STMicroelectronics Technodays : MEMS, gravure 20 nm, ST-Ericsson...

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STMicroelectronics HQ logo proDans les technologies de gravure des semiconducteurs, la course est engagée chez les fondeurs pour atteindre une finesse de 20 nm, alors que l'heure est au 32 et 28 nm.

Tout en conservant des sites de production faisant appel à des noeuds de gravure plus élevés ( tous les appareils électroniques n'ont pas besoin d'une finesse extrême, les équipements sont en cours d'amortissement ou déjà amortis et ces sites peuvent faire du volume à bas coût ), le fondeur STMicroelectronics travaille aussi sur les technologies de gravure les plus avancées, au sein de l' ISDA ( International Semiconductor Development Alliance ), un groupement d'industriels ( dont fait aussi partie IBM ) mettant en commun leurs ressources pour préparer les technologies de gravure les plus avancées, en concurrence avec d'autres grands fondeurs comme Intel.

En choisissant de ne pas devenir un fondeur fabless ( c'est à dire qui conçoit ses produits mais sous-traite leur production ), et donc en disposant de ses propres sites de production, ST participe activement à l'émergence des technologies de gravure de demain.


En route vers le 20 nm

En préparant la gravure en 20 nm, l'idée est à la fois de tenter de préserver la loi de Moore et de pouvoir répondre à la demande de nouveaux marchés. Avec ce nouveau noeud de gravure, il sera possible de doubler le nombre de composants par rapport à du 28 nm LP, pour miniaturiser encore un peu plus les futurs composants et réduire leur consommation d'énergie sans pénaliser leurs performances. Le 20 nm apportera ainsi un gain de 30% en performances par rapport au 28 nm LP.

ST Technodays VLSI 02
Les trois grandes plates-formes de fonderie

Des processeurs gravés en 20 nm pourront trouver place dans les téléphones portables et autres appareils mobiles / nomades, avec la possibilité de créer des processeurs ARM cadencés à 2,5 à 3 GHz, mais les applications pourront aussi concerner les serveurs, dont la consommation d'énergie est un élément critique.

Le développement des technologies de gravure se déroule en trois phases :

  • phase d'innovation : créer les architectures et les procédures, au sein du CEA-LETI et de l' University at Albany ( Etat de New York ) ; la gravure en 14 nm y est actuellement à l'étude

 

  • phase opérationnelle : établissement des protocoles de fabrication au sein de l'ISDA ; la gravure en 20 nm en est à ce stade

 

  • phase industrielle : pré-production puis déploiement sur les sites concernés


Concernant la technologie de fabrication proprement dite, le noeud 20 nm ajoute de nouvelles difficultés. Si la lithographie fonctionnait bien au-dessus du noeud 45 nm, il a fallu passer à la lithographie en immersion à partir de ce seuil. En 28 nm, cette technologie reste utilisable mais atteint ses limites.


Des astuces pour ne pas avoir à tout renouveler
Pour le 20 nm, on peut conserver la même technologie mais sa complexité augmente : il faudra passer à de la double lithographie ( dual patterning ) et des règles de dessin des circuits plus strictes pour éviter certains écueils ( notamment lorsque les connexions sur la plaque de silicium font des " coudes " pas toujours correctement retranscrits à ce niveau de finesse ).

En revanche, on retrouve les portes HKMG utilisées dans la gravure 28 nm, avec une optimisation en Gate Last pour assurer une meilleure stabilité. La complexification du procédé rendra inévitablement les processeurs gravés en 20 nm plus onéreux que leurs prédécesseurs.

Les détails de la technique de gravure en 20 nm font encore l'objet de discussions entre membres de l' ISDA et au sein du DTCO pour affiner le design et proposer de nouvelles solutions. Les premiers prototypes de processeurs en 20 nm devraient être disponibles d'ici 2013.


L'après 20 nm
Et ensuite ? ST et les membres de l'ISDA travaillent dès à présent sur le prochain noeud de gravure, à 14 nm. Il faudra cette fois passer à une nouvelle technique, la lithographie EUV ( Extreme UV ), dont les équipements ne seront pas disponibles avant 2014. Il faudra également travailler sur des solutions en film mince et envisager une intégration 3D des transistors, comme le propose Intel avec ses transistors 3D Tri-Gate, annoncés il y a peu pour ses processeurs gravés en 22 nm.

Du côté de l' ISDA, les discussions restent ouvertes : maintenir une structure 2D de type FD-SOI, plus facile à intégrer car proche des structures existantes, ou passer à un modèle FinFET ( structure 3D ) en aileron. Les deux options sont en cours d'évaluation et un consensus devrait émerger dans les mois qui viennent. A noter que l'intégration 3D est à l'étude à Crolles ( Grenoble ). Le site français travaille ainsi à la pointe des technologies de gravure.

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