vendredi 6 janvier 2006enst paris – comelec – jean provost1 / 41 miel – etc - l1 introduction,...
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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
ENST Paris – MIEL – L1 8
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
ENST Paris – MIEL – L1 13
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…