Circuits et systèmes intégrés micro

1
Circuits et systèmes intégrés
microélectroniques :
technologie, conception

2
Circuits et systèmes intégrés micro-électroniques : technologies, conception
OBJECTIFS : présentation de l'état de l'art dans le domaine de la conception des circuits intégrés spécifiques
"ASIC " et des logiciels de CAO associés. Intérêt et limites des techniques d'intégration. Flots de conception.
Evolutions : systèmes sur puces.
MOTS CLES : Electronique, Micro-électronique. Technologie CMOS. ASIC. Systèmes sur puce (« Systems On
Chip, SOC »). Circuits programmables (FPGA, FPGA-SRAM, PLD, CPLD, EPLD). Reconfiguration. Matrice et
circuits pré-diffusés ("Gate array"). Circuits pré-caractérisés ("standard cell", "cell based"). Composants
virtuels ( ou bloc « IP »). CAO. Vérification. Prototypage.
PLAN
1) INTRODUCTION : DU SYSTEME AU SILICIUM
1.1 Technologies de fabrication
1.2 Conception de circuit intégré
2) LES SOLUTIONS ASIC : PRINCIPES ET ANALYSE COMPARATIVE
2.1 –Circuits semi-spécifiques
2.2 –Circuits spécifiques
2.3 –Comparaisons
3) LES CIRCUITS PROGRAMMABLES
3.1 - Principes
3.2 - Conception
3.3 - Applications
3.4 - Evolutions
4) METHODOLOGIES DE CONCEPTION
4.1 - Spécification
4.2 - Bibliothèque de cellules : principes
4.3 - Flot de conception
5) SYSTEMES SUR PUCES (SOC)
5.1 - Principes : réutilisation
5.2 - Vérification
6) CONCLUSION
ANNEXE 1 : technologie CMOS
REFERENCES

3
1) INTRODUCTION : DU SYSTEME AU SILICIUM
La micro-électronique silicium est déjà aujourd'hui et le sera encore davantage
demain, un des moteurs essentiels dans la construction de la nouvelle société de l'information
et de la communication du 21ème siècle. Le secteur des équipements et systèmes électroniques
est un des premiers secteurs industriels mondial. L'industrie électronique concerne plusieurs
segments. Certains nécessitent des circuits intégrés très performants : ce sont les secteurs qui
concernent les technologies de l'informatique et les télécommunications. Pour d'autres, des
circuits moins performants sont suffisants: ce sont les secteurs de l'électronique grand public
et de l'électronique industrielle. L'électronique pour l'automobile et les transports quant à elle
suppose un fonctionnement de circuits fiables dans un environnement sévère. Enfin
l'électronique militaire et spatiale est un secteur stratégique et très spécifique mais qui, compte
tenu des contraintes budgétaires, fait appel de plus en plus à des circuits se satisfaisant des
technologies de fabrication développées pour les autres segments.
Un circuit intégré conçu de nos jours dans une technologie CMOS submicronique
utilise plusieurs dizaines de millions de transistors de très faibles dimensions sur une surface
de quelques cm2. De plus, il fonctionne à une fréquence élevée (plus de 1,5 GHz pour les
processeurs actuels) et dissipe une puissance importante. Les performances techniques
recherchées pour les téléphones mobiles sont une bonne illustration des objectifs à atteindre
dans des marchés où la compétition est très forte : faible poids, faible volume, grande
autonomie, bonne couverture géographique, faible coût. Ces performances sont atteintes en
intégrant l’ensemble des fonctions sur un ou deux circuits intégrés spécifiques.
Le nombre de transistors par circuit intégré double tous les un an et demi. Cette
évolution déterministe a été prédite par la loi de "Moore" (du nom de G. Moore, co-fondateur
de la société Intel) et s'est vérifiée sur les trente dernières années. Ce prodigieux essor a été
rendu possible par les progrès concernant aussi bien l'architecture des transistors et leurs
technologies de fabrication que l'architecture des circuits et les méthodes de conception
assistée par ordinateur (CAO). La croissance exponentielle du nombre de transistors sur une
seule puce (une puce est le morceau de silicium sur lequel est réalisé le circuit intégré),
conséquence de l'évolution des technologies de fabrication, permet d'y intégrer des fonctions
de plus en plus complexes, avec de plus en plus de fonctionnalités, jusqu'à l'intégration de
systèmes complets.
1.1 Technologies de fabrication des circuits intégrés
Un système électronique fait appel à plusieurs fonctions de l'électronique et comporte
de façon générale des circuits analogiques et/ou des circuits numériques. Jusqu'au milieu des
années 60, les fonctions de l'électronique étaient réalisées à l'aide de composants discrets, des
tubes à vide puis, après l'invention du transistor en 1948, à l'aide de ces derniers. L'invention
du transistor a été la première étape de la révolution apportée par la micro-électronique (prix
Nobel de physique en 1956 pour J. Bardeen, W. Brattain, et W. Schockley). C'est un
composant de petites dimensions (micromètres), fabriqué à partir de matériaux
semiconducteurs (essentiellement du silicium) par une succession de photolithogravures de
diffusions d'espèces chimiques (les dopants) et de dépôts de couches minces. La deuxième
étape a été l'invention du circuit intégré (prix Nobel de physique en 2000 pour J. Kilby
inventeur en 1958 du circuit monolithique intégré).

