This thesis explores mechanical behavior of microelectronic devices and lithium-ion batteries. We first examine electromigration-induced void formation in solder bumps by constructing a theory that couples electromigration and creep. The theory can predict the critical current density below which voids do not form. Due to the effects of creep, this quantity is found to be independent of the solder size and decrease exponentially with increasing temperature, different from existing theories. / Engineering and Applied Sciences

La micro-électronique est considérée comme une technologie révolutionnaire compte-tenu de la dynamique qu'elle a insufflée à l'économie mondiale depuis l'invention du circuit intégré dans les années 50. Jusqu'à récemment, les défis technologiques relevés ont consisté à conserver une ligne directrice de développement fondée sur une simple réduction des dimensions du transistor MOS, faisant basculer la micro-électronique dans l'ère de la nanoélectronique. Industriels et chercheurs tentent aujourd'hui de repousser les limites physiques imposées par la réduction d'échelle en agissant sur différents leviers technologiques, afin d'améliorer les performances des dispositifs sans avoir à en réduire les dimensions. Les travaux présentés résument mon activité de recherche menée au CEA-Léti depuis 2001, dans le contexte général du développement des technologies CMOS pour les noeuds avancés (i.e. le 65nm pour le début des années 2000, le 14nm et en deçà à l'heure actuelle), avec un focus plus particuliers sur l'étude du transport dans le canal des transistors MOS. Trois voies principales ont été explorées, et seront analysées et commentées : * les nouveaux matériaux de grille, avec l'introduction des oxydes à forte permittivité (high-κ) et des grilles métalliques. * l'ingénierie de la mobilité, avec entre autres l'utilisation de matériaux à plus forte mobilité comme les alliages SiGe, ou encore l'exploitation des contraintes. * les nouvelles architectures de transistor, avec la réalisation de films minces et de transistors multi-grilles ou à grille enrobante.

Time-interleaved analog-to-digital converters make use of parallelization to increase the rate at which an analog signal can be digitized. Using M channels at their maximum sampling frequency allows for an overall sampling frequency of M times the individual converters' sampling rate. However, the performance of interleaved systems suffers from mismatches between the sub-converters. Offset mismatches, gain mismatches, and timing mismatches all contribute to the degradation of the resolution of the ADC system. Offset and gain mismatches can be corrected for in the digital domain with minimal extra processing. However, the effects of timing mismatches (specifically, the magnitude of the spurious tones that are introduced) are dependent on the frequency of the input, so digital correction is not a trivial task. This makes a circuit-based correction mechanism a much more desirable solution to the problem. This work explores the effect of timing mismatches on interleaved analog-to-digital converter performance. A set of requirements is derived to specify the performance of a variable-delay circuit for the tuning of sample clocks. Since the mismatches can be composed of both fixed and random components, several candidate architectures are modeled for their delay and jitter performance. One candidate is selected for design, based on its jitter performance and on practical considerations. A practical implementation of the clock-adjustment circuit is designed, featuring low-noise differential clock paths with high precision delay adjustment. A means of testing the circuit and verifying the precision of adjustment is presented. The design is implemented for fabrication, and post-layout simulations are shown to demonstrate the feasibility and functionality of the design.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse. La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

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Lors du développement d'un nouvel avion, la phase précédant l'obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. L'une des formes d'essai les plus délicates est la mesure de la pression de l'air autour de l'aile. Ces mesures permettent à la fois d'évaluer les deux composantes fondamentales de l'aérodynamisme que sont la portance et la trainée, de valider les résultats de simulation, et d'améliorer les données d'entrée des souffleries virtuelles pour les futurs développements. Dans le domaine spatial, le lancement est l'une des phases les plus critiques pour les systèmes. En effet, les structures doivent faire face à un stress mécanique et à des vibrations importantes qui ne doivent endommager ni le satellite ni les instruments embarqués. Des essais sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés préalablement au lancement afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée. Des milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont utilisés par les industriels du secteur pour ce type d'essais. Tous ces éléments sont aujourd'hui connectés entre eux par des fils. La première difficulté liée à cette forme d'installation est le poids supplémentaire imposé à la structure. Ce poids représentant une préoccupation importante en aéronautique, il est très délicat d'alourdir l'avion en ajoutant, le temps de l'essai, une quantité importante de câbles sur l'aile dans le seul but de connecter des capteurs entre eux. D'autres contraintes sont également associées au déploiement de ces réseaux de capteurs. La mise en place ces systèmes de mesure filaire engendre en effet un cout important, tant en raison du prix des câbles que de la très longue immobilisation de l'appareil nécessaire à l'installation du système. Cette dernière contrainte financière, très lourde, est de plus en plus difficile à supporter pour les industriels. Le remplacement des réseaux de mesure classiques par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente aux différents problèmes soulevés. Cela permettrait également d'augmenter le nombre de points de mesure. Malgré le grand intérêt porté à la question des réseaux de capteur sans fil, les verrous technologiques sont encore très nombreux et il n'existe aujourd'hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l'aéronautique. Les protocoles classiques comme ZigBee ou Bluetooth ne permettent en effet d'atteindre, ni le débit nécessaire (plus de 100Mbits/s) ni le nombre de nœuds du réseau (plus de 800). Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d'un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d'émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Des mesures en conditions réelles effectuées à l'aide de circuits commerciaux reposant sur le protocole MB-OFDM/Wimedia, le standard le plus approchant du besoin exprimé, ont servi à la définition des bases de l'étude et ont permis de choisir des pistes de développement. Les mesures effectuées ayant démontré la spécificité de l'environnement de propagation, et n'ayant pas permis de définir un modèle de propagation suffisamment fiable, il est apparu nécessaire de recourir à un flot de conception utilisant des outils de synthèse de code automatique. Ce mode de développement, relativement original dans un contexte de recherche, a permis d'identifier précisément les besoins matériels nécessaires à la conception du démonstrateur, et de réduire considérablement le délai entre le choix des algorithmes et leurs tests en conditions réelles. La couche physique développée est basée sur un système OFDM ultra large bande permettant d'atteindre un débit de plus de 150 Mbits/s. Un démonstrateur parfaitement fonctionnel, implémenté sur FPGA et composé de quatre nœuds communicants a été réalisé et a permis de valider la couche physique. Enfin sont présentées des pistes pour le développement d'un ASIC numérique permettant d'atteindre l'objectif de faible consommation.

