Pfe Finale

Prsent par : Debbabi Khaled

Pour obtenir le Diplme National dIngnieur

En

Gnie Electrique

Conception des schmas lectriques permettant lextraction des paramtres de premier ordre des composants microlectroniques.

Ralis : STMicroelectronics Soutenu le 4 Juin 2008 Devant le Jury : Prsident : Mr. Bourguiba Riadh Rapporteur: Mr. Ben Salah Boujemaa Encadreur ENIT: Mr. Mouine Jaouhar Encadreur entreprise: Mr. Haddoug Momtez.

Anne Universitaire : 2007/2008 Rf : PFE/GE-08

Avertissement

Ce rapport de stage contient des informations confidentielles appartenant la socit

STMicroelectronics et, ce titre,

- Il ne peut tre publi ou faire l'objet d'une divulgation, par quelque moyen que ce soit, l'extrieur de l'tablissement o est inscrit son auteur sans l'accord crit pralable de STMicroelectronics.

- Il doit tre utilis et diffus au sein de l'tablissement o est inscrit son auteur uniquement pour les besoins de la soutenance et ne peut tre reproduit qu' des fines exclusives d'archivage auprs de cet tablissement.

Tout manquement par quiconque ces dispositions est susceptible de causer un prjudice grave STMicroelectronics qui pourra en obtenir rparation par tout moyen de droit.

Ddicaces

A Ma Chre et Admirable Mre Sabria

Ma chre mre, aucun mot, aucune expression ne saura faire ressortir toute motion avec laquelle je te ddie ce modeste travail, rsultat de tes sacrifices dmesurs, de tes conseils judicieux, de tes prires, de ta

bienveillance, de ton affection et de ta prsence permanente. Que Dieu, le grand puissant te procure la sincrit et une longue vie

saine paisible et heureuse.

A Mon Cher et Adorable Pre Mohamed

Aucune ddicace ne pourrait exprimer mon affection et mon profond respect.

Tu as t pour moi la personne idale et jai toujours vou une grande admiration pour ta force de caractre, ta sagesse et ta gnrosit qui

font de toi un pre exceptionnel. Je ferai de mon mieux pour rester un sujet fidle tes yeux avec

lespoir de ne jamais te dcevoir. Puisse Dieu te garder et te procurer sant, bonheur et longue vie.

A mon cher frre Haykel, sa femme Ilhem et ma chre Syrine

Jespre avoir atteint le seuil de vos esprances. Que ce travail soit lexpression de ma profonde affection. Je vous remercie pour le soutien moral et lencouragement que vous mavez accords. Je vous

souhaite tout le bonheur du monde.

A mes chers frres Mhamed et Aymen

Rien ne saurait exprimer lamour, lattachement et lestime que jai pour vous.

Je vous souhaite une vie pleine de joie et de succs. Que Dieu vous garde et vous alloues bonne sant et tout le

bonheur du monde.

A la Mmoire de mes grands parents

Vos dparts me sont trs pnibles. Je suis incapable pour exprimer ma gratitude, ma reconnaissance de mavoir aim, protg et aid.

Mon souhait est que vos mes soient mises au courant de mon succs. Que Dieu, garde vos mes dans sa misricorde.

A Ma tante Saida et son mari Sidi Ameur

Tu es et tu resteras toujours une deuxime mre pour moi. Vous tiez l chaque fois que javais besoin de vous.

Que Dieu, le tout puissant, vous garde, vous accorde sant et bonheur, et vous protge de tout mal.

A Mes Amis

Imen, Saoussen, Mahran, Ghassen, Aymen, Mabrouka, Manel, Abir, Malek, Ismail, Nidhal, Nabil, Dorra,

Mouna, Nadia, Ahmed, Intissar, Youssef, Fekri, Taha

Je vous ddie ce travail en signe de reconnaissance, de respect et damour

Je vous souhaite beaucoup de succs et bonheur.

Rsum :

a rduction des dimensions des circuits intgrs croit rapidement dans le but daugmenter les performances des circuits et miniaturiser des systmes de plus en plus complexes dans une seule puce. En fait, la miniaturisation des technologies permet de rduire

les cots de fabrication et lencombrement des fonctions ralises. De nouvelles applications deviennent envisageables et il est possible dembarquer de plus en plus dintelligence. En contre partie, la ralisation des systmes fortement intgrs, fiables et performants, nest pas sans poser des problmes, surtout au niveau de la conception. Lors de la conception, tout doit avoir t prvu, y compris les situations relatives aux conditions extrmes dutilisation,

temprature en particulier, et aux invitables dispersions technologiques. Ce qui implique quil est indispensable que les effets physiques soient parfaitement pris en compte et que les

dispositifs actifs et passifs, en particulier les rsistances et les capacits ainsi que lensemble des phnomnes parasites susceptibles de se produire dans un circuit intgr soient parfaitement modliss. Pour cela on va sintresser dans ce projet la conception des schmas lectriques permettant lextraction des paramtres de premier ordre des composants microlectroniques essentiellement, les rsistances et les capacits de la technologie CMOS065nm, de crer un modle avec ces paramtres, de comparer les rsultats de simulation obtenues par ce modle et celles du modle existant et de vrifier que les planches proposes sont valables pour dautres technologies.

Mots cls : circuits intgrs, miniaturisation, conception, dispersions technologiques, rsistances, capacits, CMOS065nm, effets physiques, phnomnes parasites, modlisation, paramtres de premier ordre.

L

Remerciements

Je voudrais remercier profondment Monsieur Hichem Ben Hamida, manager de ST Microelectronics Tunis, de mavoir accueilli dans cet organisme. De mme je tiens remercier Mr Laurent SALAGER, manager de lquipe Design Kit, de mavoir accueilli au sein de son quipe et pour sa disponibilit et son aide. Je remercie Mr Moumtez HADDOUG (Ingnieur de lquipe Design Kit ST Tunis) pour son encadrement, sa disponibilit, son suivi et les prcieux conseils quil ma prodigus tout au long de mon stage. Je remercie aussi Mr Moez KHEDRI pour sa disponibilit et ses conseils. Je remercie, galement, mon encadreur interne, Mr Jaouhar MOUINE, qui a bien voulu assurer la direction de ce travail. Je le remercie infiniment pour sa patience, son assistance et ses prcieuses recommandations. Mes penses de reconnaissance vont galement au reste de l'quipe Design Kit, en particulier Mlle Khaoula HAMMAMI, Anis KTARI, Zied GRISSA, Wissem CHOUCHENE, Wahbi BOUJARRA, Fathi JALEL, Khaled AOUADI, Zied ELABED, Rebh MAJDOUB, Badr CHABBI, Makram BOUDINAR, Ghassen GAALICHE, Mohamed SOULI, Sami HAMROUNI, Khaled BEN NACEF, Asma OUECHTATI, Mohamed Hedi MANSOUR et Mohamed Ridha KHROUF. Quils trouvent ici lexpression de ma profonde reconnaissance pour les critiques et conseils quils m'ont fournit au cours de ce travail.

Sommaire

Sommaire

Introduction gnrale ..............................................................................................................1

CHAPITRE 1 : Prsentation de STMicroelectronics et de lquipe Design Kit.............3

1 .Introduction ........................................................................................................................ 4 2 .Prsentation de STMicroelectronics................................................................4 2.1. ST lchelle internationale .........................................................................4 2.2. ST Tunis .......................................................................................5 2.3. Division FTM................................................................................................................6 2.4. Equipe Design Kit.........................................................................................................6 2.4.1 .Produit Design Kit .................................................................................................6 2.4.2 .Composition de lquipe Design Kit......................................................................7 3 .Prsentation du sujet ..........................................................................................................8 4 .Conclusion...........................................................................................................9

CHAPITRE 2 : Etudes Thoriques.......................................................................................10

1 .Introduction.........................................................................................................................11 2 .Modlisation des composants passifs.................................................................................11 3 .Les rsistances intgres.....................................................................................................12 3.1. La structure...................................................................................................................12 3.2. Les dessins ...............................................................................................13 3.3. Lappariement...............................................................................................................14 3.4. Les indices de performance .........................................................................................14 3.4.1 .Coefficient de Temprature ..............................................................................14 3.4.2 .Leffet Thermolectrique ..................................................................................15 3.4.3 .Coefficient de Tension ..................................................................................15 3.4.4 .Rponse en frquence .......................................................................................15 3.4.5 .Prcision dappariement ...................................................................................16 3.4.6 .Lerreur de pas de grille ...................................................................................17 3.5. Les diffrents types de rsistance.....................................................................17 3.5.1 .Les rsistances diffuses................................... ...................................................17 3.5.2 .Les rsistances de caisson .....................................................................................18 3.5.3 .Les rsistances silicium polycristallin ..................................................................19 3.5.4 .Les rsistances mtalliques................................................................................20 4 .Les capacits intgres ..................................................................................................21 4.1. La structure...................................................................................................................21 4.2. Les dessins ...............................................................................................21 4.3. Les indices de performance .........................................................................................22 4.3.1 .Capacits parasites structurelles............................................................................22 4.3.2 .Coefficient de Temprature...................................................................................23 4.3.3 .Coefficient de Tension ......................................................................................23 4.3.4 .Rsistances parasites sries ......................................................................24 4.4. Les diffrents types de condensateurs .........................................................................24 4.4.1 .Les condensateurs poly-diffusion (condensateur MOS non standard)..24

