PHYSIQUE DES MATERIAUXET DES MICROSTRUCTURES

Yann-Michel Niquet

Froggy simule déjà la prochaine machine !

Y.M. Niquet,1 F. Triozon,2 I. Duchemin1, D. Rideau3

1 CEA Grenoble, INAC, SP2M/L_Sim, France2 CEA Grenoble, LETI-MINATEC, France

3 ST Microelectronics, Crolles, France

Yann-Michel Niquet

Le transistor MOS

• Principe :

– Contrôler le courant I entre le contact « source » et le contact « drain » à l’aide de l’électrode de « grille ».

– La grille attire ou repousse les électrons dans le « canal » entre la source et le drain, agissant ainsi sur le courant.

• Le transistor MOS transistor fonctionne comme un interrupteur contrôlé par la grille Bit 0/1.

• La taille du transistor MOS transistor est caractérisée par sa longueur de grille Lg.

I

Lg

Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille

• Froggy est une grenouille… pas comme les autres…

Yann-Michel Niquet

Intel E5-2670 (Sandybridge) 2.6 Ghz

64 GB RAM

Infiniband FDR

Refroidissement par eau

Rack

Système de fichiersLUSTRE

GPU Nvidia K20

+

Alimentationélectrique

Anatomie de la grenouille

• Froggy est une grenouille… pas comme les autres…

Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille

Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille

• 136 processeurs Intel Xeon E5-2670 @ 2.26 GHz (Sandy Bridge).

Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille

• 8 cœurs (unités de calcul) par processeur.

Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille

• Environ 2 500 000 000 transistors/processeur.

Yann-Michel Niquet

Contexte

• Loi de Moore : Le nombre de transistors sur un processeur double tous les ~1.5 ans.

• Longueur de grille de la technologie Sandy Bridge d’INTEL (Froggy) : 32 nm.

• Longueur de grille de la technologie Ivy Bridge d’INTEL : 22 nm.

• Et après ? (16 nm ? 10 nm ? 5 nm ?)

Source : IMEC

Yann-Michel Niquet

Un vrai challenge pour les matériaux et la technologie

• Introduction de nouveau matériaux : Silicium contraint, « High- », …

• Vers le transistor 3D !

Source : Intel

Yann-Michel Niquet

Vers les architectures 3D

Transistor 2D Transistor « Tri-gate » 3D

• Meilleur contrôle par la grille (meilleur interrupteur !)

• Le contrôle du courant par la grille devient difficile lorsque Lg <20 nm.

Lg

Yann-Michel Niquet

Et à Grenoble ?

• ST Microelectronics est lui aussi engagé dans cette course, en particulier sur le segment de la téléphonie mobile (processeurs ARM basse consommation & RF).

Yann-Michel Niquet

Pour résumer…

• Tendances CMOS : Améliorer performances et intégration des dispositifs en diminuant la longueur de grille Lg (~20 nm aujourd’hui).

Changement de dimensionnalité :Transistor « Bulk » FDSOI (films) Trigate (fils)

Corrections quantiques Introduction de nouveaux matériaux :

– Oxydes « high- » HfO2…

– Canaux SiGe, III-V, MoS2…

• Nouveaux paradigmes : Electronique de spin, électronique moléculaire…

Transistor « Tri gate »

10nm

Transistor 2D

Lg

I

Yann-Michel Niquet

Défis

• Défis :

Technologiques : Synthèse et procédés matériaux.Caractérisation.

Conceptuels : Physique de plus en plus complexe, non classique.

Beaucoup de questions restent ouvertes.

Transistor « Tri gate »

10nm

Transistor 2D

Lg

I

Yann-Michel Niquet

Enjeux pour la simulation

• Enjeux : La modélisation doit permettre de :

Comprendre/anticiper la physique des dispositifs.

Faire le tri parmi les options architectures/matériaux.

Optimiser les dispositifs.

• « Caractérisation par la simulation »…

Transistor « Tri gate »

10nm

Transistor 2D

Lg

I

Yann-Michel Niquet

Problématiques

• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.

Yann-Michel Niquet

Problématiques

• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.

Si

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

ISi

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

I

Vg

Vds

I

Yann-Michel Niquet

Problématiques

• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.

Si

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

ISi

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

I

––– Exp. (Uchida 2002)

Yann-Michel Niquet

Problématiques

• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.

• Les méthodes « semi-classiques », calibrées à t = 7 nm, sont incapables de rendre compte des tendances pour t = 4 nm et t = 2.6 nm.

Si

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

ISi

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

I

––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »

Yann-Michel Niquet

Solutions

• Développer un code :

– Basé sur la mécanique quantique.

– Capable de décrire des matériaux complexes.

– « Multi-échelles » : Description milieux continus/atomistique.

Yann-Michel Niquet

Le code

• Code liaisons fortes/k.p développé au CEA Grenoble.

• Couplé aux codes ab initio ( ).

• Adapté aux infrastructures de calcul hautes performances.

Structural properties(geometry optimization,

symmetries...)

Tight-binding and k.phamiltonians

3D Poisson solvers

Optical properties(oscillator strengths,

polarizations, ...)

Transport properties(Kubo, Landauer, NEGF)

Ab-initio data

Self-consistency

Yann-Michel Niquet

Prix Bull Fourier 2012

Simulation des propriétés électriques des transistors de prochaine génération sur GPU (code « TB_Sim »)

Source Drain

Grille

Nanofil Si

Ids

Y.M. Niquet (CEA/INAC), F. Triozon (CEA/LETI) & C. Delerue (CNRS/IEMN Dept ISEN)

QUASANOVA

Yann-Michel Niquet

• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.

Mobilité dans les films de Si

Si

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

ISi

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

I

––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »

Yann-Michel Niquet

• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.

• Les fonctions de Green reproduisent les tendances pour t arbitraire, à l’inverse des méthodes semi-classiques.

Mobilité dans les films de Si

––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »

– – NEGF

Si

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

ISi

SiO2

SiO2

Vg

Vds

dsVI

I

Yann-Michel Niquet

Mobilité dans les films de Si

• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.

SiO2

Oxyde SiO2

Yann-Michel Niquet

Mobilité dans les films de Si

• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.

• Physique encore largement controversée…

Modélisation en cours avec ST Microelectronics (ANR Quasanova)… et des résultats probants!

HfO2

SiO2

Oxyde SiO2/HfO2

-20/30% mobilité !

Yann-Michel Niquet

Conclusions

• Les outils type TB_Sim ont montré leur potentiel et sont destinés à intégrer la chaîne de simulation en microélectronique :

• Ils nécessitent des moyens de calculs adaptés tels que ceux de la plateforme CIMENT. L’accès à des moyens de calcul hautes performances représente un enjeu stratégique pour la recherche scientifique.

– Environ 850 000 h de calcul sur Froggy (1024 à 2048 cœurs).

– Accès GENCI/PRACE.

Simulation matériauxab initio

Simulation transportquantique

Simulation semi-classique

TCAD