ENST Paris – COMELEC – Jean Provost MIEL – ETC - L1 Introduction, présentation et positionnement de la briquette. Rappels nécessaires mercredi 3 avril 2002 ENST Paris – COMELEC – Jean Provost

plan La briquette MIEL Positionnement Rappels ENST Paris – MIEL – L1

MIEL : objectifs Présenter une filière technologique, Découvrir l’encapsulation «packaging», Élaborer et utiliser des modèles (fonction, perf.), Découvrir la construction d’une bibliothèque de cellules pré-caractérisées: Assembler des transistors pour construire une cellule de traitement (analogique et numérique), Utiliser un simulateur logiciel du niveau électrique, Extraire les performances des cellules. ENST Paris – MIEL – L1

MIEL : les moyens (1) 30 TH (45 heures): L = 9 TH CONF = 2 TH TD-TP = 15 TH (B205, C18) Visite + CC oral + évaluation = 4 TH Enseignants (ENST Paris): Yves Mathieu, Jacky Porte, Jean Provost. Conférenciers: Michel Rivier (IBM France), Alain Dravet (Thalès). ENST Paris – MIEL – L1

MIEL : les moyens (2) Outils logiciels 1 poste unix par étudiant (B205, C18) Océane : ENST Paris – Jacky Porte (libre et ouvert) Spice3f5 : université de Berkeley (libre et ouvert) Eldo : PTT-CNET  Anacad  Mentor Graphics (propriétaire) Site intranet : http://www.comelec.enst.fr/enseignement/briques/miel/ ENST Paris – MIEL – L1

MIEL : organisation 3 modules Environnement Technologique CMOS (ETC) 3L + 2 C + 3TP + 1 Visite de fonderie. technologie semi-conducteur, encapsulation, modélisation, simulation… Construction d’une Bibliothèque Analogique (CBA) 3L + 6TP + 1 CC oral individuel (ETC + BCA). amplificateurs opérationnels, simulation… Construction d’une Bibliothèque Numérique (CBN) 3L + 6TP + 1 Compte Rendu de µprojet. cellule logique, simulation… Évaluation en fin de briquette (TH11 ETC) ENST Paris – MIEL – L1

plan La briquette MIEL Positionnement Rappels ENST Paris – MIEL – L1

positionnement (1) 1 système = 1 circuit (SoC) … Plusieurs circuits intégrés = 1 système Plusieurs fonctions = 1 circuit intégré Plusieurs transistors = 1 fonction de base (cellule, porte) Plusieurs masques = 1 transistor ENST Paris – MIEL – L1

positionnement (2) porte, transistor, masque Vdd e s d g b Vdd ENST Paris – MIEL – L1

positionnement (3) Conception de CI spécialisés (ASIC) © brique DESSIN – L1 Utilisation des bibliothèques et des outils CAO du fondeur: Les modèles sont prédéfinis et leurs paramètres technologiques sont fournis, Les cellules numériques sont conçues et caractérisées. ENST Paris – MIEL – L1

positionnement (4) Conception de circuits analogiques © brique ISER – Lx Utilisation des outils CAO du fondeur: Les modèles sont prédéfinis et leurs paramètres technologiques sont fournis, Les cellules analogiques sont à concevoir et à caractériser… Les bibliothèques de cellules paramétrables sont à construire… ENST Paris – MIEL – L1

plan La briquette MIEL Positionnement Rappels Technologie CMOS État de l’art (dimensions coûts) Principes d’une filière Du sable au boîtier Du masque à la puce ENST Paris – MIEL – L1

Technologie : état de l’art (1) Grandeur unité valeur Ø de tranche mm 300 Densité nb_tr mm-2 250k Nb max couches interconnexion 8+1 Aire max du circuit mm-2 900 Tension d’alimentation V 1,2 Fréquence GHz 2,1 Consommation max W 130 ENST Paris – MIEL – L1

Technologie : état de l’art (2) Grandeur unité valeur Longueur de grille µm 0,11 Largeur de jonction µm 0,18 Épaisseur de l’isolant de grille nm 3 Largeur du contact µm 0,15 Largeur du polysilicium µm 0,11 Largeur des vias µm 0,22 à 0,50 Largeur des métaux µm 0,18 à 0,9 ENST Paris – MIEL – L1

Technologie : état de l’art (3) Grandeur unité valeur |Vth| V  0,25 |Idssat| mA *µm-1  0,35 tp0INV ps 20 tp0NAND2 ps 30 Coupe transistor Coupe interconnexions ©Fujitsu Microelectronics 2002 http://www.fujitsumicro.com/pdf/cs91.pdf ENST Paris – MIEL – L1

