XXV TROBADES CIENTÍFIQUES DE LA MEDITERRÀNIA

XXVXXV TROBADES TROBADES CIENTÍFIQUES DE LA CIENTÍFIQUES DE LA

MEDITERRÀNIAMEDITERRÀNIA

La microelectrònica, 20 anys La microelectrònica, 20 anys després després

Octubre 2009Octubre 2009 UAB UAB -- CNMCNM 22

Ara fa 20 anys...Ara fa 20 anys...


Microelectrònica, anys 80Microelectrònica, anys 80(antecedents)(antecedents)

Tecnologia:Tecnologia:•• Invenció del transistor (1947) Invenció del transistor (1947)

W. W. ShockleyShockley, , J. J. BardeenBardeen i i W. W. BrattainBrattain

Aplicacions anys 50Aplicacions anys 50•• Receptors de ràdioReceptors de ràdio•• Satèl·lits artificialsSatèl·lits artificials•• Ordinadors de 1a generació: 200.000 Ordinadors de 1a generació: 200.000

operoper/s (/s (IBM 7090IBM 7090, , Control Data 1604Control Data 1604, , etc.)etc.)


TecnologiaTecnologia•• Tècnica planar (1957) (Tècnica planar (1957) (R.NR.N. . NoyceNoyce, , G.E.G.E.

MooreMoore, , J. J. HoerniHoerni, etc.) de la companyia , etc.) de la companyia FairchildFairchild SemiconductorsSemiconductors..

•• Invenció del xip (1958) per Invenció del xip (1958) per J. J. KilbyKilby((Texas Instruments)Texas Instruments) i per i per R. R. NoyceNoyce((FairchildFairchild Semiconductors)Semiconductors)..

JackJack KilbyKilby


TecnologiaTecnologia•• Fundació de la Fundació de la

companyia companyia IntelIntel (1968) (1968) per per R. R. NoyceNoyce, , G. G. MooreMoore i i A. A. GroveGrove..

•• Disseny i fabricació del Disseny i fabricació del primer primer microprocessador microprocessador ((40044004) per ) per IntelIntel, amb , amb tecnologia tecnologia PMOSPMOS de 10 de 10 µµm en un xip de 3,6x2,8 m en un xip de 3,6x2,8 mm que contenia 2300 mm que contenia 2300 transistors.transistors.

•• Fabricació en massa, per Fabricació en massa, per IntelIntel, d’una , d’una DRAMDRAMd’1Kb.d’1Kb.

Microprocessador 4004Microprocessador 4004


Transistor MOS


Microelectrònica, anys 80Microelectrònica, anys 80

MiniaturitzacióMiniaturització•• Llei de Llei de MooreMoore

ExtensióExtensió•• MicrosistemesMicrosistemes

Disseny específicDisseny específic•• ASICsASICs, , SoCSoC..

Noves aplicacionsNoves aplicacions•• Invasió del codi Invasió del codi

digitaldigital•• PCPC, Telefonia mòbil, , Telefonia mòbil,

Internet, Internet, GPSGPS, etc., etc.

GordonGordon MooreMoore, , coco--fundadorfundador d’Inteld’Intel


Llei de Llei de MooreMoore


Existeixen bàsicament tres factors que fan Existeixen bàsicament tres factors que fan possible aquesta evolució en la complexitat possible aquesta evolució en la complexitat dels xipsdels xips::

Augment de la superfície del xip.

Disminució de la grandària dels dispositius

Disminució del nombre de components per a una

determinada funció electrònica


Limitacions de la superfície d’un xipLimitacions de la superfície d’un xip

Utilització de Sales BlanquesUtilització de Sales Blanques


Miniaturització dels transistorsMiniaturització dels transistors


Situació a principis dels anys 80Situació a principis dels anys 80ProductesProductes•• Microprocessador 8086 Microprocessador 8086

de 16 bits, fabricat en de 16 bits, fabricat en un xip de 33 mmun xip de 33 mm22 amb amb 29.000 transistors i una 29.000 transistors i una DRAMDRAM de 64 de 64 KbKb amb amb cel·les d’un sol cel·les d’un sol transistor fabricats, transistor fabricats, tots, amb una tots, amb una tecnologia tecnologia NMOSNMOS de 3 de 3 µµm i una m i una complexitatcomplexitat de de 88--10 mascares. 10 mascares. Microprocessador 8086Microprocessador 8086


Progressos tecnològics més significatiusProgressos tecnològics més significatius•• Substitució de la fotolitografia de proximitat per la Substitució de la fotolitografia de proximitat per la

de projecció (2de projecció (2µµm, oblies de 10cm i 40 m, oblies de 10cm i 40 oblies/hora).oblies/hora).

