Mise en oeuvre de la simulation mixte électronique / TCAD

MISE EN OEUVRE DE LA SIMULATION MIXTE ELECTRIQUE/TCAD
POUR DECLOISONNER L'ENSEIGNEMENT DE LA MICROELECTRONIQUE
Jean-Marc Gallière, Jérôme Boch
Pôle CNFM de Montpellier
Polytech'Montpellier, Université de Montpellier II
{galliere, boch}@polytech.univ-montp2.fr
RESUME
Dans un parcours classique d'école d'ingénieur en microélectronique, les élèves acquièrent des
compétences aussi bien en physique du composant qu'en conception analogique et numérique des circuits
intégrés. Généralement, pour illustrer ces enseignements, à chacun de ces cours est associé une série de
travaux pratiques mettant en œuvre des outils informatiques de simulation et/ou de conception. Cependant,
au cours du temps, cette approche mène à un cloisonnement des enseignements et pose subrepticement des
barrières conceptuelles dans l'esprit des élèves. Cet article propose une série de TPs où les élèves sont
amenés à associer des simulations TCAD électrique et SPICE. A l'aide de ces TPs, l'enseignant pourra
souligner l'interdépendance de ces outils mais avant tout montrer que les enseignements associés sont
fortement liés et partagent des objectifs communs.
Mots clefs - TCAD, Simulation mixte, Transistor MOS
1- INTRODUCTION
Durant la conception d'un circuit intégré, le flot de données traverse plusieurs couches logicielles.
Généralement, à chacune de ces couches logicielles est associé un niveau d'abstraction (Fig. 1). D'autres
outils logiciels permettent de passer d'une couche à une autre. Par exemple, la description d'un circuit intégré
au niveau comportemental en VHDL ou Verilog peut se retrouver au niveau de description logique après la
phase dite de synthèse. Les couches inférieures sont composées des niveaux électrique et physique. Au
niveau électrique le circuit ne comporte plus des portes logiques mais des transistors et leurs
interconnections. Au niveau physique, le transistor est maintenant considéré dans son aspect physique; nous
sommes dans l'univers du TCAD (Technology Computer Aided Design).
faible
comportemental
VHDL/Verilog
élevé
physique electrique logique
SPICE TCAD
Niveau d'abstraction
synthèse
Fig. 1: Les différents niveaux d'abstraction
Dans son domaine de spécialisation, l'ingénieur en conception de circuits intégrés utilise des outils de
simulation pour un niveau d'abstraction donné. Par exemple, l'outil de vérification fonctionnelle Modelsim
[1] fournit un environnement performant pour la simulation et la mise au point d'ASIC ou de FPGA. Cet
outil supporte plusieurs langages de description tels que le Verilog et le VHDL. Dans ce cas, ce sont les
niveaux d'abstraction "comportemental" et "logique" qui sont adressés. Pour le niveau électrique, les
principaux simulateurs sont HSPICE [2], Spectre [3] et Eldo [4]. Pour le niveau physique, deux outils
dominent le marché du TCAD. Il s'agit de Silvaco [5] et Sentaurus (ex. ISE) [6].
Toute cette hiérarchie d'outils de conception CAO conduit involontairement à un fort cloisonnement des
enseignements mais surtout empêche les élèves d'avoir une vue globale de la conception des circuits
intégrés. Pour cela, nous proposons dans ce TP de montrer aux élèves le lien qu'il existe entre la simulation
physique et électrique au travers de la simulation mixte proposé par l'outil Silvaco. Mais avant tout, l'intérêt
de cette démarche est d'impliquer dans cette séquence pédagogique des enseignants issus de chacun de ces
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deux "mondes". De cette manière, l'enseignement devient plus cohérent et par conséquence la perception
transversale des contenus par l'élève s'améliore.