Technologie : coût Grandeur 1970 2000 Coût du CI (mm-2) 12 1,2 Densité (nb_tr mm-2) 200 250k Nouvelle usine Si (volume du marché) 1/200 1/150 Nouvelle usine Si (M) 12 1800 ENST Paris – MIEL – L1

Technologie : filière Purification par fusion de zone sable Si Croissance d’un lingot de Si, Ø 300mm (Si 1400°C) Purification par fusion de zone Découpe des tranches «wafer» «slice» Processus technologique photolithogravure… Découpe des puces «chip» «die» encapsulation «packaging» ENST Paris – MIEL – L1

Technologie un exemple de contrainte Ø de tranche: 300mm Pureté du confinement classe 0,1 soit: nb_prtØ>0,14µm < 35 m-3 PWP<0,035@0,14µ Particles per Wafer Pass ©RECIF Toulouse 2002 http://www.recif.com/ ENST Paris – MIEL – L1

photolithogravure msk quartz=SiO2 msk Cr UV X résine ps SiO2 Si 0,25µm 0,08µm résine ps SiO2 Si ENST Paris – MIEL – L1

photolithogravure msk quartz=SiO2 msk Cr UV X résine ps SiO2 Si 0,25µm 0,08µm résine ps SiO2 Si ENST Paris – MIEL – L1

photolithogravure Développement de la résine exposée Gravure du SiO2 résine ps SiO2 Si ENST Paris – MIEL – L1

photolithogravure Nettoyage de la résine SiO2 Si ENST Paris – MIEL – L1

croissance d'oxyde par diffusion locale oxide growth, field ox, thick ox, locos Oxydation avec consommation de Si 1000°C + 2MPa Si + O2  SiO2 Oxydation du Si par plasma 500°C + 50kPa Si + O2  SiO2 LOCOS Oxydation thermique rapide RTO, four halogène 1000°C Si + O2  SiO2 résine ps Si3N4 Si ENST Paris – MIEL – L1

gravure etching résine ps SiO2 Si Gravure chimique humide, isotropique SiO2 pas Si: 4HF + SiO2  SiF4 + 2H2O Gravure physique sèche, anisotropique - plasma (13Pa + 10Mhz) - plasma réactif de CF4 ENST Paris – MIEL – L1

dépôt deposition - - - - - + + + + + Ar+ - - - - - + + + + + Ar+ Vapeur chimique réactive 50Pa + (400°C à 800°C) LPCVD . SiH4  Si + 2H2 . SiH4+ 2O2  SiO2+ 2H2O . 3SiCl2H2+4NH3  SI3N4+3HCl+6H2 Evaporation sous vide  100°C Al, Cu, Si Pulvérisation cathodique  100°C Ti, W, TiN ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- BP P=8*1021m-3 N- tox=5nm SiO2 Si3N4 Nitrure Si toc=0,6µm locos ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- BP P=8*1021m-3 N- tox=5nm SiO2 toc=0,6µm locos tix=0,4µm poly ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- RPS BP P=8*1021m-3 SDN CBP As N- N+ tox=5nm SiO2 toc=0,6µm locos tix=0,4µm poly ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- RPS BP P=8*1021m-3 SDN CBP As N- N+ tox=5nm SDP CBN B SiO2 P+ toc=0,6µm locos tix=0,4µm poly ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- SDN CBP As N+ BP P=8*1021m-3 N- SDP CBN B P+ tox=5nm SiO2 t=1µm PSG siliciure TiSi2 toc=0,6µm locos tix=0,4µm poly ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- SDN CBP As N+ Vdd BP P=8*1021m-3 N- SDP CBN B P+ tox=5nm SiO2 t=1µm PSG siliciure TiSi2 toc=0,6µm locos tix=1µm W tix=0,4µm poly ENST Paris – MIEL – L1

processus technologique CMOS Si BN B=1*1021m-3 P- SDN CBP As N+ Vdd BP P=8*1021m-3 N- SDP CBN B P+ tox=5nm SiO2 t=1µm PSG siliciure TiSi2 toc=0,6µm locos tix=1µm W tix=0,4µm poly tix=1µm Al Cu ENST Paris – MIEL – L1