Dans le contexte des Sciences de l'Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d'intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l'optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l'explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d'avion à partir des capteurs ou même d'une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l'intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l'antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l'intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l'approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l'approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d'accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l'algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d'échange de messages. Une extension de l'approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l'augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l'approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L'étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d'un historique d'expériences avec une prédiction dérivée du profil de l'application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L'analyse des performances de simulation a permis d'extraire des règles pratiques pour l'estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l'intérieur d'une structure surdimensionnée complexe, telle qu'une cabine d'avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés.

L'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs déénergie électrique nécessite une gestion thermique toujours plus performante. La thermique devient même l'élément dimensionnant de ces convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs. Le diamant présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles particulièrement adaptées à la gestion thermique des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance. C'est en effet le meilleur matériau isolant et conducteur thermique connu à ce jour. La possibilité de réaliser du diamant polycristallin de manière reproductible par synthèse CVD ouvre aujourd'hui à ce matériau un grand champ d'applications industrielles. Nous avons étudié les potentialités d'applications au domaine particulier de l'électronique de puissance. Nous avons tout d'abord développé une plateforme de simulation COMSOL qui nous permette d'évaluer différentes structures pour optimiser le système de refroidissement des composants d'électronique de puissance. Nous avons alors étudié deux solutions, l'utilisation d'un substrat diamant épais pour reporter les composants ou le dépôt direct d'une fine couche de passivation sur les composants en fin de fabrication. Nous avons ainsi développé une structure à substrat diamant et micropoteaux en cuivre qui permet d'extraire jusqu'à 800 W/cm² sous le composant pour un échauffement de 120°C. Cette structure a été réalisée technologiquement pour valider toute la démarche de simulation et conception. Ce prototype propose des performances particulièrement intéressantes pour l'intégration des convertisseurs d'électronique de puissance à haute densité de puissance. Nous avons également étudié la passivation des composants avec du diamant CVD en lieu et place du SiO2. L'intérêt d'une telle passivation est démontré en simulation et les différentes étapes de la réalisation technologique sont étudiées. Cette dernière partie met en évidence des difficultés qu'il faudra lever si l'on souhaite utiliser le diamant comme couche de passivation.

Le domaine de la microélectronique connaît aujourd'hui un tournant technologique majeur avec l'essor de structures nanométriques, les nanofils semiconducteurs. Ces nanofils peuvent être synthétisés "atome par atome" par une approche dite ascendante (ou Bottom-Up) qui présente un fort potentiel industriel grâce notamment à sa simplicité de mise en oeuvre et au faible coût engendré si l'on compare à des procédés standards de structuration de la matière par voie descendante (ou Top-Down). Dans cette optique, une question d'importance se pose : comment manipuler ces nanostructures et les arranger de façon à créer un dispositif fonctionnel ? Nous avons développé dans ces travaux de thèse un procédé inédit d'adressage à grande échelle couplant le phénomène d'attraction dû à la diélectrophorèse et l'assemblage capillaire. Les nanofils vont en effet pouvoir se polariser s'ils sont soumis à un champ électrique, être attirés dans les zones de champ fort prédéfinies, et enfin l'assemblage capillaire nous assure un alignement supplémentaire ainsi qu'un contrôle précis du séchage du liquide dans lequel sont suspendus les nanofils. Cette approche est d'autant plus intéressante qu'elle s'adapte à différents matériaux, comme le silicium ou l'arséniure d'indium, candidats prometteurs pour l'électronique de demain. Enfin, nous mettrons à profit la méthode d'alignement développée pour intégrer des nanofils dans des dispositifs fonctionnels. Nous analysons dans un premier temps le problème de l'adressage électrique des nanofils qui diffère de celui du matériau massif. Nous présentons une méthode permettant de différencier l'influence de la résistance de contact de celle du nanofil lui- même. Ces études matériaux sont capitales pour permettre l'intégration à grande échelle des nanofils dans des dispositifs microélectroniques. S'ensuit la première démonstration de l'implémentation de transistors à nanofils. La dernière application démontrée exploite le grand rapport surface sur volume des nanofils pour mettre en oeuvre des capteurs, tout d'abord de luminosité, puis d'humidité et enfin de gaz. Les nanofils semiconducteurs présentent en effet la potentialité d'une forte sensibilité en détection, car la déplétion ou l'accumulation des porteurs de charge causées par les changements d'états de surface peut affecter les propriétés électroniques de ces nanofils. Ces protoypes de dispositifs fonctionnels sont une synthèse des travaux menés au cours de ces travaux de thèse et illustrent toutes les possibilités offertes par cette méthode d'intégration de nanofils semiconducteurs.