Brevet FR2972079A1 — publié le 20120831

CIRCUIT INTEGRE NUMERIQUE Domainte technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique, et plus précisément des circuits intégrés numériques. Elle porte en particulier sur une structure spécifique des rails d'alimentation permettant de fournir aux cellules fonctionnelles d'un circuit intégré l'énergie nécessaire à leur fonctionnement. Arrière plan de l'invention Les circuits intégrés numériques (ou également appelés « digitaux ») réalisent différentes opérations logiques par l'intermédiaire de cellules fonctionnelles élémentaires. Chacune de ces cellules réalise des opérations élémentaires et transmet les résultats de ces opérations aux cellules voisines auxquelles elle est connectée. Ces cellules élémentaires comprennent différentes structures de portes logiques ou dérivées. La puissance électrique fournie aux différentes cellules est acheminée au niveau de chacune des cellules par l'intermédiaire de rails d'alimentation qui sont situés à des niveaux de métallisation proches des zones fonctionnelles de chaque cellule. Ces rails, qui sont généralement assemblés par paires, sont portés à des potentiels de référence que sont généralement la masse (GND) et une tension de référence généralement positive, qui dépend de la technologie employée. Or, on a constaté que des problèmes de fiabilité peuvent intervenir dans les composants à cause des phénomènes d'électromigration, qui apparaissent dans les conducteurs qui transportent des courants dont la densité de courant est importante. En effet, les phénomènes d'électromigration se manifestent par le déplacement des atomes à l'intérieur des pistes métalliques, du fait de l'impact des électrons. Ces déplacements d'atomes peuvent aboutir à la longue à l'apparition de zones exemptes de matière au sein d'une piste conductrice. Dans ce cas, la section utile de la piste est donc diminuée, ce qui augmente la densité de courant dans la section restante, et par conséquent l'augmentation des risques d'électromigration. La conduction peut à l'extrême être limitée à la périphérie de la piste conductrice, dans des zones barrières, avec pour conséquence une augmentation importante de la résistance électrique, et les phénomènes d'échauffement associés. Lorsque les phénomènes d'électromigration interviennent à l'aplomb des vias de connexion avec des niveaux de métallisation supérieur et/ou inférieur, la conduction peut être totalement interrompue si la cavité créée couvre l'intégralité de la zone d'interface entre la piste conductrice et le via de connexion. Exposé de l'invention Or, la tendance à l'intégration de plus en plus dense conduit à une diminution de la section des pistes métalliques, sans réelle diminution de la consommation globale des composants. En d'autres termes, les densités de courants observés ont tendance à croître, et avec elles, les risques liés à l'électromigration. Le besoin se fait donc sentir de limiter l'impact des phénomènes 20 d'électromigration, et d'améliorer la fiabilité des composants digitaux. Ainsi, selon un aspect de l'invention, il est prévu un circuit intégré numérique, incluant une matrice de cellules fonctionnelles dont un sous-ensemble est alimenté par au moins un rail d'alimentation auquel est connectée chaque 25 cellule du sous-ensemble, dans lequel le rail comporte une pluralité de segments situés à deux niveaux de métallisation distincts, et au moins un élément conducteur s'étendant entre lesdits deux niveaux de métallisation en connectant deux segments successifs dudit rail. 30 Ainsi, les rails d'alimentation sont découpés en différents secteurs, de sorte que ces segments présentent une longueur limitée dans un même niveau de métallisation. Cette longueur limitée permet de réduire les risques liés à l'électromigration, du fait de l'expression de l'effet « Blech », qui veut qu'en dessous d'une longueur prédéterminée, les phénomènes d'électromigration ne peuvent apparaître dans une ligne. Différentes architectures peuvent être employées en relation avec différents aspects de l'invention. Ainsi, selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément conducteur peut s'étendre entre les zones en recouvrement de deux segments successifs situés à deux niveaux de métallisation distincts. En pratique, plusieurs éléments conducteurs peuvent connecter en parallèle deux segments successifs. Autrement dit, la connexion entre deux niveaux de métallisation Selon une forme de réalisation, tout ou partie des segments dudit rail peuvent s'étendendre sur plusieurs cellules successives. Selon une variante de réalisation, tout ou partie des segments dudit rail peuvent être disposés à l'intérieur d'une seule cellule. Description sommaire des figures Certains aspects de l'invention et les avantages qui en découlent ressortiront de la description des différents modes de réalisation qui suivent à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est une vue en perspective sommaire d'une fraction du circuit d'alimentation d'un circuit intégré digital selon une première forme de réalisation. La