4
Un circuit intégré est un circuit électronique réalisant une fonction et comportant
plusieurs transistors fabriqués de façon collective. Les techniques de fabrication collective
(successions d'étapes dépôts –lithographies –gravures - dopages) sont très sophistiquées et
très coûteuses, mais elles permettent de réaliser sur une même tranche de silicium un
grand nombre de circuits intégrés qui comportent eux-mêmes un grand nombre de
transistors. La Figure 1.1 résume les étapes principales de fabrication d’un circuit intégré
en technologie CMOS. Les divers motifs sont réalisés à partir des masques technologiques.
Le dessin de ces masques est l’objectif final de la phase de conception.
Figure 1.1 : Etapes de fabrication d’un inverseur CMOS

5
Les premiers transistors étaient des transistors bipolaires. Ces transistors sont rapides
mais ne sont pas bien adaptés à la miniaturisation (encombrement et forte consommation). Ils
sont actuellement essentiellement utilisés pour les circuits analogiques. Ils sont à base de
silicium pour les basses fréquences et les radiofréquences jusqu'à quelques milliards de Hertz
(GHz). Pour les fréquences plus élevées (hyperfréquences), les matériaux de base sont les
semiconducteurs composés d'atomes des troisième et cinquième colonnes du tableau de
Mendéléïev (composés III-V de type GaAs), ou SiGe dont les performances devraient
atteindre celles des circuits intégrés III-V.
Au milieu des années 60, grâce aux recherches concernant l'oxyde de silicium, est
apparu le transistor à effet de champ (MOSFET pour metal-oxide-semiconducteur field effect
transistor). A l'origine, on ne savait fabriquer que des MOSFET dont l'électrode de commande
(la grille) était fabriquée en aluminium. Dans les années 70, de nouvelles techniques
d'isolation entre des transistors (LOCOS pour localized oxide separation) et la maîtrise des
grilles en silicium polycristallin ont permis de fabriquer des MOSFET à conduction par
électrons. Enfin, dans les années 80, on a su réaliser sur une même tranche et avec des
procédés technologiques compatibles des MOSFET à conduction par trous et des MOSFET à
conduction par électrons. Les circuits CMOS («Complementary MOSFET ») étaient nés. Ces
circuits, bien que relativement lents, sont bien adaptés pour une miniaturisation (faible
encombrement, technologie de fabrication relativement simple, faible consommation). Dans
le futur, les performances des circuits pourraient encore être améliorées, à technologie
comparable, par l'utilisation de substrats de type SOI (silicon on insulator). L’annexe 1
résume les caractéristiques électriques de base des circuits CMOS. Compte tenu du
compromis (vitesse, puissance dissipée, densité d’intégration, coût), la plupart des circuits
intégrés sont fabriqués dans cette technologie. Le silicium a donc aujourd’hui le quasi
monopole. Il est prévu dans les prochaines années, une évolution avec l'émergence de circuits
intégrés fabriqué sur substrats SOI, et l'utilisation du silicium-germanium (SiGe).
Les technologies de fabrication ont suivi une évolution déterministe, prédite par la
feuille de route "roadmap" du SIA [SIA1] («Semiconductor Industry Association »). Cette
évolution est quantifiée par les dimensions les plus faibles que l'on sait réaliser et que l'on
qualifie de règles de dessin. Les règles de dessin diminuent d'un facteur deux tous les cinq ans
et on parle de générations successives (d'une génération à l'autre, la surface des transistors
diminue d'un facteur deux, soit 2 pour les règles de dessin). Actuellement, on sait
réaliser industriellement des motifs de 0,12 µm et des motifs inférieurs à 0,05 µm (ou 50
nm) sont prévisibles à partir de 2005 : on prévoit ainsi d’atteindre 1 milliard de transistor sur
une puce avant 2010. Cette évolution déterministe n'a été possible que grâce à des nouvelles
techniques de fabrications telles que les implantations ioniques qui ont permis
l'émergence des technologies auto alignées, l'isolation par tranchées (STI pour « shallow
trench isolation ») ou la planarisation par polissage mécano-chimique (CMP pour
«chemical mechanical polishing»).