Reproduction de : Thèse de doctorat : Réseaux, télécommunications, système et architecture : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 138 réf.

L'electromigration est identifiée comme la principale cause de dégradation des interconnexions en cuivre limitant ainsi la fiabilité des produits issus de la microélectronique. Dans ces travaux nous proposons d'approfondir notre connaissance de ce phénomène en étudiant le lien qu'il présente avec les paramètres morphologiques du cuivre. Dans ce but, la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés est utilisée. Nous avons d'abord développé les méthodes de préparation et d'acquisition nécessaires afin de pouvoir caractériser les structures issues des technologies 45 nm et au-delà que nous avons choisies pour cette étude. Un lien entre les joints de grains de forte désorientation et la localisation des cavités a alors pu être mis en évidence. Nous avons ensuite tenté de modifier la microstructure du cuivre pour impacter la fiabilité sans succès. Finalement, c'est l'intégration de nouveaux matériaux (Al, Co) renforçant l'interface supérieure, chemin de diffusion du phénomène, qui semble être la voie à adopter pour améliorer la résistance des lignes à l'électromigration.

Les objectifs technologiques de l'industrie de la microélectronique sont largement dictés par la loi de Moore qui vise une réduction permanente de la taille des transistors. Depuis peu l'intégration tridimensionnel de composant actif se présente comme une voie d'intégration alternative à la loi de Moore. Selon cette stratégie, les composants sont interconnectés selon l'axe verticale au moyen de plots de cuivre et d'un alliage à base d'étain (SnAgCu). L'assemblage est alors réalisé par un brasage eutectique de l'alliage SnAgCu qui génère une formation de composés intermétalliques (Cu6Sn6 et Cu3Sn) à l'interface entre les plots de cuivre et l'alliage. Or, ces composés intermétalliques sont parfois décrits dans la littérature comme facteur affaiblissant la fiabilité mécanique de l'interconnexion. Par ailleurs cette réactivité interfaciale s'accompagne de l'apparition microcavités de type trous Kirkendall susceptibles d'être à l'origine de ruptures d'interconnexions notée lors de tests de vieillissement. Ce mémoire est consacré à la caractérisation métallurgique du système d'interconnexion par brasage dont les dimensions sont celles des prototypes actuels c'est-à-dire 25µm. L'étude se concentrera successivement sur les aspects relatifs à la microstructure de l'alliage SnAgCu, à la réactivité interfaciale des systèmes Cu/SnAgCu et Ni/SnAgCu puis à la fiabilité mécanique du système d'interconnexion. Ces thématiques seront investiguées en fonction de la contrainte thermique et au cours des différentes étapes d'intégration jusqu'à l'assemblage de composant. Le caractère critique de la problématique réside dans le fait que les dimensions du système, déjà faibles, ont vocation à se réduire, rendant de plus en plus importante la proportion du volume de l'alliage occupée par ces formations interfaciales. / Technological roadmap of the microelectronic industry is mainly described by Moore'slaw which aims a constant reduction of transistors size. Three-dimensional integration ofactive chips appears more and more as an alternative way to Moore's law. According to thisstrategy, chips are interconnected along the vertical axis thanks to copper pillars and a tinbased alloy (SnAgCu).The joining is then performed through eutectic bonding using aSnAgCu solder alloy which is at the origin of intermetallic compounds growing at the copperalloy interface. These intermetallic compounds are sometimes described in literature asweakening factor of the interconnection mechanical reliability. Moreover this interfacialreactivity leads also to the formation of Kirkendall microvoids potentially causinginterconnections breakings, mostly noticed during ageing tests.This report is dedicated to the study and metallurgical characterization of theinterconnection system with a size close to that of the actual prototypes which is 25μm. Thestudy is successively focused on SnAgCu alloy microstructure, Cu/SnAgCu and Ni/SnAgCuinterfacial reactivity and on the mechanical reliability of interconnection system. These topicsare investigated in function of thermal constraints and during different integration steps untilchips packaging. The main critical aspect is related to the fact that system dimensions, alreadysmall, are planned to be reduced, leading to a more important proportion of the solder alloyconsumed by interfacial reaction.

