Le rôle des interconnexions

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1 Le rôle des interconnexions Utilisation du transistor en association avec d'autres dispositifs électriques Nécessité de contacts sur le transistor S G D Quel est le rôle des interconnexions? Le transistor que nous avons construit n'est jamais unique : il est associé à d'autres transistors et à d'autres dispositifs électriques auxquels il est relié pour réaliser une fonction électronique donnée. Il est donc nécessaire d'amener des fils conducteurs (les interconnexions) sur les différentes parties du transistor. MODULE INTERCONNEXION 1

2 L'évolution des interconnexions La liaison entre des composants par circuit INTEGRE La liaison entre des composants par circuit imprimé La liaison entre des composants par des fils soudés Les interconnexions ont fortement évolué avec l'intégration des circuits : Les circuits à lampes de la première moitié du XXème siècle comportaient des composants reliés entre eux par des fils soudés (interconnexions en volume) Les circuits imprimés comportaient des composants reliés entre eux par des bandes de cuivre en surface du circuit (interconnexions en surface) Les circuits intégrés actuels contiennent des composants reliés entre eux par des bandes conductrices à l'intérieur même du circuit. MODULE INTERCONNEXION 2

3 Les interconnexions et la séquence de fabrication - précisons le vocabulaire Étape de fabrication Appellation Locale Appellation Production ISOLATION TRANSISTOR INTERCONNEXIONS ASSEMBLAGE (ou packaging) FRONT-END BACK-END FRONT-END BACK-END Avant de poursuivre, précisons ce que recouvrent les termes de "Back End" par rapport au terme "Interconnexions" selon que l'on se trouve dans une unité de production ou un laboratoire d'étude. MODULE INTERCONNEXION 3

4 Les interconnexions sur un niveau élaboration des contacts 1. Dépôt d'une couche isolante 2. Dépôt d'une couche de résine et définition des trous de contact par photolithographie 3. Gravure des contacts et retrait de la résine Étudions en premier la construction des interconnexions sur un seul niveau. Cette construction comprend : le dépôt d'une couche isolante la définition, puis la gravure des trous de contact. MODULE INTERCONNEXION 4

5 Les interconnexions sur un niveau définition des conducteurs 1. Dépôt d'une couche conductrice 2. Dépôt d'une couche de résine et définition des bandes conductrices par photolithographie 3. Gravure des bandes conductrices La construction des interconnexions comprend ensuite : Le dépôt d'une couche métallique conductrice La définition, puis la gravure des bandes conductrices dans cette couche métallique. MODULE INTERCONNEXION 5

6 Quelles sont les caractéristiques d'une bonne interconnexion? Conductivité de de la la couche couche conductrice Qualité Qualité d'isolation de de la la couche couche isolante Qualité Qualité du du contact contact conducteur --silicium conducteur --grille grille Quelles sont les caractéristiques d'une bonne interconnexion? une bonne isolation au niveau de la couche isolante une bonne conductivité au niveau de la couche conductrice un bon contact entre la couche conductrice et le silicium ou entre la couche conductrice et la grille. MODULE INTERCONNEXION 6

7 Quelles sont les qualités de la couche conductrice? Objectifs de la couche conductrice Conduire le courant le mieux possible sans échauffement Résistance de la couche conductrice faible ρ résistivité du conducteur l longueur du conducteur s section du conducteur R=ρ x l/s fixés par conception et géométrie Résistivité de la couche conductrice faible Commençons par les qualités de la couche conductrice. cette couche a pour objectif de conduire le courant le mieux possible et avec l'échauffement le plus faible possible. ce qui revient à chercher le conducteur avec la résistance la plus faible possible. Cette résistance est fonction : de la longueur et de la section du conducteur, qui sont fixées par les règles de conception de la résistivité intrinsèque du conducteur. On recherchera donc le conducteur qui a la résistivité la plus faible possible compte tenu des autres contraintes (mise en oeuvre, prix,...) MODULE INTERCONNEXION 7

