La réalité de la miniaturisation ultime : la nanoélectronique

Ultra miniaturisation de l’électronique:
Demain, la Nanoélectronique
par
Abdelkader SOUIFI
Professeur à l’INSA de Lyon
Institut des Nanotechnologies de Lyon
Département d’Electronique
Nanoelectronique – A. SOUIFI – 15 Mars 2011
Plan
 L’industrie des Semiconducteurs
 De l’Electronique à la Microélectronique
 Demain, la Nanoélectronique…
Nanoelectronique – A. SOUIFI – 15 Mars 2011
Les semiconducteurs dans le marché mondial
100 _
Global
10 %
10 _
Electronique
1_
1,5 %
3,0 %
1,6 %
0,5 %
0,2 %
|
60
3,0 %
2,0 %
0,1 _
0,01 _
4,5 %
|
70
|
80
0,075 %
|
90
Semiconducteurs
|
2000
|
2010
Année
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|
2020
|
2030
|
2040
Vitesse de pénétration dans le marché
( temps écoulé entre invention et présence dans 25% des foyers)
Auto
50 _
Années
40 _
30 _
Electricité
Téléphone
Magnétoscope
Micro-onde
TV
Radio
PC
20 _
Tel. Mobile
Internet
10 _
0_
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Au début du 20ème siècle, on utilise des « tubes
électroniques » dans lesquels les électrons se déplacent dans
le vide. Les triodes et autres pentodes permettent de réaliser
les premiers amplificateurs pour la TSF (transmission sans
fil), ancêtre de la radio.
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Premiers composants actifs
Redressement des signaux:
En 1905 la diode à vide est
inventée par l'anglais John Ambrose
Fleming
Amplification des signaux:
En 1906 l'américain Lee De
Forest
invente l'audion
(triode),ancêtre du transistor.
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Les électrons dans le vide
Années 1900-1950
-
Information
amplifiée
C
A
+
Grille
Information
électrique
Une dépense d'énergie importante pour chauffer la cathode
afin de libérer les électrons
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Composants à semiconducteurs
Années 20 à 50
Cristaux de
Galène
Redressement des signaux:
La galène: PbS
- Des diodes métal / semiconducteur dans
les années 20
Le germanium:Ge
- Les premières diodes à jonction en 1942
Amplification des signaux:
En 1948, le premier transistor en Ge est
réalisé par Bardeen, Brattain et Shockley.
Prix Nobel de physique en 1956.
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Electrons dans un cristal
Emetteur
Collecteur
-
Base
+
Information
amplifiée
Information
électrique
Une économie d'énergie:
on ne chauffe plus pour libérer les électrons
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Premiers transistors bipolaires
Années 50
Emetteur
Emetteur
La base: Un barrage à électrons
Collecteur
Transistor
"Bloqué"
Collecteur
Transistor
"Passant"
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Transistors à effet de champ
Années 60
La Grille: un robinet à électrons
Source
Drain
Source
Drain
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Transistor
"Bloqué"
Transistor
"Passant"
De l’électronique à la microélectronique
Pourquoi la miniaturisation ?
Traiter l'information
Mise en forme
Transmission
Détection
Stockage
En limitant la dépense d'énergie !!
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 1925 et 1930 que JULIUS E. LILIENFELD propose sa réponse aux problèmes de
consommation des tubes triodes ; dans ses différents brevets, il jette les bases des transistors à
effet de champ).
1960 : D. KAHNG et M. ATTALA réalisent le premier MOSFET
(Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor) grâce à l’utilisation
d’oxyde de silicium thermique.
 1963 : Invention de la technologie CMOS par F. WANLASS, chez
Fairchild, technologie se distinguant par sa faible consommation.
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Premier inverseur CMOS
1961
 1961 : Invention de la technologie Planar par BOB NOYCE à la
société Fairchild, il ne fallut alors que 10 ans avant de voir apparaître sur
le marché les premiers circuits intégrés.
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Microélectronique Silicium
Silicium + SiO2
Transport des électrons
Isolation électrique
Composants actifs
Composants passifs
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Technologie planar
capacité
résistance
1
1
2
n
C
A
2
n
p
diode
p+
p
n
A
p+
C
p+
Transistor MOS
S
G
p+
Transistor bipolaire
D
C
p+
p+
p
p
n
p+
p+
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B
E
n
p+
p
p+
Technologie Silicium
Plaquettes
Lingot de
silicium
Plaquettes
Silicium en
Fusion
Procédés
Photolithographie
Oxydation
Diffusion
Implantation
Dépôt
Evaporation
Tests & montages
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Masque
Report du circuit sur Si
Histoire de la Miniaturisation :
1965 : Gordon MOORE prédit que le nombre de
transistors par unité de surface doublerait tous les ans ; en fait,
les progrès technologiques ne permettront un doublement de
la densité d’intégration « que » tous les 18 mois.