L'electromigration est identifiée comme la principale cause de dégradation des interconnexions en cuivre limitant ainsi la fiabilité des produits issus de la microélectronique. Dans ces travaux nous proposons d'approfondir notre connaissance de ce phénomène en étudiant le lien qu'il présente avec les paramètres morphologiques du cuivre. Dans ce but, la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés est utilisée. Nous avons d'abord développé les méthodes de préparation et d'acquisition nécessaires afin de pouvoir caractériser les structures issues des technologies 45 nm et au-delà que nous avons choisies pour cette étude. Un lien entre les joints de grains de forte désorientation et la localisation des cavités a alors pu être mis en évidence. Nous avons ensuite tenté de modifier la microstructure du cuivre pour impacter la fiabilité sans succès. Finalement, c'est l'intégration de nouveaux matériaux (Al, Co) renforçant l'interface supérieure, chemin de diffusion du phénomène, qui semble être la voie à adopter pour améliorer la résistance des lignes à l'électromigration. / Electromigration is one of the major cause of copper interconnect degradation which limits reliability of microelectronic products. In these works, link between copper morphological parameters and electromigration is studied to get more knowledge of this phenomenon. For that, copper structures from 45 nm technology node and beyond are characterized by backscattered electron diffraction technique. In a first time, developments of sample preparation and acquisition methodology are performed to be able to characterize small dimensions structures from technology node chosen. A link between high angle grain boundary and void location has been highlighted. Then we tried to improve reliability by copper microstructure change without success. It seems that right way to improve interconnect resistance toward electromigration is the introduction of new materials in copper (Al, Co) to reinforce upper interface which is critical diffusion path of electromigration phenomenon.

Nous assistons aujourd'hui à une explosion des demandes de calcul, de stockage et de transfert de données. Dans ce contexte, le développement des ordinateurs à haute performance est crucial mais il est limité par le débit et la consommation des interconnexions électriques entre puces ou intra-puces. La photonique sur silicium propose de lever ce verrou technologique en utilisant la maturité des procédés de fabrication de microélectronique pour concevoir des interconnexions optiques à très haut débit et à faible énergie par bit. Dans ces travaux, nous nous proposons de dimensionner un lien optique intégré sur silicium pour par exemple adresser le défi technologique des interconnexions intra-puces entre un processeur et une mémoire DRAM de dernière génération. Le lien optique conçu est multiplexé en longueur d’onde et utilise des composants intégrés à faible empreinte appelés anneaux résonants pour les fonctions de modulation et de démultiplexage. Les sources laser dont seront munis ces interconnexions consomment une puissance importante : nous nous attachons à optimiser la performance des composants utilisés en termes de puissance optique. A partir d’une analyse système, nous proposons une architecture de lien et construisons un modèle pour évaluer les pénalités en puissance optique associées au transmetteur et au récepteur du lien de communication à l’aide de simulations statiques et dynamiques. Ce modèle comprend des contributions des modulateurs et des filtres du démultiplexeur considérés individuellement ainsi que des contributions liées au multiplexage en longueur d’onde à l’émission et à la réception. Des modulateurs optiques en anneau sont fabriqués en technologie PIC25G, caractérisés en statique et en dynamique puis comparés au modèle. Enfin, des démonstrateurs multiplexés en longueur d’onde sont conçus et mis en œuvre permettant de valider nos modèles prédictifs et d'en soulever de futurs perfectionnements. / The 21st century is characterized by the explosion of demand for computing power as well as data storage and transfer. In this context, the development of high-performance computers is crucial but it is limited by the bandwidth and the energy efficiency of chip-to-chip and intra-chip electrical interconnects. Silicon photonics is a promising solution that uses microelectronics manufacturing techniques to fabricate optical components dedicated to efficient and high-bit-rate optical communication links.This work aims at designing a silicon photonic intra-chip high-bandwidth interconnect based on the example of latest-generation DRAM specifications. Wavelength division multiplexing (WDM) is used with low-footprint components called optical ring resonators for modulation and filtering.Lasers sources are a non-negligible contributor to overall system power consumption. For this reason, this thesis focuses on the optimization of ring resonators in terms of optical power. We first carry out a system analysis and propose an architecture that consists of parallel WDM links. Then a system model that evaluates optical power penalties related to the transmitter and the receiver is built up using static and dynamic simulations. Individual contributions of modulators, filters as well as the impact of adjacent channels at the transmitter and receiver sides are taken into account. Optical ring modulators are fabricated in PIC25G technology and characterized through static and dynamic measurements in order to validate our model. Finally, wavelength division multiplexed prototypes are designed and demonstrations corresponding to different WDM configurations are carried out which allows for suggestions of future improvements from the comparison with our predictive model.