•• Millora en el creixement del SiOMillora en el creixement del SiO22 reduint els estats reduint els estats a la interfície amb el Si a 10a la interfície amb el Si a 1099 cmcm--33..

•• L’adopció del procés L’adopció del procés CVDCVD va fer possible la va fer possible la deposició de capes de polisilici com a material de deposició de capes de polisilici com a material de porta, fent els transistors porta, fent els transistors autoalineatsautoalineats i afegint una i afegint una nova via d’interconnexió.nova via d’interconnexió.

•• La implantació iònica va fer possible el control de la La implantació iònica va fer possible el control de la tensió dintell dels transistors i va permetre el pas tensió dintell dels transistors i va permetre el pas de la tecnologia de la tecnologia PMOSPMOS a la a la NMOSNMOS..


Implantador iònic


Progressos en la enginyeria dels Progressos en la enginyeria dels dispositiusdispositius•• Cel.laCel.la d’1T per les d’1T per les DRAMDRAM ((R.HR.H. . DennardDennard, ,

1970)1970)•• Teoria de l’escalat Teoria de l’escalat ((R.HR.H. . DennardDennard, 1972), 1972)

Reducció de les dimensions dels transistor i Reducció de les dimensions dels transistor i les tensions per un factor 1/les tensions per un factor 1/αα, , αα>1. >1. Augment de les concentracions d'impureses Augment de les concentracions d'impureses dd’’un factor un factor αα>1>1La superfLa superfíície dels dispositiu i les cie dels dispositiu i les interconnexions es redueixen un factor interconnexions es redueixen un factor αα22

El camp elEl camp elèèctric a lctric a l’’interior dels dispositius i interior dels dispositius i la densitat de potla densitat de potèència no canvienncia no canvienEl retard de porta disminueix en un factor El retard de porta disminueix en un factor αα


Tecnologia CMOSTecnologia CMOSA la dècada 80 es va començar a violar la teoria A la dècada 80 es va començar a violar la teoria de l’escalat al no disminuir els 5V de la tensió de l’escalat al no disminuir els 5V de la tensió d’alimentació dels xips que havia esdevingut un d’alimentació dels xips que havia esdevingut un estàndard industrial.estàndard industrial.Aquest fet va comportar un problema de Aquest fet va comportar un problema de dissipació tèrmica en els xips que es va dissipació tèrmica en els xips que es va solucionar (momentàniament) substituint la solucionar (momentàniament) substituint la tecnologia tecnologia NMOSNMOS per la CMOS.per la CMOS.La tecnologia CMOS (La tecnologia CMOS (ComplementaryComplementary MetalMetal OxideOxideSemiconductorSemiconductor) utilitza transistors MOS canal N i ) utilitza transistors MOS canal N i P en un mateix circuit electrònic. Fou inventada P en un mateix circuit electrònic. Fou inventada per per F.M. F.M. WanlassWanlass i i C.TC.T. . SahSah al 1963 i utilitzada al 1963 i utilitzada inicialment per la fabricació de rellotges digitals, inicialment per la fabricació de rellotges digitals, degut al seu baix consum.degut al seu baix consum.


VIfCVP off2DD +=

Dissipació de potència aDissipació de potència a

la tecnologia CMOSla tecnologia CMOS


Evolució de la potència dissipada Evolució de la potència dissipada


Escalat del CMOS fins a Escalat del CMOS fins a dimensions nanomètriques dimensions nanomètriques

De 1,5µm, any 1982 (Ex.:µP Intel 286, 6MHz, 134.000 transistors)

a 130nm, any 2002 (Ex.:µP Intel Pentium 4, 2,5 GHz, 42.000.000 transistors

IntelIntel 286286 PentiumPentium IIIIII


Dificultats per a l’escalat dels Dificultats per a l’escalat dels transistors transistors

