Introduction à la microélectronique sub-micronique
E. Sicard * et S. Delmas-Bendhia ** J3eA - Vol. 1 - 2 (2002). DOI : 10.1051/bib-j3ea:2002002
Mis en ligne le 22 février 2002.
L'évolution principale qui caractérise le domaine de la microélectronique est la réduction des dimensions des dispositifs intégrés. La taille des transistors élémentaires ne cesse de diminuer, permettant d'augmenter la vitesse et de réduire la consommation. La mesure de référence est la longueur minimale du canal du transistor (Fig. 1).
Celle-ci est passée de 2 µm en 1980 à 0,18 µm en 2001, correspondant à un gain en vitesse supérieur à 500%. Le passage sous la barre des 1,0 µm de longueur de canal a inauguré l'ère du « sub-micronique », celle sous la barre de 0,5 µm du « sub-micronique profond ». À l'horizon 2003 se profile le franchissement de la barre des 0,10 µm, inaugurant l'ère « ultra sub-micronique ».
Les effets de la réduction des dimensions ne se limitent pas à un simple facteur d'échelle : des effets secondaires apparaissent, des limitations physiques et technologiques font surgir de nouvelles contraintes. Au niveau du dispositif, il s'agit principalement de la fragilité de l'oxyde de grille, et de l'accélération très forte des électrons sous le canal, pouvant créer des phénomènes parasites d'ionisation. Au niveau des interconnexions, ce sont l'électromigration, l'effet de ligne à retard, le couplage diaphonique, ou encore l'effet d'antenne.
L'avènement des technologies sub-microniques profondes impose de profonds bouleversements dans les enseignements de microélectronique. Le tableau ci-dessous donne un comparatif du comportement des circuits entre 1990 et 2000.
Paramètres
Année 1990
Année 2000
Éducation
Tension d'alimentation
5 V.
5 V ; 3,3 V ; 2,5 V ; 2,0 V ; 1,8 V ; 1,5 V.
Causes de la réduction de la tension. Translateurs de tensions. Conception faible consommation.
Fréquences internes
2-50 MHz.
20 MHz - 1,2 GHz.
Explication de l'augmentation de fréquence. Modèles sub-microniques. Conception RF.
Transistors
MOS canal N et P.
MOS n et p, low power, high speed, high voltage.
Problème des fuites. Transistors haute tension. Compromis vitesse, consommation statique.
Interconnections
2 niveaux de métal en alu.
6 niveaux de métal. Vias empliés. Cuivre, diélectriques faible permittivité.
Conception « 3d ». Effet de propagation. Intérêt du cuivre. Intégrité du signal, pertes de tension.
Interfaces d'entrée sortie
CMOS, TTL.
CMOS, STTL, LVDS.
Expliquer les bus différentiels.
Boîtiers
DIL, QFP, PGA.
BGA, µBGA, CSP.
Augmentation du nombre d'E/S. Propagation dans les boîtiers.
Swing des bus
5 V.
5V, 3,3 V ; 1,5 V - 0,3 V.
Bus LVDS, bus CAN, bus très haut débit. Intégrité du signal.
Tableau 1. Évolution des principaux paramètres technologiques sur 10 ans (1990-2000) et conséquences éducatives.
Si la tâche de concevoir, simuler et faire fabriquer les circuits du commerce tels que les micro-contrôleurs est du domaine des outils professionnels, coûteux et gourmands en configuration matérielle, l'enseignement des principes de base de la microélectronique peuvent être fait à l'aide de logiciels sur PC. Nous décrivons ci-dessous un logiciel spécifiquement dédié à l'apprentissage de la microélectronique sub-micronique sur PC.
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