The main issue in swarm robotics is to design the behavior of the individual robots so that a desired collective behavior is achieved. A promising alternative to the classical trial-and-error design approach is to rely on automatic design methods. In an automatic design method, the problem of designing the control software for a robot swarm is cast into an optimization problem: the different design choices define a search space that is explored using an optimization algorithm. Most of the automatic design methods proposed so far belong to the framework of evolutionary robotics. Traditionally, in evolutionary robotics the control software is based on artificial neural networks and is optimized automatically via an evolutionary algorithm, following a process inspired by natural evolution. Evolutionary robotics has been successfully adopted to design robot swarms that perform various tasks. The results achieved show that automatic design is a viable and promising approach to designing the control software of robot swarms. Despite these successes, a widely recognized problem of evolutionary robotics is the difficulty to overcome the reality gap, that is, having a seamless transition from simulation to the real world. In this thesis, we aim at conceiving an effective automatic design approach that is able to deliver robot swarms that have high performance once deployed in the real world. To this, we consider the major problem in the automatic design of robot swarms: the reality gap problem. We analyze the reality gap problem from a machine learning perspective. We show that the reality gap problem bears a strong resemblance to the generalization problem encountered in supervised learning. By casting the reality gap problem into the bias-variance tradeoff, we show that the inability to overcome the reality gap experienced in evolutionary robotics could be explained by the excessive representational power of the control architecture adopted. Consequently, we propose AutoMoDe, a novel automatic design approach that adopts a control architecture with low representational power. AutoMoDe designs software in the form of a probabilistic finite state machine that is composed automatically starting from a number of pre-existing parametric modules. In the experimental analysis presented in this thesis, we show that adopting a control architecture that features a low representational power is beneficial: AutoMoDe performs better than an evolutionary approach. Moreover, AutoMoDe is able to design robot swarms that perform better that the ones designed by human designers. AutoMoDe is the first automatic design approach that it is shown to outperform human designers in a controlled experiment. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