El manteniment de la tensió d’alimentació per El manteniment de la tensió d’alimentació per sobre el valor dictat per la teoria de l’escalat, sobre el valor dictat per la teoria de l’escalat, provoca un augment del camp elèctric a l’interior provoca un augment del camp elèctric a l’interior dels dispositius i apareixen els electrons calents ( dels dispositius i apareixen els electrons calents ( hothot electronselectrons). ). La degradació que La degradació que aquests electrons aquests electrons provoquen en el l’òxid de provoquen en el l’òxid de porta es pot evitar per porta es pot evitar per medi d’una enginyeria de medi d’una enginyeria de drenador més complexa drenador més complexa (pe.: (pe.: drenadorsdrenadors LLDLLD, , lighlighdopingdoping draindrain, etc.), etc.)


Quan la tecnologia va esdevenir Quan la tecnologia va esdevenir submicrònicasubmicrònica (principi dels anys 90) va ser (principi dels anys 90) va ser necessari baixar la tensió d’alimentació i necessari baixar la tensió d’alimentació i les tensions dintell dels transistors.les tensions dintell dels transistors.

Aquest fet va Aquest fet va provocar un provocar un augment del augment del corrent corrent subdintellsubdintell i per i per tant del tant del corrent paràsit corrent paràsit IIoffoff

Font:IntelFont:Intel


Font: Intel

““Front Front EndEnd”” de la tecnologia de 130 nmde la tecnologia de 130 nm


InterconnexionsInterconnexions

Coure + Aïllant de baixa constant dielèctrica + relació d’aspecte alta =

40% de reducció en el retard

Interconnexió:6 nivells de

coureAïllant

internivell:SiO2 dopat

amb fluorina


Font: IBMFont: IBM

Procés Procés ““DAMASCENEDAMASCENE””

••Obertura de canals en Obertura de canals en l’òxid a sota la pista l’òxid a sota la pista d’interconnexiód’interconnexió

••Deposició dels metalls Deposició dels metalls barrerabarrera

••Deposició del coure fins Deposició del coure fins que sobreïxi el canalque sobreïxi el canal

••PlanalitzacióPlanalització mitjançant mitjançant CMPCMP ((ChemicalChemical--MechanicalMechanical PolishingPolishing))


Tecnologia de 130nmTecnologia de 130nm

•Longitud de canal 70nm•Gruix de l’òxid de porta 1.5nm•Tensió d’alimentació 1.3 V

•Doble tensió dintell•Retard de porta 7ps•Litografia DUV (248 nm)

ExempleMicroprocessador

Pentium 442 milions de

transistors


Nanoelectrònica: tecnologies de 90 Nanoelectrònica: tecnologies de 90 i 65 nm (Anys 2003 i 65 nm (Anys 2003 –– 2006 )2006 )

Longitud de canal: 50nmGruix de l’òxid de porta: 1.2nmSilici tensionat7 capes de Cu + nou dielèctric de baix kCel·la SRAM de 1µm2

Oblies de 300 mm

Font: Font: IntelIntel


Font: Intel


5 capesatòmiques


Silici tensionatAugment de la mobilitat10-20% augment del corrent de saturació dels transistors2% d’augment del cost de produccióFont: Intel


Font: Intel


Interconnexions

•7 nivells de coure•Òxid dopat amb carboni (CDO) com aïllant “low k”•Reducció d’un 20% en la capacitat

Intel


Tecnologies actuals: 45 i 32 nmTecnologies actuals: 45 i 32 nmAmb la tecnologia de 90nm es va arribar Amb la tecnologia de 90nm es va arribar al límit de l’escalat de l’òxid de porta, al límit de l’escalat de l’òxid de porta, degut a l’increment del corrent túnel.degut a l’increment del corrent túnel.


Nova enginyeria de porta:Nova enginyeria de porta:•• Utilització d’un dielèctric amb una constant Utilització d’un dielèctric amb una constant

dielèctrica més gran que la del SiOdielèctrica més gran que la del SiO22 a base a base d’òxid de d’òxid de hafnihafni, permetent una reducció x0.7 , permetent una reducció x0.7 del gruix del dielèctric, amb una reducció del del gruix del dielèctric, amb una reducció del corrent paràsit x1000 en corrent paràsit x1000 en PMOSPMOS i x25 en el i x25 en el NMOSNMOS


