Circuits intégrés CMOS sur silicium

La technologie CMOS (Complementary MOS), la plus repandue parmi toutes les technologies semi-conducteurs, se caracterise par le fait que toutes les fonctions logiques dans cette technologie sont realisees moyennant l’utilisation d’une paire de transistors MOS complementaires, c’est-a-dire connectes en serie, l’un au canal N et l’autre au canal P. Lorsque l’un conduit, l’autre est ferme, grâce a quoi une porte logique CMOS ne consomme de l’energie qu’au moment de la commutation. Cela distingue le CMOS de toutes les autres technologies. Les autres technologies MOS, telles que NMOS par exemple, presentent une consommation statique non negligeable, due au fait que le transistor de charge n’est pas completement ferme lorsque le transistor de commande est ouvert. Une autre force motrice du CMOS est son dessin quasi symetrique entre les transistors N et P, d’ou sa meilleure adaptation a la miniaturisation et a l’automatisation de la conception des circuits. La grande longueur du transistor de charge en technologie NMOS, par rapport a celle du transistor de commande, n’etait pas facile a gerer lors du passage d’une generation technologique a l’autre. Les circuits CMOS presentent, en outre, une meilleure immunite au bruit et au rayonnement ionisant. Actuellement, leur position beneficie, egalement, de l’enorme experience accumulee au cours de ces annees de regne du CMOS, ainsi que de l’inertie du systeme. Pour toutes ces raisons la technologie CMOS continue a gagner du terrain ; en 2001, elle seule englobera 86% de la production mondiale des circuits integres. Le premier circuit integre CMOS consistait en un inverseur ne contenant que deux transistors. On peut apprecier les formidables progres realises depuis, puisque, aujourd’hui, des circuits CMOS logiques en stade de pre-industriali-sation comportent de l’ordre de 100 millions de transistors. A l’echelle de l’an 2010, le premier circuit logique integrant 1 milliard de transistors est attendu. Selon la definition de Von Neumann, l’ordinateur se compose de trois elements clefs : logique, memoire et programme. L’invention du point memoire DRAM (Dynamic Random Access Memory) a 1 transistor n’etait pas moins determinante pour les developpements de la microelectronique que l’invention du transistor lui-meme. Cette structure de Dennard contient une capacite MOS dont l’etat de charge ou de decharge est controle par un transistor MOS, les deux etant integres ensemble. A cause des fuites qui dechargent la capacite de stockage, les memoires DRAM necessitent un rafraichissement periodique. Les memoires SRAM (Static Random Access Memory) ne presentent pas cet inconvenient ; une bascule, cœur de la SRAM, se maintient dans l’un de ces deux etats stables (minimum d’energie) tant qu’on ne coupe pas l’alimentation. En plus, du fait d’une consommation statique tres faible en technologie CMOS, une SRAM, soutenue par une pile, peut conserver l’information pendant une periode donnee apres la coupure de l’alimentation. Le prix de cet avantage est l’encombrement, un point memoire SRAM contenant 6 transistors au lieu d’un dans une DRAM. L’invention par Frohman-Bentchkowsky (Intel) d’un point memoire EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) a permis de concevoir les memoires aussi denses que les DRAM (un point memoire egale un transistor) mais independantes de l’alimentation et donc non volatiles. Dans cet article concernant les circuits CMOS, nous aborderons les problemes de la conception et de l’integration des circuits sur une puce de silicium. Ensuite, nous passerons en revue le fonctionnement des operateurs de base logiques, ainsi que les structures et le fonctionnement des divers points memoires. Les liens avec la technologie seront illustres par des exemples de dessins de masques pour les operateurs de base et points memoires les plus representatifs. Nous terminerons en evoquant les problemes principaux et les perspectives de developpement des circuits integres sur silicium. Nota : Le fonctionnement et la technologie de fabrication du transistor MOS, constituant la brique de base des tous les circuits MOS, sont presentes dans l’article Transistor MOS et sa technologie de fabrication Pour les notations et les symboles, le lecteur se reportera au tableau place a la fin du fascicule Transistor MOS et sa technologie de fabrication