La génération 45nano
Les prochains microprocesseurs grand public, de génération 45 nanomètres (nm), qui seront mis sur le marché d’ici la fin de l’année, présenteront un saut technologique substentiel, plus important que le changement habituel de finesse de gravure.
En effet, pour passer de la génération actuelle, en 65nm, à cette nouvelle génération, une importante modification de la structure des transistors à été nécessaire. Cette structure n’avait presque pas été modifiée depuis la fin des années soixantes.
Rappels sur les transistors
Pour rappel, les transistors actuellement utilisés dans les microprocesseurs, qui sont des transistors MOS à effet de champ (MOSFET), sont composés :
- d’une connexion à la grille, faite en Silicium polycristallin, à l’origine en métal (M);
- d’un oxyde (O) de Silicium (SiO2), qui sert d’isolant entre la grille et le substrat;
- d’un substrat semi-conducteur (S), appelé « channel » ou canal, qui sépare le drain et la source, où peut passer le courant.
Il existe deux types de transistors MOS:
- les NMOS
- et les PMOS.
Ils diffèrent par le dopage de leurs composants; par exemple, les NMOS ont leur grille, leur drain et leur source dopés négativement, et le canal positivement. Lorsqu’une tension est appliquée à la grille, l’accumulation de charges à la frontière de M et de O, crée une accumulation inverse dans le substrat et laisse passer les charges depuis la source vers le drain.
Problème des dernières générations
Avec la miniaturisation des dernières générations de gravure, l’oxyde est devenu tellement fin (1.2nm, de l’ordre de quelques atomes) qu’un effet quantique : l’effet tunnel, se fait ressentir, et que des fuites de courant à travers l’oxyde apparaissent. Alors que toute l’industrie de la micro-électronique fait de très nombreux efforts pour limiter la consommation des puces, ce problème est perçu comme un axe majeur de développement. Ainsi, lors de la génération 65nm, si l’oxyde n’a pas diminué en taille par rapport à la génération précédente, c’est précisément afin de ne pas trop augmenter la consommation électrique des puces.
Constantes diélectriques et High-K
Cet oxyde est caractérisé par sa constante diélectrique, qui est le rapport entre sa permittivité et la permittivité du vide, et qui reflète sa capacité d’isolation. Actuellement, les oxydes de types SiO2 ou SiOxNy ont des constantes diélectriques de l’ordre de 4.
Des oxydes métaliques
Des oxydes a constante élevée, appelés high-k dielectrics, existent et contiennent la plupart du temps de l’Aluminium, du Titane, du Hafnium ou du Zirconium. Plus isolants, ils permettent de réduire significativement les courants de fuites et continuer la miniaturisation. Intel a mis de nombreuses années à les développer et à trouver les meilleures formules pour permettre leur industrialisation.
Problème de fabrication
Le premier problème rencontré résidait dans l’accumulation de charges dans les irrégularités de la frontière oxyde-grille, malgré la finesse de la déposition chimique en phase gazeuse (CVD) lors du processus de fabrication. Une méthode alternative, appelée Atomic Layer Deposition (ALD) a été utilisée. Elle permet de déposer de très fines couches, très régulières, a permis de résoudre le problème.
Passage à une grille métallique
Malheureusement, les premiers transistors fabriqués étaient beaucoup plus lents que prévu. En effet, des phénomènes de résonnance des dipôles du diélectrique entrainaient de fortes vibrations dans le silicium du canal, ralentissant les transferts de charges. Cette fois-ci, une augmentation de la densité de charges dans l’électrode de la grille devait résoudre le problème. Pour ce faire, il fallait donc changer la composition de la grille, et la solution retenue consiste à utiliser divers métaux. Il faut utiliser deux métaux différents pour les transistors NMOS et PMOS, puisque leurs grilles n’ont pas les même propriétés. Cette étape a eu lieu vers la fin de l’année 2003.
Processus industriel modifé
Enfin, le passage à la phase industrielle obligeait à trouver des métaux qui présentent les bonnes caractéristiques, mais qui puissent passer toutes les phases industrielles, qui présente des phases à haute températures, notamment lors de la mise en place du drain et de la source. Après de longues recherches, la solution retenue consiste à modifier le processus industriel, en construisant la grille et l’oxyde, après avoir mis en place la source et le drain, ce qui est l’inverse du processus précédemment utilisé.
Conclusion
Ainsi, Intel mettra sur le marché, d’ici quelques semaines, des micro-processeurs 45nm utilisant cette technologie. L’alliance IBM (avec AMD) fera de même dans le courant de l’année 2008. Dans les deux cas, ce sont probablement des oxydes à base d’Hafnium, qui sont utilisés. Il n’est pas sûr que ces oxydes soient encore utilisés pour les générations suivantes (32nm), ni qu’ils permettent de passer la barre des 22nm.