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Malgré l’apparition de la simulation mixte éléments finis / SPICE et ses

récentes améliorations, rien ne remplace à ce jour les simulations SPICE pour

étudier des circuits importants. Il y a là encore un gouffre conceptuel entre

simulations de circuits élémentaires, éventuellement effectuées par simulation

mixtes, et simulations de circuits électronique. Lorsqu’un concepteur de circuits

intégrés parle de circuits, ceux-ci comprennent au bas mots quelques milliers de

dispositifs interconnectés tandis que pour un fiabiliste de l’oxyde ou un concepteur

de dispositifs, un circuit est toujours élémentaire avec seulement quelques

composants, une dizaine tout au plus. Notre objectif pendant ce travail de thèse était

de partir du niveau physique en simulant précisément les effets du claquage sur le

fonctionnement d’un seul dispositif, avec des échelles de simulation nanométriques,

pour petit à petit intégrer ces résultats dans des modèles de plus haut niveau jusqu’à

obtenir un modèle compact adapté à la simulation circuit industrielle. La simulation

mixte était donc une excellente transition entre ces niveaux mais nous avons vu que

ce type de simulations était limitée pour des applications circuits, même élémentaires

dès lors qu’il s’agissait de simuler plusieurs dispositifs dégradés en même temps. Il

est donc absolument nécessaire de transférer nos observations à un modèle

compact, utilisable dans un simulateur industriel comme ELDO de Mentor Graphics.

Comme nous l’avons vu dans la partie précédente et rappelé dans le paragraphe

IV.3, l’impact du claquage sur le fonctionnement des dispositifs a pu être implémenté

dans le modèle BSIM 3, reproduisant fidèlement les déviations de paramètres, que

ce soit l’augmentation du courant de fuite, de la tension de seuil et leurs

conséquences pour le courant de drain. Utilisons maintenant ce modèle de haut

niveau à l’étude de l’impact du claquage du diélectrique sur le fonctionnement des

circuits élémentaires.

1 - Circuit inverseur

L’impact du claquage sur ce circuit très simple a été étudié par de

nombreuses équipes par le biais de circuits équivalents au dispositif dégradé [IV-21,

22, 11, 24, 40, 39, 25, 26, 38] ; ces différents modèles ont été présentés dans la

partie II.C.6. Le modèle le plus récent intègre même une expression analytique du

courant de drain afin d’y reporter les déviations de la tension de seuil et du courant

de grille [IV-36, 41, 39]. Plusieurs de ces équipes ont pu effectuer des mesures de

cet impact grâce à des circuits dédiés [IV-39, 26, 19, 38, 23]. N’ayant pu effectuer ce

type de mesures nous même, nous comparerons qualitativement nos résultats avec

ceux proposés par ces équipes.

a. Simulation

Notre modèle compact dérive directement de notre modèle analytique

décrivant l’évolution des paramètres régissant courant de grille et tension de seuil,

selon les équations IV.8 et IV.9. Il est donc possible de simuler séparément les

différents effets du claquage en décorrélant la dérive de la tension de seuil de

l’augmentation de la fuite de grille ; cependant les résultats ne diffèrent pas de ceux

présentés pour le modèle analytique et ne présentent que peu d’intérêt par rapport

au cas réel. Nous passerons donc directement à la simulation complète des effets du

claquage en simulant d’abord un claquage sur le dispositif N, puis sur le dispositif P

et enfin sur les deux dispositifs simultanément. Conformément aux équations

proposées, les paramètres de simulation correspondant aux moyennes des fuites

mesurées sont ramenés à une diminution de la hauteur de barrière d’oxyde pour des

temps donnés après le premier claquage et présentés dans le tableau de la figure

IV.12 ; la déviation de seuil correspondante est calculée de même par notre modèle

de simulation en fonction de cette fuite de grille.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Fresh inverter Lines: Successive BD on NMOS

Vo u t ( V ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 13 : Impact du claquage du NMOS sur la caractéristique en tension de l’inverseur.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,00000 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 Fresh inverter

Lines: Successive BD on NMOS

Iloa d ( A ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 14 : Impact du claquage du NMOS sur la caractéristique en courant de l’inverseur.

La figure IV.13 présente nos résultats de simulation ELDO pour un claquage du

NMOS. Son impact paraît être limité pour les premières occurrences du claquage, en

effet la fonction d’inversion est encore parfaitement réalisée bien que le seuil du

circuit soit décalé avec le seuil du dispositif. Les décalages en tension et en courant

de ces caractéristiques ne sont pas visible sur ces figures, elles ne dépassent pas

2.3 mV et 1.3 µA, ce qui peut sembler infime mais aura de très lourdes

conséquences sur la consommation comme nous le verrons dans le paragraphe

dédié. Remarquons que le décalage de la tension de seuil se retrouve sur la

caractéristique en courant tracé figure IV.14 puisque le pic de courant correspond à

la pente maximale de la transition en tension. Ce décalage du seuil d’inversion ajoute

encore à la variabilité des paramètres des composants et viendra donc limiter un peu

plus les fréquences d’utilisation des cellules puisqu’une différence plus grande de

tension d’entrée doit être appliquée pour provoquer l’inversion de la sortie. La

diminution d’intensité de ce pic correspond à la fraction de courant de la source au

drain détournée pour la fuite de grille.

