Groupe MICROELEC Silicium
Bienvenue dans le Groupe Microélectronique Silicium de l’IEMN
Le groupe rassemble des chercheurs, du personnel et des étudiants travaillant dans les deux domaines suivants:
i) Conception de circuits intégrés pour les systèmes de communication et l’intelligence artificielle
ii) Packaging fonctionnel et micro-thermique intégrée
Conception de circuits intégrés pour les systèmes de communication et l’intelligence artificielle
D’une part, nous concevons et démontrons de nouveaux systèmes de communication fortement intégrés en technologies CMOS, à haute performance et faible consommation. Il s’agit notamment de concevoir des circuits et des systèmes pour une large gamme de bandes de fréquences (RF aux mmW), ainsi que pour diverses normes de communication, telles que Bluetooth, Wi-Fi, cellulaire et satellite, ou des protocoles non normalisés. Ceci est illustré par les travaux menés sur les communications capacitives à haute vitesse et faible consommation couplées au corps humain (voir portfolio). D’autre part, nous développons des architectures intégrées ultra-faible consommation pour offrir des solutions matérielles pour l’intelligence artificielle en extrême périphérie. Nous nous concentrons sur la démonstration de nouveaux concepts en rupture, tels que le traitement de signal évènementiel, les opérations logiques intégrées à la mémoire (in-memory computing), l’implémentation matérielle d’algorithmes de machine learning très faible consommation ou les processeurs neuromorphiques à mémoires non volatiles. Les applications envisagées regroupent le traitement de signaux audio (reconnaissance de mots-clés et de sons), de signaux biomédicaux (détection d’arythmie cardiaque ou d’apnée du sommeil) ou de mouvement (détection de chute ou de mouvements fins). Les concepts développés s’appuient sur des technologies CMOS avancées industrielles (28nm et 18nm FDSOI CMOS).
Digital transmitter architecture for RF applications
Body-coupled communications
On-chip neural networks for near-sensor computing / Edge AI
Event-driven signal processing for in-sensor feature extraction
Packaging fonctionnel et micro-thermique intégrée
Depuis 10 ans désormais, le groupe a réalisé un virage thématique pour répondre aux défis de la micro-électronique selon deux axes complémentaires : i) le packaging fonctionnel qui répond à la complexification des assemblages hétérogènes en particulier dans les domaines RF et mmW ii) étudier les limitations et opportunités liées à la gestion des flux thermiques dans les circuits et systèmes.
Le packaging fonctionnel vise à développer des solutions d’intégration hétérogène avancées en accord avec le paradigme ‘System Moore’ selon lequel d’importantes marges de performance et de compacité peuvent être gagnées dans l’assemblage de sous-systèmes. En intégrant des guides d’ondes mmW et optiques sur un interposeur, le packaging fonctionnel permet par exemple d’embarquer et de connecter sur la même plateforme d’assemblage hétérogène des puces mmW et des puces photoniques pour la synthèse de transceivers électro-optiques. Cette activité couvre également la mise en œuvre de puces dans le spectre des bandes D, G et J (110 à 320 GHz) qui nécessite le développement de boitiers complexes afin de limiter les pertes liées à la propagation et aux transitions de mode. Ce domaine de recherche s’appuie en particulier sur l’utilisation de techniques de micro-usinage laser (EQUIPEX LEAF) permettant d’adresser des dimensions s’étendant du micron au millimètre, compatibles avec le dimensionnel des guides d’onde dans les bandes concernées. (voir source de bruit portfolio)
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. Outre 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.
Packaging de sondes actives intégrées en bande millimétrique
Les technologies avancées silicium (BiCMOS B55 STMicroelectronics) visant des fréquences de coupure fT/fmax supérieures à 400GHz permettront la conception de circuits sur silicium dans la plage de fréquence 140-220GHz (bande G). Afin de valider le développement de ces technologies, il est nécessaire de disposer de moyens de caractérisation hyperfréquences permettant l’extraction des facteurs de mérite des transistors tels que le facteur de bruit et l’efficacité en puissance pour élaborer la modélisation associée. A ces fréquences, les outils large bande tels que les sources de bruit, les récepteurs de bruit, les adaptateurs d’impédances (tuners) et les récepteurs de puissance ne sont pour l’instant pas disponibles sur le marché pour répondre à cette demande. Des travaux de thèse précédents ont démontré la possibilité de réaliser ces fonctions en les embarquant directement sur silicium autour du composant à tester en technologie BiCMOS B55. Cette approche de test in-situ ou built-in self test (BIST) ne constitue cependant pas une solution viable car elle consomme une surface substantielle de silicium entrainant un coût non acceptable.
Afin de mettre à profit l’instrumentation de mesure pour un ensemble de technologies au-delà du seul procédé B55 et de rationaliser les coûts liés au test, l’étape suivante est de concevoir l’intégration de ces fonctions dans un système compact disposé au plus près des pointes de mesure. La proximité de la fonction d’instrumentation (ex : source de bruit) au voisinage immédiat de la pointe est rendue nécessaire afin de contrôler les pertes dont les variations altèrent de manière drastique la sensibilité de mesure (MDS – signal minimum détectable) et la constellation d’impédance à l’entrée du composant à mesurer.
Ce système de mesure doit être réalisé dans une technologie de packaging intégrant la fabrication des pointes afin de tester les composants directement sur les tranches de silicium. Ce système d’instrumentation prend donc la forme d’une sonde active fonctionnalisée nécessitant la mise en œuvre d’une technologie de guidage d’onde semblable à celle exposée dans la section précédente. Ce thème de recherche a donné lieu à de premiers développements illustrés ci-dessous explicitant la fabrication et la mesure de briques technologiques élémentaires ainsi que la stratégie de mise en œuvre de ce type de sonde.
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).
