Composants passifs sur silicium

pour la conversion d’énergie

Micro-convertisseurs DC-DC

Intégration L, C composants actifs (pertes, temps de commutation)f

Evolution des tailles des convertisseurs et des fréquences de découpage

0

5

10

15

20

25

30

1986 1990 1994 2000Années

Volume, inch^3

0

200

400

600

800

1000

1200

Frequence, kHz

Volume, inch^3

Frequency, kHz

Quels sont les verrous limitatifs à l’intégration ?

Conception

Condensateurs Microbobines

Problématique d’ intégration sur silicium d’éléments passifs

Matériaux diélectriques (Collaboration TMN)

Matériaux magnétiques

Filières technologiques

Matériaux

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

• 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)

Objectifs

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

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100 120

L/w

Facteur de forme (h/w)

w = 2 µm

w = 4 µm

w = 8 µm

Etudes préliminaires – 2005/2006A – Etude de gravure DRIE

• Etude de la vitesse de gravure en fonction des motifs du masque (carrés, rectangles) et de leurs tailles

wh

Carrés Rectangles

• Conclusions: – Améliorer le facteur de forme– Aller vers des tailles de structures plus petites (< 2µm)

Carrés Bandes

Largeur (w)

Longueur (L)

2 µm

2 µm

8 µm

8 µm

2 µm

200 µm

8 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 0,8 µm 1,6 µm

Etudes préliminaires – 2005/2006A – Etude de gravure DRIE

Etudes préliminaires –2005/2006B – Dépôt diélectrique en tranchées

w

h

polySi3N4polySi

Si3N4

SiO2

Écart

Condensateurs

SiO2 / Si3N4

MEB

TEM (CEMES)AFM - SCM

Etudes préliminaires – 2005/2006C – Fabrication des composants

• Diélectrique : SiO2 / Si3N4

port1

masse

masse

X

175 µm

100 µm

X = 1, 2 ou 3 mm

A’A

port1

masse

masse

X

175 µm

100 µm

X = 1, 2 ou 3 mm

A’A

X

175 µm

100 µm

X = 1, 2 ou 3 mm

A’A

Si- n+

Au

Tranchées remplies avec du polysilicium dopé bore

Etudes préliminaires – 2005/2006D – Caractérisation électrique des

composants • Mesures d’impédance:

Nom Largeurw (µm)

Intersticei (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 6 6 95 32 0.65 98

C6-4 6 4 94.5 46 0.8 125

1k 10k 100k 1M 10M 100M100m

1

10

100

1k

Z(

)FREQUENCE (Hz)

C46 C66 C64

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 cuivreNoyau magnétique NiFe feuilleté

L ~ 1 µHCourant pic ~ 1 A

Fréquence ~ 1MHz

Vue de dessus de la partie inférieure circuit magnétique

Vue de dessus du circuit magnétique + Cu

Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté

Noyau magnétique CoNiFe feuilleté

Micro-bobines à noyau magnétique feuilleté

Resistance variation towards number of wires

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6Number of interleaved conductors

Résistance value (Ohm)

R simulated (Ohm)

R measured (Ohm)

Inductance variation towards number of wires

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4 5 6Number of interleaved conductors

L simulated (nH)

L measured (nH)

5 conducteursrs en parallèle :• diminution de R de 85% • diminution de L de 60%

Micro bobines multi brins

Nano imprint