Tous les 3 ans:
- Surface de puce:
x 3
- Longueur minimale:
réduction de 30 %
- Nombre de composants par puce:
x 4
- Fréquence d’horloge:
x 1,5
- Coût par transistor:
réduction d’au moins 50 %
- Coût d’une unité de production:
x 2
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POLARISATION DU TRANSISTOR MOS
VD > 0
VG > 0
+
VS = 0
G
S
D
L
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+
EXPRESSION DU COURANT
ID
W
L
n
Cox VG
VT
VD
Quantité d’électrons libres
n:
mobilité des électrons
Rapport largeur (W) sur longueur de grille (L)
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Longueurs de grille: Les projections des industriels
(SIA Roadmap 1997)
180 nm
150 nm
50 nm
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Premier µprocesseur: des milliers de transistors
1971
 1971 : Premier microprocesseur
Intel 4004, constitué de 2 300
transistors NMOS.
Transistors MOS à canal d’électrons
de 10 µm de longueur de grille et
fonctionnant à 0.1 MHz, créé par
TED HOFF, en réponse à une
commande d’un fabricant japonais de
calculatrices de bureau (Busicom).
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PENTIUM 4: 42 millions de transistors
2000
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Des transistors MOS aux dispositifs
Nanoélectroniques
1960
Transistor MOS (Atalla & Kahng)
2004
Nanotransistor MOS (ex : ST Micro)
[Boeuf, 2004]
[Kahng, 1960]
~ 45ans
1960
2004
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Evolution récente des dispositifs
2001
ST-16nm
2002
ST-38nm
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2002
IBM-6nm !!!!
En résumé
 Des années 80 aux années 2000 : une succession de records du monde de la
miniaturisation en R&D industrielle :
- 1983: 140 nanomètres (Bell Labs)
- 1987: 100 nanomètres (IBM)
- 1994: 40 nanomètres (Toshiba)
- 1997: 30 nanomètres (NEC)
- 1999: 19 nanomètres (CEA-LETI)
- 2001: 16 nanomètres (ST-Micro)
-2002: 6 nanomètres (IBM)……
 Des années 70 aux années 2000 : miniaturisation des transistors utilisés
dans les microprocesseurs commercialisés :
- 70-80: quelques dizaines de microns
- 80-90: quelques microns
- 90-00: dixièmes de microns
- 2000-2010: on passe en dessous de 0,1 micron (100 nm) : les débuts de la
nanoélectronique !!
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La technologie CMOS dans 5 ans

Longueurs de grille < 30 nm
 plus
de 100 millions de transistors/cm² pour les circuits logiques
( avec un coût < 50 µcents / transistors )
 plus
de 10 milliards de bits/cm² pour les mémoires ( avec un
coût < 660 nano-cents / transistors )
 Un
microprocesseur avec 1.4 milliards de transistors
consommera moins de 170 W.
 Fmax
= 30 GHz,..
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Les limitations
Lithographie en dessous de 0.1 micron ?
Isolation de composants très rapprochés?
Interconnections des composants?
Les électrons ont un caractère ondulatoire qui se
manifeste à l’échelle nanométrique.
Nanoelectronique – A. SOUIFI – 15 Mars 2011
Nanoelectronique – A. SOUIFI – 15 Mars 2011
QUELQUES DATES IMPORTANTES POUR LA NANOÉLECTRONIQUE
• L’ELECTRON : LA CHARGE ELECTRIQUE EST GRANULAIRE !
 1913 : R. A. MILIKAN (1868-1953) met en évidence la quantification de la charge
électrique dans son expérience restée célèbre où il mesurait la vitesse de chute
de gouttelettes d’huile chargées entre les armatures d’un condensateur. Il a alors
découver que la charge d’une gouttelette variait de manière discrète par sauts de 1
électron, 2 électrons,.
• ONDE OU PARTICULE ? DEBUTS DE LA MECANIQUE QUANTIQUE….
 1925 : Werner Heisenberg, développe la première formalisation de la mécanique
quantique. Le principe d'incertitude d’Heisenberg, découvert en 1925, affirme que la
détermination de certains couples de valeurs, par exemple la position et la quantité de
mouvement d’une particule, ne peut se faire avec une précision infinie.
 1926 : Erwin Schrödinger publie un article dans les Annales de Physique sur la
« quantisation du problème des vecteurs propres », ce qui deviendra l'équation de
Schrödinger.
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Nanosciences et Nanotechnologies
ON IMAGINE LES NANOSCIENCES….