figure 2 est une vue en perspective sommaire de détail de la zone de connexion entre deux segments du rail d'alimentation. La figure 3 est une vue de dessus montrant la configuration du circuit d'alimentation de la figure 1, sur une plus large échelle. Les figures 4, 5, 6 et 7 sont des vues de dessus analogues à la figure 3, pour 30 différentes variantes de réalisation. Bien entendu, les dimensions et les rapports entre les différents éléments représentés aux figures ont été choisis pour faciliter la compréhension de l'invention, et peuvent différer des valeurs réelles. Description détaillée Comme illustré à la figure 1, un circuit intégré numérique 1 comporte une pluralité de cellules fonctionnelles élémentaires 2, réalisées sur un substrat semi-conducteur incluant des couches métalliques. Ces différentes cellules 2 sont agencées spatialement sous forme d'une matrice dont une seule ligne est représentée à la figure 1. Ces cellules 2 sont disposées les unes par rapport aux autres en assurant la connexion de leurs entrées et sorties pour créer les fonctions logiques souhaitées. De façon classique, le substrat est recouvert par une pluralité de niveaux de métallisation superposés, et séparés par des couches isolantes. Généralement, le niveau supérieur de métallisation comporte un ensemble de pistes conductrices 6-9 reliées à des potentiels de référence, et destinées à acheminer le courant d'alimentation en puissance qui sert au fonctionnement des différentes cellules 2. Dans l'exemple illustré, ces pistes conductrices 6-9 sont de deux types, reliées pour les uns 6,8 à la masse (GND) et pour les autres 7, 9 à un potentiel de référence positif (VDD). Bien entendu, il est possible d'acheminer d'autres potentiels de référence positifs ou négatifs en fonction des applications. Tel qu'illustré à la figure 1, ces pistes principales d'alimentation 6-9 sont reliées aux niveaux de métallisation inférieurs par l'intermédiaire de colonnes conductrices 10, 11 formées de l'empilement de dépôts métalliques 12-15 sur les niveaux de métallisation, entre lesquels sont interposés des vias d'interconnexion 16-20 réalisés à travers les couches isolantes séparant les niveaux de métallisation. Pour faciliter la compréhension de l'invention, seules les parties conductrices ont été représentées à la figure 1, les portions isolantes des niveaux de métallisation et des couches isolantes ayant été supprimées. Comme illustré à la figure 1, les différentes cellules 2 d'une ligne sont alimentées par l'intermédiaire de deux rails 30, 40, disposés perpendiculairement aux pistes principales d'alimentation 6-9. Dans la forme illustrée, ces rails 30, 40 sont formés de différents segments 31-35 situés sur deux niveaux distincts de métallisation. Plus précisément, le rail 30 comporte des segments 32, 34 situés au niveau de la métallisation reposant directement sur la partie active des cellules fonctionnelles 2, et des segments 31,33,35 situés à un niveau de métallisation supérieur. Les segments successifs 33, 34 présentent des zones de recouvrement 36, 37 en vue de dessus. Dans ces zones 36, 37 se chevauchant, des éléments conducteurs 38 sont agencés pour réaliser la connexion électrique entre les segments successifs 33, 34. Préférentiellement, la section utile de ces éléments conducteurs 38 est choisie pour être de l'ordre de la section utile des segments 31- 35 du rail. En pratique, ces éléments conducteurs 38 peuvent être réalisés de la même manière que les vias 16-20 d'interconnexion reliant électriquement les différents niveaux de métallisation. Il est également possible de créer plusieurs éléments conducteurs en parallèle, 25 comme autant de vias nécessaires pour faire circuler le courant d'alimentation avec une densité de courant compatible avec les contraintes technologiques. Ainsi, comme illustré à la figure 2, il est possible de réaliser un ou plusieurs vias 39 qui relient la face inférieure d'une extrémité 36 d'un premier segment 33, 30 et la face supérieure de l'extrémité 37 du second segment 34 situé au niveau de métallisation inférieur. Le nombre et la forme des vias peuvent bien entendu être adaptés en fonction des matériaux utilisés et des épaisseurs des différentes couches impliquées. De retour à la figure 1, on constate que le rail d'alimentation 30 est donc fractionné, et les segments 31, 33, 35 de plus grande longueur sont illustrés au niveau de métallisation supérieur, présentent une longueur donnée. Cette longueur est limitée pour que l'effet «Blech» s'exprime, et que le segment considéré ne puisse donc être le siège de phénomènes d'électromigration, ou tout au moins que ces phénomènes soient fortement réduits. En pratique, on a constaté que grâce à ce sectionnement des rails d'alimentation 30, 40, il est possible d'augmenter la densité de courant d'un facteur supérieur à plusieurs unités, en conservant un risque limité d'apparition de phénomènes d'électromigration. Ainsi, il est possible de réduire les dimensions (épaisseur, largeur) des pistes formant le rail pour rechercher une intégration plus élevée. Ainsi, à titre