De nombreuses maladies infectieuses animales et zoonotiques font l’objet d’une surveillance chez l’animal. Dans certaines filières animales, plusieurs réseaux ou dispositifs sont mis en place sans qu’ils ne soient reliés ni coordonnés. De plus dans certains cas, plusieurs dispositifs surveillent les mêmes maladies mais de manière indépendante. Cette absence d’articulation peut conduire à un défaut d’efficacité des efforts de surveillance et à un coût global plus élevé. Notre travail s’est fixé pour objectif d’étudier en quoi l’interconnexion entre des dispositifs de surveillance déjà existants pourrait améliorer la surveillance des maladies infectieuses et comment mettre en œuvre une telle interconnexion.Pour tenter de répondre à cet objectif, nous avons pris comme support d’application trois systèmes de surveillance présents en France ayant pour objet des maladies infectieuses équines : l’anémie infectieuse des équidés, l’artérite virale équine et la métrite contagieuse équine. Nous avons adopté une démarche en trois étapes. Tout d’abord, une évaluation quantitative de la sensibilité de la surveillance a été menée à l’aide d’une méthode de capture-recapture. Deuxièmement nous avons évalué de manière semi-quantitative et comparative l’organisation et le fonctionnement général des trois systèmes de surveillance en identifiant les pistes d’interconnexion les plus pertinentes. Troisièmement, un atelier participatif réunissant une trentaine d’acteurs sanitaires et professionnels a été conduit afin d’évaluer et de hiérarchiser les solutions d’interconnexion. Ces travaux ont permis de fournir une vision claire et détaillée des qualités et des défauts des systèmes de surveillance. Ils ont aussi abouti à des recommandations d’interconnexion concrètes, ayant recueilli une adhésion large de la part des acteurs de la surveillance et de la filière, et pour lesquelles les bénéfices attendus et les niveaux de faisabilité, d’acceptabilité et de priorité ont été évalués. Ces travaux successifs ont également permis d’impliquer progressivement dans le processus un grand nombre d’acteurs et de bénéficiaires de la surveillance sanitaire équine. Afin d’enrichir cette démarche de préparation et d’accompagnement à la mise en œuvre d’une interconnexion, nous proposons d’y intégrer à l’avenir des travaux complémentaires éventuellement à conduire selon les besoins recensés, tels que des évaluations économiques, sociales ou multicritères. / Numerous animal and zoonotic infectious diseases are monitored in animals. In many animal industries, several epidemiological surveillance systems or components are implemented but neither connected nor coordinated. Furthermore, in some cases, several components monitor the same diseases in an independent way. This lack of coordination may impair the efficiency of the surveillance and increase the global costs. Our objective was to investigate how the interconnection between existing surveillance systems could improve the infectious diseases surveillance and how to implement such an interconnection.To address this question, we studied three French surveillance systems of equine infectious diseases: equine infectious anaemia, equine viral arteritis and equine contagious metritis. We used a three-step approach. First, we evaluated quantitatively the surveillance sensibility by using a capture-recapture method. Secondly, we assessed in a semi-quantitative and comparative way the organization and operation of the three systems and we identified the most relevant ways for interconnection. Thirdly, we organized a participative workshop gathering thirty stakeholders involved in equine healthcare and/or equine industry to estimate and prioritize the ways of interconnection. These studies have accurately underlined the strengths and weaknesses of the surveillance systems and they have resulted in practical recommendations of interconnection. The professionals from equine industry and the specialists in epidemiological surveillance involved in this work have approved and supported these recommendations. Feasibility, acceptability, priority and expected benefits of the recommendations were estimated. Our successive works have allowed to gradually involve numerous actors and beneficiaries of the surveillance in the interconnection process. In order to improve and enhance this approach -designed to help the preparation and the implementation of an interconnection- we propose to include optional complementary studies, such as economic, social and/or multicriteria evaluations.

Améliorer uniquement les performances et l'efficacité énergétique des transistors n'est pas suffisant pour les futurs systèmes sur puce. Les interconnexions sont également essentielles et ont de graves répercussions sur les performances globales du circuit et l'efficacité énergétique. Le cuivre (Cu) est le matériau d'interconnexion conventionnel qui a aujourd’hui atteint ses limites par suite de l’effet de la miniaturisation. Les effets de barrière et de dispersion induisent une résistivité élevée et une forte éléctromigration aggravent la fiabilité d'interconnexion. Les Nanotubes de carbone (CNT) et les composites de Cuivre et Nanotube de carbone (Cu-CNT) sont intéressants grâce à leur transport balistique, à la grande évolutivité, à la conductivité thermique élevée et à la densité de courant élevée. Dans ce travail, nous étudions les propriétés physiques fondamentales et électriques des CNT et des composite de Cu-CNT de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique pour les applications d’interconnexions locales et globales. Nous évaluons les différentes sources de variabilité et leurs impacts sur les performances d'interconnexion des CNT et l'efficacité énergétique. Le dopage basé sur le transfert de charge des CNT est également étudié en tant que moyen important de réduire davantage sa résistivité et d’atténuer les variations de chiralité des CNT ainsi que d’alléger les effets sur la résistance de contact. Les résultats des mesures expérimentales sont utilisés pour démontrer la validité et la précision de nos modèles établis. Les modèles d'interconnexion sont enfin appliqués aux études à l’échelle de portes et de circuits en tant qu'interconnexions locales et globales pour évaluer leurs performances. / Improving only the performance and energy efficiency of transistors is not sufficient for future systems-on-chip. On-chip interconnects have become equally critical to transistors and can detriment the system’s performance and energy efficiency. Copper (Cu) is the state-of-the-art interconnect material and is reaching its physical limitations due to scaling. Barrier and scattering effects induce high resistivity and electromigration exacerbates interconnect reliability. Carbon Nanotubes (CNTs) and Copper-Carbon Nanotube (Cu-CNT) composite materials are of interest due to ballistic transport, high scalability, high thermal conductivity, and high current density. We investigate from fundamental atomistic level to macroscopic level the physical understanding and electrical compact modeling on CNT and Cu-CNT composite for on-chip local and global interconnect applications. We evaluate and assess the different sources of variations and their impacts on CNT interconnect performance and energy efficiency. Charge transfer based doping of CNT is also investigated as an alternative method to further reduce its resistivity, mitigate CNT chirality variations and contact resistance drawbacks. Experimental measurement results are used to demonstrate the validity and accuracy of our established models. The interconnect models are finally applied to the gate- and circuit- level studies as local and global interconnects to evaluate their performance.