Sommaire

4.4.2 .Les condensateurs poly-poly.....25 4.4.3 .Les condensateurs mtal-poly...............................................................26 4.4.4 .Les condensateurs mtal-mtal (condensateurs MIM) .........................................26

4.4.5. Les condensateurs MOS....27 5 .Conclusion ....................................................................................................................28

CHAPITRE 3 : Les rsistors de la technologie CMOS065nm............................................29

1 .Introduction..........................................................................................................................30 2 .Vue gnrale................................................................................30

2.1. Les bornes.................................................................................................................31 2.2. Classification des modles .......................................................................31 2.3. Les schmas quivalents...............................................................................................31 2.3.1. Schma quivalent dun rsistor de type Poly..................................................32 2.3.2 .Schma quivalent dun rsistor de type OD (actif).........................................32 2.3.3 .Schma quivalent dtaill dun rsistor de type non silicur , actif ...............33 3 .Modles de calcul ...................................................................................................33 3.1. La rsistance nominale..................................................................................................33 3.2. Le modle dun rsistor silicur ...................................................................................34 3.3. Le modle dun rsistor non silicur ...........................................................................35 4 .Les paramtres de premier ordre extraire .................................................................35 4.1. La temprature..............................................................................................................35

4.2. La tension ................................................................................................................... 37 4.3. Capacit parasite.......................................................................39 4.4. Le bruit..........................................................................41 4.5. Le modle statistique.......................................................................44 4.5.1 .Distribution normale..............................................................................................44 4.5.2 .Distribution uniforme............................................................................................44 4.5.3 .Distribution Log-Normale.....................................................................................45

4.5.4 .Quest ce quune Analyse Monte-Carlo ?.............................................................47 4.6. Les rsistances daccs.49

4.6.1. La famille Rpolys...49 4.6.2. La famille Rpolyn/Rpolyp......50 4.6.3. La famille Rpolyh...51 5. Comparaison des rsultats .......52 5.1. RNPO.............53 5.2. RNPORPO.............53 5.3. RPPORPO..................54 5.4. RHIPORPO......54 5.5. RPODRPO.......55 6. Etude des benchs ..........55 6.1. Temprature dc.........56 6.2. La capacit parasite...........57 6.3. IV_dc .......58 6.4. Raccess_ac.59 7. Conclusion ........... 59

CHAPITRE 4 : Les capacits de la technologie CMOS065nm et vrification de la validit de la mthode propose sur la technologie B7rf..........................................................................60

1 .Introduction.........................................................................................................................61 2 .Le modle de la capacit Cplate... .................................................61

Sommaire

2.1. Nomenclature du modle ............................................................................................61 2.2. Le schma quivalent de la capacit ...............62 2.3. Les paramtres de premier ordre extraire.................................................................62 2.3.1 .Ca et Cf0.......................................................................62 2.3.2 .Modle statistique.........................................................................63 2.4. Comparaison des rsultats de simulation avec celle du modle .............................64 2.4.1 .Cm1mx.................................................................................................................64 2.4.2 .Cmxmx.................................................................................................................64 2.4.3 .Cmxmz.................................................................................................................65 2.4.4 .Cmxmt..................................................................................................................65 3 .Autres modles de capacits de la technologie Cmos065..........................................65 3.1. Modle de la capacit Cstrip.......................................................................65 3.2. Modle de la capacit Cfringe.....................................................................................65 3.3. Cmetal..............................................................................................65 4 .Etude des benchs ...... . 66 4.1. IV_dc ......66 4.2. Cap_ac .......66 4.3. Raccess_ac .......67 4.4. Temprature..........68 5. Vrification de la mthode propose sur la technologie B7rf.......68 5.1. Les rsistors de la technologie B7rf.......68 5.1.1 .Les paramtres de temprature des rsistors de la technologie B7rf.....................68 5.1.2 .Les paramtres de divergence....................69 5.1.3 .Les paramtres de la capacit parasite.......................69 5.1.4 .Les rsistances daccs .....................70 5.2. Les capacits de la technologie B7rf.............71 6. Comparaison des rsultats entre deux versions de la technologie CMOS065 :5.1/5.2..71 7. Conclusion......71

Conclusion gnrale.....................................................................................................................73 Bibliographie....................................................................................................................74 Annexes.............................................................................................................................77

Liste des Figures

Liste des Figures

CHAPITRE 1 : Prsentation de STMicroelectronics et de lquipe Design Kit .......................6

Figure 1. 1 : Infrastructure globale de ST... 5 Figure 1. 2 : Organisation de ST Tunis... 6 Figure 1. 3: Schma de rpartition des tches dans l'quipe Design Kit... 8

CHAPITRE 2 : Etudes Thoriques..............................................................................................25

Figure 2. 1: Structure d'une rsistance MOS 12 Figure 2. 2:Dessin d'une rsistance en serpentin.. 13 Figure 2. 3 : Dessin d'une rsistance modulaire 14 Figure 2. 4: Annulation de l'effet thermolectrique 15 Figure 2. 5: Modle RC distribu d'une rsistance intgre 16 Figure 2. 6: Rponse en frquence d'un diple RCD normalise 16 Figure 2. 7: Structure d'une rsistance diffuse 18 Figure 2. 8: Structure d'une rsistance de caisson 18 Figure 2. 9: Structure d'une rsistance silicium polycristalline 19 Figure 2. 10: Structure des rsistances silicium polycristallines isolation de substrat renforce... 19 Figure 2. 11: Structure d'une rsistance mtallique. 20 Figure 2. 12:Structure d'un condensateur intgr 21 Figure 2. 13: Dessins d'une capacit unitaire 22 Figure 2. 14: Capacits parasites structurelles et symbole d'un condensateur intgr. 23 Figure 2. 15: Connexion anti-parallle et anti-srie de deux condensateurs 24 Figure 2. 16: Structure d'un condensateur poly-diffusion 25 Figure 2. 17: Structure d'un condensateur poly-poly 26 Figure 2. 18: Structure d'un condensateur mtal-poly 26 Figure 2. 19: Structures d'un condensateur MIM 27 Figure 2. 20: Structure des quatre condensateurs MOS (substrat de type P) 28

CHAPITRE 3 : Les rsistors de la technologie CMOS065nm..................................................25

Figure 3. 1: Section dun rsistor polycristallin .....................................................................31 Figure 3. 2: Schma quivalent dun rsistor de type Poly ...................................................32 Figure 3. 3: Schma quivalent dun rsistor de type OD (actif)...........................................32 Figure 3. 4: Schma quivalent dun rsistor de type non silicur, OD (actif).......................33 Figure 3. 5: Layout dun rsistor silicur...............................................................................35 Figure 3. 6: Layout dun rsistor non silicur........................................................................35 Figure 3. 7: Planche permettant lextraction des paramtres de temprature dun rsistor de type RNPO...........................................................................................................................36 Figure 3. 8: Rsultat de la simulation pour lextraction des paramtres de temprature dun rsistor de type RNPO pour un cas typique...........................................................................37 Figure 3. 9: Planche permettant lextraction des paramtres de tension dun rsistor de type RNPO...................................................................................................................................39

Liste des Figures

Figure 3. 10: Les rsistances et les capacits parasites dans un rsistor .................................39 Figure 3. 11: Planche permettant lextraction des paramtres cap et cfp dun rsistor de type RNPO...................................................................................................................................41 Figure 3. 12: La densit spectrale du bruit en fonction de la frquence pour un rsistor de type RNPO (W=0.24m, L=20m, V=1V)...................................................................................43 Figure 3. 13: Planche permettant lextraction les paramtres de bruit pour un rsistor de type RNPO ((W=0.24m, L=5m, V=1V) ...................................................................................43 Figure 3. 14: Proprits de la source de bruit. .......................................................................44 Figure 3. 15: Loi de distribution normale (gaussienne), uniforme et log-normale. .................45 Figure 3. 16: Planche permettant lextraction des deux paramtres de divergence dun rsistor RNPO (W=0.24m, L=5m) ................................................................................................47 Figure 3. 17: Rsultat de lanalyse Monte Carlo pour un rsistor de type RNPO (W=0.24m, L=5m) ................................................................................................................................48 Figure 3. 18: Planche permettant lextraction des rsistances daccs pour un rsistor de la famille Rpolys ......................................................................................................................49 Figure 3. 19: proprits dun rsistor de la famille Rpolys ....................................................50 Figure 3. 21: Planche permettant lextraction des rsistances daccs pour un rsistor de la famille Rpolyh......................................................................................................................52 Figure 3. 22: Rsultat de la simulation dun rsistor de la famille Rpolyh .............................52 Figure 3. 23: Bench validant la temprature dun rsistor de la technologie CMOS065nm....56 Figure 3. 24: Comparaison des simulations du bench validant le comportement dun rsistor vis--vis de la temprature. ...................................................................................................56 Figure 3. 25: Bench validant la prsence de la capacit parasite dans un rsistor de la technologie CMOS065nm. ...................................................................................................57 Figure 3. 26: Comparaison des simulations du bench validant la capacit parasite ................57 Figure 3. 27: Bench validant le comportement DC dun rsistor de la technologie CMOS065nm. ......................................................................................................................58 Figure 3. 28: Comparaison des simulations du bench validant le comportement DC .............58 Figure 3. 29: Comparaison des simulations du bench validant les rsistances daccs ...........59

