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Mise en place d’une nouvelle méthode de conception orientée DFM
Introduction au DFM
Le DFM (pour « Design for Manufacturing ») est adoptée dans ces dernières années comme solution aux limitations inhérentes à la course technologique menée par les différents acteurs du monde de la microélectronique. En réponse à une complexification grandissante des méthodes de conception et de fabrication, cette nouvelle branche entend améliorer les rendements des technologies avancées. Ses principaux buts sont de changer les mentalités et de tenter de pallier la variabilité grandissante des procédés de fabrication par des méthodes de conception tenant compte de ces nouvelles contraintes. Cependant, le bon déroulement de son adoption par l’industrie est dégradé par les contraintes économiques importantes qui régissent ce secteur. La difficulté à chiffrer le retour sur investissement d’un changement de méthode de conception a pour effet la multiplication des interprétations de l’approche DFM, et on assiste à l’apparition de nombreuses ramifications parallèles. Celles-ci permettent de résoudre certains problèmes, mais n’autorisent pas l’anticipation des dérives physiques futures promise par la solution DFM. C’est pourquoi une nouvelle méthode de conception, le DFM², est définie. Elle permet de créer des interactions entre les différents acteurs du processus de développement d’un produit, afin de confronter leurs contraintes pour définir des solutions innovantes dans le but d’améliorer le gain de rendement. La course à la réduction des dimensions dans le secteur de la microélectronique s’accompagne de limitations jusqu’alors ignorées, car leur impact sur le rendement n’est pas significatif. Les solutions aux difficultés rencontrées ne se limitent pas à la résolution des défis physiques générés par l’avancée technologique, car le facteur de variabilité de la fabrication représente une part de plus en plus conséquente dans les pertes de rendement et est par nature imprévisible. De ce fait, l’espace des solutions s’est recentré autour d’une nouvelle approche de la méthode de conception plus à l’écoute des contraintes de la fabrication : le DFM, qui est présenté en partie I.2. Cependant, les différentes orientations et interprétations données à l’approche DFM ne suffisent pas toujours à adresser de la meilleure manière les défis technologiques. Ainsi, la partie I.3 présente un nouveau concept de méthode de conception, où les mondes de la conception et de la fabrication sont interconnectés autour d’un acteur qui gère les flux d’informations à travers les canaux de communication ainsi créés. Cette méthode de conception innovante est baptisée DFM², et sa définition théorique sert de cadre aux travaux et résultats présentés dans la suite de cette thèse.
Evolution technologique
Les avancées technologiques dans la microélectronique L’industrie du semi-conducteur est un secteur très compétitif et à forte croissance. De ce fait, la survie dans ce secteur passe nécessairement par une réactivité extrême. Les évolutions technologiques de ce domaine ont été prédites par Gordon Moore en 1965 [Moore’65], à l’origine d’un modèle économique qui permit de prévoir notamment la réduction des dimensions des transistors, qui sont les briques élémentaires des circuits microélectroniques, afin d’améliorer à la fois ses caractéristiques électriques et la densité d’intégration de ces composants (Figure 1). Les différentes générations de transistors sont attachées au concept de nœud technologique, déterminé par des contraintes électriques et dimensionnelles qui sont définies par l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [ITRS’07]. Cette loi, prédisant le doublement du nombre de transistors tous les dix-huit mois (réajustement de 1975) dans des circuits de même taille, est aujourd’hui plus ou moins suivie par les industriels en raison du défi technologique majeur que représente une telle évolution. En effet, de nombreuses contraintes physiques apparaissent avec la réduction des dimensions et les processus standard de fabrication et de vérification ne permettent plus de suivre ce modèle d’évolution. Le fonctionnement d’un processus de conception pour des technologies dites « anciennes » autorise la séparation des différentes étapes de la fabrication. Les règles de dessin fournies par le département du développement des technologies se limitent principalement à des contraintes géométriques basiques, comme la taille minimale d’un rectangle ou encore l’espacement minimal entre deux polygones. En effet, pour des nœuds technologiques supérieurs à 350nm, la dimension de la longueur de grille minimale à imprimer par lithographie est supérieure à la longueur d’onde de la lumière utilisée, et de ce fait n’implique pas de spécifications de dessin contraignantes. La maîtrise de la technologie se fait de manière assez rapide et l’arrivée du rendement dans une phase mature n’est pas entravée par des dérives physiques non contrôlées.
