALLARD (Professeur des universités
à l’INSA de Lyon) et David FLORES (Chargé de recherche au CNM de Barcelone) pour
avoir accepté d’être les rapporteurs de mes travaux de thèse. Je remercie aussi Messieurs
Patrick AUSTIN (Professeur à l’Université Paul Sabatier de Toulouse), Bruno VILLARD,
Thierry PEDRON (Ingénieurs - ATMEL Rousset) et Madame Nelly KERNEVEZ (Directrice
du partenariat - SOITEC Crolles) pour avoir aimablement accepté d’être membres du jury.
Je souhaite remercier toutes les personnes d’ATMEL avec qui nous avons collaboré,
notamment Monsieur Bruno VILLARD et Madame Elsa HUGONNARD-BRUYERE, grâce à
qui j’ai pu comprendre la technologie CMOS et pour m’avoir fourni de nombreux résultat
expérimentaux.
Je tiens à remercier vivement Monsieur Ignasi CORTES, post-doctorant pendant deux
ans au LAAS et avec qui j’ai travaillé. Ses grandes connaissances, son expérience et sa
sympathie m’ont beaucoup apporté et ont rendu plus riche ce travail.
A titre personnel, je remercie tous mes amis du LAAS. Les anciens qui sont devenus
docteurs : Loïc (le nouveau papa) qui m’a aidé à démarrer sur Sentaurus, Yann, Julie,
Florence, Cédric, Stéphane, mes « collègues de promo », ceux qui ont commencé la thèse en
même temps que moi : Hussein, Hakim (mes collègues de bureau), Elias, Jean-François,
Houda, Ayad, Romaric, les plus jeunes, qui seront eux aussi bientôt docteurs : Emmanuel (ou

Manu), Laurent, Nicolas (dit Nico), Émilie et les thaïlandais Jar et P’Aey. Merci aussi à tous
les autres que je n’ai pas cité.
Je souhaite remercier mes parents, ma sœur et ma famille pour m’avoir soutenu et
encouragé toutes ces années d’étude, pendant la thèse et même avant. Aujourd’hui, c’est enfin
fini !
Enfin, je terminerai avec un petit mot pour ma femme Dariga qui a toujours été là pour
me soutenir, m’écouter et me conseiller. Elle a du supporter mes sauts d’humeur, et elle a su
être patiente. Si je suis arrivé jusqu’ici, c’est un peu grâce à elle. Je lui en suis très
reconnaissant.
Merci à toutes les personnes que je n’ai pas citées et qui ont de près ou de loin
participé à la réalisation de ce travail. Merci pour leur sympathie et simplement pour le plaisir
que j’ai eu à les côtoyer quotidiennement.

Table des matières
1
Table des matières
Liste des symboles .....................................................................................................................5
Introduction générale..................................................................................................................9
I Chapitre 1......................................................................................................................... 15
Les composants dans les circuits intégrés de puissance........................................................... 15
I.1 Introduction............................................................................................................... 17
I.2 Les technologies en silicium massif et S.O.I. ...........................................................18
I.2.1 Intérêt des différentes technologies........................................................................ 18
I.2.2 Isolation par jonction.............................................................................................. 18
I.2.3 Isolation par diélectrique........................................................................................ 22
I.2.3.a Le procédé SIMOX.......................................................................................23
I.2.3.b Les procédés basés sur le collage de wafers .................................................23
I.3 Les composants de puissance dans les circuits intégrés............................................ 27
I.3.1 L'utilisation des composants de puissance.............................................................27
I.3.2 Les composants de puissance................................................................................. 28
I.3.2.a Le transistor LDMOS....................................................................................28
I.3.2.b Le transistor LDMOS RESURF.................................................................... 32
I.3.2.c Améliorations de la technologie RESURF.................................................... 34
I.3.2.d Les protections en fin de grille...................................................................... 38
I.3.2.e Les transistors LDMOS sur SOI ...................................................................42
I.4 Conclusion................................................................................................................. 44
II Chapitre 2......................................................................................................................... 47
Développement de transistors LDMOS à canal N...................................................................47
II.1 Introduction............................................................................................................... 49
II.2 Présentation des différentes structures......................................................................49
II.2.1 Conditions du procédé............................................................................................ 49