Comparative Study of FinFET and FDSOI Nanometric Technologies Based on Manufacturing Defect Testability

par Amit Karel

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Michel Renovell.

Soutenue le 26-10-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier / LIRMM (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Latorre.

Le jury était composé de Michel Renovell, Laurent Latorre, Joan Figueras, Jean-Michel Portal, Philippe Flatresse, Mariane Comte.

Les rapporteurs étaient Joan Figueras, Jean-Michel Portal.

  • Titre traduit

    Etude comparative des technologies nanométriques FinFET et FD-SOI au regard de la testabilité des défauts de fabrication


  • Résumé

    Deux innovations en matière de procédés technologiques des semi-conducteurs sont des alternatives à la technologie traditionnelle des transistors MOS (« Metal-Oxide-Semiconductor ») « Bulk » planaires : d’une part le silicium totalement déserté sur isolant (FDSOI – « Fully Depleted Silicon on Insulator ») et d’autre part les transistors à effet de champ à aileron (FinFET – « Fin Field Effect Transistor »). En effet, alors que la technologie « Bulk » arrive à ses limites de miniaturisation des composants et systèmes, notamment du fait de l’effet de canal court, ces deux technologies présentent des propriétés prometteuses pour poursuivre cette réduction des dimensions, grâce à un meilleur contrôle électrostatique de la grille sur le canal du transistor. La technologie FDSOI est, comme l’historique « Bulk », une technologie MOS planaire, ce qui la place naturellement davantage dans la continuité technologique que les ailerons verticaux des transistors FinFETs. La compétition entre ces deux technologies est rude et de nombreuses études publiées dans la littérature comparent ces technologies en termes de performance en vitesse de fonctionnement, de consommation, de coût, etc. Néanmoins, aucune étude ne s’était encore penchée sur leurs propriétés respectives en termes de testabilité ; pourtant l’impact de défauts sur les circuits réalisés en technologies FDSOI et FinFET est susceptible d’être significativement de celui induit par des défauts similaires sur des circuits planaires MOS.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la conception de circuits d’étude similaires dans chacune des trois technologies et l’analyse comparative de leur comportement électrique sous l’effet d’un même défaut. Les défauts considérés dans notre étude sont les courts-circuits résistifs inter-portes, court-circuit résistif à la masse (GND), court-circuit résistif à l’alimentation (VDD), et circuits ouverts résistifs. La détectabilité des défauts est évaluée pour le test logique statique et le test dynamique en « délai ». Des simulations HSPICE et Cadence SPECTRE ont été effectuées en faisant varier la valeur de la résistance du défaut et le concept de résistance critique est utilisé afin de comparer la plage de détectabilité du défaut dans les différentes technologies. Les conditions optimales de polarisation du substrat (« body-biasing »), de tension d’alimentation et de température en vue d’obtenir la meilleure couverture de défauts possible sont déterminées pour chaque type de défaut. Un modèle analytique, basé sur la résistance équivalente des réseaux de transistors N et P actifs (« ON-resistance »), est proposé pour les courts-circuits résistifs, et permet d’évaluer la valeur de la résistance critique sans effectuer de simulation de fautes. Les propriétés en termes de testabilité sont également établies en tenant compte des variations de procédés, par des simulations Monte-Carlo réalisées aussi bien pour les dispositifs à tension de seuil nominale (« Regular-VT devices » : FDSOI-RVT et Bulk-LR) que pour les dispositifs à tension de seuil basse (« Low-VT devices » : FDSOI-LVT et Bulk-LL) disponibles pour les technologies 28 nm Bulk et FDSOI.


  • Résumé

    Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) and Fin Field Effect Transistor (FinFET) are new innovations in silicon process technologies that are likely alternatives to traditional planar Bulk transistors due to their respective promising ways of tackling the scalability issues with better short channel characteristics. Both these technologies are aiming in particular at regaining a better electrostatic control by the gate over the channel of the transistor. FDSOI is a planar MOS technology and as a result it is much more in continuity with planar Bulk as compared to the vertical FinFET transistors. The competition between these two technologies is fierce and many studies have been reported in the literature to compare these technologies in terms of speed performance, power consumption, cost, etc. However, these studies have not yet focused on their testability properties while the impact of defects on circuits implemented in FDSOI and FinFET technologies might be significantly different from the impact of similar defects in planar MOS circuit.The work of this thesis is focused on implementing similar design in each technology and comparing the electrical behavior of the circuit with the same defect. The defects that are considered for our investigation are inter-gate resistive bridging, resistive short to ground terminal (GND), resistive short to power supply (VDD) and resistive open defects. Defect detectability is evaluated in the context of either logic or delay based test. HSPICE and Cadence SPECTRE simulations are performed varying the value of the defect resistance and the concept of critical resistance is used to compare the defect detectability range in different technologies. The optimal body-biasing, supply voltage and temperature settings to achieve the maximum defect coverage are determined for these defect types. An analytical analysis is proposed for short defects based on the ON-resistance of P and N networks, which permits to evaluate the value of the critical resistance without performing fault simulations. Testability properties are also established under the presence of process variations based on Monte-Carlo simulations for both Regular-VT devices (FDSOI-RVT and Bulk-LR) and Low-VT devices (FDSOI-LVT and Bulk-LL) available for 28nm Bulk and FDSOI technologies.


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