… et en vrai? LACM Filtre elliptique d’ordre 5 à capacités commutées «CALOD» Filtre elliptique d’ordre 5 à capacités commutées ENST Paris – MIEL – L1

plan La briquette MIEL Positionnement Rappels Introduction à l’encapsulation Objectifs Familles Impacts sur la conception ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (1) packaging Protéger le circuit contre Les chocs et les arrachements, Les rayonnements, Les pollutions… Communiquer avec l’extérieur Les alimentations, Les horloges, Les signaux utiles. Dissiper la chaleur ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (2) exemple du Dual In line Package (DIP) Fil de connexion «bonding wire» Boîtier «package» Puce, circuit «chip» «die» Plot «pad» Broche «pin» «lead» ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (3) CSP BGA QFP DIP Au travers 2 côtés opposés lb  2,54mm En surface 4 côtés 1mm  lb  0,4mm En surface Sous toute l’aire 1,27mm  lb  1mm Nb = nombres de broches = nb_e/s de la puce Ap = aire de la puce Ab = aire du boîtier lb = pas de brochage ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (3) CSP BGA QFP DIP Au travers 2 côtés opposés lb  2,54mm En surface 4 côtés 1mm  lb  0,4mm En surface Sous toute l’aire 1,27mm  lb  1mm Ab  Nb / 2 * lb Ab >> Ap Ab  (Nb / 4 * lb)2 Ab > Ap Ab  Nb * lb2 Ab  Ap ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (4) QFP Quad Flat Pack CSP Chip-Scale Packaging PGA Pin Grid Array BGA Ball Grid Arrays FC-BGA Flip-Chip BGA TAB-BGA Tape-Automated-Bonding BGA EBGA Enhanced BGA FBGA Fine-pitch BGA FDH-BGA Face-Down Heat-enhanced BGA SO Small Outline MCP Multi Chip Package ENST Paris – MIEL – L1

Introduction à l’encapsulation (5) CSP BGA FC BGA E BGA QFP DIP PGA SON MCP ©Fujitsu Microelectronics 2002 http://www.fujitsumicro.com/pdf/aptbroc.pdf ENST Paris – MIEL – L1

conséquences Prise en compte de la température dans les modèles Importance de la distribution du signal d’horloge Rapport entre les temps de propagation Dans les portes Dans les interconnexions Circuits d’amplification pour les plots CeINV  5fF CuPLOT  5pF ENST Paris – MIEL – L1

plan La briquette MIEL Positionnement Rappels Réduction des dimensions «scaling down» Impacts sur les performances Impacts sur le rendement ENST Paris – MIEL – L1

Réduction des dimensions les interconnexions Lix Wix toc tix connexion Si poly isolant de champ SiO2 B Si P- ENST Paris – MIEL – L1

Réduction des dimensions les transistors W Si N+ tox G Si poly Lj Isolant de grille SiO2 B S D Si P- ENST Paris – MIEL – L1

Réduction des dimensions scaling down réductions k > 1 L (L, Lj, Lix) L/k W (W, Wix) W/k t (tox, toc, tix) t/k V (Vdd, VthVdd/5) V/k caractéristiques Rds0 Rds0 Rix Rix*k C C/k ttr = Rds0C ttr/k tix = RixCix tix ENST Paris – MIEL – L1

Rendement yield Ligne de fabrication de tranches RL nb éléments bons Rendement = nb éléments produits Ligne de fabrication de tranches RL Mesures de la puce sur tranche RP Assemblage: puce dans le boîtier RA Test final RF Test qualité RQ ENST Paris – MIEL – L1

Rendement yield Rendement total RT = RL * RP * RA * RF * RQ Technologie émergente RT = 0,5 * 0,2 * 0,8 * 0,7 * 0,9 = 0,05 Technologie stabilisée RT = 0,9 * 0,8 * 0,95 * 0,95 * 0,99 = 0,64 ENST Paris – MIEL – L1

Rendement yield nb éléments bons Rendement = nb éléments produits Aire du circuit (puce) A Densité surfacique de défaut D répartition axiale sur la tranche répartition en fonction de la taille du défaut distribution (effet d’amas) 1 R = R = exp (- A * D) 1 + A * D ENST Paris – MIEL – L1

réduction des dimensions et rendement Aire du circuit (puce) A / k2 Densité surfacique de défaut D * k2 objets plus petits  plus sensibles aux défauts plus petits : distribution des défauts : loi en 1/r3  densité de défauts 1/r2 Rendement constant ENST Paris – MIEL – L1

réduction des dimensions Et si on en profitait pour intégrer un plus grand nombre de transistors sur une même aire de Si? Aire du circuit (puce) A Densité surfacique de défaut D * k2 Rendement R / k2 Les performances… ENST Paris – MIEL – L1