d'exemple, pour des rails présentant une largeur utile de 0.01µm, destinés véhiculer à une intensité de 1 mA, correspondant à une densité de courant de 100mA/µm., la longueur critique pour que l'effet « Blech » annule ou limite très fortement les risques d'apparition de phénomènes d'électromigration est de l'ordre de 61um, ce qui correspond sensiblement à la longueur de deux cellules fonctionnelles élémentaires présentant chacune une longueur moyenne de l'ordre de 31um. Bien entendu, ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple, et peuvent varier notamment en fonction de la technologie et de la nature des matériaux employés et conditions de fonctionnement, et en particulier de la température. Différentes géométries peuvent être employées tout en conservant l'esprit de 30 l'invention. Ainsi, comme illustré à la figure 3, qui correspond à la configuration de la figure 1, les différents segments 31-35 du rail 30 sont réalisés sur deux niveaux de métallisation, en conservant les segments les plus courts 32, 34 circonscrits à une seule cellule 2. Pour faciliter la visualisation, les segments 32, 34 de niveaux de métallisation inférieur ont été représentés plus larges que les segments 31, 33, 35 situés au niveau de métallisation supérieure, sans que cela ne corresponde à une obligation ou réalité technique. Autrement dit, toutes les cellules en dehors de celles qui comportent le fractionnement du rail, possèdent des sections continues du rail d'alimentation, et présentent donc un « design » traditionnel. Le nombre de cellules sur lequel s'étendent les segments les plus longs 31, 33, 35 peut être variable en fonction de la densité de courant envisagée. Ainsi, ce nombre de cellules peut s'étendre de quelques unités à une ou plusieurs dizaines en fonction des applications. Dans la forme illustrée à la figure 4, les segments 42 situés au niveau inférieur peuvent s'étendre sur plus d'une cellule 2, ce qui augmente le nombre de cellules 2 dans lesquelles s'effectuent les transitions de niveaux de métallisation pour le rail d'alimentation. Il est également possible comme illustré à la figure 5 que les segments 51-55 situés à différents niveaux de métallisation présentent des longueurs analogues. Une telle configuration permet de réduire le nombre de transitions entre niveaux de métallisation pour un même rail, tout en conservant une longueur maximale de chaque segment qui est inférieure à la limite pour laquelle s'exprime l'effet « Blech ». Bien entendu, dans toutes les variantes représentées, les segments les plus courts ont été illustrés au niveau de métallisation inférieur, le plus proche des cellules fonctionnelles, mais la configuration inverse peut être adoptée sans sortir du cadre de l'invention. De même, dans toutes les formes illustrées aux figures 3 à 5, les deux rails 30,40 ; 48,49 ; 50,59 du circuit d'alimentation sont représentés de manière symétrique par rapport au plan médian qui les sépare. Cependant, des configurations alternatives telles que celles illustrées à la figure 6 peuvent être employées dans lequel un seul 60 des deux rails présentent une configuration fractionnée. L'autre rail 69 peut être soumis à des contraintes moindres en termes de densité de courant et peut selon le cas adopter une géométrie traditionnelle continue. De même, une variante illustrée à la figure 7 peut prévoir que dans une même cellule 2, les deux fractions de rails 74, 84 se situent à deux niveaux de métallisation distincte. Autrement dit, dans une cellule donnée, un niveau de métallisation n'est occupé que par un seul rail d'alimentation. Il ressort de ce qui précède que le fractionnement des rails d'alimentation, même s'ils complexifient quelque peu le « design » du composant, présente l'avantage majeur d'annuler, ou à tout le moins de limiter très fortement les problèmes d'électromigration. REVENDICATIONS1/ Circuit intégré numérique (1), incluant une matrice de cellules fonctionnelles (2) dont un sous-ensemble est alimenté par au moins un rail d'alimentation (30, 40) auquel est connectée chaque cellule (2) du sous-ensemble, dans lequel le rail (30) comporte une pluralité de segments (31-35) situés à deux niveaux de métallisation distincts, et au moins un élément conducteur (38) s'étendant entre lesdits deux niveaux de métallisation en connectant deux segments successifs (33,34) dudit rail. 2/ Circuit intégré numérique selon la revendication 1, dans lequel ledit élément conducteur s'étend entre les zones en recouvrement (36, 37) de deux segments (33, 34) successifs situés à deux niveaux de métallisation distincts. 3/ Circuit intégré numérique selon la revendication 1, dans lequel plusieurs 15 éléments conducteurs (39) connectent en parallèle deux segments successifs (33, 34). 4/ Circuit intégré numérique selon la revendication 1, dans lequel tout ou partie des segments (33, 43, 53) dudit rail s'étendent sur plusieurs cellules successives. 5/ Circuit intégré numérique selon la revendication 1, dans lequel tout ou partie des segments (32, 34) dudit rail sont disposés à l'intérieur d'une seule cellule. 20