Nanoélectronique : une introduction

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1 Nanoélectronique : une introduction Abdelkader SOUIFI INSA de Lyon Institut des Nanotechnologies de Lyon

2 Plan Les débuts de l électronique : l électron dans le vide. L ère de la microélectronique : la course à la miniaturisation. Demain: la Nanoélectronique.

3 Au début du 20 ème 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.

4 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.

5 Années Les tubes électroniques - C A + Grille Information amplifiée Information électrique Une dépense d'énergie importante pour chauffer la cathode afin de libérer les électrons

6 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.

7 Electrons dans un cristal Emetteur - + Base Collecteur Information amplifiée Information électrique Une économie d'énergie: on ne chauffe plus pour libérer les électrons

8 Premiers transistors bipolaires Années 50 La base: Un barrage à électrons Emetteur Collecteur Transistor "Bloqué" Emetteur Collecteur Transistor "Passant"

9 Années 60 La Grille: un robinet à électrons Source Transistors à effet de champ Drain Transistor "Bloqué" Source Drain Transistor "Passant"

10 De l électronique à la microélectronique Pourquoi la miniaturisation? Traiter l'information Mise en forme Transmission Détection Stockage En limitant la dépense d'énergie!!

11 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) : D. KAHNG et M. ATTALA réalisent le premier MOSFET (Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor) grâce à l utilisation d oxyde de silicium thermique : Invention de la technologie CMOS par F. WANLASS, chez Fairchild, technologie se distinguant par sa faible consommation.

12 1961 Premier inverseur CMOS 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.

13 Microélectronique Silicium Silicium + SiO2 Transport des électrons Isolation électrique Composants actifs Composants passifs

14 résistance Technologie planar capacité diode A C n p n p p+ n p p+ p+ A C p+ Transistor MOS Transistor bipolaire S G D C B E p+ n p+ p p+ n p+ p p+ p+

15 Technologie Silicium Plaquettes Procédés Silicium en Fusion Oxydation Diffusion Implantation Dépôt Evaporation Lingot de silicium Plaquettes Photolithographie Masque Report du circuit sur Si Tests & montages

16 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

17 POLARISATION DU TRANSISTOR MOS V D > 0 + V G > 0 V S = 0 S G D + L

18 EXPRESSION DU COURANT I D W = µ L n C ox ( V V ) V G T D Quantité d électrons libres µ n : mobilité des électrons Rapport largeur (W) sur longueur de grille (L)

19 Longueurs de grille: Les projections des industriels (SIA Roadmap 1997) 180 nm 150 nm 50 nm

20 Premier µprocesseur: des milliers de transistors : Premier microprocesseur Intel 4004, constitué de 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).

21 PENTIUM 4: 42 millions de transistors 2000

22 Des transistors MOS aux dispositifs Nanoélectroniques 1960 Transistor MOS (Atalla & Kahng) 2004 Nanotransistor MOS (ex : ST Micro) [Kahng, 1960] [Boeuf, 2004] ~ 45ans

23 Evolution récente des dispositifs 2001 ST-16nm 2002 ST-38nm 2002 IBM-6nm!!!!

24 En résumé Des années 80 aux années 2000 : une succession de records du monde de la miniaturisation en R&D industrielle : : 140 nanomètres (Bell Labs) : 100 nanomètres (IBM) : 40 nanomètres (Toshiba) : 30 nanomètres (NEC) : 19 nanomètres (CEA-LETI) : 16 nanomètres (ST-Micro) -2002: 6 nanomètres (IBM) Des années 70 aux années 2000 : miniaturisation des transistors utilisés dans les microprocesseurs commercialisés : : quelques dizaines de microns : quelques microns : dixièmes de microns : on passe en dessous de 0,1 micron (100 nm) : les débuts de la nanoélectronique!!

25 Evolution de la complexité des circuits Premier transistor Premier circuit Premier µprocesseur Pentium Complexité

26 Evolution des composants CMOS Nœud Transistors Hautes Perform ances (HP) Lgrille (nm) T ox (Å) Vdd (V) ,7 0,6 0,5 0,4 Transistors Basse Consom m ation (LP) Lgrille (nm) T ox (Å) Vdd (V) ,9 0,8 0,7 0,6 SON 30 nm GAA 15 nm SOI 6 nm ST ST IBM

27 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!

28 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.

29

30 Les 2 applications du transistor MOS Un Interrupteur Une Mémoire S G D Grille flottante Flux "continu" Electrons Electrons

31 Les problèmes au dessous de 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

32 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

33 Caractère ondulatoire des électrons Des électrons sur du cuivre influencés par des atomes de fer

34 L'effet Tunnel Conducteur I s o l a n t Isolant épais Conducteur Conducteur Isolant nanométrique: l'électron est un passe muraille Conducteur

35 Blocage de Coulomb Un électron passe par effet tunnel Et reste piégé Conducteur Îlot Conducteur

36 Les autres électrons sont bloqués Blocage de Coulomb Îlot Le niveau d'énergie de la boîte à électron monte par effet Coulombien Conducteur Conducteur

37 Blocage de Coulomb Lorsque l'électron est libéré, le niveau peut redescendre et autoriser le passage d'un 2 électron.. Îlot Conducteur Conducteur

38 Blocage de Coulomb Un électron passe par effet tunnel Conducteur Îlot Conducteur

39 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

40 Les mémoires à Un Electron Electrons par Cellule Mémoire 10 Millions 1 Million 100 Mille 10 Mille Mille Cent Dix Un Mémoires à boîtes quantiques 64G FASEM (L-SEM) DRAM Flash 64 M 256 M IBM (MNV) Hitachi (SEM) Taille (nm) 1M Mémoires à quelques électrons

41 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!!!

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