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ENST --- janvier 2006 Evolution des technologies semiconducteurs Michel RIVIER IBM France Laboratoire de développement des composants © 2006 IBM Corporation.

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1 ENST --- janvier 2006 Evolution des technologies semiconducteurs Michel RIVIER IBM France Laboratoire de développement des composants © 2006 IBM Corporation

2 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 2 Agenda Evolution des circuits intégrés silicium - facteurs physiques : facteurs déchelle et litho - facteurs économiques : couts, rendements Tendances des mémoires Tendances des technologies et produits logiques

3 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 3 La préhistoire Lélectronique des années éléments logiques : tubes à vide - mémoires : stockage magnétique (interne), ou cartes perforées (externe, entrée de données)

4 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 4 Lélectronique basée sur les semiconducteurs loi de Moore : le nombre de transistors par circuit intégré Si double tous les 18 mois (~1975) - 30 ans plus tard, la loi exponentielle est toujours valide - un ajustement exponentiel donne une valeur empirique de 2X / 26mois - Peut-on expliquer cette tendance ? Source: Intel Corp. Electronics, vol 38 Avril 1965

5 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 5 Evolution des technologies Si : diminution du cout dune fonction La loi de Moore a en fait une explication économique: Cest une loi de loffre (des industriels produisant à un coût donné) et de la demande (basée sur lélasticité du prix) Tant que les prix diminuent, le client accepte dintégrer de plus en plus de fonctions électroniques à prix constant. Source: WSTS

6 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 6 Evolution des technologies Si : augmentation de la performance La loi de Moore a en fait une corollaire, laugentation de la performance à cout constant: Source: Intel

7 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 7 La base de la microélectronique Si : le procédé CMOS En fait, lévolution des circuits intégrés est basé sur une demande: Le marché des ordinateurs (grands ordinateurs et PC) qui a dominé les années La réponse technologique à cette demande repose sur une technologie : le CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) La microélectronique permet la fabrication simultanée sur un substrat Si de type p de deux transistors à effet de champ (FET), le nFET et le pFET permettant de réaliser des fonctions logiques. Ces transistors sont réalisés par lithogravure, le dimensionnel minimum étant la taille du canal, L Substrat p Si0 2 Grille n Caisson n Grille p Oxyde de grille nFETpFET S G D

8 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 8 Caractéristiques électriques dun transistor MOS Les caractéristiques électriques des transistors MOS sont régis par les équations de la physique du solide Transistor logique État 0 : V gs =V ds =0 I ds = 0 Etat 1 :V gs = V ds = V dd I ds = C ox (W/L) (V gs – V t ) 2 /2m Le délai dune porte logique est défini par = ( n + p ) / 2 = CV dd ( 1 / I dnsat + 1 / I dpsat ) / 2 C étant en général la capacité dentrée de la porte logique (ici inverseur) suivant La puissance dissipée est : P = C V dd 2 f

9 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 9 Miniaturisation dun transistor MOS Théorème de la microélectronique: En gardant la valeur du champ électrique constant, celui-ci peut être miniaturisé à linfini (!)

10 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 10 La photolithogravure Principes : Un masque comportant le dessin a réaliser est gravé sur Une couche mince de Cr déposée sur une plaque de SiO 2 La résine déposée sur le substrat sert de mode de transfert de limage. Le procédé consiste ensuite à graver, implanter ou déposer une couche supplémentaire permettant de réaliser le circuit en 3D. Chaque génération est caractérisée par la dimension minimale pouvant être imprimée sur la résine de transfert L = k / NA k : 0.65 à 0.30 … dépend du masque : longueur donde de léquipement NA: ~0.7 ouverture numérique.. > est la variable utilisée L

11 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 11 LITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) Organisme International définissant et guide les besoins de lindustrie des semiconducteurs Redéfinit annuellement la projection de lévolution de la lithogravure X par génération 3 ans par génération

12 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 12 Evolution des technologies de photolithogravure Des solutions techniques existent pour réduire le dimensionnel …. Il suffit de réduire la longueur donde, de trouver des matériaux adéquats pour servir de masques, et de le faire à un coût suffisamment faible (puissance de la source, coût de développement et durée de vie de léquipement)

13 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 13 Evolution des ventes mondiales de semiconducteurs Marché des semiconducteurs 2005: $ PIB 2004*: France $ USA $ * Source OCDE Source: WSTS %/an %/an

14 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 14 Evolution des couts de production Evolution exponentielle ~ tranches/mois ~ 1000 personnes : $ 70% du cout est lié aux équipements* Source Instat Source: WSTS

