Vendredi 6 janvier 2006ENST Paris – COMELEC – Jean Provost1 / 41 MIEL – ETC - L1 Introduction,...

vendredi 6 janvier 2006 ENST Paris – COMELEC – Jean Provost 1 / 41

MIEL – ETC - L1

Introduction, présentation et positionnement de la briquette.

Rappels nécessaires

ENST Paris – MIEL – L1 2

plan

La briquette MIEL Positionnement Rappels

ENST Paris – MIEL – L1 3

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 4

MIEL : les moyens (1)

30 TH (45 heures): L = 9 TH CONF = 1 TH TD = 2 TH TP = 6 TH (A505) SP = 11 TH (A505) Éval. = 1 TH

Enseignants (ENST Paris):Sylvain Guilley, Yves Mathieu, Jean François Naviner, Hervé Petit, Jean Provost.

Conférencier:Michel Rivier (IBM France)

ENST Paris – MIEL – L1 5

MIEL : les moyens (2)

Outils logiciels 1 poste unix par étudiant (A505)

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 6

MIEL : organisation

3 modules Environnement Technologique CMOS (ETC)

4L + 1C + 2TP.technologie semi-conducteur, encapsulation, modélisation, simulation…

Construction d’une Bibliothèque Analogique (CBA) 1L + 2TD + 1TP + 4SP + 1 Compte Rendu de µprojet.

amplificateur opérationnel, simulation… Construction d’une Bibliothèque Numérique (CBN)

3L + 2TP + 4SP + 1 Compte Rendu de µprojet.cellule logique, simulation…

Dessin des masques «layout» 1L + 1TP + 3SP

Évaluation en fin de briquette

ENST Paris – MIEL – L1 7

plan

La briquette MIEL Positionnement Rappels

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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 9

positionnement (2)porte, transistor, masque

Vdd

0

e se s

e sd

d

s

s

g

g

b

b0

Vdd

ENST Paris – MIEL – L1 10

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 11

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 concevoiret à caractériser…

Les bibliothèques de cellules paramétrablessont à construire…

ENST Paris – MIEL – L1 12

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

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Technologie : état de l’art (1)

Grandeur unité valeur

Ø de tranche mm 300

Densité (SRAM) nb_tr mm-2 5M

Densité (µproc) nb_tr mm-2 1,7M

Densité (logique) nb_tr mm-2 950k

Nb max couches interconnexion 9+1

Aire moy du circuit mm-2 220

Aire max du circuit mm-2 850

Tension d’alimentation V 1,1

Fréquence GHz 2,5

Consommation max W 200http://public.itrs.net/

ENST Paris – MIEL – L1 14

Technologie : état de l’art (2)

Grandeur unité valeur

Longueur de grille nm 54 (32)

Largeur de jonction nm 150

Épaisseur de l’isolant de grille nm 1,2

Largeur du contact nm 80

Largeur du polysilicium nm 50

Largeur des vias µm 0,20 à 0,50

Largeur des métaux µm 0,15 à 0,80

ENST Paris – MIEL – L1 15

Technologie : état de l’art (3)

Grandeur unité valeur

|Vth| V 0,25

|Idssat| mA *µm-1 1,0

tp0INV ps 5

tp0NAND2 ps 10

Coupe transistor Coupe interconnexions©Fujitsu Microelectronics 2002 http://www.fujitsumicro.com/pdf/cs91.pdf

ENST Paris – MIEL – L1 16

Technologie : coût

Grandeur 1970 2000

Coût du CI (mm-2) 12 1,5

Densité (nb_tr mm-2) 200 250k

Nouvelle usine Si (volume du marché) 1/200 1/120

Nouvelle usine Si (M) 12 2000

ENST Paris – MIEL – L1 17

Technologie : filière

sable

Purificationpar fusionde zone

Découpe des tranches«wafer» «slice»

Si

Croissance d’un lingot de Si, Ø 300mm

(Si 1400°C)

Processus technologiquephotolithogravure…

Découpedes puces«chip» «die»

encapsulation«packaging»

ENST Paris – MIEL – L1 18

Technologieun exemple de contrainte

Ø de tranche: 300mm Pureté du confinement

classe 0,1 soit:

nb_partØ>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 19

Technologiela «salle blanche»

©ATMEL Rousset 2002 http://www.atmel.com/

ENST Paris – MIEL – L1 20

photolithogravure

msk quartz=SiO2

msk Cr

SiO2

Si

résine ps

UV X 0,25µm 0,08µm

ENST Paris – MIEL – L1 21

croissance d'oxyde par diffusion localeoxide growth, field ox, thick ox, locos

Oxydation avecconsommation de Si 1000°C + 2MPaSi + O2 SiO2

Si

résine ps

Si3N4

LOCOSOxydation du Sipar plasma 500°C + 50kPaSi + O2 SiO2

Oxydation thermiquerapide RTO, four halogène1000°CSi + O2 SiO2

ENST Paris – MIEL – L1 22

gravureetching

SiO2

résine ps

Gravure chimiquehumide, isotropiqueSiO2 pas Si:4HF + SiO2 SiF4 + 2H2O

Gravure physiquesèche, anisotropique- plasma (13Pa + 10Mhz)- plasma réactif de CF4