CHAPITRE 4 : Les capacits de la technologie CMOS065nm.................................................25

Figure 4. 1: Vue de ct dune capacit CSTRIP ..................................................................62 Figure 4. 2: schma quivalent dune capacit CSTRIP ........................................................62 Figure 4. 3: Rsultat de lanalyse Monte-Carlo dune capacit Cplate...................................64 Figure 4. 4: Planche permettant lextraction des paramtres dune capacit Cplate................64 Figure 4. 5 : Bench validant le comportement DC dune capacit de la technologie CMOS065nm. ......................................................................................................................66 Figure 4. 6 : Bench validant leffet capacitif dans une capacit de la technologie CMOS065nm. ......................................................................................................................67 Figure 4. 7 : Comparaison des simulations du bench validant le comportement capacitif pour une capacit Cstrip. ..............................................................................................................67 Figure 4. 8: Comparaison des simulations du bench validant le comportement dune capacit vis--vis de la temprature. ...................................................................................................68 Figure 4. 9: Rsultat de la simulation pour lextraction des paramtres de temprature dun rsistor de type RPO1SAM...................................................................................................69 Figure 4. 10:Autre faon dextraction des paramtres de premier ordre en CMOS065nm en agissant sur les paramtres gomtriques du rsistor. ............................................................69 Figure 4. 11 : planche permettant lextraction des paramtres de la capacit parasite en B7rf (la mme quen CMOS065)..................................................................................................70

Liste des Figures

Figure 4. 12 : Rsultat de la simulation dune planche permettant lextraction des rsistances daccs dun rsistor de type Rpolyn en CMOS065 version 5.2 ............................................71

Liste des Tableaux

Liste des Tableaux

CHAPITRE 3 : Les rsistors de la technologie CMOS065nm..................................................25

Tableau 3. 1: Tous les modles valables dans la technologie Cmos065 .................................31 Tableau 3. 2: Les paramtres de premier ordre dun rsistor de type RNPO..........................53 Tableau 3. 3: Les paramtres de premier ordre dun rsistor de type RNPORPO...................54 Tableau 3. 4: Les paramtres de premier ordre dun rsistor de type RPPORPO. ..................54 Tableau 3. 5: Les paramtres de premier ordre dun rsistor de type RHIPORPO. ................55 Tableau 3. 6: Les paramtres de premier ordre dun rsistor de type RPODRPO...................55

CHAPITRE 4 : Les capacits de la technologie CMOS065nm.................................................25

Tableau 4. 1: Les diffrents modles de la capacit Cplate....................................................62 Tableau 4. 2: Les paramtres de premier ordre dune capacit Cm1mx. ................................64 Tableau 4. 3: Les paramtres de premier ordre dune capacit Cmxmx. ................................64 Tableau 4. 4: Les paramtres de premier ordre dune capacit Cmxmz. ................................65 Tableau 4. 5: Les paramtres de premier ordre dune capacit Cmxmt. .................................65

Introduction Gnrale

1

Introduction Gnrale

est maintenant un lieu commun que de dire que la microlectronique a pntr pratiquement tous les secteurs de lactivit conomique et industrielle et que, directement ou non, elle a un impact important sur notre vcu au quotidien. Et pourtant, nous sommes trs loin dexploiter lensemble des possibilits offertes par la technologie des circuits intgrs, surtout si lon considre la dynamique de progrs de ce domaine. A ce jour, la prsence la plus visible de la microlectronique se situe au niveau des applications bureautiques (PC et priphriques associs, portables, assistants PDA), des transports (notamment automobile, systmes de navigation GPS), des biens de consommation audiovisuels et multimdia (TV, magntoscopes, camra scopes, appareils photo numriques, chaines hi-fi, walkman, tlphonie cellulaire), de la montique (cartes puces), de la domotique (alarmes). Mais les circuits intgrs sont aussi des constituants essentiels dun grand nombre de systmes

dans lesquels ils sont enfouis : appareillages mdicaux ou de mesures scientifiques, automatismes et robots industriels, systmes militaires, aronautique et spatial, vido

surveillance, etc.

En fait, la miniaturisation des technologies permettant de rduire les couts de fabrication et lencombrement des fonctions raliss, tout en accroissant leurs performances, de nouvelles

applications deviennent envisageables et il est possible dembarquer de plus en plus dintelligence. La ralisation de systmes fortement intgrs, fiables et performants, nest pas

sans poser des difficults dordres multiples, en particulier au niveau de la conception. Outre la complexit de chaque sous-ensemble homogne, il faut notamment prendre en compte les possibilits dinteraction entre les fonctions ou blocs constitutifs et faire en sorte quelles

nengendrent pas des dysfonctionnements plus ou moins alatoires. Cela implique que des mthodes rigoureuses de travail aient t mises en place et que les quipes de concepteurs

disposent doutils puissants pour simuler efficacement les circuits en question. Cela implique galement que les dispositifs actifs et passifs et lensemble des phnomnes parasites susceptibles de se produire dans un circuit intgr soient fidlement reprsents par un jeu ou

C

Introduction Gnrale

2

systme dquations, ou bien mme par des tables de valeurs. Cette dmarche gnrale qui

consiste traduire la ralit des phnomnes sous forme dentits mathmatiques sappelle la modlisation.

En pratique il existe diffrents niveaux de modlisation, car un modle unique ne saurait rpondre de faon optimale lensemble des besoins. Par exemple pour mettre au point un nouveau dispositif ou une technologie ou pour tudier de faon approfondie un phnomne

susceptible de se produire, il est indispensable que les effets physiques soient parfaitement pris en compte. Ainsi si lon veut tre prdictif, c'est--dire avoir la capacit dtablir avec

prcision les caractristiques lectriques dun dispositif que lon na pas encore ralis, il faut utiliser un modle dit numrique qui consiste reprsenter la ralit par des systmes dquations aux drives partielles. La rsolution de ceux-ci tant longues, il est clair que ce type de modle nest pas adapt au cas de circuits comprenant un grand nombre de

dispositifs, mais ceux-ci ont dj tous t raliss et tudis auparavant. Ils ont donc individuellement un comportement qui est parfaitement connu et que lon peut modliser de

faon trs simplifie en ne gardant que les phnomnes dintrt pour lobjectif vis.

Cest dans ce cadre gnral que sinscrit notre projet intitul Conception des schmas lectriques permettant lextraction des paramtres de premier ordre des composants microlectroniques.

Le prsent rapport synthtise tout le travail que nous avons effectu et il sarticule en quatre chapitres. Le premier chapitre dcrit lenvironnement de travail et le contexte gnral

du projet. Dans le deuxime chapitre, on introduit des notions de base indispensables pour la modlisation des composants microlectroniques. Dans le troisime chapitre, nous mettons laccent sur les rsistors de la technologie CMOS065nm. Nous prsentons les diffrentes mthodes dextraction des paramtres de premier ordre pour ces composants ainsi que les

planches lectriques permettant de le faire. Enfin dans le quatrime chapitre, on effectue le mme travail ralis dans le chapitre

prcdent pour les capacits de la technologie CMOS065nm et on vrifie que la mthode propose est valable pour certains types de rsistors et de capacits de la technologie B7rf.

3

Chapitre1

P rsentation de STM icroelectronics

et

de lquipe D esign K it

Objectifs :

prsenter l'organisme d'accueil. prsenter l'quipe qui accueille le projet. prsenter le projet raliser.

Chapitre1 Prsentation de STMicroelectronics et de lquipe Design Kit

4

Chapitre 1 Prsentation de STMicroelectronics et de lquipe Design Kit

1.Introduction

ette premire partie prsente dune manire gnrale le prsent document et le projet que nous avons ralis. Nous commenons par prsenter l'organisme d'accueil et en particulier le site ST Tunis. Puis nous donnons une ide sur la division et l'quipe qui accueillent le projet. Ensuite, nous prsentons le projet raliser et enfin, nous donnons un aperu sur l'organisation de ce document.

