Circuits intégrés CMOS sur silicium

La technologie CMOS est la technologie dominante pour la réalisation des circuits intégrés. L’apparition régulière de nouvelles générations, appelées nœud technologique, permet d’augmenter le nombre de transistors par puce selon une loi empirique, la loi de Moore, qui s’applique depuis plus de 50 ans. En 2019, cette technologie permet de réaliser des microprocesseurs ou des processeurs graphiques avec plusieurs dizaines de milliards de transistors.

L’objectif de cet article est de présenter ce qui permet, à partir des caractéristiques de la technologie et des transistors, de réaliser des circuits avec un tel nombre de transistors.

La technologie CMOS, avec sa circuiterie associée, a remplacé les technologies nMOS parce qu’elle n’exhibait aucune puissance dissipée en statique. Il se trouve que les courants de fuite dans les technologies bulk utilisées jusqu’aux nœuds 28 nm sont devenus trop importants et que la puissance statique est devenue critique. Les technologies CMOS à film mince, avec les versions FinFET et FDSOI, sont utilisées depuis les nœuds 28 nm et 20 nm. Celles-ci sont décrites dans un chapitre dédié.

Tout nœud technologique CMOS doit être caractérisé, afin de pouvoir disposer de bibliothèques opérationnelles d’opérateurs utilisables par les outils de CAO. Cette caractérisation comprend l’extraction des paramètres électriques, le fonctionnement en température, la mesure des dispersions des paramètres, et les techniques de protection contre un fonctionnement anormal : verrouillage CMOS (latch-up), rayonnement, et protection des entrées/sorties.

Les portes élémentaires des bibliothèques de cellules doivent également être caractérisées. L’inverseur CMOS est étudié en détail : principe de fonctionnement, caractéristique statique, caractéristique dynamique, puissance dissipée. Les portes NAND, NOR, transmission, XOR sont aussi présentées. La réalisation des circuits séquentiels et des mémoires est présentée dans d’autres articles  [E 181] [E 2 491].

Enfin, ces bibliothèques de cellules élémentaires seraient inutiles sans outils de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), indispensables pour concevoir les circuits numériques dits VLSI (Very Large Scale Integration). Les flots de conception utilisés sont décrits. Ils se décomposent en deux domaines. La partie front-end comprend la description de la fonctionnalité du circuit, les étapes de simulation, la synthèse logique et la validation. La partie back-end comprend le floorplanning (placement des différents blocs sur le plan d’occupation de la surface), le placement des cellules standards, la synthèse de l’arbre d’horloge, le routage des connexions et la vérification finale.

Le lecteur, grâce à cet article, devrait être en mesure d’appréhender les enjeux et problématiques de la conception de circuits numériques complexes, ainsi que les différentes étapes nécessaires. Le contexte actuel de fabrication de circuits intégrés, notamment le modèle « fonderie », est rappelé ; ce contexte a eu des implications profondes dans le développement de la microélectronique, en réduisant les coûts de fabrication et en permettant l’accès aux technologies semi-conducteur d’un plus grand nombre d’acteurs.