L'augmentation des températures de fonctionnement est une des évolutions actuelles de l'électronique de puissance. Ce fonctionnement entraine d'une part des changements de la structure des modules de puissance notamment des structures " 3D " pour assurer un refroidissement double face des composants de puissance, et d'autre part l'utilisation de matériaux qui permettent de réduire des contraintes thermomécaniques, liées à la différence de coefficient de dilatation des matériaux, lors d'une montée en température. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à développer une nouvelle structure " 3D " basée sur une technique de contact par des micropoteaux en cuivre, élaborés par électrodéposition et ensuite assemblés à un substrat céramique métallisé (notamment, un DBC : Direct Bonding Copper). Pour réaliser ce contact, une technique de frittage par SPS (Spark Plasma Sintering) est utilisée. Nous étudions dans un premier temps le collage direct de cuivre sur des massifs, puis effectuons dans un deuxième temps le collage de cuivre entre les micropoteaux et le DBC. Cette technique SPS est aussi utilisée pour la réalisation d'un nouveau substrat céramique métallisé basé sur des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique accordés, pour les applications à haute température.

Cette thèse répond à une problématique de commande frontière d’une conduite acoustique dont l’actionnement est assuré par un réseau d’actionneurs/capteurs co-localisés constituant une peau active. Pour faire face au caractère intrinsèquement multiphysique de ce problème vibro-acoustique, nous avons choisi dans cette thèse d’employer une approche hamiltonienne à ports, approche structurée basée sur la représentation des échanges entre différents domaines énergétiques au sein d’un système et entre différents systèmes. Nous avons proposé une modélisation hamiltonienne à ports de l’équation d’onde interconnectée à la frontière au système d’actionnement distribué, correspondant à une formulation 2D du problème physique. Nous avons développé une méthode de discrétisation spatiale basée sur l’utilisation de différences finies sur plusieurs grilles en quinconce qui préserve la structure hamiltonienne à ports de l’équation d’onde. Cette méthode permet en outre d’interconnecter facilement le système discrétisé avec d’autres sous-systèmes, dans le but de mettre en place un actionnement par exemple. Son principal avantage sur d’autres méthodes préservatives de structure réside dans sa simplicité de mise en œuvre qui découle de l’utilisation de différences finies. Concernant la commande du système vibro-acoustique, nous avons proposé une méthode de synthèse de loi de commande distribuée pour les systèmes régis par deux lois de conservation en 1D. L’originalité de cette méthode réside en le fait qu’elle repose sur le calcul d’invariants structuraux (fonctions de Casimir) exploités afin de modifier la structure du système en boucle fermée. Les conditions d’application sur un système 2D sont étudiées et des résultats numériques valident les lois de commande synthétisées. / This thesis deals with the boundary control of an acoustic by a network of co-localised sensors/actuators which constitutes a smart skin. In order to cope with this multiphysical problem, we chose to place our study in the framework of port-Hamiltonian systems, a structured approach based on the representation of energy exchanges between different energy domains between different systems of subsystems. We proposed a port-Hamiltonian model of the wave equation interconnected through its boundary to the distributed actuation system, which corresponds to a 2D formulation of the physical problem. We developed a spatial discretization method based on the use of finite differences on several staggered grids that preserve the port-Hamiltonian structure of the wave equation. This method also permits to easily interconnect the discretized system with other subsystems, which is convenient for instance for control purposes. Its main advantage over other structure preserving methods is its simplicity of implementation which stems from the use of finite differences. In order to control the vibro-acoustic system, we proposed a control law synthesis method for systems governed by two conservation laws in 1D. The originality of this method lies in the fact that it relies on the computation of structural invariants (Casimir functions) exploited in order to modify the structure of the system in closed loop. The conditions of application of these laws on a 2D system are studied and numerical results validate the synthesized control laws.