2.Prsentation de STMicroelectronics 2.1 .ST l'chelle internationale

La socit STMicroelectronics est un fabricant mondial de semi-conducteurs. La socit

conoit, dveloppe, fabrique et commercialise une vaste gamme de circuits intgrs et de composants discrets utiliss dans de nombreuses applications microlectroniques: les tlcommunications, les produits grand public, les applications industrielles ainsi que les

systmes de contrle. Le Groupe ST est n en juin 1987 suite au regroupement de Thomson Semiconducteurs (France) et de SGS Microelectronica (Italie). Depuis cette date, la socit a considrablement tendu et enrichi sa gamme de produits et de technologies et renforc son rseau de distribution et de fabrication en Europe, en Afrique, en Amrique du nord, au Japon et dans la rgion Asie-Pacifique. Depuis dcembre 1994, la compagnie a t place sur la bourse des valeurs de New York (NYSE : STM), sur la bourse de Paris, et depuis juin 1998 sur celle de Milan.

En 2006, STMicroelectronics a t classe la cinquime plus grande compagnie de semi-conducteurs dans le monde, avec une progression qui montre l'expansion rapide de la

compagnie. En fait, STMicroelectronics offre une gamme tendue de produits diversifis et dveloppe les meilleures mthodes de conception et processus de fabrication. D'ailleurs, ST a

C


5

cre des alliances stratgiques avec les clients, les fournisseurs, et avec d'autres fabricants de

semi-conducteurs afin d'amliorer ses comptences et de crer une complmentarit efficace. ST a maintenant plus de 1500 clients parmi lesquels Alcatel, Bosch, Daimler Chrysler, Ford, Gemplus, Hewlett-Packard, IBM, Motorola, Nokia, Nortel Networks, Philips, Seagate Technology, Siemens, Sony, Thomson Multimedia et Western Digital. ST a su transformer son puissant rseau de partenaires de classe mondiale en une source de croissance exceptionnelle pour la socit. Ces partenariats incluent des alliances

stratgiques avec des clients cls, des alliances de dveloppement technologique avec des clients et dautres fabricants de semi-conducteurs, des alliances de dveloppement avec des

fournisseurs dquipements, de matires premires, de logiciels de 1CAO et de proprit intellectuelle, ainsi que des partenariats avec des universits, des instituts de recherche et des structures de recherche et de dveloppement multinationales. Aujourd'hui, ST emploie plus de 50 000 personnes, dispose de 16 centres de recherche et de dveloppement avance, 39 centres de conception et dapplications, 17 sites de production et 78 bureaux de vente dans 36 pays.

Figure 1. 1 : Infrastructure globale de ST

2.2 .ST Tunis

Le site de Tunis est lun des sites les plus diversifis de lentreprise. Refltant son rle multifonctionnel et multidisciplinaire, les familles de produits pour lesquelles le site

1 CAO : Conception assiste par ordinateur


6

dveloppe des applications logicielles renferment une gamme tendue de circuits

microlectroniques qui couvrent tous les secteurs.

Le site de Tunis peut tre qualifi comme un centre de conception et dapplication puisque son activit couvre les diffrents projets appartenant aux divisions suivantes : La division Microcontrleur La division des micros noyaux et des outils de dveloppements

La division Set Top Box

La division de conception des microcontrleurs (CMG) La division FTM: Front End Technology and Manufacturing

Figure 1. 2 : Organisation de ST Tunis

2.3 .Division FTM

Le groupe est une fusion entre les deux organisations CFM et CRD sous le nom de FTM

ou "Front-End Technology and Manufacturing". Ce groupe a pour mission de dvelopper une plateforme technologique avance offrant aux autres divisions et aux partenaires stratgiques des opportunits pour investir dans les nouvelles technologies innovatrices et les outils de conception.

2.4 .quipe Design Kit Lquipe Design Kit est charge de la mise jour continuelle du produit Design Kit en intgrant chaque fois de nouvelles technologies.


7

2.4.1 .Produit Design Kit

Le produit "Design Kit" est un logiciel qui aide les concepteurs des circuits intgrs dans

leur tche de conception en leur fournissant tous les outils lmentaires. Pour une technologie particulire telle que les technologies CMOS, BiCMOS Ce logiciel offre au concepteur un environnement complet avec les composants microlectroniques. Le travail de lquipe comprend tout le flux de vrification de ces composants et de dveloppement des outils de

vrification. Le Design Kit est un ensemble de donnes technologiques et d'outils pour la conception des

cellules et des circuits intgrs complet. Le Design Kit est spcifique une technologie donne et par consquent il existe autant de Design Kits que de technologies. L'ensemble de ces donnes peut tre class comme suit : La dfinition des couches disponibles pour le dessin.

Les composants lmentaires disponibles (dessins et symboles utiliss dans les schmas lectriques). Les paramtres lectriques de simulation. Les donnes pour la vrification des schmas lectriques et des dessins. Les donnes pour lextraction des effets parasites.

2.4.2 .Composition de lquipe Design Kit

Lquipe Design Kit a pour fonction le dveloppement et la livraison des produits Design Kit. Elle est compose de sept quipes qui sont:

Lquipe "Front End": cette quipe a pour rle de fournir les modles des composants standards tels que transistors MOS, diodes, rsistances et capacits et cest au sein de cette quipe que jai effectu mon projet de fin dtude. Lquipe "Post Layout Simulation": son rle est le dveloppement des modules pour le contrle et lextraction des parasites. Lquipe "Layout Vrification Team": sa mission est de vrifier la conformit dun layout

par rapport son schmatique (LVS) ou par rapport aux rgles (DRC) imposes par le technologue.

Lquipe "PCell Team": son rle est de fournir des librairies de gnrateurs de layout ou

pcells.

Lquipe "Design Kit Intgration": son rle est regrouper les diffrents modules fournis par

les autres activits aux diffrentes tapes de travail dans un seul package logiciel et de le


8

valider. Les membres de cette quipe sont donc les derniers oprant dans la chane de

construction dun Design Kit. Lquipe "Tools": son rle est de fournir les outils informatique et les mises jour ncessaires des produits pour les diffrentes quipes du DK. Lquipe "Multi-Specialty": pour la coordination avec les diffrentes quipes. Sa structure peut tre rsume par la figure suivante:

Figure 1. 3: Schma de rpartition des tches dans l'quipe Design Kit

3.Prsentation du Sujet Le groupe Front End de lquipe Design Kit est responsable de la conception des modles des diffrents composants microlectroniques dans les circuits intgrs.

Ainsi ma mission, tout au long de ce stage, est de concevoir des planches lectriques permettant dextraire les paramtres de premier ordre de ces composants en tenant en compte des diffrents phnomnes physiques susceptible de se produire.

Plus prcisment, il sagit de : Dterminer les paramtres de premier ordre quon doit extraire. Faire une tude thorique en cherchant comment on peut les extraire. Concevoir des schmas lectriques permettant de trouver ces paramtres.

Comparer les rsultats trouvs par simulation avec ceux disponibles dans les modles.


9

Raliser mon propre modle en introduisant les paramtres trouvs par simulation.

Comparer les rsultats de simulation des diffrents benchs permettant de valider ces composants.

Vrifier que les planches proposes sont valables pour nimporte quelle technologie.

4.Conclusion : Ce chapitre a donn loccasion de prsenter lorganisme daccueil, lenvironnement du travail savoir le produit Design Kit ainsi que lquipe qui en est responsable du projet, et les objectifs atteindre. En vue de suivre un avancement logique dans ce rapport, une tude de lexistant fera lobjet du prochain chapitre intitul Etude Thoriques.

10

Chapitre2

E tudes Thoriques

Objectifs :

Comprendre la structure des composants microlectroniques. Etudier en dtail la structure des rsistances intgres. Etudier en dtail la structure des capacits intgres.

Chapitre2 Etudes Thoriques

11

Chapitre 2

Etudes Thoriques

1. Introduction:

es performances des circuits radiofrquences dpendent des composants actifs mais

aussi de la qualit et de la prcision des composants passifs. Nous pouvons citer les rsistances, les capacits et les inductances ; ces composants tant utiliss dans les amplificateurs faible bruit et les oscillateurs contrls en tension par exemple.

Ces composants peuvent tre situs lextrieur ou intgrs sur la puce de silicium. La premire solution prsente des inconvnients tels quune taille et un prix plus levs mais

galement de moindres performances. Il ya donc depuis une dcennie de nombreux efforts pour rendre possible la seconde approche. Avant de rentrer dans le vif du sujet, une prsentation thorique servira dintroduction afin de bien comprendre la structure des diffrents composants tudis lors de la ralisation de notre projet. Nous abordons donc dans ce chapitre ltude thorique en dtail des rsistances et des capacits intgres.

2. Modlisation des composants passifs :

La technologie silicium prsente deux inconvnients majeurs. Dune part le substrat est dissipatif et dautre part, en raison de la faible distance entre les composants raliss au sein

des couches dilectriques dposes sur le substrat et le substrat lui-mme, il existe des capacits parasites qui ont par consquents de limiter la frquence de fonctionnement [1]. Ces deux problmes reprsentent une partie de lensemble des phnomnes et des couplages qui interagissent de faon plus ou moins complexe aux seins des composants

passifs intgrs sur une puce de silicium. La comprhension et le contrle de lensemble des paramtres correspondants sont primordiaux pour loptimisation de ces composants, et pour

leur utilisation au sein de fonctions par lintermdiaire de modles lectriques fiables et ralistes.

