Dans un précédent article dédié aux procédés de fabrication des processeurs écrit par Guillaume, nous vous parlions déjà des choix opérés par Intel pour la fabrication des processeurs avec une finesse de gravure de 45 nanomètres. Voici dans les lignes qui suivent un petit rappel de ce qui avait alors été écrit.

Isolation : place au Hafnium (à vos souhaits)

Les transistors que l’on pose sur le silicium sont des composants électriques qui doivent être séparés les uns des autres avec un isolant. On utilise généralement du silicium (SiO2, dioxyde de silicium) comme couche isolante avec comme problème qu’au fur et à mesure que l’on réduit la taille des processeurs, on réduit aussi la taille des dites couches. Et les isolants ne sont pas magiques, ils ont ce que l’on appelle une capacitance, c'est-à-dire leur capacité à absorber des charges de courant. Si l’on met trop de courant à côté, le « champ » électrique va se propager au delà de l’isolant et finir par ne plus rien isoler ! On dit alors que chaque matériau dispose de sa propre constante diélectrique qui est désignée par la lettre grecque kappa, « k » pour les intimes.

La constante diélectrique indique la permissivité d’un isolant. En clair, plus elle est faible et moins le matériau a de chance de laisser passer du courant. L’air pur est proche de 1 de sorte qu’il faudra un très fort courant entre deux fils placés côte à côte pour qu’il y’ait un « arc » électrique. Autre illustration avec l’eau qui elle laisse passer le courant (deux fils dans l’eau, du courant va passer) et dispose d’une constante de 80. Celle du dioxyde de silicium habituellement utilisé pour isoler les composants sur les processeurs est de 3.9. La question qui se pose alors est de savoir s’il ne serait pas possible de trouver un isolant capable de laisser passer plus de courant tout en jouant son rôle d’isolant afin d’éviter tout contact entre les transistors ? En résumé, ne pourrait-on pas utiliser un autre matériau dont la constante diélectrique serait plus forte ?


Fin janvier 2007, Intel a commencé à lever le voile sur les technologies qui allaient être utilisées pour les procédés de fabrication en 45 nanomètre. C’est à ce moment que le fondeur nous a parlé du remplacement du dioxyde de silicium par un autre composant, le Hafnium. Il s’agit d’un métal grisâtre qu’Intel utilise sous une forme qu’ils ne détaillent pas, probablement un silicate d’Hafnium dont la constante diélectrique est aux alentours de 18 mais cela pourrait également être un dioxyde d’Hafnium, HfO2 dont la constante tourne autour de 25 ! La marge est relativement élevée et pour obtenir l’effet désiré, on est obligé non pas d’affiner toujours plus la couche isolante (le « gate dielectric ») mais de la rendre plus épaisse. Et c’est une bonne chose puisque cela veut dire que l’on dispose d’une marge de manœuvre plus grande lorsqu’il faudra réduire de nouveau la taille des transistors avec des technologies comme le 32 nanomètres.


Cette solution parait presque évidente et l’industrie des semi-conducteurs en parle d’ailleurs depuis un certain nombre d’années mais jusqu’ici personne n’avait réussi à la mettre en œuvre dans un procédé de fabrication à grande échelle. C’est ce que fait désormais Intel puisque cette technologie fait partie intégrante de leur process en 45 nanomètres.

Metal gate : du métal dans les portes

Un transistor fonctionne à la manière d’un interrupteur actionnant une lumière : deux « fils » par lesquels le courant va entrer (la source) et ressortir (le drain). La différence avec l’interrupteur est qu’au lieu d’un bouton, nous avons un autre fil (la porte, gate en anglais). En fonction de la tension appliquée sur la porte, il va agir comme votre bouton, c'est-à-dire laisser passer ou non le courant entre la source et le drain. C’est pour cela que l’on classifie le transistor comme un composant électronique actif : en les reliant les uns aux autres, on peut créer des circuits logiques.

Bien entendu quand on parle de transistor, on visualise surtout le composant électronique mais dans l’absolu, les transistors présents à l’intérieur d’un processeur (on parle alors de circuits intégrés) sont similaires d'un point de vue fonctionnel. C’est surtout leur fonctionnement interne qui nous intéresse. Regardez le schéma suivant :


On distingue les trois éléments principaux que nous vous avons détaillés précédemment. L’entrée et la sortie de courant que l’on appelle source et drain (les deux fils de notre interrupteur) tout d’abord en violet. Puis la porte (gate) qui apparait en vert (c’est l’équivalent du bouton de notre interrupteur). Vous voyez deux nouvelles choses, le « gate dielectric » et le « channel » (voir notre article consacré à la fabrication d’un processeur pour plus d’informations).

Ces « portes » ou « gates » sont habituellement réalisées en polysilicium. Lors de notre précédent article, nous avions vu que ce dernier « réagissait » avec l’isolant placé en dessous de lui. Du coup, la couche isolante devenait plus grande et cela causait un paquet de problèmes. En changeant les matériaux de la porte en plus de ceux de l’isolant (c’est la deuxième nouveauté proposée par Intel), ils ne réagissent plus l’un à l’autre et tout va nettement mieux. L’effet de champ est même amélioré par les nouveaux métaux choisis par Intel pour la porte (ils ne disent pas encore ceux qu’ils ont choisis et il est logique que le fondeur tienne à garder le secret sur le sujet).


Lorsque nous vous avons parlé du polysilicium dans notre précédent article, nous vous avons dit qu’on parlait également de silicium polycristallin. Le problème dans l’histoire ce sont les phonons, des quasi-particules qui font appel au concept quantique de la dualité onde-corpuscule. En bref, un phonon est à la fois une particule et une vibration et donc ça vibre à l’intérieur du crystal et c’est normal. Le souci, c’est que l’on a changé l’isolant par un matériau « high-k », l’Hafnium. Et plus la constante diélectrique (le k) est grande et plus on augmente la polarisation du métal. En clair ? On va encore plus exciter les phonons qui vont se mettre à vibrer beaucoup plus fort (le phonon scattering).



Le problème des phonons est que leur mouvement va quelque peu ralentir le mouvement des électrons (qui constituent le champ électrique). C’est un peu comme une intempérie de neige en voiture, vous avez tendance à ralentir. Là c’est un peu pareil pour nos électrons. En choisissant un autre métal (et non plus un crystal) pour la porte, on résout définitivement le problème. Bien entendu, le choix du métal doit correspondre à un tas de contraintes qu’on ne détaillera pas. Sans compter qu’il faut en trouver deux car il y a deux types de transistors. D’un côté les NMOS qui vont avoir l’état « on » lorsque l’on envoie une tension sur leur porte, et de l’autre les PMOS qui sont « off » lorsque l’on envoie la même tension sur leur porte. Globalement, on peut donc considérer que l’arrivée des portes en métal est une conséquence du choix des isolants de type high-k.