8 Quelques critères de choix du matériau conducteur Avantages Inconvénients Argent Bon conducteur Risque d'oxydation et de corrosion ρ=1,6µω.cm Prix élevé sensibilité à l'électromigration Cuivre Bon conducteur Risque d'oxydation et de corrosion ρ=1,7µω.cm Gravure difficile Diffusion facile du cuivre dans l'oxyde de silicium Or Bon conducteur Prix élevé ρ=2,3µω.cm Gravure difficile Diffusion d'or facile dans l'oxyde de silicium Aluminium Assez bon conducteur Matériau mou ρ=3µω.cm Sensibilité à l'électromigration Prix faible gravure aisée résistance aux traitements absence de diffusion dans l'oxyde Ce tableau résume les avantages et inconvénients des différents matériaux conducteurs utilisables. MODULE INTERCONNEXION 8

9 Quels sont les objectifs de la couche isolante? Objectif de la couche isolante Empêcher les passages de courants parasites Exemple de courants parasites Utilisation d'un bon isolant à capacité faible Passage métal/silicium Passage métal/métal Capacité : C = ε x S / e ε : Constante diélectrique e : épaisseur isolant S : section fixés par conception et géométrie ε e S Le rôle de la couche isolante est d'isoler le mieux possible les différentes parties actives du transistor et de limiter, en particulier, les passages de courants parasites. ceci implique de disposer d'un isolant à capacité faible. La capacité de cet isolant est fonction : de son épaisseur et de sa section, fixées par les règles de conception. de la constante diélectrique de l'isolant. On recherchera donc l'isolant qui a la constante diélectrique la plus faible possible, compte tenu des autres contraintes (mise en oeuvre, adhérence...) MODULE INTERCONNEXION 9

10 Quel matériau isolant choisir? Avantages Inconvénients Air ε = 1 Inutilisable pour des dimensions faibles circuits à fils circuits imprimés TEFLON ε = 2 Dépôt délicat (adhérence couche) Problèmes d'adhérence des couches supérieures SiO2 ε = 4 Matériau bien connu, facile à mettre en oeuvre Bonne stabilité Bonne adhérence Si3N4 Matériau bien connu, facile à mettre ε = 7 oeuvre Ce transparent résume les avantages et inconvénients des différents matériaux isolants utilisables. MODULE INTERCONNEXION 10

11 Encore une caractéristique pour les interconnexions : la qualité des contacts Métal Silicium Zone de contact l Ouverture de contact s Grille Xj x Jonction métallique Xac Rco Rsp Rsh Rac La dernière caractéristique déterminant la qualité de l'interconnexion est la qualité du contact entre le matériau conducteur et le silicium ou entre le matériau conducteur et la grille. Cette zone de contact est une zone offrant une certaine "résistance" au passage du courant. Cette résistance est fonction de plusieurs paramètres, tels que la dimension du contact, la nature des matériaux, le dopage du substrat, la présence de défauts... Ces paramètres, doivent être optimisés pour minimiser la résistance de cette zone de contact. MODULE INTERCONNEXION 11

12 Exemple d'interconnexion sur un niveau l'inverseur Ve 0V +5V Vs Ve 0V +5V S G D D G S N MOS Vs P MOS Les interconnexions sur un seul niveau permettent de réaliser des fonctions élémentaires simples telles que l'inverseur. MODULE INTERCONNEXION 12

13 La limite des interconnexions à un niveau le point mémoire D RAM +5V +5V P MOS P MOS P MOS P MOS N MOS N MOS N MOS N MOS 0V 0V Un autre exemple pour montrer les limites des interconnexions sur un seul niveau ; la réalisation d'un point mémoire D RAM constitué d'une bascule. Ce point mémoire n'est réalisable qu'en utilisant des interconnexions sur deux niveaux au minimum. MODULE INTERCONNEXION 13

14 Les interconnexions multi-niveaux 1. Réalisation du 1er niveau d'interconnexions 2. Dépôt d'une couche isolante (SiO2) 3. Ouverture des trous de contact (via) photolithographie 4. Dépôt d'une couche conductrice photolithographie des bandes MODULE INTERCONNEXION 14

15 Quels sont les paramètres essentiels d'une bonne interconnexion sur plusieurs niveaux? Interconnexions sur plusieurs niveaux = Interconnexions sur un niveau + Interconnexions de niveau 2 à n Qualité Qualité du du contact contact conducteur-conducteur (VIA) (VIA) Isolation Isolation entre entre niveaux niveaux Quels sont les caractéristiques d'une bonne interconnexion sur 2 ou plusieurs niveaux? Ce sont : - Les même paramètres que pour une interconnexion sur un seul niveau: Qualité de l'isolant Qualité du conducteur Qualité du contact conducteur-silicium ou conducteur-grille - aussi que ceux résultant de la superposition de plusieurs couches d'interconnexions : Qualité de l'isolation entre niveau Qualité du contact conducteur-conducteur (VIA) MODULE INTERCONNEXION 15