L


12

Tout dabord on peut distinguer trois familles de composants passifs en terme de complexit

relative et leurs comprhensions, leur optimisation et enfin leur modlisation. Par ordre croissant, on citera les rsistances et les capacits, les interconnexions et enfin les

inductances, et dispositifs associs tels que les transformateurs. Pour la modlisation plusieurs techniques sont possibles. On peut utiliser des formules analytiques, des outils de simulation et la mesure hyperfrquence suivant la nature physique du paramtre que lon cherche dterminer. Par exemple, pour une inductance spirale, il est

facile de dterminer son inductance propre mais la connaissance prcise de lvolution frquentielle de son coefficient de qualit nest possible qu laide dune simulation

lectromagntique frquentielle trois dimensions ou une mesure hyperfrquence. Dans une premire partie nous dbutons par le composant rsistance. En effet, ce composant fait appel de nombreux phnomnes et prsente des couplages dont la comprhension permettra daborder plus facilement les autres dispositifs. De plus une des

proprits dans ltude des dispositifs passifs sur silicium a t le dveloppement de ce composant. Il a fait lobjet de nombreux travaux dans le milieu universitaire, et de dmonstration de faisabilit et dintgration au sein des procds technologiques industriels. La simulation apparat donc comme un outil ncessaire et primordial pour la modlisation des composants passifs. Sadaptant aux exigences de la conception de circuits en gamme centimtriques et millimtriques sur un substrat, la simulation lectromagntique a atteint une

maturit suffisante pour la modlisation de circuits planaires ou 3 dimensions.

3.Les rsistances intgres :

3.1.La structure: Une rsistance intgre passive est toujours constitue d'une zone rsistive situe entre deux contacts (figure 2.1)

.

Figure 2. 1: Structure d'une rsistance MOS


13

Quelque soit le type de matriau, pour une zone rsistive de largeur W, de longueur L, de profondeur d et de rsistivit moyenne on peut crire :

dWLR

*

*= (2.1) [1]

Si d'une part, on dfinit la "rsistance carre" par le rapport SR en dsq

=

, qui est une

caractristique technologique fonction du matriau utilis, et si d'autre part on nomme contR la

rsistance de contact, qui est galement une caractristique technologique fonction des matriaux en prsence et du dimensionnement de la prise assurant les connexions, une rsistance intgre s'exprime formellement par la relation :

SScontScont nRRWLRRR **2*2 +=+= (2.2) [1]

Le paramtre Sn correspond au nombre de carrs lmentaires ncessaire la fabrication de la

rsistance intgre.

3.2.Les dessins:

Le plus souvent, les grandeurs L et W dfinissant la rsistance sont trs diffrentes (L>> W), et pour des raisons vidente d'encombrement, on est conduit dessiner les longues rsistances sous la forme d'un serpentin (figure 2.2) ou d'un rseau de modules lmentaires (figure2.3) interconnects en srie et ventuellement partiellement en parallle. Pour le premier type de dessin, du fait de la prsence de coudes, nc tant le nombre de coudes, il faut modifier le nombre de carrs lmentaires, pratiquement en utilisant la formule empirique

)*44.0(**2 SSScont nnRRR += (2.3) [1] Il est noter que d'autres formes de coudage peuvent tre utilises et que cette technique est

rserve la ralisation de rsistances relativement peu prcises.

Figure 2. 2:Dessin d'une rsistance en serpentin

Quant au second type de dessin, il est utilis lorsqu'un appariement entre plusieurs rsistances est recherch. Dans ce cas les techniques de dessin de masque appropries (modules


14

interdigits centre gomtrique commun) seront mises en uvre. Pour obtenir des valeurs de rapport non entier, les derniers lments de l'empilage peuvent ne pas tre unitaires.

Figure 2. 3 : Dessin d'une rsistance modulaire

3.3 .Lappariement : Parmi les circuits de la microlectronique, les applications analogiques, telles que les amplificateurs, les convertisseurs de type analogique/digital et digital/analogique, occupent une place grandissante du fait de lincroyable monte en puissance des nombreux appareils audio et/ou vido. De plus, le bon fonctionnement de ces blocs de circuits analogiques peut

tre perturb par la dispersion de caractristiques lectriques observes pour des dispositifs aux dimensions identiques. De ce fait, des tudes dappariement doivent tre menes afin

dvaluer lamplitude des fluctuations lectriques, et de prendre les dispositions ncessaires au niveau de la conception des circuits. Le dsappariement est la diffrence qui apparat au niveau des paramtres lectriques entre

deux dispositifs supposs identiques et placs dans le mme environnement.

3.4. Les indices de performance :

3.4.1. Coefficient de temprature :

La variation en temprature d'une rsistance intgre provient essentiellement de la

dpendance de la mobilit des porteurs en fonction de cette dernire. Le modle physique pour la temprature, T0 tant la temprature de rfrence, est donc de la forme :

R

TTTRTRR == ))(()(

00 (2.4) [4]

A partir de la drive de R par rapport la temprature T on peut dfinir le coefficient de temprature :


15

TdTdR

RTCR R== 1 Avec [ ]2...2 +R (2.5) [4]

3.4.2. Leffet thermolectrique :

Lors de la prise de contact sur chaque module de la rsistance intgre, il y a cration d'un potentiel de contact, de valeur diffrente chaque extrmit du module du fait du gradient de

temprature. C'est l'effet thermolectrique qui correspondant une polarisation de chaque module. Ainsi, afin d'annuler cette polarisation on doit interconnecter chaque module comme indiqu sur la figure 2.4. On notera qu'une annulation complte de l'effet thermolectrique ne peut tre ralise que si la rsistance est compose d'un nombre pair de modules.

Figure 2. 4: Annulation de l'effet thermolectrique

3.4.3. Coefficient de tension

La prise en compte de l'influence lectrique des diffrents matriaux situs proximit de la zone rsistive susceptible de modifier la rsistivit est effectue par le coefficient de tension VCR tel que

).2.11)(()( 20 VVCRVVCRVRVRR ++== (2.6) [4] Le paramtre V est la tension moyenne aux bornes du dispositif considr.

3.4.4. Rponse en frquence

Indpendamment du matriau utilis, toute rsistance R, on peut associer une capacit parasite C rpartie entre le barreau rsistif et le substrat. Symboliquement, surtout pour les hautes frquences une rsistance intgre est reprsentable par le circuit RCD de la figure2.5 :


16

Figure 2. 5: Modle RC distribu d'une rsistance intgre

Elle peut donc tre formellement dcrite par la matrice admittance :

Ainsi, toute rsistance intgre prsente un caractre passe-bas avec une pente asymptotique de l'ordre de 10dB/dcade.

Figure 2. 6: Rponse en frquence d'un diple RCD normalise

Avec RC

Fd pi21

= : la frquence de coupure.

3.4.5. Prcision d'appariement et tolrance locale

Si on considre l'expression de l'cart type R, la rsistance carre Rs tant un paramtre

dpendant statistiquement des fluctuations spatiales, l'erreur dappariement entre deux rsistances identiques Ra et Rb proches l'une de l'autre est modlisable partir de l'cart type

2

2

2

22

LM

WM

WLMM LWaR ++= (2.8)

(2.7) [1]


17

Les constantes Ma, ML et MW sont des paramtres technologiques dtermins par

caractrisation et pouvant tre fournis par le fondeur.

Ainsi avec ba dRdRdR = et 222

dRbdRadR += on peut dfinir la tolrance locale

d'une rsistance R par rapport sa valeur nominale [4]

2

2

2

22

21

2)(

LM

WM

WLMM

RdRTL LWaRR ++=== (2.9) [4]

3.4.6. Lerreur de pas de grille:

Le pas de grille non nul des masques (rsolution finie de l'ordre de 0.1Lmin des transistors) introduit invitablement une erreur d'arrondi. Dans le pire cas, la largeur W tant une donne choisie multiple du pas de grille avec

)5.01(L

pdgWLRsRrealisee += (2.10) [3]

Le pas de grille (pdg) introduit sur une rsistance R une erreur relative sur chaque module

Lpdg

RRs

Lpdg

pdg 5.0)1(5.0 +


18

caisson, polarise par une source de tension "non bruite", assurant un dcouplage lectrique

par rapport au substrat. La figure2.7 reprsente une rsistance diffuse de type P. Si la technologie le permet une rsistance diffuse de type N peut tre ralise en inversant le type de tous les semi-conducteurs en prsence.

Figure 2. 7: Structure d'une rsistance diffuse

Ce type de dispositif prsente une capacit de jonction (polarise en inverse) rpartie entre le barreau rsistif et le caisson. La diffusion de la source et du drain tant un processus

relativement bien contrl, une prcision absolue de l'ordre de 10% est ralisable pour des

valeurs de RS de quelques dizaines Sq/ . Les coefficients de temprature sont de l'ordre de

quelques centaines de Cppm o/ et les coefficients de tension de l'ordre de quelques centaines

de Vppm / .