15 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 15 Evolution du marché des applications des semiconducteurs Scientifique industriel personnel universel Spécialistes quelques utilisateurs nombreux utilisateurs tous Centres de calculs en réseau connectés nimporte où Grands ordinateurs PC Source: WSTS téléphonie ? CPU, DRAMs système plateforme

16 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 16 Evolution des technologies Si Marché des semiconducteurs : $ 50% produits logiques; 20% mémoires ; 30% autres Source: WSTS

17 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 17 Expression du rendement des circuits intégrés Le procédé semiconducteur est une succession - de plusieurs dizaines détapes de photolithogravure - De plusieurs centaines détapes de procédé A chaque étape, des particules peuvent se déposer et créér des défaillances Un nombre moyen de défaut caractérise le procédé en fin de fabrication. En faisant lhypothèse de processus indépendants, et de défauts aléatoires, la loi régissant le rendement est un eloi de Poisson de paramètre Y = Y 0 exp - = A D A : surface du chip D densité de défauts

18 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 18 Zone utile De production Rendement des circuits intégrés

19 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 19 Expression du rendement des circuits intégrés

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21 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 21 Mémoires et rendement Selection colonne Selection rangée Ampli lecture + buffers Dans le plan mémoire, les adresses des cellules défectueuses sont repérées pendant le test final. Les mémoires étant des produits à très forts volumes, permettent deffectuer des études statistiques du rendement. La connaissance précise de la position lélément défaillant permet de cartographier les défauts, et de trouver rapidement les causes de défaillance Le diagnostic des fautes des mémoires permet de diminuer la densité de défauts des procèdés semiconducteurs, et daméliorer le rendement des lignes de production. Point mémoire défectueux

22 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 22 Mémoires et redondance Selection colonne Selection rangée Ampli lecture + buffers Dans le plan mémoire, les adresses des cellules défectueuses sont repérées pendant le test final Leurs adresses sont inhibées (fusible) Des éléments redondants sont fabriqués (ici rangées). Les éléments redondants permettent de corriger les cellules défecteuses Cout de la redondance: - surface du chip: legère augmentation de la surface (décodage adresse plus complexe, éléments redondants, fusibles) - test plus complexe (2 tests, programmation du fusible) Point mémoire défectueux Cellule de secours

23 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 23 Amélioration du rendement associé à la redondance Le rendement dun composant de surface A, fabriqué dans un procédé où la densité de défauts est D est: Y = Y 0 probabilité davoir au plus zéro faute = Y 0 exp - = Y 0 exp - AD = AD est le nombre moyen de défauts aléatoires du composant Y 0 est le rendement non aléatoire du composant Dans le cas dune mémoire, on peut ajouter n cellules redondantes. Chaque faute peut ou non être réparée. Lexpression du rendement devient Y = Y 0 probabilité de réparation de n fautes x probabilité davoir moins de n fautes Application numérique D 0 = 1 défaut / cm 2 Taille du chip : 1 cm 2 Rendement sans redondance: Y = 37% En réparant: 1 faute Y 1 = 74% 2 fautes Y 2 = 92% 3 fautes Y 3 = 98% 4 fautesY 4 = 100%

24 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 24 Loi de Moore pour les mémoires et les produits logiques

25 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 25 Mémoires et produits logiques 3 à 5 niveaux de métal 2 niveaux métal les mémoires les logiques transistor optimisé capacité enterrée surface de la tranche

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29 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 29 Evolution de la densité des mémoires Lunité de stockage des NVRAMs est un transistor Son évolution suit donc une loi du type loi de Moore, basée sur la diminution des dimensions avec le temps

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31 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 31 Evolution du cout de lunité de stockage

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40 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 40 Dissipation thermique Année dannonce Flux Thermique(watts/cm 2 ) Bipolar CMOS Vacuum IBM 360 IBM 370 IBM 3033 IBM ES9000 Fujitsu VP2000 IBM 3090S NTT Fujitsu M-780 IBM 3090 CDC Cyber 205 IBM 4381 IBM 3081 Fujitsu M380 Merced Pentium II(DSIP) Pentium 4 Début du refroidissement par eau Prescott Jayhawk(dual) fin du bipolaire fin du MOS ?? En théorie, la puissance par unité de surface devrait être constante

41 ENST --- janvier 2006 © 2006 IBM Corporation 41 Au delà du transistor MOS….. Transistors moléculaires Photons Nanotubes carbone Transistors à spin


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