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Nanoélectronique : une introduction Abdelkader SOUIFI INSA de Lyon Institut des Nanotechnologies de Lyon Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Plan Les débuts de l’électronique : l’électron dans le vide. L’ère de la microélectronique : la course à la miniaturisation. Demain: la Nanoélectronique. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI L’électron dans le vide 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. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Les tubes électroniques Information amplifiée Années 1900-1950 - C A + Grille Information électrique Une dépense d'énergie importante pour chauffer la cathode afin de libérer les électrons Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Les 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. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Electrons dans un cristal Emetteur Collecteur - Base + Information amplifiée Information électrique Une économie d'énergie: on ne chauffe plus pour libérer les électrons Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Premiers transistors bipolaires Années 50 La base: Un barrage à électrons Collecteur Transistor "Bloqué" Collecteur Transistor "Passant" Emetteur Emetteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Transistors à effet de champ Années 60 La Grille: un robinet à électrons Source Drain Transistor "Bloqué" Source Drain Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 !! Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Microélectronique Silicium Silicium + SiO2 Transport des électrons Isolation électrique Composants actifs Composants passifs Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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+ Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI POLARISATION DU TRANSISTOR MOS VD > 0 VG > 0 + VS = 0 G S D L Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI + EXPRESSION DU COURANT I D = W L µ n C ox (V G − VT ) V Quantité d’électrons libres µn: mobilité des électrons Rapport largeur (W) sur longueur de grille (L) Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI D Longueurs de grille: Les projections des industriels (SIA Roadmap 1997) 180 nm 150 nm 50 nm Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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). Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI PENTIUM 4: 42 millions de transistors 2000 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Des transistors MOS aux dispositifs Nanoélectroniques 1960 Transistor MOS (Atalla & Kahng) 2004 Nanotransistor MOS (ex : ST Micro) [Boeuf, 2004] [Kahng, 1960] ~ 45ans 1960 2004 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Evolution récente des dispositifs 2001 ST-16nm 2002 ST-38nm Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 !! Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Evolution de la complexité des circuits Premier transistor Premier circuit Premier µProcesseur Pentium 4 1948 1959 Complexité 1971 2000 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Evolution des composants CMOS Nœ ud Lgrille (nm) T ox (Å) V dd (V) Lgrille (nm) T ox (Å) V dd (V) 130 90 65 45 Trans is tors Hautes Perform ances (H P) 65 45 25 18 14.5 12.5 8.5 6.5 1.2 1 0,7 0,6 Trans is tors Bas s e Cons om m ation (LP) 90 53 32 22 22 16 10 8 1.2 1.1 0,9 0,8 Tab leau 7-I : IT RS roadmap 2001 SON – 30 nm ST GAA – 15 nm ST Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 32 22 13 5 0,5 9 4.5 0,4 16 7 0,7 11 6 0,6 SOI – 6 nm IBM - 2002 La technologie CMOS dans 5 ans Longueurs de grille : environ 10 nm Plusieurs milliards de transistors dans les µProcesseurs Plus de 100 milliards de transistors dans les circuits mémoires. Une puissance dissipée de quelques centaines de watts par microprocesseur ! Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Les limitations 1- Energétiques 2- Technologiques Lithographie en dessous de 0.1 micron ? Isolation de composants très rapprochés? Interconnections des composants? 3- Physiques Les électrons ont un caractère ondulatoire qui se manifeste à l’échelle nanométrique. Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Les 2 applications du transistor MOS Un Interrupteur S G D Une Mémoire Grille flottante Flux "continu" Electrons Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Electrons Les problèmes au dessous de 1010-20 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 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Caractère ondulatoire des électrons Des électrons sur du cuivre influencés par des atomes de fer Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI L'effet Tunnel Conducteur I s o l a n t Isolant épais Conducteur Isolant nanométrique: l'électron est un passe muraille Conducteur Conducteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Blocage de Coulomb Un électron passe par effet tunnel Conducteur Et reste piégé Îlot Conducteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Blocage de Coulomb Le niveau d'énergie de la boîte à électron monte par effet Coulombien Les autres électrons sont bloqués Îlot Conducteur Conducteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Blocage de Coulomb Lorsque l'électron est libéré, le niveau peut redescendre et autoriser le passage d'un 2° électron.. Îlot Conducteur Conducteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Blocage de Coulomb Un électron passe par effet tunnel Conducteur Îlot Conducteur Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 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 Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI Les mémoires à Un Electron 10 Millions 1M 1 Million Electrons par Cellule Mémoire DRAM 100 Mille 64G Flash 10 Mille 64 M Mille 256 M FASEM (L-SEM) Cent Dix IBM (MNV) Hitachi (SEM) Un Mémoires à boîtes quantiques 10 100 Taille (nm) Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI 1000 Mémoires à quelques électrons 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 décennies . 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 !!! Stage Nanosciences – 16 Mars 2010 - A. SOUIFI