L’effet du claquage du PMOS est similaire à celui du NMOS, une fois de plus pour

les premiers claquages la fonction inverseuse est toujours réalisée malgré le

décalage de la tension de seuil de l’inverseur présentée sur la figure IV.22 ; toutefois

comme pour le claquage du NMOS, les courants sont impactés également ainsi que

les tensions au repos, ce qui fera augmenter énormément la consommation des

circuits comportant de nombreux inverseurs.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Fresh inverter

Lines: Successive BD on PMOS

Vo u t ( V ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 15 : Impact du claquage du PMOS sur la caractéristique en tension de l’inverseur.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,00000 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 Fresh inverter

Lines: Successive BD on NMOS

Iloa d ( A ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 16 : Impact du claquage du PMOS sur la caractéristique en courant de l’inverseur.

Lorsque les deux dispositifs claquent simultanément, les déviations des tensions de

seuil des dispositifs N et P se compensent, comme cela avait été observé dans les

simulations par éléments finis. En revanche les courants de fuite augmentent

maintenant des deux coté de la caractéristique. Dans ce cas il n’est plus possible de

distinguer les claquages N ou P en observant la caractéristique en courant de charge

I

load

.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Fresh inverter

Lines: Successive BD on N & P MOS

Vo u t ( V ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 17 : Impact du claquage du PMOS et du NMOS sur la caractéristique en tension de

l’inverseur. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,00000 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 Fresh inverter

Lines: Successive BD on N & P MOS

Iloa d ( A ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 18 : Impact du claquage du PMOS et du NMOS sur la caractéristique en courant de

l’inverseur.

Finalement l’impact moyen du claquage sur l’inverseur paraît très limité, toutefois

rappelons que la dispersion des effets du claquage était très important, aussi bien en

termes de soudaineté que d’intensité. Examinons alors le pire cas correspondant aux

fuites les plus importantes et aux déviations en tension de seuil les plus grandes.

Cela revient à choisir des coefficients extrêmes dans nos équations décrivant ces

deux déviations ; ceux-ci sont donnés dans le tableau de la figure IV.19 avec les

paramètres du cas moyen utilisés précédemment.

Pire cas Moyenne

A 0.0025 0.0004

Τ 650 1000

B 0.06 0.075

C 0.75 0.15

Dans cette simulation du pire cas possible, nous observons que la tension de seuil

augmente brusquement puis se stabilise, ce qui correspond à la modélisation

logarithmique en courant de grille que nous en avons fait. Au contraire

l’augmentation du courant de grille est d’abord trop faible pour influer sur la

caractéristique de l’inverseur puis augmente plus franchement. Précisons que ce pire

cas n’est pas tout à fait réaliste puisqu’il correspond non seulement à la pire fuite

mesurée mais aussi à la déviation maximale de la tension de seuil, ces deux pires

cas de figure ne se sont pas produits ensemble lors des mesures effectuées sur 24

dispositifs. Pour mieux illustrer notre propos nous avons même surdimensionné la

fuite pour la dernière courbe de la figure IV.20 ; cette fuite pourrait toutefois

représenter un cas réel puisque la déviation de la caractéristique en tension de

l’inverseur semble dépendre de la tension de stress appliquée comme démontré par

[IV-37] à l’aide de la figure IV.9.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Fresh inverter

Lines: Successive BD on N & P MOS

Vo u t ( V ) Vin (V) Successive BD events

Figure IV. 20 : Caractéristique en tension de l’inverseur pour le pire cas de claquage du N et PMOS. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0,00000 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 Fresh inverter

Lines: Successive BD on N & P MOS

Iloa d ( A ) Vin (V)

Figure IV. 21 : Caractéristique en courant de l’inverseur pour le pire cas de claquage du N et PMOS.

Ces courbes de pire cas de claquage illustrent bien les conséquences du claquage

des deux dispositifs sur les caractéristiques de l’inverseur, puisque les deux tensions

de seuil des dispositifs sont modifiées symétriquement, la tension de seuil de

l’inverseur ne varie pas ; pour obtenir une dégradation encore pire de la fonction

d’inversion, il faudrait considérer une modification minimale du seuil de l’un des

dispositifs et maximale de l’autre. Sur les courbes de la figure IV.21 représentant le

courant de charge I

load

de l’inverseur, nous retrouvons les conséquences de la fuite

de grille : la cellule consomme du courant au repos et même consomme plus au

repos que lors de l’inversion pour la fuite surdimensionnée, ce qui est un comble

pour la technologie CMOS dont l’un des avantages consiste justement à ne pas

consommer au repos !

b. Conséquence du claquage sur les performances de l’inverseur

Pour les courants de fuite que nous avons mesurés sur la technologie 40 nm

et reproduits de modèles en modèle jusqu’à la modélisation compacte, la

conséquence la plus flagrante du claquage sur le fonctionnement de l’inverseur

réside dans le décalage de la tension de seuil du circuit, conséquence directe de la

déviation du seuil des dispositifs. La figure IV.22 présente cette dérive pour les

simulations utilisant les paramètres du tableau IV.12 et dont les caractéristiques sont

exposées sur les figures IV.15 et IV.16. Nous retrouvons le comportement de la