Groupe MICROELEC Silicium
WELCOME TO THE SILICON MICROELECTRONICS GROUP AT IEMN
The group brings together researchers, staff and students working in the following two areas:
i) Design of integrated circuits for communication systems and artificial intelligence
ii) Functional packaging and integrated micro-thermics
Design of integrated circuits for communication systems and artificial intelligence
On the one hand, we design and demonstrate new high-performance, low-power, highly integrated communication systems based on CMOS technologies. This involves designing circuits and systems for a wide range of frequency bands (RF to mmW), as well as for various communication standards, such as Bluetooth, Wi-Fi, cellular and satellite, or non-standardised protocols. This is illustrated by our work on high-speed, low-power capacitive communications coupled to the human body (see portfolio). We are also developing integrated ultra-low-power architectures to provide hardware solutions for artificial intelligence at the extreme edge. We are focusing on demonstrating new breakthrough concepts such as event-driven signal processing, in-memory computing, hardware implementation of ultra-low-power machine learning algorithms and neuromorphic processors with non-volatile memories. The applications envisaged include the processing of audio signals (recognition of key words and sounds), biomedical signals (detection of cardiac arrhythmia or sleep apnoea) or movement (detection of falls or fine movements). The concepts developed are based on advanced industrial CMOS technologies (28nm and 18nm FDSOI CMOS).
Functional packaging and integrated micro-thermics
For 10 years now, the group has been focusing on two complementary areas to meet the challenges of microelectronics: i) functional packaging, which responds to the increasing complexity of heterogeneous assemblies, particularly in the RF and mmW fields ii) studying the limitations and opportunities associated with managing heat flows in circuits and systems.
Functional packaging aims to develop advanced heterogeneous integration solutions in line with the 'System Moore' paradigm, according to which significant performance and compactness margins can be gained by assembling sub-systems. For example, by integrating mmW and optical waveguides on an interposer, functional packaging enables mmW chips and photonic chips to be embedded and connected on the same heterogeneous assembly platform for the synthesis of electro-optical transceivers. This activity also covers the implementation of chips in the D, G and J band spectrum (110 to 320 GHz), which requires the development of complex packages in order to limit losses linked to propagation and mode transitions. This area of research relies in particular on the use of laser micromachining techniques (EQUIPEX LEAF) to address dimensions ranging from the micron to the millimetre, compatible with the dimensions of waveguides in the bands concerned. (see portfolio noise source)
Heat transfer limits the performance of the most integrated technologies. This problem is exacerbated by the highly heterogeneous and truly nanometric assemblies of materials in components. On the other hand, heat has become an operational resource for certain components (phase-change memories, thermo-optic modulation, RF switches). Our aim is to contribute to the modelling, manufacture and thermal and electrical characterisation of materials and components. In addition to Raman thermometry, near-field thermal microscopy and the 3Ω method, the instrumentation project currently under development is based on the acquisition of a time-resolved (50 ns), multi-wavelength thermo-reflectance bench capable of measuring temperature transients on a wide variety of microelectronic systems.
Packaging of integrated active millimetre-band probes
Advanced silicon technologies (BiCMOS B55 STMicroelectronics) targeting cut-off frequencies fT/fmax above 400GHz will enable the design of silicon circuits in the 140-220GHz frequency range (G-band). In order to validate the development of these technologies, microwave characterisation resources are needed to extract transistor merit factors such as noise figure and power efficiency, and to develop the associated modelling. At these frequencies, broadband tools such as noise sources, noise receivers, impedance adapters (tuners) and power receivers are not currently available on the market to meet this demand. Previous thesis work has demonstrated the possibility of implementing these functions by embedding them directly on silicon around the device to be tested in BiCMOS B55 technology. This test approach in-situ or built-in self test (BIST) is not, however, a viable solution because it consumes a substantial amount of silicon, resulting in an unacceptable cost.
In order to take advantage of measurement instrumentation for a range of technologies beyond just the B55 process, and to rationalise the costs associated with testing, the next step is to design the integration of these functions into a compact system positioned as close as possible to the measurement peaks. The proximity of the instrumentation function (e.g. noise source) to the immediate vicinity of the tip is made necessary in order to control losses, variations in which drastically alter the measurement sensitivity (MDS - minimum detectable signal) and the impedance constellation at the input of the component to be measured.
This measurement system must be produced using a packaging technology that integrates the manufacture of the tips in order to test the components directly on the silicon wafers. This instrumentation system therefore takes the form of a functionalized active probe requiring the implementation of a waveguide technology similar to that described in the previous section. This research theme has given rise to initial developments, illustrated below, explaining the manufacture and measurement of elementary technological building blocks, as well as the implementation strategy for this type of probe.