3.5.2. Les rsistances de caisson

En utilisant la zone faiblement dope du caisson d'isolation des transistors P ou N, il est

possible d'obtenir des rsistances de fortes valeurs ( SqKqqs /. ). La zone rsistive tant directement couple lectriquement au substrat (figure2.8), ce type de rsistance est trs sensible au bruit de substrat et son utilisation est pratiquement limite au traitement des signaux lectriques statiques. En termes d'indices de performance, par rapport la rsistance diffuse, elle est nettement plus mauvaise avec une prcision absolue de l'ordre de 50% un TCR de quelques 1000ppm/C et un VCR de quelques 10000ppm/V.

Figure 2. 8: Structure d'une rsistance de caisson


19

3.5.3. Les rsistances silicium polycristallin

Une rsistance silicium polycristallin est lectriquement isole du reste du circuit par un

champ d'oxyde pais (figure 2.9), la capacit parasite rpartie entre le barreau de silicium et le substrat est ainsi trs faible. Elle peut tre ralise partir du matriau de grille des transistors pour les filires technologiques un seul niveau de silicium polycristallin (poly 1) ou le deuxime niveau d'interconnexion pour les filires deux niveaux (poly 2). Pour obtenir des valeurs de rsistance leves ( sqqqs /1000. ) la phase technologique de silicidation doit tre bloque. Certaines filires technologiques, spcifiquement analogiques, disposent d'un

troisime niveau (poly H) permettant la fabrication de rsistances haute rsistivit ( sqqqs /1000. ). [4]

Un renforcement de l'isolation par rapport au substrat peut tre obtenu par la formation d'un cran partir d'un caisson ou de la seconde zone cristalline (figure2.9). On peut noter que dans ce dernier cas, la structure obtenue est trs proche de la ligne RCD et que si la rsistance

utile est la rsistance poly 1, un blindage contre les effets extrieurs au circuit est ralis. Les rsistances polysilicium sont caractrises par une prcision absolue de l'ordre de

quelques10%, un coefficient de temprature de l'ordre de quelques centaines de Cppm o/ et

un coefficient de tension de l'ordre de quelques centaines de Vppm / . Les indices de

performances de la rsistance poly H, technologiquement moins bien contrls, sont gnralement infrieurs ceux des rsistances poly 1 et poly 2.

Figure 2. 9: Structure d'une rsistance silicium polycristalline

Figure 2. 10: Structure des rsistances silicium polycristallines isolation de substrat renforce


20

3.5.4. Les rsistances mtalliques

Les rsistances mtalliques sont d'un usage trs particulier puisquelles sont caractrises

par une rsistance carre trs faible ( sqmRS /50 ). Ne permettant que la ralisation de trs faibles rsistances ( .qqs ) elles sont principalement utilises pour la gnration des diviseurs de tension partir d'une chelle rsistive (figure2.11), rencontrs en conversion analogique-numrique rapide.

Figure 2. 11: Structure d'une rsistance mtallique


21

4. Les condensateurs intgrs : 4.1. La structure:

Un condensateur intgr est toujours constitu de deux zones conductrices (les lectrodes ou armatures) spares par un isolant (le dilectrique en oxyde) (figure 2.12).

Figure 2. 12:Structure d'un condensateur intgr

Pour des zones conductrices de largeur W, la capacit a pour valeur :

LWt

Cox

ox..

= (2.11) [2]

Le rapport ox

ox

t

tant un paramtre technologique ( ox : permittivit de loxyde), la valeur de

la capacit est directement fixe par le concepteur partir du dimensionnement de la

surface LW . .

4.2. Les dessins :

Indpendamment de la technique de fabrication, la valeur d'une capacit d'aire donne

LWA .= est sensible aux fluctuations alatoires priphriques, elle est donc entache d'une

erreur relative telle que

WAW

AWLWLCdC 11111)( +=

+ (2.12) [5]

Par annulation de la drive, on constate que cette erreur peut tre minimise avec LW = ,

c'est--dire si le condensateur est carr.

D'autre part, pour minimiser l'erreur d'appariement, les condensateurs intgrs sont constitus de condensateurs unitaires (Cunit) interconnects par aboutement ou par prise de contact sur l'armature suprieure. On arrive ainsi aux quatre dessins types de la figure2.13. On notera la prsence d'ergots situs sur les cots des condensateurs pour compenser les ventuelles dfauts d'alignement des masques. Il a t montr que la prsence d'angles sur le dessin est un facteur aggravant pour l'erreur dappariement, la coupure 45des angles de la structure c, non admise dans certaines filires technologiques, amliore lgrement la prcision en


22

"arrondissant" les angles de la structure b, alors que la structure d, dite structure "sans coin"

pour laquelle les angles ne sont pas dfinis par lithographie, est susceptible la rduire d'un facteur de l'ordre de deux. [5]

Figure 2. 13: Dessins d'une capacit unitaire a: pour connexion par aboutement b: pour connexion par prise de contact sur le dessus c: haute prcision coins coups d: trs haute prcision sans coin

4.3. Les indices de performance: 4.3.1. Capacits parasites structurelles :

Indpendamment de la technique de fabrication, comme l'indique le schma de la

figure2.14, tous les condensateurs intgrs prsentent par rapport au substrat un jeu de capacits parasites structurelles. La capacit la plus grande, Cpb, est situe entre l'armature basse et le substrat. L'lectrode basse devant tre isole lectriquement du substrat. Typiquement elle est de l'ordre de C/5 C/20 selon la technique de fabrication. La seconde capacit Cph a pour origine dventuel recouvrement entre l'armature suprieure et le substrat. Elle est typiquement d'un ordre de grandeur plus petite que Cpb.

A ces capacits structurelles intrinsques, il convient d'ajouter les capacits parasites extrinsques dues aux lignes de connexion reliant le condensateur intgr au reste du circuit. Sa valeur, est dpendante de l'application. De part ses capacits parasites structurelles, un condensateur intgr est fortement dissymtrique, il est donc important de veiller son sens de connexion. Pour ce faire, au niveau du symbolisme, l'usage est de diffrentier les deux

armatures.


23

Figure 2. 14: Capacits parasites structurelles et symbole d'un condensateur intgr

4.3.2. Coefficient de temprature Le coefficient de temprature TCR d'un condensateur intgr a principalement pour

origine :

La dilatation de la surface des armatures.

La dpendance de ox avec la temprature.

La dpendance des charges d'espace avec la temprature. Il est gnralement faible puisque de l'ordre de 10ppm C [6] et de ce fait gnralement nglig. Formellement, il est pris en compte en crivant :

)).(1)(()( 00 TTTCCTCTCC +== (2.13) [4] 4.3.3. Coefficient de tension :

Par influence lectrique, il peut y avoir une modification des charges aux interfaces du

dilectrique. Cette dpendance aux conditions de polarisation peut tre prise en compte par le coefficient de tension VCC tel que :

)..1)(()( 2210 VVCCVVCCVCVCC ++== (2.14) [4] Le paramtre V est la tension moyenne aux bornes du dispositif. Le coefficient de tension du

second ordre VCC2 traduit ventuellement la non linarit du phnomne. Dans des

applications trs hautes performances (en filtrage et en conversion) il est possible de limiter l'influence de cette non linarit par une connexion antiparallle de deux condensateurs [4], toutefois cette technique l'inconvnient d'augmenter significativement les capacits parasites

structurelles (figure 2.15) en les symtrisant. On peut toutefois noter que cette symtrisation a l'avantage d'quilibrer lectriquement la structure. Cette potentialit peut tre mise profit

lors de la conception des dispositifs analogiques traitant le signal analogique sous forme

diffrentielle. Une autre technique consiste effectuer une connexion anti-srie (tte bche) de deux condensateurs [13]. La linarit du dispositif est nettement amliore, mais la surface capacitive correspondante est double et une perte de prcision est introduite par les deux

capacits parasites structurelles hautes.


24

Figure 2. 15: Connexion anti-parallle et anti-srie de deux condensateurs

4.3.4. Rsistances parasites sries Invitablement tout condensateur intgr, on peut associer une rsistance parasite en

srie avec la capacit, dpendante de la technique de ralisation. Cette rsistance,

gnralement faible puisque de l'ordre de qqs /sq pour le polysilicium salicid et qqs 10

/sq pour la diffusion, n'est rellement considrer que pour la ralisation de certaines

fonctions analogiques temps continu hautes frquences. Il est noter que du fait de la trs

bonne qualit des oxydes, on considre que la rsistance de fuite est trs grande, le coefficient de qualit du condensateur est ainsi infini.

4.4. Les diffrents types de condensateurs : Dans une technologie CMOS standard modifie, selon les matriaux utiliss, on peut disposer de :

condensateurs poly-diffusion.

condensateurs poly-poly.

condensateurs mtal-poly. condensateurs mtal-mtal.

A ces quatre types on peut adjoindre les condensateurs standards MOS.

