1.2 Les sources de défaillances matérielles dans les SoC
1.2.1 Fonctionnement du transistor MOS
Avant de s’intéresser aux problèmes de conception et de vieillissement des circuits intégrés, il est nécessaire d’introduire quelques notions de base à propos des transistors. Le transistor est le composant de base utilisé dans les circuits intégrés numériques. Cette partie rappelle brièvement le fonctionnement du transistor et explique comment la modification de sa structure peut avoir un impact sur les délais de propagation.
Constitution du transistor MOS
Le transistor MOS pour Métal Oxyde Semiconducteur est le transistor le plus utilisé. Il est constitué d’une électrode métallique, d’un isolant (oxyde métallique) et d’un substrat semi-conducteur [17]. L’électrode métallique est placée sur un oxyde métallique qui l’isole du substrat semi-conducteur (voir figure 1.6).
Il existe principalement deux types de transistors MOS selon que le substrat est dopé N ou P. On nommera alors NMOS un transistor à canal N et PMOS un transistor à canal P. La suite de ce chapitre prend pour exemple un NMOS, mais le principe de fonctionnement reste identique pour les deux types de transistors.
Le transistor MOS est composé de trois éléments, la Source, le Drain et la Grille. Le Drain et la Source sont connectés à deux régions fortement dopées de nature contraire au substrat. Sur la figure 1.6, pour le cas d’un NMOS, on trouve le Drain et la Source connectés à des régions dopées N+ alors que le substrat est dopé P. La Grille est connectée au substrat par l’intermédiaire d’un isolant. P N+ N+ Grille Substrat Isolant (oxyde) L W
FIGURE1.6 :Constitution du transistor MOS. Une électrode métallique est placée sur un oxyde métallique qui l’isole du substrat semi-conducteur. Exemple d’un MOS à canal N (NMOS) avec un substrat dopé P.
Fonctionnement du transistor en commutation
L’ensemble Grille-Isolant-Substrat fonctionne à la manière d’un condensateur. On applique le potentiel le plus faible au niveau du substrat et une tension positive au niveau de la Grille. Ceci a pour effet d’attirer des charges négatives au niveau du substrat entre la Source et le Drain (voir figure 1.6), ce qui constitue un canal de conduction.
La vitesse de création du canal est proportionnelle au temps de charge du condensateur. Plus la capacité est faible et plus sa charge est rapide. La capacité Coxformée par l’oxyde est fonction
de sa surface S , de sa constante diélectrique εoxet de son épaisseur Tox, la formule est la suivante :
Cox=εoxS
Tox (1.3)
La Source est généralement connectée au substrat et l’attention est portée sur la tension Grille-Source VGS. La modulation de cette tension permet de modifier la résistivité du canal.
– Si VGS est supérieure à la tension de seuil6Vth alors la résistance est faible, le canal est
fermé et le transistor fonctionne comme un interrupteur fermé. Dans ce cas on dit que le transistor est passant.
– Si VGSest nulle alors la résistance est importante, le canal est ouvert et le transistor fonc-
tionne comme un interrupteur ouvert. Dans ce cas on dit que le transistor est bloqué. Ce fonctionnement permet d’utiliser le transistor en commutation en électronique numérique. Si VGS est supérieure à Vth alors le niveau logique est haut ("1"), sinon le niveau logique est bas
("0").
La tension de seuil dépend directement des paramètres technologiques, comme le dopage du substrat ou les défauts dans l’isolant et de la température [17].
Oxyde de Grille Substrat Drain Source Grille P N+ N+ VGS= 0 + - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + VDD (a) Oxyde de Grille Substrat Drain Source Grille P N+ N+ VDD VGS> Vth + - - - - Canal - + - + - + + + + + + + + + + + + + + + (b)
FIGURE1.7 :Fonctionnement du MOS en commutation, dans le cas d’un MOS à canal N (NMOS). (b) Fonctionnement en interrupteur ouvert :VGS= 0 ⇒canal fermé. (a) Fonctionnement en interrupteur fermé : VGS> Vth⇒canal ouvert.
Fréquence de fonctionnement
Afin de s’intéresser à la fréquence de fonctionnement d’un circuit constitué de transistor MOS, prenons pour exemple l’inverseur. L’inverseur est un des circuits les plus simples, il est constitué d’un transistor NMOS et d’un transistor PMOS. Le schéma de l’inverseur est présenté sur la figure 1.8, la capacité CL représente la capacité de charge du circuit suivant l’inverseur.
Voici son fonctionnement :
– Si l’entrée Vin est attaquée par un niveau logique haut, alors le transistor NMOS devient
passant et la sortie Vout est connectée à la masse, ce qui impose un niveau logique bas.
– Si l’entrée Vin est attaquée par un niveau logique bas, alors le transistor PMOS devient
passant et la sortie Vout est connectée à VDD, ce qui impose un niveau logique haut.
La fréquence de fonctionnement de l’inverseur est définie par le temps de basculement entre le niveau logique haut et le niveau logique bas en sortie. Si l’on appelle τ ce délai de propagation, alors son équation est la suivante [17] :
τ = CLVDDW µC2L ox
1
(−VDD−Vth)2 (1.4)
Dans cette équation, W et L représentent les dimensions du transistor, µ la mobilité des por- teurs de charge (mobilité des électrons dans le cas d’un NMOS), Coxla capacité formé par l’oxyde
de grille, VDD est la tension d’alimentation et Vthla tension de seuil du transistor.
On considère que les dimensions du transistor et la capacité de charge du circuit en sortie de l’inverseur ne varient pas après fabrication. Ainsi, en fonctionnement, le délai de propagation peut varier en fonction de la capacité formé par l’oxyde de grille (Cox), de la tension d’alimentation
(VDD) et de la tension de seuil du transistor (Vth).
La moindre modification d’un de ces trois paramètres influe sur le temps de propagation. Nous verrons dans la suite de ce chapitre comment ces paramètres peuvent être affectés par les variations des procédés de fabrication, de la température et du vieillissement.
VDD
Vin Vout
CL