Etude de la fiabilité des technologies CMOS avancées : application à la simulation de la fiabilité de conception des circuits numériques et analagiques

Study of device reliability in advances CMOS technologies and application to reliability simulation of digital and analog circuit designs

• Auteur / Autrice : Chittoor Ranganathan Parthasarathy
• Direction : Michel Lannoo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano-électronique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés analogiques numériques

Transistors MOSFET

MOS complémentaires

Résumé

Dans ce travail, nous examinons les aspects de la dégradation des dispositifs MOSFETs dus aux porteurs chauds du canal(CHC) et aux instabilités à haute température sous polarisation négative (NBTI), du point de vue de la caractérisation et de la modélisation, dans l’objectif de développer des solutions largement utilisables pour simuler ces conditions de dégradation dans les circuits analogiques et numériques. De telles solutions représentent un besoin pressant dans le contexte de la miniaturisation extrême des dispositifs CMOS et devant la complexité croissante des produits utilisant ces dispositifs, nécessitant l’évaluation de leur fiabilité lors des étapes de conception des circuits. Ce travail s’adresse aux technologies CMOS actuelles des nœuds 65nm et 90nm présentant des transistors NMOS et PMOS avec des épaisseurs d’oxyde de grille de 1. 3nm à 6. 5nm. Nous avons proposé une méthodologie robuste pour extraire la dégradation des paramètres des transistors soumis à la dégradation NBTI et caractérisée par une nouvelle technique à la volée dite "On-The-Fly"(OTF), avec laquelle les mesures sont effectuées sans interrompre le stress. Nous avons étudié le phénomène de guérison partielle de la dégradation ou "recovery", qui est une des caractéristiques clés du NBTI comme au cours de certaines conditions de dégradations CHC. Nous avons proposé une nouvelle méthode de caractérisation de la dégradation en combinant des trains de polarisations de stress ou patterns" avec la technique OTF. Nous avons soumis les dispositifs à de multiples combinaisons de polarisations NBTI, NBTI et CHC, CHC et nous avons utilisé cette technique sur les transistors PMOS et NMOS à canal court et canal long. Cette méthode permet l’observation et la modélisation des caractéristiques de la dégradation NBTI et CHC dans une perspective unifiée qui éclaire la compréhension des mécanismes de dégradation dans les dispositifs impliquant le recovery. Nous avons proposé un modèle complet pour la dégradation NBTI. Ce modèle inclut précisément la dégradation NBTI et les dynamiques du recovery aussi bien que les différents constituants des composantes de la dégradation. L’effet de la commutation des signaux caractérisés par la fréquence, le rapport cyclique en phase NBTI et l’amplitude du signal ont été analysés et inclus dans le modèle. Le modèle est complété en formulant les paramètres en modèle SPICE (BSIM4) nécessaires à la représentation des dispositifs dégradés par le NBTI. La caractérisation et la modélisation de la dégradation CHC suivent le modèle standard des électrons chanceux ou Lucky-Electron Model où l’évaluation de la dégradation est associée au courant substrat. Nous proposons une amélioration de ce modèle en courant substrat pour pouvoir ajuster les résultats sur un grand intervalle en Vds et Vgs, pour différentes familles de dispositifs NMOS. Nous avons également incorporé à la modélisation et à la simulation des dégradations anormales observées sous dégradation CHC dans des familles de dispositifs à oxyde de grille épais. Nous décrivons le développement d’une méthodologie de simulation, mettant en lumière ses différents aspects fondamentaux. Nous incorporons dans les modèles du simulateur les différents modes de dégradation décrits ci-dessus et montrons les bons accords entre les simulations et les mesures sur silicium. Par la suite, nous étendons l’analyse aux circuits digitaux et analogiques. De nombreuses classes de circuits de plus en plus complexes ont été analysées de l’inverseur à la PLL et au convertisseur ADC, utilisant les modèles et la méthodologie de simulation développée. Cette méthodologie tout au long de ce travail forme la première pierre pour traiter les phénomènes de dégradation dans les dispositifs des générations technologiques actuelles, autant que les bases nécessaires à l’évaluation de la fiabilité des circuits en fonctionnement réel qui sont soumis à l interaction entre les diverses polarisations de stress.