4.4.1.Les condensateurs poly-diffusion (condensateur MOS non standard) : Cette structure est obtenue par un dpt d'oxyde sur une rgion fortement dope implante

dans le substrat (figure 2.16). Cette zone fort dopage, ncessite l'utilisation d'un masque supplmentaire "non standard" puisque son implantation ne peut tre ralise au travers de la

couche polycristalline qui sert de masque pour l'implantation des zones faiblement dopes dans une filire auto aligne. D'autre part, la croissance de l'oxyde tant plus rapide sur zone

fortement dope, son paisseur est suprieure celle de l'isolant de grille du transistor MOS.


25

Les valeurs de capacits sont de l'ordre de quelques 2/ mfF pour des prcisions absolues de 10 20%. Fonctionnellement parlant, l'expression formelle de la capacit totale entre les deux lectrodes est :

CspCsdCoxC1111

++= (2.15) [2]

La capacit Csd tant due la charge d'espace situe l'interface isolant-diffusion, et la capacit Csp tant due la charge d'espace situe l'interface isolant-poly silicium. Les deux

zones de charge d'espace, modules en tension, tant physiquement de nature diffrente, il n'y a pas de compensation [6] (lorsqu'une zone est en accumulation, l'autre est en appauvrissement du fait des polarits opposes sur les deux armatures). Les condensateurs poly-diffusion sont gnralement moins linaires que les autres types de condensateur. Ils sont

caractriss par des coefficients de tension VppmqqsVCC /1001 et 2/101 VppmqqsVCC ,

et un coefficient de temprature CppmqqsTCC /10 . De part sa simplicit en terme de

nombre de masques supplmentaires, cette structure est la plus courante et la moins coteuse.

Figure 2. 16: Structure d'un condensateur poly-diffusion

4.4.2.Les condensateurs poly-poly : Pour les filires deux niveaux de silicium polycristallin un condensateur peut tre

partir d'une croissance d'oxyde sur le poly 1 (figure 2.17). Du fait de ce type de croissance cet oxyde est de moins bonne qualit que l'oxyde de grille. Typiquement les valeurs de capacits

sont de l'ordre de 2/1 mFf . Les deux zones de charge d'espace situes aux interfaces poly1-isolant et poly2-isolant tant de mme nature, ce type de condensateur est gnralement plus linaire que le condensateur poly-diffusion. Quant au coefficient de temprature, il est du mme ordre de grandeur. Toutefois, ncessitant un jeu de masques supplmentaire pour la ralisation du second poly, en termes de cot de production les condensateurs poly-poly sont moins performants que les condensateurs poly-diffusion.


26

Figure 2. 17: Structure d'un condensateur poly-poly

4.4.3. Les condensateurs mtal-poly Pour les filires un niveau de silicium polycristallin, le mtal peut tre substitu au poly

2 (figure 2.18). Cette structure est plus linaire que les prcdentes ( VppmqqsVCC /.1 ) mais plus chre, parce que ncessitant plus de masques et tant moins dense avec des valeurs

de capacits de l'ordre de 2/5.0 mfF .

Figure 2. 18: Structure d'un condensateur mtal-poly

4.4.4. Les condensateurs mtal-mtal (condensateurs MIM) : Toutes les zones conductrices pouvant tre utilises pour la fabrication d'un condensateur, une filire plusieurs niveaux de mtal peut fournir des condensateurs MIM (Mtal-Isolant-Mtal). Ainsi, si on considre le schma de la figure 2.19, partir de trois niveaux de mtal on peut synthtiser diffrentes structures, avec des densits de capacit et des capacits parasites

Cpb diffrentes. Les capacits entre les diffrents niveaux de mtal pour une filire courante

sont de l'ordre de 2/04.0 mfF . Elles peuvent tre de l'ordre de 2/4.0 mfF pour certaines filires "analogiques". En gnrale, les condensateurs MIM sont caractris par une faible densit d'intgration, une excellente linarit, un TCR ngatif et de faibles capacits parasites structurelles, moins bien contrles que les autres condensateurs, elles conduisent des tolrances absolues>20%.


27

Figure 2. 19: Structures d'un condensateur MIM

4.4.5. Les condensateurs MOS La technique la plus simple pour fabriquer un condensateur intgr est d'utiliser directement la capacit de grille d'un transistor MOS (condensateur MOS ou condensateur d'oxyde de grille). Ce faisant on obtient un condensateur ralisable quelque soit la filire technologique, haute densit d'intgration puisque l'paisseur d'oxyde est la plus petite

offerte par une technologie, et ayant de bonnes performances en termes de prcisions puisque cette paisseur est technologiquement bien contrle. Malheureusement ces dispositifs sont

caractriss par de fortes non-linarits et leur usage est limit ou ncessite des techniques de compensation. Intrinsquement [1], toutes les filires technologiques permettent la ralisation des quatre structures de condensateur de la figure 2.20. Seules les structures poly-caisson et PMOS permettent la ralisation d'un condensateur flottant. En terme de rgime de fonctionnement, la polarisation des condensateurs poly-caisson et poly-substrat devra tre choisie pour un fonctionnement optimal en accumulation alors que la polarisation des condensateurs PMOS et NMOS la polarisation sera prfrablement choisie pour un

fonctionnement optimal en forte inversion.


28

Figure 2. 20: Structure des quatre condensateurs MOS (substrat de type P)

5. Conclusion : Dans ce chapitre, nous avons tudi les structures des diffrents types de rsistances et de capacits intgrs. Nous avons mis en vidence les diffrents effets physiques indispensables

dans la modlisation de ces composants microlectronique. Dans la suite nous allons passer la spcification et la conception des planches lectriques qui permettent dextraire les paramtres de premier ordre des rsistances et des capacits en

technologie Cmos065.

29

Chapitre3

L es R sistors de la technologie

CM O S 065nm

Objectifs :

Etudier les diffrents types de rsistors de la technologie CMOS065. Concevoir des planches permettant lextraction des paramtres de premier

ordre de ces rsistors. Comparer les simulations obtenues par le modle cr avec ces paramtres

et le modle dj existant.

Chapitre3 Les rsistors de la technologie CMOS065nm.

30

Chapitre 3

Les Rsistors de la technologie CMOS 065nm

1. Introduction:

es composants passifs, rsistances, condensateurs et ventuellement inductances sont des dispositifs essentiels pour la ralisation des circuits intgrs analogiques, puisque associs des dispositifs actifs (amplificateurs oprationnels,... .), ils permettent la synthse des diffrentes fonctions lectroniques assurant le traitement des signaux. Nous abordons dans ce chapitre, une tude dtaille des diffrents types de rsistors de la technologie CMOS065nm, ainsi que les planches (schmas) permettant lextraction des paramtres de premier ordre de ces rsistors et nous finirons par une comparaison entre les simulations obtenues par le modle cr avec ces paramtres et le modle dj existant.

2. Vue gnrale :

Tous les modles des rsistors sont en principe bass sur la physique de ces dispositifs : la gomtrie, la valeur intrinsque du rsistor, la dpendance la temprature, la dpendance la tension, le bruit (thermique et de Ficker), les capacits parasites... Ils sont dcrits laide dquations et de paramtres physiques.

Tous ces paramtres ont t utiliss avec succs pour caractriser les diffrents types de rsistors utiliss dans la technologie CMOS065nm. Il y a clairement un compromis trouver entre la complexit du modle et sa prcision. En effet, dune part le simulateur requiert des modles les plus simples possible pour ne pas augmenter les temps de simulation et dautre part le modle doit malgr tout tenir compte de tous les phnomnes importants pour obtenir des rsultats fiables.

L


31

Cette fonctionnalit principale est base sur la loi dOhms avec vrification des hypothses de

la densit de courant uniforme.

2.1. Les bornes :

Un rsistor est symtrique et possde 3 bornes : une borne Plus, une borne Minus et une borne pour le substrat (figure3.1).Il peut tre construit selon la couche dans laquelle il est fabriqu (Poly ou OD (active)), selon le type de dopage (N+ ou P+) et selon la prsence ou non dune couche de protection (silicur ou non silicur).

Figure 3. 1: Section dun rsistor polycristallin

2.2. Classification des modles :

Le tableau ci-dessous regroupe tous les modles disponibles ainsi que leurs noms :

Rsistor Modle simple (Standard)

Modle prcis

Modle haute frquence

Modle haute frquence avec dpendance de tension

Rsistor Active P+ non silicur

RPODRPO RPODRPO_ACC RPODRPO_HF RPODRPO_HFV

Rsistor poly P+ non silicur

RPPORPO RPPORPO_ACC RPPORPO_HF RPPORPO_HFV

Rsistor poly N+ non silicur

RNPORPO RNPORPO_ACC RNPORPO_HF RNPORPO_HFV

Rsistor poly N+ silicur

RNPO RNPO _ACC RNPO _HF RNPO _HFV

Rsistor (HIPO) non silicur

RHIPORPO RHIPORPO_ACC RHIPORPO_HF RHIPORPO_HFV

Tableau 3. 1: Tous les modles valables dans la technologie Cmos065

2.3. Les schmas quivalents:

On constate partir de la figure3.1 que le rsistor de la technologie CMOS065nm est symtrique. Pour tenir compte de cette symtrie, les tensions des deux bornes Plus (VP) et


32

Minus (VM) ont comme rfrence le substrat. Cette symtrie se reflte directement dans les quations du modle. La partie intrinsque du rsistor doit tre complte par tous les lments parasites formants la partie extrinsque et constitue essentiellement des lments suivants :

- Les diodes associes aux jonctions de Plus et Minus. - Les rsistances daccs du ct Minus et Plus qui reprsentent des sources de bruit

thermique.

