Quels sont les bénéfices du FDSOI ?

La technologie de transistors à film mince de silicium totalement déserté sur isolant (Fully-Depleted Silicon On Insulator : FDSOI) présente plusieurs avantages décisifs pour les générations technologiques à venir. Tous d’abord, grâce à l’utilisation d’un film mince de silicium, le contrôle électrostatique du canal du transistor par la grille est très largement supérieur à celui d’un transistor conventionnel réalisé sur substrat silicium massif. Cet excellent contrôle permet d’une part d’améliorer le compromis performance/consommation des circuits intégrés, et d’autre part offre à la technologie FDSOI un fort potentiel de miniaturisation. Ensuite, par rapport aux technologies FinFET, qui présentent également un très bon contrôle électrostatique, la technologie FDSOI représente une rupture technologique plus aisée à réaliser, le transistor étant planaire avec une architecture très proche de celle des technologies conventionnelles. Les procédés de fabrication sont par conséquent nettement plus simples. Enfin, en utilisant une couche d’isolant mince sous le film de silicium, la technologie FDSOI (appelée parfois dans ce cas UTBB pour « Ultra-Thin Body and Box technology ») offre la possibilité de moduler dynamiquement le compromis vitesse/consommation des circuits intégrés via l’application d’une polarisation sur la face arrière des transistors. Cette modulation permet d’adapter en permanence la consommation des circuits intégrés en fonction des opérations à réaliser. 

Quelles sont les particularités du modèle Leti-UTSOI ?

Le modèle compact Leti-UTSOI a été conçu pour représenter le comportement électrique spécifique des transistors FDSOI. En particulier, ce modèle décrit physiquement les effets liés au couplage électrostatique qui existe entre les interfaces avant et arrière du film mince de silicium. Leti-UTSOI est par conséquent adapté aux technologies FDSOI à film mince faiblement dopé pour une très large gamme d’épaisseurs d’isolant enterré, allant de quelques nanomètres jusqu’à des épaisseurs pour lesquelles l’isolant peut être considéré comme semi-infini.

Par ailleurs, l’architecture de Leti-UTSOI est similaire à celle des modèles utilisés pour les technologies conventionnelles. Cette continuité assure l’intégration naturelle du modèle dans la chaîne d’outils de conception de circuits et, par conséquent, une migration aisée et rapide des IPs existantes vers la technologie FDSOI.

Dans sa seconde version, Leti-UTSOI inclut la prise en compte de la création potentielle d’une couche d’inversion à l’interface arrière du film de silicium. Cette caractéristique du modèle est basée sur une résolution originale et sans approximation des équations physiques qui régissent le comportement électrostatique du dispositif, et fait de Leti-UTSOI le seul modèle compact capable de décrire physiquement le comportement des transistors FDSOI pour de larges gammes de polarisations de la face arrière des transistors.

Sur quelles compétences s’appuie le développement du modèle ?

Le développement de Leti-UTSOI s’appuie sur le très large spectre de compétences et de moyens technologiques rassemblés au sein du CEA-Leti sur le campus Minatec. Grâce à ses nombreuses années d’expérience sur le développement de technologies SOI, le CEA-Leti possède un socle unique d’outils, de savoir-faire et d’expertise, qui s’étendent du développement de nouveaux matériaux à la conception de circuits intégrés, en passant par le développement de procédés d’intégration, la caractérisation physique multi-échelle, la caractérisation électrique fine des dispositifs et la simulation numérique calibrée sur données silicium des procédés et des dispositifs. Dans le cadre de ses collaborations avec des partenaires industriels, le CEA-Leti poursuit aujourd’hui l’approfondissement de cette expérience sur les générations technologiques les plus avancées. Ce positionnement confère au CEA-Leti une expertise exceptionnelle de la physique du transistor FDSOI, expertise qui est à la base du développement de Leti-UTSOI.

En quoi ce modèle est-il prêt à un usage industriel ?

Avec la version 1.14, le modèle compact Leti-UTSOI a atteint sa pleine maturité. En collaboration avec STMicroelectronics, sa robustesse a été validée par l’application de la suite de tests recommandée par le Compact Model Council et à travers une large campagne de caractérisation. Ce modèle est actuellement largement utilisé par les concepteurs de STMicroelectronics. 

Où peut-on le trouver ?

Le modèle compact Leti-UTSOI est le seul modèle dédié aux technologies FDSOI disponible dans un kit de conception industriel. La documentation ainsi que deux cartes modèle pour le cas typique sont accessibles ci-dessous : 

Témoignages de concepteurs de STMicroelectronics

« Grâce au modèle UTSOI du CEA-Leti, STMicroelectronics a développé une plate-forme complète de conception pour les applications “System-On-Chip”, incluant un ensemble complet de librairies de cellules et le flot de conception associé. Ce modèle est intégré dans tous les principaux outils commerciaux de simulation de circuits intégrés, tels que HSPICE, ELDO ou SPECTRE, et peut être aisément implémenté dans les flots de conception utilisés pour les technologies conventionnelles sur silicium massif. »

« Ce modèle compact, capable de reproduire précisément le comportement électrique de transistors de longueur de grille aussi courte que 10nm et en-deçà pour de larges gammes de polarisation face arrière, de modulation de longueur de grille et de tension d’alimentation, a été clairement développé pour répondre aux besoins présents et futurs des concepteurs de circuits intégrés. Grâce à cette approche, ce modèle procure aux concepteurs de circuits logiques et analogiques un avantage décisif pour l’élaboration de solutions innovantes et pour la comparaison de technologies, dès les premières phases de développement des générations technologiques. UTSOI offre aujourd’hui une solution unique pour la conception de circuits haute performance et faible consommation en technologie UTBB FD-SOI ».