Interposeur électro-optique pour communication haut-débit 400Gb/s
Ce sujet a abordé l’étude et le développement d’un interposeur embarquant des fonctions électriques et optiques intégrées à un substrat de verre avec pour ambition la validation d’un assemblage passif complet de transceiver CWDM basé sur la technologie photonique sur silicium PIC25G de STMicroelectronics. En premier lieu, ce travail a abordé la conception et la fabrication des principales fonctions élémentaires intégrées à l’interposeur, à savoir, des guides d’ondes monomodes, des structures de couplage optique vertical et des lignes de transmission fonctionnant à des fréquences RF à mmW. En second lieu, La fonctionnalité de l’interposeur et de l’assemblage complet a été démontrée au travers d’un travail détaillé de caractérisations électriques, optiques et mixtes. En termes de métriques, nous avons fabriqué un interposeur intégrant des guides d’ondes avec des pertes de propagation < 6 dB/cm à 1310 nm, des lignes de transmission coplanaires de 1 cm avec des pertes d’insertion de 3 dB à 60 GHz, des miroirs de redirection du signal optique et l’ensemble du routage électrique et optique permettant de tester la détection et la modulation de la lumière par la puce photonique silicium PIC25G. L'assemblage de la puce PIC25G sur l'interposeur a été réalisé en utilisant une technique classique de flip-chip sans alignement actif. Ces travaux ont démontré la viabilité de l’approche d’interposeur verre pour le packaging photonique sur silicium au moyen de techniques d’assemblage conventionnelles dans l’industrie de la microélectronique. Ces travaux entrent dans le cadre du projet EQUIPEX LEAF, du Laboratoire Commun ST-IEMN et du programme de recherche NANO2022.
Micro-plateformes de caractérisation thermique et thermoélectrique suspendues en silicium cristallin
La réduction de taille dans les nanosctructures a un impact fort sur la conductivité thermique via la réduction du libre parcours moyen des phonons. Cet effet peut être exploité pour rehausser artificiellement les propriétés thermoélectriques de matériaux. Cette idée a été déployée dans le cadre de l’ERC UPTEG et via trois thèses CIFRES dans le cadre du laboratoire commun STMicroelectronics-IEMN. Nous avons développé des procédés de suspension de structures en silicium cristallin (membranes, structures phononiques, nanofils) équipées d’éléments thermo-résistifs. En effet, la métrologie thermique et thermoélectrique de tels objets reste un défi. Il nous a été ainsi possible de quantifier la réduction de conductivité thermique et de réaliser un démonstrateur de convertisseur thermoélectrique intégrée. Plus récemment dans le cadre de la thèse d’Hafsa Ikzibane nous avons pu quantifier les propriétés thermoélectriques de membranes ultra-minces (60 nm) ainsi que l’impact d’une structure nano-poreuse. Enfin, ces procédés sont actuellement mis à profit dans le cadre du projet ANR HANIBAL pour la conception de capteurs thermiques supraconducteurs pour étudier le transfert de chaleur dans le régime quantique.
Modélisation et métrologie thermique pour les composants à changement de phase
Les transferts thermiques limitent la performance des technologies les plus intégrées. Cette problématique est exacerbée par les assemblages très hétérogènes et réellement nanométriques de matériaux dans les composants. D’un point de vue opposé, la chaleur est devenue une ressource opérationnelle de certains composants (mémoires à changement de phase, modulation thermo-optique, switches RF). Notre objectif est de contribuer à la modélisation, la fabrication, la caractérisation thermique et électrique de matériaux et composants. Pour cela nous mettons en œuvre la thermométrie Raman, la microscopie thermique de champ proche et la méthode 3ω, le projet d’instrumentation en cours de développement s’appuie sur l’acquisition d’un banc de thermo-réflectance résolue en temps (50 ns), multi-longueurs d’onde, capable de mesurer les transitoires de température sur une grande variété de systèmes microélectroniques. Deux exemples représentatifs de cette activité sont : i) l’étude par thermométrie Raman du GeSbTe enrichi en germanium, un matériau à changement de phase au cœur des technologies mémoires. (Thèse Cifre STMicroelectronics – Akash Patil). ii) La modélisation thermique de switch RF pour la 5G utilisant un canal RF en GeTe (Thèse Cifre STmicroelectronics – CEA Leti –IEMN de Corentin Mercier).