Composants passifs sur silicium pour la conversion d’énergie

Micro-convertisseurs DC-DC Quels sont les verrous limitatifs à l’intégration ? Intégration L, C composants actifs (pertes, temps de commutation) f

Problématique d’ intégration sur silicium d’éléments passifs Microbobines Condensateurs Conception Matériaux Matériaux diélectriques (Collaboration TMN) Matériaux magnétiques Filières technologiques

Eléments capacitifs MIM à forte densité intégrés sur silicium pour la conversion de l’énergie

Contexte du projet Electronique portable et alimentation microsystèmes Miniaturisation - Puissances à gérer de plus en plus importantes Problématique des passifs: 50 – 60% de la place sur les cartes Pour les convertisseurs DC-DC: stockage, filtrage ou découplage Intégration des passifs sur silicium grâce à montée en fréquence Spécifications Valeurs Vout 3 - 5 V Iout 0,5 – 1 A Fréquence > 10 MHz Rendement > 90% Composants CMS Convertisseur PWM DC-DC On Semiconductor step-down [NCP1508] 3mm x 3mm

Objectifs Intégration de condensateurs haute densité sur silicium Technologie: Surface minimale sur substrat Si Compatibilité process Capacité surfacique: Electrodes: structuration du Silicium Matériau high–k - Dépôt par MOCVD Faibles pertes: Matériau électrodes (σ) Matériau diélectrique (tanδ) Propriété Valeurs Capacité spécifique > 500 nF/mm2 Tenue en tension 15 - 20 V Fréquence de résonance > 50 MHz Resistance série < 100 mΩ Inductance série À voir

Etudes préliminaires – 2005/2006 A – Etude de gravure DRIE w h Etude de la vitesse de gravure en fonction des motifs du masque (carrés, rectangles) et de leurs tailles Carrés Rectangles

Etudes préliminaires – 2005/2006 A – Etude de gravure DRIE Conclusions: Améliorer le facteur de forme Aller vers des tailles de structures plus petites (< 2µm) Carrés Bandes Largeur (w) Longueur (L) 2 µm 8 µm 200 µm 800 µm Profondeur (h) max 45 µm 75 µm 68,5 91,3 Facteur de forme max 16 8 22 9,7 Perte latérale (Δw) 0,8 µm 1,8 µm 1,6 µm

Etudes préliminaires –2005/2006 B – Dépôt diélectrique en tranchées w h Condensateurs SiO2 / Si3N4 AFM - SCM TEM (CEMES) poly Si3N4 Si SiO2 Écart MEB

Etudes préliminaires – 2005/2006 C – Fabrication des composants Diélectrique : SiO2 / Si3N4 Si- n+ Au Tranchées remplies avec du polysilicium dopé bore

Résistance série à 1 MHz (Ω) Etudes préliminaires – 2005/2006 D – Caractérisation électrique des composants 1 k M m Z ( W ) F R E Q U N C H z 4 6 Mesures d’impédance: Nom Largeur w (µm) Interstice i (µm) Profondeur (µm) Capacitance (nF/mm²) Résistance série à 1 MHz (Ω) Inductance série (pH) C4-6 4 6 82 29 1 94 C6-6 95 32 0.65 98 C6-4 94.5 46 0.8 125

Etudes en cours Dépôt de diélectrique high-k par MOCVD dans tranchées: Projet ANR « CAMINO »: début octobre 2006 Partenaire universitaire (Laboratoire d’Etudes des Matériaux Hors Equilibre - Orsay)

Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté Structure spirale en cuivre Noyau magnétique NiFe feuilleté L ~ 1 µH Courant pic ~ 1 A Fréquence ~ 1MHz

Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté CoNiFe feuilleté Vue de dessus de la partie inférieure circuit magnétique Vue de dessus du circuit magnétique + Cu

Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté

5 conducteursrs en parallèle : Micro bobines multi brins Nano imprint 5 conducteursrs en parallèle : diminution de R de 85% diminution de L de 60%