No description available.

In this paper, a study of tungsten metallization in advanced BEOL interconnects is presented. A mature 10 nm process is used for comparison between the tungsten and conventional copper metallization. Wafers were processed together till M1 dual-damascene etch then separated for different metallization. Tungsten metal line of 24 nm width is showing a 1.6X wire resistance comparing to the copper metal line. Comparable opens/shorts yield were obtained on a 0.8 M comb serpentine, Kelvin-via and 4K via chains. Similar physical profile were also achieved. This study has demonstrated the feasibility of replacing the copper by tungsten at BEOL using the conventional tungsten metallization tools and processes. This could be a cost- effective solution for the low-power products.

No description available.

<p> This thesis presents a study of diagnostics of pulsed laser systems. Two simple and cost effective devices are constructed that measure common spatio-temporal distortions. The first is a spectrally-resolved knife-edge (SRKE) for spatially and spectrally resolving a laser beam, which enables spatio-temporal distortions to be measured. The second is an interferometric autocorrelation taken with a 2-photon diode. A lens is used to focus light from the entire cross section of the beam onto the diode. By scanning the diode through the focus, the effects of pulse-front-tilt on focused beam pulse durations can be measured. These techniques are compared with current theoretical models, and with each other, to establish their reliability and practicality, as well as the reliability of the commercial techniques. SRKE is found to be highly sensitive to spatial and angular dispersion, and also able to measure the frequency gradient, although not as precisely. Interferometric autocorrelation is only able to resolve effects on duration. It can detect the presence of significant spatio-temporal distortion, but several scans must be taken as a function of distance from the lens, through the focus.</p> <p> A commercially built GRENOUILLE was also tested on pulses compressed with a hollow-capillary-prism pulse compressor. Compression of 800 nm, 50 fs pulses to less than 19 fs was achieved with an overall transmission efficiency of 33%. With further work, efficiency could be increased, and pulse duration decreased.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

Cette thèse de doctorat a été réalisée au sein du III-VLab, en partenariat avec l’Institut d’Electronique du Sud (IES). L’objectif de ce travail de thèse vise d’une part à l’optimisation des performances des diodes laser DFB émettant à 780 nm et le développement d’une source plus compacte (MOPA) à 780nm, intégrant de façon monolithique l’oscillateur maître (laser à rétro-action répartie ou DFB) et l’amplificateur de puissance, et d’autre part, à appréhender les phénomènes de bruit, permettant d’évaluer la qualité technologique des lasers. Les développements autour de la longueur d’onde 780 nm, se sont organisés en plusieurs thématiques : les lasers Fabry-Perot et DFB, les amplificateurs (SOA), les MOPA et l’étude du bruit des lasers. Nous avons étudié des structures de différentes épaisseurs de puits quantiques (160Å, 135 Å et 145 Å). La comparaison des performances globales des différentes structures de lasers larges, loin d’être évidente, nous a permis de choisir celle intégrant un puits quantique de 160 Å, pour la réalisation des lasers Fabry-Perot à ruban étroit (3µm à 4µm). Nous avons obtenu sur des lasers larges, de 3 mm de long, bruts de clivage, une puissance d’environ 5 watts par face pour un courant d’injection continu autour de 10 A. Les simulations et caractérisations électro-optiques menées sur des lasers ridge Fabry-Perot, ont servi à affiner le dessin des DFB à 780 nm, par rapport aux briques de base existantes du III-V Lab, et à proposer des structures à cavités optiques larges et super-large (LOC et SLOC) optimisées, en termes de puissance, qualités de faisceau et spectrale.Les mesures de bruits, appuyées d’un modèle de bruit électrique, ont permis d’extraire une valeur du paramètre de Hooge de 2,1.10^-3 pour les lasers ridge, en accord avec la littérature, et qui correspond à une bonne qualité de matériau et technologique des lasers. Différents types d’amplificateurs optiques évasés ont été dessinés, réalisés et caractérisés. Les caractérisations des diverses géométries de SOA, ont donné dans l’ensemble, des valeurs de gain comprises entre 19dB et 25dB. Nous avons obtenu respectivement pour les structures d’amplificateurs à guidages entièrement par l’indice (GI), entièrement par le gain (GG) et mixte (GM), des puissances de 500mW, 750mW et 1W. L’ensemble des résultats obtenus avec ces structures sont prometteurs pour l’intégration monolithique avec le DFB. En ce qui concerne le MOPA, trois approches ont été étudiées: MOPA droit, DFB et amplificateur tiltés de 7° (par rapport à la normale aux faces clivées), et la plus prometteuse mais plus complexe, intégrant le DFB droit et l’amplificateur tilté de 7°, avec une section courbe entre les deux. La prise en compte de l’ensemble des résultats lasers Fabry-Perot, DFB et des résultats d’amplificateurs, nous ont permis de proposer des dessins MOPA originaux. Le dessin du masque réalisé, intègre toutes ces configurations de MOPA, et en plus, des SOA et DFB, qui seront utilisés comme témoins de test lors des caractérisations. / This thesis has been realized in III-VLab in collaboration with the South Electronic Institute in Montpellier. The aim of this work focuses in one hand, on the performance improvement of DFB's diode lasers emitting at 780 nm, and the advanced design of a compact semiconductor laser diode (Master Oscillator Power Amplifier), integrating monolithically the master oscillator (DFB for Distributed Feedback laser); in the other hand, using the noise phenomenon’s studies as a tool, for validating of our laser technologies. The Developments round the 780 nm wavelength, have been divided into different thematic: Fabry-Perot and DFB, Semiconductor Optical Amplifiers (SOA), MOPA, and the lasers noise’s study. We have studied structures with different quantum well thickness (160Å, 135 Å and 145 Å). The comparison of global performances of broad area lasers from these different structures, far to being obvious, allowed us to choose the one that integrates the 160-Å-thickness of quantum-well, for the realization of ridge Fabry-Perot lasers of 3 to 4-µm-of width. We obtained with broad area lasers, as cleaved, with 3-mm cavity lengths, an output power around 5 watts per facet, in continuous bias current around 10 AModellings and electro-optics characterizations performed on ridge Fabry-Perot lasers, allowed to refine DFB lasers at 780 nm, in comparison of the existing building blocks in the lab; we proposed new optimized structures with Large and Super Large Optical Cavities(LOC and SLOC), in terms of optical output power, beam and spectral qualities.The noise measurements with electrical noise modelling, allowed us to extract a value of Hooge’s parameter of 2,1.10^-3, quite in agreement with literature for such lasers, which corresponds to a good material quality and laser technology.Different types of flared SOA have been designed, realized and characterized. The characterizations of various SOA geometries, have given in general, values of gain between 19 dB to 25 dB. With SOAs of types: fully Index Guiding (IG), fully Gain Guiding (GG) and Mixed Guiding (MG), we have respectively obtained 500 mW, 750 mW and 1 W. All the results obtained with these structures are promising for monolithic integration with DFB. Regarding the MOPA, three approaches have been studied. The straight MOPA, the approach of SOA and DFB with 7° tilt(relative to the normal to cleaved facets), and the most complex, but promising approach, integrating the SOA with 7° tilt, and straight DFB, with a bend section between them. By taking into account all the results obtained on Fabry-Perot lasers, DFB, and SOA results, we were able to propose original MOPA designs. The layout drawing has been realized, all the MOPA configurations and additional, DFB and SOA devices, have been included on it. They will be used as test structures for characterizations.

