Intégration de capacités verticales débouchantes au sein d'un interposeur silicium

par Olivier Guiller

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Emmanuel Defaÿ.

Le président du jury était Bernard Flechet.

Les rapporteurs étaient Francis Calmon, Ulrike Anne Lüders.


  • Résumé

    La densité des circuits intégrés n’a pas cessé d’augmenter depuis la découverte du transistor en 1947, à travers la réduction de la taille de leurs composants. Cependant, cette miniaturisation se heurte aujourd’hui à certaines barrières et la réduction de la longueur de grille des transistors ne permet plus à elle seule l’augmentation des performances globales des circuits intégrés. L’industrie de la microélectronique s’est donc tournée vers de nouvelles solutions d’intégrations hétérogènes visant à développer la diversification des fonctionnalités proposées par les circuits. Parmi ces solutions, l’intégration 3D consistant à empiler plusieurs puces de silicium les unes sur les autres à l’aide de « Through Silicon Vias » (TSV) apparait très prometteuse. Toutefois, de telles structures mettront du temps à atteindre leur maturité puisqu’elles requièrent l’évolution de tout l’écosystème industriel. Une solution intermédiaire en termes de maturité technologique réside dans l’utilisation de l’interposeur : un substrat aminci placé entre les puces haute densité et le « Ball Grid Array » faisant office de plateforme d’intégration permettant le placement côte à côte de puces hétérogènes ainsi que la réalisation d’une forte densité d’interconnexions. Cependant, l’ajout de l’interposeur dans le système a pour effet l’augmentation de l’impédance du réseau de distribution de puissance. L’intégration d’une capacité de découplage au sein de l’interposeur répond à cette problématique en assurant l’intégrité de l’alimentation dans des structures tridimensionnelles.L’objectif de cette thèse de doctorat consiste en l’étude de l’intégration d’un nouveau type de capacité intégrée au sein de l’interposeur silicium. Cette capacité basée sur un empilement Métal-Isolant-Métal (MIM) tridimensionnelle a pour particularité de traverser l’intégralité de l’épaisseur de l’interposeur et d’être co-intégrée avec les TSV.La première étape de l’étude de ce nouveau composant intégré a été la définition d’une architecture performante, réalisée à travers une étude de modélisation permettant l’évaluation de l’influence des nombreux paramètres géométriques et matériaux entrant en jeu. Cette étude a permis de mettre en avant les faibles valeurs d’ESR et d’ESL atteignable par la structure (de l’ordre du m et fH respectivement). Ensuite, la réalisation de la capacité a nécessité le développement de procédés de fabrication innovants permettant le dépôt d’un empilement MIM dans des matrices de vias profonds ainsi que sa co-intégration avec les TSV. Enfin, les performances du composant ont été évaluées à travers la réalisation et la caractérisation d’un démonstrateur de test ainsi qu’une campagne de simulations électromagnétiques par éléments finis. Une densité de capacité de 20 nF.mm-2 a été atteinte sur ce démonstrateur, offrant un gain d’un facteur supérieur à 6 par rapport à une structure planaire.

  • Titre traduit

    Through silicon capacitor integration on silicon interposer


  • Résumé

    Integrated circuits density never stopped rising since the discovery of the transistor in 1947, through components size shrinking. However, this miniaturization now encounters barriers and reduction of transistor’s gate size alone no longer allows integrated circuits overall performances increase. Therefore, microelectronic industry turned to new heterogeneous integration solutions aiming to develop the diversification of functionalities offered by the circuits. Among these solutions, 3D integration involving stacking several silicon dies on top of each other with the help of Through Silicon Vias (TSV) appears to be promising. Nevertheless, such structures will take times to reach maturity since they require the evolution of the whole industrial ecosystem. A transitional solution in term of technological maturity lies in the use of the interposer: a thinned substrate placed between the high density silicon dies and the Ball Grid Array acting as an integration platform allowing side by side placement of heterogeneous dies as well as high density interconnections. However, the addition of the interposer in the system leads to the increase of the Power Delivery Network impedance. The integration of a decoupling capacitor on the interposer resolves this issue by ensuring power integrity within 3D structures.The objective of this PhD thesis consists in the study of different aspects of a new kind of integrated capacitor within the silicon interposer. This 3D Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitor has the particularity to cross over the whole silicon interposer’s thickness and to be co-integrated with TSV.The first step of this new integrated component study has been the definition of an efficient architecture, achieved through a modeling study allowing the influence evaluation of the numerous geometrical and material parameters coming into play. This modeling study pointed out the low ESR and ESL values achievable by the structure (in the m and fH range respectively). Then, the fabrication of the capacitor required the development of innovative process steps allowing the deposition of a MIM stack in deep vias matrices as well as co-integration with TSV. Finally, component performances have been evaluated through the fabrication of a test demonstrator as well as a finites elements electromagnetic simulation campaign. A capacitance density of 20 nF.mm-2 has been reached on this demonstrator, showing an increase up to a factor 6 compared to a planar structure.


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