Elaboration des circuits intégrés - HISTORIQUE -

Transcription

1 Elaboration des circuits intégrés - HISTORIQUE - Histoire de la microéléctronique Le marché des semiconducteurs Filières et densité d'intégration Evolution des technologies DRAM Le cycle du besoin au produit Qu'est-ce qu'une filière? La vie d'une technologie Page : 1 1

2 Histoire de la microélectronique - 1 La microélectronique est née de deux innovations technologies: Le transistor en tant que dispositif électronique élémentaire L intégration sur un même substrat de plusieurs transistors à la fois Elle s est imposée massivement pour deux raison : L augmentation de la densité d intégration due aux progrès technologiques La baisse des coûts de production liée au traitement simultané des puces. Page : 2

3 Histoire de la microélectronique - 2 Le tube à vide: : période de l hégémonie du tube inconvénients: encombrement, forte consommation d énergie, manque de fiabilité Czochralski développe la croissance de cristaux à partir de liquide Invention du transistor à effet de champ par JE.Lilienfeld Le transistor discret: invention du transistor bipolaire par William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain des BELL LABS réalisation du premier transistor en silicium par Texas Instrument première calculatrice transistorisée comprenant 2000 transistors, créée par IBM (International Business Machines) 1957 : 28 millions de transistors produits par les USA pour un chiffre d affaire de 68 M$ inconvénients: multiplicité des connexions pour relier ensemble de grandes quantité de transistors. Encombrement des systèmes électroniques. Page : 3

4 Histoire de la microélectronique - 4 Le circuit intégré: Andrus applique la lithographie pour la fabrication des composants semi-conducteurs. - le masquage par oxyde à été développé par Frosch et Derrick - l épitaxie, inventée par Sheftal et al : invention du premier circuit intégré par Jack St Clair Kilby de TEXAS INSTRUMENT, incluant cinq composants : invention du premier transistor planaire par Jean Hoemi de FAIRCHILD SEMICONDUCTOR sur la base des jonctions PN : réalisation du premier circuit intégré par Norbert Noyce de FAIRCHILD sur plaque de silicium : les composants CMOS (NMOS et PMOS) par Sah. Invention du SOS (Silicon On Sapphire) par North American Aviation (Boeing) par Harold Manasevit et William Simpson 1998 industrialisation par IBM des circuits sur SOI : interconnections par cuivre proposé par R.Paraszczak et al. En 1964 Gordon MOORE remarque que le nombre de dispositifs d un circuit intégré double tous les ans depuis l invention des circuits intégrés. Il prédit que cette tendance va se maintenir. Au milieu des années 70 cette tendance se ralenti et le nombre de dispositifs par puce augmente d un facteur quatre tous les trois ans et non pas tous les deux ans. Pour ces vingt dernières années, l augmentation du nombre de dispositifs par puce augmente à cette vitesse. L augmentation du nombre de transistors par puce est le résultat de la diminution de la taille des transistors individuels, l augmentation de la taille des puces, et l augmentation de la densité d intégration (le nombre de transistors par unité de surface). Comme le nombre de transistors par circuit intégré augmente, le nombre de transistors fabriqués et vendus augmente également. Dans les années 80 Gordon MOORE note que le nombre de transistors fabriqués chaque année représente grossièrement le nombre fabriqué depuis les origines jusqu à l année précédente. Une observation empirique sur d autres industries montre que chaque doublement de la quantité cumulée du volume d un produit s accompagne d une diminution des coûts de production de 20% à 30%. Pour les transistors, cette diminution varie entre 20% et 25%. Page : 4 4

5 Histoire de la microélectronique - 3 La course à l intégration: 1964 : MOORE prévoit que les circuits intégrés doubleraient en complexité tous les deux ans (loi de Moore) transistors transistors transistors transistors transistors transistors La complexité permettant de minimiser le coût des composants a été multipliée chaque année à peu près par un facteur deux. On peut prévoir qu à court terme ce taux de croissance se maintiendra, ou même que la croissance sera plus rapide encore. A long terme, le taux de croissance est un peu plus incertain, mais il n y a aucune raison de croire qu il ne se maintiendra pas pendant au moins dix ans. Cela signifie qu en 1975 le nombre de composants par circuit in tégré permet tant de minimi ser le coût sera de : Le président KENNEDY lance le programme APOLLO nécessistant un ordinateur de 10 millions de composants, qui impose la puce. Le marché des puces décolle réellement avec la baisse de 50% par an de leur prix en raison de l accroissement de production centimes par bit centimes par bit centimes les 1000 bits : Robert Dennard invente la mémoire DRAM ( Dynamic Random Acces Memory) 1971 : Aannée de la conception du premier microprocesseur par M. Hoof de la société Intel. Page : 5

6 Le marché des semiconducteurs Le marché des semiconducteurs L industrie électronique fournit 1,6 millions d emplois directs et en contrôle indirectement trois fois plus et a créé 1 millions d emploi au Japon ces dix dernières années. Page : 6 6

7 Les tendances du marché Page : 7

8 Le marché de la matière première Page : 8

9 Filières et densité d intégration Année de production Règle de dessin (nm) ½ pas d une DRAM (nm) Longueur de grille (nm) Page : 9

10 La loi de Moore Page : 10

11 Le cycle du besoin au produit Besoin produit Densité d'intégration Technologie Modules de base Règle de dessin Caractéristiques électriques traduction Identification filière Etapes élémentaires Opérations élémentaires Equipements Matériaux SF ou IF Carnet de lot Fourniture du produit Page : 11

12 Après la loi de Moore More Than Moore : Diversification Analog/RF Passifs Puissance Capteurs Actuateurs Biopuces 130 nm 90nm 65 nm Interaction avec les personnes et l environnement System-in-package (SIP) Non numérique Association SoC et Sip : Systèmes à haute valeur ajoutée 45 nm 32 nm 22 nm 16 nm Beyond CMOS Page : 12

13 Qu est-ce qu une filière? Technologie (fonctions + constructions) Règles de dessin Caractéristiques électriques (performances) Page : 13

14 La vie d une technologie Cette figure représente grossièrement la vie d une technologie. Nous représentons le volume de production en fonction du temps depuis le premier concept de la technologie. - La première période appelée aussi «période pilote» est marquée par le développement de nouveaux modules procédés. Les modules issus des générations antérieures qui ne répondent plus aux besoins sont identifiés. De nouveaux procédés et équipements sont alors développés pour palier à ces limitations. - Dans la seconde période ou «cycle rapide» on intègre les nouveaux modules dans une séquence complète de fabrication. Après plusieurs itérations la séquence de fabrication est affinée et optimisée pour limiter la sensibilité de fonctionnement aux paramètres. La rapidité des itérations donne son nom à cette phase. Dans cette période, il y a également évolution de l architecture du circuit. A la fin de cette période les clients peuvent qualifier des circuits prototypes. A la fin de cette période également, la capacité de production et le rendement sont augmentés. - La dernière période correspond à la production de masse des circuits. Au début le prix du produit et la demande sont hauts. Ces deux quantités diminuent plus ou moins rapidement avec l arrivée des concurrents. Après trois ans, la technologie des produits les plus avancés est dépassée par de nouvelles générations et les prix continuent à chuter. Des nouveaux produits basés sur cette technologie peuvent être introduits pour prolonger la vie ce cette technologie et des équipements associés. A cet instant de la vie de la technologie, la différentiation des produits devient critique. En effet la technologie est largement répandue et de nouveaux produits de consommation courante utilisent les nouvelles générations. Au début d un cycle, le développement se focalise sur un produit phare que est le «technology driver». La DRAM est un pilote courant. Page : 14