Dans le cadre de l'interaction lumière-atomes, les diodes lasers nécessitent des performances optiques spécifiques : de fortes puissances optiques à une longueur d'onde spécifique (852 nm ou 894 nm pour les atomes de Césium, 780 nm ou 795 nm pour le Rubidium), un fonctionnement monomode transverse et longitudinale du faisceau. Ce mémoire de thèse présente les différentes étapes permettant la fabrication de diodes lasers, émettant à 780 nm, répondant à ces caractéristiques optiques. La spécificité des diodes lasers développé lors de cette thèse est l'absence d'aluminium dans la zone active des lasers, offrant de meilleures performances en termes de fiabilité. Il décrit dans un premier temps les principes du pompage atomique et du refroidissement d'atome afin de déterminer un cahier des charges spécifiques pour les diodes lasers à développer. Il expose ensuite les concepts théoriques permettant de comprendre le fonctionnement d'une diode laser. La caractérisation des diodes lasers développées lors de cette thèse a pu démontrer un fonctionnement monomode transverse jusqu'à des puissances optiques supérieurs à 100 mW pour des lasers Fabry-Pérot. La réalisation de diodes lasers DFB (ayant un réseau de Bragg intégré dans la cavité optique du laser) a montré un fonctionnement monomode fréquentiel jusqu'à 25 mW avec des taux de réjection des modes satellites supérieurs à 45 dB et une largeur de raie de 550 kHz. Enfin, une première étude théorique et expérimentale à partir de diodes lasers émettant à 852 nm a été réalisé afin d'estimer les performances de ces composants dans des horloges à jet thermique utilisant des atomes de Césium.