2- LE SIMULATEUR COMPOSANT - TCAD
La TCAD fait référence à une suite de logiciels permettant de simuler les processus de fabrication des
composants intégrés. L'outil de calcul de cette suite (Atlas) résout des équations différentielles issues de la
physique du composant comme celles de la diffusion ou du transport pour des géométries discrètes. Deux
logiciels principaux composent généralement cette suite d'outils dédiés à la simulation composant, à savoir,
le simulateur du procédé de fabrication et le simulateur de composant. Le premier permet de simuler les
étapes d'implantation d'ions, de dépôt, de gravure, de recuit et d'oxydation. Le second permet d'extrapoler
par simulation le comportement électrique d'un composant crée comme par exemple une diode ou un
transistor. Là aussi, le composant est représenté comme une structure maillée où chaque nœud a des
propriétés qui lui sont associés telles que le type de matériau, la concentration en dopant, etc. Ainsi, pour
chaque nœud, la concentration de porteurs, le champ électrique, etc. peuvent être calculés. Les électrodes
sont représentées par des surfaces sur lesquelles les conditions aux limites sont imposées, comme par
exemple, les tensions appliquées.
Les principaux avantages des simulateurs de composants sont tout d'abord la possibilité offerte de
visualisation de phénomènes physiques difficilement accessible et donc observable. Ensuite, ils permettent
de s'approprier de manière pédagogique les procédés de fabrication. En outre, ce sont des outils industriels
dont la connaissance peut constituer pour l'élève un atout significatif lors de sa recherche d'emploi [7].
En effet, l'évolution du profil d'une structure peut être observée durant la simulation du procédé de
fabrication. Cette fonctionnalité permet une bonne illustration du cours de conception physique des circuits
intégrés. De plus, l'outil TCAD fait acquérir aux élèves des compétences sur la fabrication des circuits
intégrés sans la nécessité d'avoir à disposition une salle blanche disposant de tous les équipements idoines.
Ainsi, avec la TCAD, les élèves peuvent expérimenter et explorer l'effet d'une modification d'un paramètre
technologique sur une structure sans coût d'équipement et de consommable. Pour finir, comme un nombre
croissant de sociétés s'affranchit de la production pour se concentrer sur la conception, la simulation
composant devient incontournable; d'où la demande croissante en ingénieurs ayant une connaissance
approfondie en TCAD.
3- EXPÉRIMENTATION
Ces TPs se déroulent dans une salle équipée de seize clients légers "Sun-Ray" pilotés par un serveur Sun
UltraSPARC-III dans lequel est installée la suite Silvaco. La série de TP est découpée en cinq sessions de
quatre heures chacune. Chaque session vise deux niveaux de compétence; la création et l'implémentation de
scripts de simulation puis l'analyse et la compréhension des résultats.
Les logiciels Silvaco utilisés par les élèves sont ATHENA le simulateur de processus de fabrication et
ATLAS le simulateur de composants. Cet enseignement arrive assez tôt dans le cursus de nos élèves. Il se
déroule juste après une série de TPs [8] dédiée à la simulation électrique illustrée par le logiciel HSPICE. De
plus, avant le début de la série, une présentation interactive du logiciel est conduite par l'enseignant. Cette
séquence préparatoire met en place les pré-requis nécessaires pour la suite des TPs. Le composant utilisé
pour cette séance préalable est une diode.
Session 1: Le simulateur de procédé ATHENA est introduit. L'élève construit, pas à pas un transistor NMOS.
Durant cette session, les profils de dopage sont analysés après chaque étape du procédé de fabrication. Cette
session se termine par l'implantation du Bore nécessaire à l'ajustement de la tension de seuil du transistor
(VT).
Session 2: Toujours avec ATHENA, la session 2 poursuit la structure réalisée à la session 1 par le dépôt du
Polysilisium et se termine à la fin de la fabrication du transistor. Comme précédemment, les profils de
dopage sont analysés après chaque étape.
Session 3: Le simulateur de composant ATLAS est présenté. Ici, l'élève doit extraire la caractéristique
électrique ID=f(VG) du transistor NMOS précédemment obtenu pour différents paramètres technologiques.
