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Titre de la thèse :
UNE NOUVELLE METHODOLOGIE DE CARACTERISATION DE L’INTEGRITE DU SIGNAL EN CMOS
SUBMICRONIQUE PROFOND.
Thèse de doctorat soutenue à l’INSA de Toulouse en 1998 (204 pages).
N° d’ordre : 491
Spécialité : Conception des circuits microélectroniques et microsystèmes.
Résumé :
Avec l’évolution technologique vers les petites dimensions, la multiplication des niveaux de
métallisation, la densité d’interconnexion croissante et l’augmentation des vitesses de fonctionnement,
l’intégrité du signal devient une des préoccupations majeures des concepteurs de circuits intégrés. Notre
mémoire décrit une méthodologie de caractérisation des phénomènes parasites dans les circuits CMOS
submicronique, basée principalement sur la mise au point d’un système de mesure à échantillonnage
totalement intégré sur la puce. Les premiers chapitres sont consacrés à l’étude des modèles
d’interconnexion et de transistors MOS depuis les technologies conventionnelles jusqu’au submicronique
profond, illustrés par divers résultats expérimentaux. Des motifs spécifiques de caractérisation de modèles
statiques et dynamiques sont décrits. Une méthode novatrice de mesure temporelle de signaux parasites
ultra rapides est proposée au Chapitre 4. Au fil des chapitres 5 et 6, notre système de mesure évolue vers
un motif optimisé pour la caractérisation de l’intégrité du signal, aisément adaptable et transférable à tous
types de technologies CMOS.
Mots-clé :
CMOS submicronique, couplage diaphonique, intégrité du signal, Mesure dynamique sur puce,
échantillonneur.
JURY
: :: 30 Novembre 1998 à l’INSA de Toulouse. Thèse préparée dans le Groupe d’Etude et de Recherche
en Microélectronique de l’INSA de Toulouse.
Président : M. A. MARTINEZ, Professeur à l’INSA de Toulouse
Directeur de thèse : M. E. SICARD, Maître de conférences à l’INSA de Toulouse
Rapporteurs : M. D. DESCHACHT, Directeur de recherche CNRS, Montpellier
M. F. NDAGIJIMANA, Professeur à l’ENSERG de Grenoble
M. E. GARCIA-MORENO, Professeur à l’université des îles Baléares
Examinateurs : M. A. PEYRE LAVIGNE, Dir. conception et nouvelles technologies, Motorola.
M. H. JAOUEN, TCAD Manager, ST-Microelectronics.

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: Sonia
Titre de la thèse en anglais :
A NEW METHODOLOGY FOR SIGNAL INTEGRITY CHARACTERISATION IN DEEP SUBMICRON CMOS.
Abstract :
In CMOS integrated circuits, the multiplication of metallization layers, the tremendous shift of the signal
spectrum towards ultra high frequencies along with the increased coupled surfaces cause several parasitic
effects which may jeopardize the behavior of the chip. The handling of interconnection related problems
has changed dramatically, due mainly to the increasing role of RC delays, crosstalk and inductance effects
between interconnects. At the beginning of this work, we describe the different MOS and interconnects
electrical models. Our proposal concerns a novel sensor for on-chip measurements of high frequency
parasitic signals, illustrated in chapter 4 by the measurement of power supply fluctuations. This "on-chip
oscilloscope" is optimized in chapter 5 and 6 to extract the time-domain aspect of several parasitic effects
in order to characterize signal integrity in CMOS submicron technologies.
Key Words:
CMOS submicron technology, Crosstalk, signal integrity, On-chip dynamic measurement, sampling
technique.