Les limitations induites par la progression technologique
Pour les technologies avancées, il devient de plus en plus difficile de contrôler le processus de fabrication. En effet, la maîtrise des différentes étapes de la réalisation d’un produit se heurte à une variabilité des résultats produits. Celle-ci est inhérente au rapprochement continu des attentes industrielles vers les limites technologiques des procédés de fabrication. Ainsi les paramètres électriques définis lors de la phase de conception d’un composant électronique ne seront pas les mêmes que ceux du composant réalisé sur silicium [Raghavendra’08]. Ce phénomène est appelé variation de fabrication ou « process variation ». Il apparaît à différentes étapes du processus de fabrication, telles que la lithographie, l’implantation ionique ou encore le polissage mécanico-chimique (connu sous le sigle CMP : « Chemical Mechanical Polishing »). Les principaux facteurs de variation de fabrication sont le désalignement de la plaque de silicium lors de la phase de lithographie, la fluctuation aléatoire des dopants (particules introduites dans la structure cristalline d’un matériau semi-conducteur afin de modifier ses paramètres 18 Chapitre I – Introduction au DFM – 18 – électroniques, comme la conductivité) ou encore des imperfections dans la planéité des différents niveaux. Durant les quarante dernières années, la réduction des dimensions a permis de réduire la taille des circuits, et donc des coûts de fabrication, et d’augmenter la vitesse tout en diminuant la consommation d’énergie des produits. Cependant, ces avantages ont été contrebalancés par l’apparition de nouveaux défis technologiques tels que les courants de fuites, les chutes de tension, la prévision des variations de délai ou encore les variations de géométrie pour les lignes métalliques ou les tailles des transistors (Figure 2) [Buurma’08]. Figure 2 : Variabilité en fonction du noeud technologique [Buurma’08] Les coûts des équipements de fabrication adaptés aux nœuds technologiques avancés représentent une part conséquente des investissements des entreprises du fait de leur complexité, nécessaire pour fabriquer des composants approchant la limite atomique. De nombreuses précautions doivent être prises tant au niveau de la conception qu’au niveau de la fabrication des circuits afin d’assurer les rendements imposés par le marché. Les concepteurs de cellules ont besoin de modèles fiables qui prennent en compte tous les effets physiques, y compris ceux découverts récemment. De plus, ils doivent multiplier les vérifications de tous types afin de s’assurer que la marge de fonctionnalité du produit soit incluse dans la marge de variation induite par les procédés de fabrication. La robustesse des circuits est un facteur essentiel, spécialement dans certains domaines d’utilisation comme les secteurs automobile et aérospatial. Le facteur économique est également déterminant dans le développement des nouvelles technologies. Afin d’atteindre un rendement qui rendra la technologie industriellement exploitable, les investigations ne se limitent plus à la maîtrise des caractéristiques basiques de la technologie ou à la validation des nouvelles machines (Figure 3). On observe sur la Figure 3 que dans la première phase de qualification de la technologie, le gain en rendement est de moins en moins important à temps d’étude constant pour les nouveaux nœuds. De même, lors de l’arrivée en phase mature, des limitations physiques empêchent d’atteindre les niveaux de rendement obtenus pour des technologies plus anciennes.
Historique du DFM
Des stratégies doivent être mises en place afin de modéliser les effets physiques découverts récemment et de prédire les variations de fabrication. Cela passe par des analyses théoriques et par le développement de solutions alternatives de fabrication qui permettront de profiter au mieux des possibilités offertes par une nouvelle technologie tout en conservant au maximum la qualité attendue par les clients. Dans de nombreux cas, par exemple pour le développement de cellules analogiques, la robustesse face aux variations de fabrication impose la mise en place d’une méthode de conception sur-contrainte et ne permet donc pas de tirer partie des avantages du nœud technologique considéré. Cette limitation n’est pas acceptable du fait des coûts colossaux engendrés par l’adoption d’une technologie. De nouvelles solutions doivent donc être trouvées afin de maximiser le retour sur investissement tout en préservant la qualité. Cela passe par une méthode de conception qui prend en compte les contraintes technologiques de l’étape de fabrication afin d’optimiser le rendement. On assiste donc à une intensification des interactions entre les deux mondes de la conception et de la fabrication dans le but de relever le défi de la variabilité technologique. Cette association constitue la base de l’approche DFM.
De la nécessité du DFM
Les premiers pas du DFM
Dans le cas des nœuds technologiques inférieurs à 180nm, les concepteurs sont libres de dessiner des cellules sans autres contraintes que des espacements et tailles minimales. La technologie utilisée ne nécessitant pas de précautions particulières, les règles de dessin sont assez peu contraignantes et ne limitent pas réellement la conception des cellules. Pour les technologies avancées, le nombre des règles de conception augmente de manière considérable (Figure 4). De plus, les règles dépendent à présent du contexte dans lequel elles sont appliquées, ce qui augmente considérablement leur complexité. La notion de contexte est essentielle dans une approche DFM. Figure 4 : Augmentation des règles de dessin en fonction du nœud technologique [Buurma’08] On assiste à l’apparition de nouveaux types de règles tels que des valeurs minimale et maximale de densité pour un niveau de masque, des espacements spécifiques entre polygones de petite taille et polygones de grande taille, des directions privilégiées pour les différents niveaux de routage ou encore des tailles minimales d’excroissance géométriques. Dans le monde industriel, l’impact de cette évolution se traduit par une difficulté croissante à dessiner des cellules à la fois miniaturisées et fonctionnelles du fait de ces nouvelles contraintes. De nouveau, la réduction des dimensions est accompagnée par de nouvelles entraves qui contraignent fortement les possibilités géométriques. Il faut ajouter à cela la prise en compte de la défectivité non systématique, donc l’impact sur le rendement n’est plus négligeable en termes de coûts pour les technologies avancées. Il s’agit de repérer les configurations géométriques qui peuvent générer des défauts lors de la fabrication. On parle de probabilité de défectivité, qui est la conséquence d’une technologie non totalement maîtrisée du fait du trop grand nombre de paramètres de variabilité. Ces défauts peuvent aussi bien résulter d’une mauvaise réalisation de l’étape de lithographie dans une zone localisée, d’une particule parasite déposée sur le circuit ou d’un via non fonctionnel (Figure 5).
Remerciements |