Session 4: Le simulateur mixte composant/électrique est introduit. Les caractéristiques précédentes calculées
par le simulateur de composants sont comparées aux caractéristiques similaires calculées à partir du modèle
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SPICE du composant. Ensuite, l'élève bâti un inverseur CMOS mixte. Cette porte logique est construite à
partir de deux transistors MOS d'origine différente: le premier est un transistor NMOS provenant de l'outil
ATHENA de Silvaco, le second est un transistor PMOS décrit au niveau électrique (SPICE).
Session 5: Dans la dernière session, un oscillateur en anneau est conçu par les élèves avec un nombre impair
d'inverseurs. Cette structure est classiquement utilisée pour contrôler le processus de fabrication des circuits
intégrés [9]. Pour minimiser les temps de calculs, un seul transistor est issu de la TCAD, les autres seront
des modèles SPICE.
3.1 Session 1 - Définition du substrat
Le procédé de dopage est présenté aux élèves. Un puits P est créé sur un substrat initialement dopé N
(Fig. 2-a). Par l'observation de la concentration en atome de Bore, les élèves sont sensibilisés à la pertinence
de l'étape de diffusion dans le processus de dopage (Fig. 2-b). Ils ont à ajuster les paramètres de dose et
d'énergie afin d'observer le résultat sur le profil de la concentration en atome de Bore. L'objectif à atteindre
est une concentration de 10e17/cm3 en atome accepteur dans le puits P.
Pour la croissance de la couche d'oxyde de Silicium mince (SiO2), l'élève apprend à contrôler le temps et
la température d'oxydation. L'épaisseur de la couche d'oxyde est mesurée directement sur la structure (Fig.
2-c). La session se conclue par la dernière implantation de Bore assurant l'ajustement de la tension de seuil
du transistor : VT (Fig. 2-d). Les effets de la concentration seront explorés de manière électrique en session
3.
a) Silicium initialement dopé N b) puits P et diffusion
c) Oxyde mince d) Ajustement du VT
Fig. 2: Dopage du substrat et processus de diffusion avec ATHENA
3.2 Session 2 - Achèvement du transistor
Durant la première partie de la session 2, le Polysilicium est déposé puis gravé à la longueur de la grille
désirée (Fig. 3-a). Ensuite, comme le transistor élaboré est un transistor submicronique, l'élève doit
s'approprier le principe dit "Light Doped Drain" (LDD). Un dopage initial au Phosphore est opéré (Fig. 3-a).
Après quoi, le "spacer" est déposé puis gravé sur la région du drain afin de procéder au dernier dopage au
Phosphore (Fig. 3-b). Ensuite, le contact d'Aluminium est ajouté et la structure dupliquée par symétrie
verticale pour obtenir le transistor dans son ensemble (Fig. 3-c). Pour terminer, les noms des électrodes sont
ajoutés, à savoir, la grille, le drain, la source et le substrat.
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a) Dopage LDD b) "Spacer" et dopage du Drain c) Transistor NMOS terminé
Fig. 3: Etapes de réalisation du transistor avec ATHENA
3.3 Session 3 - Simulation TCAD-Electrique
Le simulateur électrique TCAD ATLAS est présenté aux élèves. Les réseaux de caractéristiques
classiques ID=f(VGS)VDS and ID=f(VDS)VGS sont calculés à partir du transistor élaboré lors de la précédente
session. Sur la Fig. 4, les élèves ont tracé la caractéristique ID=f(VGS)VD=0.1 pour différents paramètres
technologiques comme l'épaisseur d'oxyde mince ou la tension de seuil VT.