16 Quel est le rôle d'une couche de passivation? Assurer une protection contre les agressions d'origine : - mécanique : poussière, contraintes,... - chimique : humidité, contaminants,... Dépôt d'une couche isolante Oxyde de silicium ou Nitrure de silicium Dans cette dernière partie nous allons brièvement présenter les opérations qui suivent la réalisation des interconnexions. Tout d'abord le dépôt d'une couche de passivation, isolante, dont le rôle est d'assurer une protection du circuit contre les agressions d'origine : - mécaniques : poussières, contraintes mécaniques - chimique : humidité, contamination (et notamment les ions diffusants tels que le sodium...) MODULE INTERCONNEXION 16

17 Les opérations d'assemblage des circuits intégrés Circuits sur plaquettes Découpe des circuits Tri des circuits Après pasivation, le circuit est pratiquement terminé. Il reste à le mettre dans son boîtier définitif, ce qui est fait par la succession d'étapes suivantes (en schématisant) : - découpe des circuits - tri des circuits et élimination des circuits défectueux. MODULE INTERCONNEXION 17

18 Les opérations d'assemblage des circuits intégrés - suite Mise en place du circuit dans le boîtier (collage ou soudure) Soudure des fils entre les plots du circuit et les broches du boîtier Puis - Mise en place et soudure ou collage du circuit dans le boîtier - Soudure des fils (or ou aluminium) de connexion entre les plots du circuit et les pattes du boîtier. MODULE INTERCONNEXION 18

19 Les opérations d'assemblage des circuits intégrés - fin Fermeture du boîtier Logo par n #### Marquage et identification Test final Étanchéité Électrique Mécanique... Conditionnement final Enfin : - Le boîtier est fermé - marquage et identification du circuit - test du circuit (en réalité à toutes les étapes) conditionnement final. MODULE INTERCONNEXION 19

20 Source de défauts - Dépôt - Fissures de l'isolant entre couches Trous dans l'aluminium (voids ou mouse bits) Excroissance latérale sur les bandes d'aluminium (hillocks) Rétractation diélectrique pendant la montée en température lors des recuits Diffusion de l'aluminium sous contrainte Dilatation thermique de l'aluminium Nous venons de voir la réalisation idéale d'interconnexions rêvées. en pratique, vous trouverez un certain nombre d'embûches en voici quelques unes qui se manifestent au niveau des dépôt, de la lithographie et de la gravure. Au niveau du dépôt : Défaut Fissure de l'isolant entre couches métalliques Cause Rétractation diélectrique pendant la montée en température lors des recuits Trous dans l'aluminium (Voids ou Mouse Bits) Diffusion de l'aluminium sous contraintes. Excroissances latérales sur les bandes d'aluminium Dilatation thermique de l'aluminium MODULE INTERCONNEXION 20

21 Source de défauts - Lithographie - Résidus de résine entre bandes Basculement des bandes de résine Rétrécissement des bandes Lumière incidente Motif inférieur "Notch" Ligne de résine Couche réfléchissante Mauvais développement Mauvaise adhérence de la résine sur la couche inférieure Réflexions parasites pendant l'insolation Voici pour la lithographie Défaut Résidus de résine entre bandes Cause Mauvais développement de la résine Basculement des bandes de résine Mauvaise adhérence de la résine sur la couche inférieure Rétrécissement des bandes (notching) Réflexion parasite pendant l'insolation MODULE INTERCONNEXION 21

22 Source de défauts - Gravure - Résidus de métal entre bandes Particules Corrosion des bandes métal Décollement des pistes Al SiO2 Relief trop important sous l'aluminium Mauvais nettoyage du réacteur de gravure Présence de chlore dans la résine Surgravure trop importante Voici enfin pour la gravure Défaut Résidus d'aluminium entre bandes Cause Relief trop important sous l'aluminium Corrosion des bandes de métal Présence de chlore dans la résine Décollement des bandes conductrices Surgravure exagérée de la base de la bande Présence de particules en surface Mauvais nettoyage du réacteur de gravure MODULE INTERCONNEXION 22