Microprocessador “Penryn quadcore” fabricat per Intel (2007). Tecnologia de 45nm: dielèctric de porta d’hafni (high k) i porta

de metall. Oblies de 300mm.Conté 820 milions de transistors


FotolitografiaFotolitografiaLa fotolitografia inicial de proximitat es va La fotolitografia inicial de proximitat es va abandonar per la fotolitografia de projecció abandonar per la fotolitografia de projecció (“(“stepperstepper”)”)


CD = critical dimensions

DF = profunditat de foco

k, k2 = coeficient lligat al procés

λ= longitud d’ona

NA = apertura numèrica

i-line Hg

làser excimer

KrF

làser excimer

ArF


Per tecnologies de 32nm s’utilitza fotolitografia Per tecnologies de 32nm s’utilitza fotolitografia d’immersió amb doble exposiciód’immersió amb doble exposició

Per tecnologies inferiors a 22nm s'haurà d’utilitzar Per tecnologies inferiors a 22nm s'haurà d’utilitzar fotolitografia fotolitografia EUVEUV ((λλ=13.4nm)=13.4nm)


Nanoestructures per la pròxima dècada


Transistor Tri-Porta


Transistor MOS ideal


Transistor MOS amb nanofil


Transistor de InSbde pou quàntic


Transistor MOS amb nanotubo de carboni


Font: Font: ITRSITRS 2007 2007


Els dispositius electromecànics (MEMS) Els dispositius electromecànics (MEMS) (membranes, bigues, etc.) necessaris per (membranes, bigues, etc.) necessaris per fabricar un sensor o un actuador poden fabricar un sensor o un actuador poden conviure a l’interior del xip amb els conviure a l’interior del xip amb els transistors necessaris per la realització transistors necessaris per la realització d’un circuit electrònic. Aquest fet permet d’un circuit electrònic. Aquest fet permet arribar al concepte de arribar al concepte de microsistemamicrosistema. .

Sensor Circuitelectrònic Actuador

Microsistema


Cortesia: Sandia

el xips podien contenir estructures mecàniques i electromecàniques ( membranes, bigues, rodes, engranatges, etc.), junt als tradicionals transistors.

Mitjançant l’addició de nous processos en la fabricació dels xips (micromecanització en volum i en superfície, etc.)


Els xips es podien convertir en sensors o sigui dispositius capaços de mesurar elèctricament una magnitud física, química o biològica: pressió, concentració, pH, etc. o en actuadors, dispositius capaços de realitzar una acció cap l’exterior.

Cortesia: CNM

Agulla de silici que constitueix un sensor multifuncional per a la monitorització de la isquèmia miocàrdica durant la cirurgia cardíaca extracorpòrea


El control del frens El control del frens (ABS), de la (ABS), de la seguretat (seguretat (airbagairbag), ), estabilitat, estabilitat, transmissió i gestió transmissió i gestió del motor es duu a del motor es duu a terme mitjançant terme mitjançant microsistemes, de microsistemes, de forma que aquests forma que aquests components components representen avui el representen avui el 30% del cost del 30% del cost del vehicle vehicle

• Un exemple paradigmàtic de la utilització dels microsistemes ha estat l'automòbil.

Accelaròmetre per a airbag (Analog Devices)


El control del frens (ABS), El control del frens (ABS), de la seguretat (de la seguretat (airbagairbag), ), estabilitat, transmissió i estabilitat, transmissió i gestió del motor es duu a gestió del motor es duu a terme mitjançant terme mitjançant microsistemes, de forma microsistemes, de forma que aquests components que aquests components representen avui el 30% representen avui el 30% del cost del vehicle. del cost del vehicle.

Un exemple paradigmàtic de la utilització dels microsistemes ha estat l'automòbil.

Accelaròmetre per a airbag (Analog Devices)


I - Funcionalització de cada palanca amb oligonucleotics amb una seqüència de base diferent

II - Hibridatzició d’una palanca

III - Hibridatzicióde l’altra palanca

Detecció diferencial d’una base diferent entre dos 12-mer oligonucleotics5’-CTATGTCAGCAC-3’5’-CTATGTAAGCAC-3’

Reconeixement Reconeixement biomolecularbiomolecular

XXV TROBADES CIENTÍFIQUES DE LA MEDITERRÀNIA

Documents

Transcript of XXV TROBADES CIENTÍFIQUES DE LA MEDITERRÀNIA