Transistor de départ
Variation du VT
Variation de l'épaisseur d'oxyde
Fig. 4: Simulation électrique avec ATLAS : variation de paramètres process
3.4 Session 4 - Simulation mixte TCAD-Electrique et SPICE-Electrique
La simulation mixte composant/électrique est présentée aux élèves. Le réseau de caractéristiques
ID=f(VDS)VGS obtenu par le simulateur TCAD ATLAS est comparé à celui calculé à partir du modèle SPICE
du transistor (Fig. 5-a). Ensuite, l'élève construit un inverseur mixte. C'est-à-dire, une porte élémentaire dont
les deux transistors complémentaires sont d'origine différente: le premier est le transistor NMOS conçu par
les élèves aux sessions 1 et 2 et le second est un transistor PMOS provenant d'une carte modèle SPICE issue
de la même technologie. La Fig. 5-b montre la fonction de transfert de l'inverseur créé Vout=f(Vin) obtenue
par la simulation mixte d'ATLAS.
a) ID=f(VDS)VGS b) Vout=f(Vin)
Fig. 5: Simulation électrique mixte avec ATLAS
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3.5 Session 5 - Simulation mixte suite
Au cours du dernier TP, les élèves ont à concevoir un oscillateur en anneau (Fig. 6-a) constitué d'un
nombre impair d'inverseurs (=3). Cette structure est classiquement utilisée pour contrôler le processus de
fabrication des "wafers". Afin de minimiser les temps de simulation, seulement un transistor provient de la
TCAD, les autres ont une description SPICE. La principale difficulté de ce genre de structure pour les
simulateurs est la nécessité de fixer les conditions initiales. Pour cela, l'élève doit composer avec la directive
de simulation .IC. Sur la Fig. 6.b, la fréquence d'oscillation obtenue peut ensuite être reliée à des paramètres
technologiques.
VDD
compact model
physical model
a) oscillateur en anneau b) signaux d'oscillation de la structure
Fig. 6: Simulation d'un oscillateur en anneau
4- CONCLUSION
Depuis plusieurs années, nous constatons un trop fort cloisonnement des enseignements de
microélectronique. Ce cloisonnement amène les élèves à percevoir une image compartimentée de la
microélectronique plutôt que de conceptualiser une vision transversale plus représentative de la réalité à
laquelle ils seront bientôt confrontés. De même, ce cloisonnement a pour effet pervers de cantonner les
enseignants dans leurs domaines de compétences. Pour cela, nous avons institué l'utilisation de la simulation
mixte afin de permettre aux élèves d'acquérir une approche plus globale des différents domaines de la
microélectronique. Mais, la principale conséquence est d'avoir obtenu, de la part d'enseignants issus de
différentes communautés, la mise en place d'objectifs pédagogiques communs. En outre, avec la simulation
mixte, les élèves mettent en œuvre un spectre plus large de compétences en simulation composant et en
simulation électrique. Nous utilisons la simulation mixte depuis maintenant deux ans. Les élèves sont très
sensibles à cette approche ainsi que les enseignants en charge des cours de conception analogique et de
physique du composant qui notent une amélioration significative de la perception des élèves dans leur
discipline respective.
6- BIBLIOGRAPHIE
[1] ModelSim : http://www.model.com/
[2] HSPICE : http://www.synopsys.com/products/mixedsignal/hspice/hspice.html
[3] Spectre : http://www.cadence.com/products/custom_ic/spectre/index.aspx
[4] Eldo : http://www.mentor.com/products/ic_nanometer_design/custom_design_simulation/eldo/
[5] Silvaco : http://www.silvaco.com/
[6] Sentaurus : http://www.synopsys.com/products/tcad/tcad.html
[7] J. Kenrow, "Integrating Professionnal TCAD Simulation Tools in Undergraduate Semiconductor Device
courses," Proceeding of the 2004 American Society for Engineering Educational Annual Conference
[8] J.-M. Gallière, "Extensive CMOS and Electrical Simulation Learning," 6th International Workshop on
Microelectronics Education, 8-9 June 2006, Stockholm, Sweden, pp. 43-46
[9] C. Landrault, "Test de Circuits et de Systèmes Intégrés," Hermes Science, Lavoisier 2004
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