Si

ENST Paris – MIEL – L1 23

dépôtdeposition

+ + + + +

- - - - -

Ar+

Pulvérisationcathodique

100°CTi, W, TiN

Vapeur chimique réactive50Pa + (400°C à 800°C)LPCVD. SiH4 Si + 2H2

. SiH4+ 2O2 SiO2+ 2H2O

. 3SiCl2H2+4NH3

SI3N4+3HCl+6H2

Evaporationsous vide 100°CAl, Cu, Si

ENST Paris – MIEL – L1 24

Si3N4 Nitrure Si

P- BN B=1*1021m-3

N- BP P=8*1021m-3

processus technologique CMOS Si

SiO2 tox=5nm P+ SDP CBN B

RPS

N+ SDN CBP As

W tix=1µm

Vdd

0

PSG t=1µm

poly tix=0,4µm

locos toc=0,6µm

e s

Al Cu tix=1µm

TiSi2 siliciure

ENST Paris – MIEL – L1 25

… et en vrai?

LACM«CALOD»

Filtre elliptiqued’ordre 5 à

capacitéscommutées

ENST Paris – MIEL – L1 26

plan

La briquette MIEL Positionnement Rappels

Introduction à l’encapsulation Objectifs Familles Impacts sur la conception

ENST Paris – MIEL – L1 27

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 28

Introduction à l’encapsulation (2) exemple du Dual In line Package (DIP)

Broche«pin» «lead»

Boîtier«package»

Puce, circuit«chip» «die»

Plot«pad»

Fil de connexion«bonding wire»

ENST Paris – MIEL – L1 29

Introduction à l’encapsulation (3)

Au travers2 côtés opposésb 2,54mm

DIP QFP

En surface4 côtés

1mm b 0,4mm

CSPBGA

En surfaceSous toute l’aire

1,27mm b 1mmNb = nombres de broches = nb_e/s de la puceAp = aire de la puceAb = aire du boîtierb = pas de brochage

Ab Nb / 2 * bAb >> Ap

Ab (Nb / 4 * b)2

Ab > ApAb Nb * b

2

Ab Ap

ENST Paris – MIEL – L1 30

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 31

Introduction à l’encapsulation (5)

QFP

SON

CSP

PGA

BGA

FC BGA

E BGA

MCP

DIP

ENST Paris – MIEL – L1 32

conséquences

Prise en compte de la températuredans les modèles

Importance de la distributiondu signal d’horloge

Rapport entre les tempsde propagation

Dans les portes Dans les interconnexions

Circuits d’amplification pour les plots

CeINV 5fF CuPLOT 5pF

ENST Paris – MIEL – L1 33

plan

La briquette MIEL Positionnement Rappels

Réduction des dimensions «scaling down» Impacts sur les performances Impacts sur le rendement

ENST Paris – MIEL – L1 34

Réduction des dimensionsles interconnexions

BSi P-

isolant de champSiO2

ixix

ixWt

LR

oc

ixixoc t

WLC

toctix

LixWix

Si polyconnexion

ENST Paris – MIEL – L1 35

Réduction des dimensionsles transistors

)VV(WLt

Rdsthddox0

ox0

oxoxg t

LWC

LW'CC 0jj

BSi P-

Si N+

S

Lj

D

tox

SiO2isolant

LW

Si poly G

ENST Paris – MIEL – L1 36

Réduction des dimensionsscaling down réductions

k > 1 L (L, Lj, Lix) L/k W (W, Wix) W/k t (tox, toc, tix) t/k V (Vdd, VthVdd/5) V/k

thddox0

ox0 VVW

LtRds

oxoxg t

LWC

LW'CC0jj

ixix

ixWt

LR

oc

ixixoc t

WLC

caractéristiques Rds0

Rds0

Rix

Rix*k C

C/k tr = Rds0C

tr/k

ix= RixCix

ix

ENST Paris – MIEL – L1 37

Rendement =nb éléments bons

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

Rendementyield

ENST Paris – MIEL – L1 38

Rendementyield

Rendement totalRT = 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 39

Rendementyield

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)

R =1

1 + A * DR = exp (- A * D)

Rendement =nb éléments bons

nb éléments produits

ENST Paris – MIEL – L1 40

réduction des dimensions et rendement

Aire du circuit (puce) A / k2

Densité surfacique de défaut D * k2

objets plus petits plus sensiblesaux défauts plus petits :

distribution des défauts :loi en 1/r3 densité de défauts 1/r2

Rendement constant

ENST Paris – MIEL – L1 41

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…