 1959 : Discours de Richard Feynman (prix Nobel de physique en 1965) qui fût le
premier scientifique à envisager les nanosciences : lors de la conférence annuelle de
l'American Physical Society, il demandait "Que se passerait-il si nous pouvions déplacer
des atomes, un à un, et les assembler de la façon voulue?".
ON FAIT DES NANOSCIENCES….
 1981 : Invention du microscope à effet tunnel (STM) par Gerd Bining and Heinrich
Rohrer du laboratoire IBM Zurich. Ils obtiennent le prix Nobel de Physique en 1986 pour
cette découverte. Ce microscope utilise une pointe métallique extrêmement fine qui se
déplace à quelques nanomètres d'une surface et qui permet de "voir" les atomes de la
surface. Plus tard, Don Eigler à IBM Almaden Research Center, a réussi à utiliser ce
microscope comme une "pince à atomes". Il a ainsi écrit le mot IBM avec 35 atomes !
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LES DEBUTS DE LA NANOÉLECTRONIQUE
1985, Dimitri Averin et Konstantin Likharev de l’université de Moscou
proposent l’idée d’un nouveau dispositif à trois entrées appelé le « singleelectron tunnelling transistor »
1987 : Theodore Fulton et Gerald Dolan des laboratoires Bell (Etats-Unis)
fabriquent le premier transistor à un électron.
1990 : Les débuts de la nanoélectronique en France au CEA Saclay avec
les travaux sur « l’ Ecluse à électrons » de l’équipe de Devoret.
1998 : Premier transistor à un électron fonctionnant à température
ambiante publié par B.H. Choi et ses collaborateurs de l’Université de
Chungbuk en Corée.
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Les 2 applications du transistor MOS
Un Interrupteur
S
G
D
Une Mémoire
Grille flottante
Flux "continu"
Electrons
Electrons
Actuellement, le "1" logique : 10 000 éléctrons
Dans dix ans, le "1" logique : 1 000 éléctrons
en technologie 0.1 microns.
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Les problèmes au dessous de 10-20 nm
S
G
D
Les électrons ne sont
plus contrôlables !!
Le courant ne devra plus être considéré comme un flux "continu"
de particules car les électrons ont un comportement ondulatoire.
Les phénomènes quantiques deviennent
prépondérants à l'échelle nanométrique
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Les composants Nanoélectroniques
Des conducteurs, des isolants
Le caractère ondulatoire des électrons: l'effet tunnel
Le blocage de Coulomb
Maîtrise des électrons "à l'unité":
Les composants mono-électroniques
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Caractère ondulatoire des électrons
Des électrons
sur du cuivre
influencés par
des atomes de
fer
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L'effet Tunnel
Conducteur
I
s
o
l
a
n
t
Isolant épais
Conducteur
Isolant nanométrique: l'électron
est un passe muraille
Conducteur
Conducteur
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Blocage de Coulomb
Un électron passe
par effet tunnel
Conducteur
Et reste piégé
Îlot
Conducteur
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Blocage de Coulomb
Le niveau d'énergie
de la boîte à
électron monte par
effet Coulombien
Les autres électrons
sont bloqués
Îlot
Conducteur
Conducteur
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Blocage de Coulomb
Lorsque l'électron est libéré, le niveau peut
redescendre et autoriser le passage d'un 2° électron..
Îlot
Conducteur
Conducteur
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Blocage de Coulomb
Un électron passe
par effet tunnel
Conducteur
Îlot
Conducteur
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Le Transistor à Un Electron
Contrôle du niveau de l’îlot
On peut contrôler le courant électron par électron
On peut stocker un seul électron
Avec des îlots de 2 à 3 nanomètres de silicium
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Exemple de Transistor à Un Electron
B.H. Choi et al., Appl. Phys. Lett. 73 (21) (1998) 3129
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SETs Haute Température (430K)
Christian Dubuc, A. Beaumont, J. Beauvais, D. Drouin, Université de Sherbrooke, Québec, Canada
2008
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14/04/2011
43
Conclusion
 En 40 années, la microélectronique à permis à l'électronique de
devenir un grand secteur industriel ( > 1000 Milliards de dollars) avec
une croissance moyenne de 16% par an.
 de nouveaux challenges technologiques apparaissent encore pour le
développement de la nanoélectronique.
 les enjeux demeurent très importants car on prévoit encore une
croissance de l'électronique dans les prochaines décénies ( > 10 000
Milliards de dollars en 2030)
 Les MOSFETs sont encore pour de nombreuses années les
composants incontournables avant l’arrivée des SET et SEM.
 La rapidité des circuits sera limitée par les interconnexions: c'est
là que l'électronique aura besoin des photons !!!
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