- Les capacits intrinsques qui sont simplement obtenues en drivant les expressions des charges : C1= -Qplus/Vplus et C2=-QMinus/VMinus

2.3.1. Schma quivalent dun rsistor de type Poly :

Le modle du rsistor calcule les rsistances du corps et des ttes (Rbody et Rhead) :

Figure 3. 2: Schma quivalent dun rsistor de type Poly Avec :

Rhead : la rsistance dune tte. Sa valeur dpend du contact et de la silicidation de la

tte.

Rbody : la rsistance du corps du rsistor. Cest la rsistance intrinsque entre les

bornes Minus /Plus sans les ttes. C1 : la capacit parasite entre la borne Plus et le substrat. C2 : la capacit parasite entre la borne Minus et le substrat

2.3.2.Schma quivalent dun rsistor de type OD (actif) :

Le modle du rsistor calcule les rsistances du corps et des ttes (figure3.3):

Figure 3. 3: Schma quivalent dun rsistor de type OD (actif)


33

Avec : D1 : la diode parasite entre la borne Plus et le substrat (P+/Nwell). D2 : la diode parasite entre la borne Minus et le substrat (P+/Nwell).

2.3.3. Schma quivalent dtaill dun rsistor de type non silicur , OD (actif):

Comme cest indiqu la figure3.4, les rsistances daccs la borne Plus et Minus se

composent essentiellement de la mise en srie des rsistances Rhi, Rhs, Rsc.

Figure 3. 4: Schma quivalent dun rsistor de type non silicur, OD (actif)

Avec :

Rhi : la rsistance dinterface entre la tte et le corps (partie silicure et non silicure). Rhs : la rsistance de la partie silicure de la tte. Rsc : la rsistance de contact.

3. Modles de calcul : La valeur de la rsistance est calcule en utilisant lexpression :

WLR

WL

ttWLR S =

=

=

(3.1)

Avec : R : la rsistance (). : la rsistivit du mtal (-m). L : la longueur du mtal (m). W : la largeur du mtal (m). t : lpaisseur du mtal (m). Rs : la rsistance carre en (/carr).

3.1.La rsistance nominale:

Indpendamment de son type, on calcule la rsistance nominale d'un module partir de la relation :


34

)2.3(22

21

21

222WW

RhiLLLhuRhuLLhsRhs

NcncrowsRsc

WWLLRhoR

+

+

+

+

+

+

=

Avec : Rho : est la rsistance carre du corps en (/carr). Rhi : est une rsistance additionnelle de terminaison. Rsc : la rsistance de contact.

Rhs : la rsistance carre de la tte. (/carr). Rhu : la rsistance carre extrinsque de la zone de contact. L : est la longueur dessine. Lhs : la longueur de la tte. (m). L : lerreur systmatique de conception sur la longueur dessine. (m). W : la largeur dessine.

W: lerreur systmatique de conception sur la largeur dessine. L1: longueur de loffset pour la protection silicium extraite dans le rsistor de type

Poly P+.

L2 : longueur de loffset dans la diffusion P+. On notera que de part l'impossibilit de placer un contact directement sur une zone faiblement dope, la zone de contact extrinsque n'est gnralement prsente que pour les rsistances

fabriques en silicium polycristallin haute rsistivit, et que la largeur dessine doit tre suffisante pour permettre la mise en place d'un contact (de l'ordre du m) et assurer la circulation du courant (de l'ordre de 1m/mA). La rsistance additionnelle Rhi permet d'obtenir une formule analytique gnrique indpendante de la nature du dispositif et des techniques de fabrication.

3.2.Le modle dun rsistor silicur :

La valeur de la rsistance est calcule en utilisant lexpression suivante :

RheadRbodyNcncrows

RscWW

LRhoR +=

+

= 22 (3.3)

Avec : Nc : nombre de contacts dans une range pour une tte (les rsistors doivent tre

dsignes par 2 ranges de contacts). ncrows : nombre de contacts de range (par dfaut 2).


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Figure 3. 5: Layout dun rsistor silicur

3.3. Le modle dun rsistor non silicur :

La valeur de la rsistance est calcule en utilisant lexpression suivante :

RheadRbodyWW

RhiLLhsRhs

NcncrowsRsc

WWLLRhoR +=

+

+

+

+

= 2222 (3.4)

Figure 3. 6: Layout dun rsistor non silicur

4. Les paramtres de premier ordre extraire : 4.1. La temprature :

La variation en temprature d'une rsistance intgre provient essentiellement de la dpendance de la mobilit des porteurs en fonction de cette dernire.

Le modle utilis pour dterminer la variation de la rsistance en fonction de la temprature est :

( )20 ).(2).(11 TrefTtcTrefTtcRR T ++= (3.5) Avec :

RT0 : la rsistance la temprature Tref=300K.

tc1 et tc2 sont les paramtres de temprature de 1er et 2me ordre quon cherche extraire.

Donc en mesurant exprimentalement la valeur de la rsistance en fonction de la temprature, on peut extraire les deux paramtres tc1 et tc2 par un simple calcul :

A T= Tref on peut dterminer la valeur de RT0. Une fois que

cette valeur est dtermine, il suffit de prendre deux points doprations : A T= 0 lquation reliant la rsistance la temprature scrit :

( )201 211 refrefT TtcTtcRR += (3.6) Avec R1 la valeur de la rsistance T= 0.

A T=2* Tref lquation reliant la rsistance la temprature scrit :


36

( )202 211 refrefT TtcTtcRR ++= (3.7) Avec R2 la valeur de la rsistance T=2* Tref

(3.6) + (3.7) => )21(.22..2.2 2020021 refTrefTT TtcRTtcRRRR +=+=+

=> ( )

0

22

.21)21(

Tref R

RRTtc

+=+

( ) 1.2

1)2(0

22

+=

Tref R

RRTtc

Ainsi on dduit que

+= 2

0

02

.2.212

refT

T

TRRRR

tc (3.8)

Pour dduire le paramtre tc1 il suffit de remplacer la valeur de tc2 T=0.

++=

0

0201

.2.2111

T

TrefT R

RRRTtcRR

++= 1

.2111

0

201

TrefT R

RRTtcRR

On trouve en fin

=

refT TRRR

tc0

12

.21 (3.9)

Pour une source de courant constante on peut crire

=

refT TVVV

tc0

12

.21 (3.10)

Avec : VT0 : la valeur de la tension au borne de la rsistance T=Tref. V2 : la valeur de la tension au borne de la rsistance T=2* Tref. V1 : la valeur de la tension au borne de la rsistance T=0.

Une variation DC de la temprature permet donc dextraire les deux paramtres tc1 et tc2.

Figure 3. 7: Planche permettant lextraction des paramtres de temprature dun rsistor de type RNPO


37

La traduction de ces quations en langage eldo est indispensable pour quun simulateur puisse

les prendre en compte. On obtient alors le rsultat de la simulation de la figure3.8 :

Figure 3. 8: Rsultat de la simulation pour lextraction des paramtres de temprature dun rsistor de type RNPO pour un cas typique

4.2.La tension :

Lors de la prise de contact sur chaque module de la rsistance, il y a cration d'un potentiel de contact, de valeur diffrente chaque extrmit du module du fait du gradient de temprature.

La prise en compte de l'influence lectrique des diffrents matriaux situs proximit de la zone rsistive susceptible de modifier la rsistivit est effectue par les coefficients de tension Vca, Vcb et Vcc.

Le modle utilis pour dterminer la variation de la rsistance en fonction de la tension est :

Avec : VPB : La tension entre la borne Plus et le substrat. VPB : La tension entre la borne Minus et le substrat.

On dsire estimer les paramtres non linaire Vca, Vcb et Vcc.

)11.3(22

)(1),(2

220

++

+++= MBPBMBPBMBPBMBPB

VVvcc

VVvcbVV

LvcaRVVR


38

Etant donn que la valeur de la tension au borne du rsistor vaut :

VPB-VMB=VPB+VBM = VPM=V

Pour une tension VMB=VPB, cest dire lorsque la tension au borne de la rsistance est nulle lquation 3.11 devient :

[ ]2..10 PBPB VvccVvcbRR ++= (3.12) Pour dterminer Vca et Vcb et en suivant le mme principe que prcdemment : il suffit de prendre deux points doprations :

Pour VPB = VPB1

[ ]211 ..101 PBPB VvccVvcbRR ++= (3.13)

Pour VPB = VPB2

[ ]222 ..102 PBPB VvccVvcbRR ++

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