PCM 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). Niveau d'abstraction élevé comportemental logique synthèse VHDL/Verilog faible electrique physique SPICE TCAD 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 P15 PCM 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 P15 PCM 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. P15 PCM 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 de l'épaisseur d'oxyde Variation du VT 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 P15 PCM 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 P15