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Ce travail a été effectué au sein du groupe d’étude et de recherche en micro-électronique
dans le département de génie électrique et informatique de l’INSA de Toulouse. Je remercie M.
J. ERSCHLER, ancien directeur de ce département, pour ses nombreux conseils et la confiance
qu’il m’a faite à mes débuts.
Je voudrais témoigner toute ma sympathie et ma vive reconnaissance à Etienne, mon
directeur de thèse, qui a fait preuve de tant de patience et de pédagogie tout au long de ces trois
dernières années. Il a su me donner confiance en moi-même, en particulier en me permettant de
participer à de nombreuses conférences internationales et réunions techniques avec des
industriels, en relation directe avec mon sujet. Merci pour tout !
J’adresse mes sincères remerciements à M A. MARTINEZ qui me fait l’honneur de
présider mon jury, ainsi qu’à M. D. DESCHACHT, M. F. NDAGIJIMANA et M. E. GARCIA-
MORENO qui ont accepté d’être rapporteurs. Je leur en suis très reconnaissante, en particulier
pour la qualité de leurs conseils.
Consciente de l’opportunité qui m’a été donnée de travailler en collaboration avec le milieu
industriel, je tiens à exprimer toute ma gratitude à M. H. JAOUEN (ST-Microelectronics), M. A.
PEYRE LAVIGNE (MOTOROLA) et M. T. STEINCKE (SIEMENS HL), pour l’intérêt qu’ils
ont porté à mes recherches et pour m’avoir donné accès à des technologies avancées, sans
lesquelles ce travail n’aurait pu être mené à bien..
Un grand merci à Pierrot (P. SOLIGNAC), qui a réalisé les différents bancs de test
nécessaires à la mise en œuvre de notre système de mesure. Ses compétences, sa disponibilité et
sa patience m’ont rendu d’inestimables services.
Je ne peux oublier Mimi (M. ROCA) qui m’a tant soutenue en première année de thèse.
Nos confrontations parfois musclées ont fait avancer mes travaux dans la bonne voie, me forçant
constamment à remettre en question mes résultats.
Nombreux sont ceux qui m’ont supportée durant ces dernières années, je pense à tous les
membres du DGEI, Colette, Pascale, Claude, Ana, Jean-Louis, Jean-Yves, Pierre, Fofo, Bernard

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et tous les autres, la liste serait trop longue. Je remercie évidemment mes collègues de bureau,
Marc, Fafa et Chen Xi avec qui le travail en équipe à toujours été très instructif et plein de vie.
Je ne peux terminer ces remerciements sans exprimer toute ma gratitude à ma famille qui
m’a supportée, soutenue et conseillée tout au long de cette thèse, en particulier Karim, mes
parents et ma grand-mère. Comment les citer tous, ils sont tellement nombreux ! Je fais tout de
même un clin d’œil à Pierrette et Colette; elles comprendront. Je n’oublie certainement pas Séra
à qui je dois tellement de choses depuis tant d’années, et ce n’est pas fini ! Pauvre Séra !

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SOMMAIRE..............................................................................................................................................................5
INTRODUCTION......................................................................................................................................................9
CHAPITRE 1 : EVOLUTION TECHNOLOGIQUE.............................................................................................13
1.1 – LES GRANDES TENDANCES DE L’ÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE. ..................................................................13
1.2 – EVOLUTIONS DES INTERCONNEXIONS........................................................................................................15
1.3 – EVOLUTION DYNAMIQUE..........................................................................................................................19
1.4 – CONCLUSION...........................................................................................................................................22
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1 :.......................................................................................................................24
CHAPITRE 2 : MODÉLISATION DES TRANSISTORS MOS ...........................................................................25
2.1 – EVOLUTION DES MODÈLES DE TRANSISTORS MOS.....................................................................................25
2.2 - LE MODÈLE DE MOS NIVEAU 1.................................................................................................................27
2.3 - LE MODÈLE DE MOS NIVEAU 3.................................................................................................................30
2.4 - LE MODÈLE DE MOS NIVEAU 9 DE PHILIPS (MM9) ....................................................................................35
2.5 – JUSTIFICATION D’UN MOTIF D’EXTRACTION PERSONNALISÉ........................................................................39
2.6 – VÉHICULES ET OUTILS DE TESTS ...............................................................................................................41
2.7 – MÉTHODOLOGIE D’EXTRACTION DES PARAMÈTRES DES MODÈLES NIVEAU 3 ET MM9..................................47
2.8 – CONCLUSION...........................................................................................................................................60
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2 :.......................................................................................................................61
CHAPITRE 3 : MODÉLISATION DES INTERCONNEXIONS..........................................................................63
3.1 – DYSFONCTIONNEMENTS DUS AUX INTERCONNEXIONS................................................................................63
3.2 – ELÉMENTS CAPACITIFS CARACTÉRISANT UNE INTERCONNEXION.................................................................67
3.3 – ELÉMENTS RÉSISTIFS CARACTÉRISANT UNE INTERCONNEXION....................................................................75
3.4 – ELÉMENTS INDUCTIFS CARACTÉRISANT UNE INTERCONNEXION ..................................................................78
3.5 – MODÈLES D’INTERCONNEXIONS...............................................................................................................81
3.6 – MODÉLISATION DE BOÎTIERS....................................................................................................................84
3.7 – CONCLUSION...........................................................................................................................................86
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 3 :.......................................................................................................................87