A l’heure actuelle, la lithographie optique 193 nm arrive à ces limites de capacité en termes de résolution des motifs dans la fenêtre du procédé souhaitée pour les nœuds avancés. Des lithographies de nouvelle génération (NGL) sont à l’étude, comme la lithographie EUV (EUV). La complexité de mise en production de ces nouvelles lithographie entraine que la lithographie 193 nm continue à être exploitée pour les nœuds 28 nm et au-delà. Afin de suivre la miniaturisation le rôle des techniques alternatives comme le RET (en anglais Resolution Enhancement Technique) tels que l’OPC (Optical Proximity Correction) est devenu primordial et essentiel. Néanmoins, la complexité croissante de design et de la variabilité du procédé lithographique font qu’il est nécessaire de faire des compromis. Dans ce contexte de complexité croissante du procédé de fabrication, l’objectif de la thèse est de mettre en place une méthode de boucles de correction des facteurs de variabilité. Cela signifie une diminution de la variabilité des motifs complexes pour assurer une résolution suffisante dans la fenêtre de procédé. Ces motifs complexes sont très importants, car c’est eux qui peuvent diminuer la profondeur du champ commune (uDoF). Afin d'accomplir cette tâche, nous avons proposé et validé un enchainement qui pourra être plus tard implémenté en production. L’enchainement en question consiste en une méthodologie de détection basée sur la simulation des motifs les plus critiques étant impactés par les effets issus de la topographie du masque et du profil de la résine. En outre cette méthodologie consiste en une diminution et la compensation de ces effets, une fois que ces motifs les plus critiques sont détectés. Le résultat de l’enchaînement complété sont encourageants : une méthode qui détecte et diminue les variabilités du processus lithographique pour des nœuds de technologie de 28nm a été validée. En plus elle pourrait être adaptée pour les nœuds au-delà de 28 nm. / The currently used 193 nm optical lithography reaches its limits from resolution point of view. Itis despite of the fact that various techniques have been developed to push this limit as much aspossible. Indeed new generation lithography exists such as the EUV, but are not yet reliable to beapplied in mass production. Thus in orders to maintain a robust lithographic process for theseshrunk nodes, 28 nm and beyond, the optical lithography needs to be further explored. It ispossible through alternatives techniques: e.g. the RETs (Resolution Enhancement Techniques),such as OPC (Optical Proximity Correction) and the double patterning. In addition to theresolution limits, advanced technology nodes are dealing with increasing complexity of design andsteadily increasing process variability requiring more and more compromises.In the light of this increasing complexity, this dissertation work is addressed to mitigate thelithographic process variability by the implementation of a correction (mitigation) flow exploredmainly through the capability of computational lithography. Within this frame, our main objectiveis to participate to the challenge of assuring a good imaging quality for the process windowlimiting patterns with an acceptable gain in uDoF (usable Depth of Focus).In order to accomplish this task, we proposed and validated a flow that might be laterimplemented in the production. The proposed flow consists on simulation based detectionmethodology of the most critical patterns that are impacted by effects coming from the masktopography and the resist profile. Furthermore it consists of the mitigation and the compensationof these effects, once the critical patterns are detected. The obtained results on the completedflow are encouraging: a validated method that detects the critical patterns and then mitigates thelithographic process variability been developed successfully.

Semiconductor quantum dots (QDs) are well established as sub-Poissonian sources of entangled photon pairs. To improve the utility of a QD light source, it would be advantageous to extend their emission further into the near infrared, into the low absorption wavelength windows utilised in long-haul optical telecommunication. Initial experiments succeeded in interfering O-band (1260—1360 nm) photons from an InAs/GaAs QD with dissimilar photons from a laser, an important mechanism for quantum teleportation. Interference visibilities as high as 60 ± 6 % were recorded, surpassing the 50 % threshold imposed by classical electrodynamics. Later, polarisation-entanglement of a similar QD was observed, with pairs of telecom-wavelength photons from the radiative cascade of the biexciton state exhibiting fidelities of 92.0 ± 0.2 % to the Bell state. Subsequently, an O-band telecom-wavelength quantum relay was realised. Again using an InAs/GaAs QD device, this represents the first implementation of a sub-Poissonian telecom-wavelength quantum relay, to the best knowledge of the author. The relay proved capable of implementing the famous four-state BB84 protocol, with a mean teleportation fidelity as high as 94.5 ± 2.2 %, which would contribute 0.385 secure bits per teleported qubit. After characterisation by way of quantum process tomography, the performance of the relay was also evaluated to be capable of implementing a six-state QKD protocol. In an effort to further extend the emitted light from a QD into the telecom C-band (1530—1565 nm), alternative material systems were investigated. InAs QDs on a substrate of InP were shown to emit much more readily in the fibre-telecom O- and C-bands than their InAs/GaAs counterparts, largely due to the reduced lattice mismatch between the QD and substrate for InAs/InP (~3 %) compared to InAs/GaAs (~7 %). Additionally, to minimize the fine structure splitting (FSS) of the exciton level, which deteriorates the observed polarisation-entanglement, a new mode of dot growth was investigated. Known as droplet epitaxy (D-E), QDs grown in this mode showed a fourfold reduction in the FSS compared to dots grown in the Stranski-Krastanow mode. This improvement would allow observation of polarisation-entanglement in the telecom C-band. In subsequent work performed by colleagues at the Toshiba Cambridge Research Labs, these D-E QDs were embedded in a p-i-n doped optical cavity, processed with electrical contacts, and found to emit entangled pairs of photons under electrical excitation. The work of this thesis provides considerable technological advances to the field of entangled-light sources, that in the near future may allow for deterministic quantum repeaters operating at megahertz rates, and in the further future could facilitate the distribution of coherent multipartite states across a distributed quantum network.

La structuration nanométrique par l'auto-assemblage des copolymères à blocs est l'une des stratégies « bottom-up » prometteuses pour contrôler la morphologie de la couche active de cellules photovoltaïques organiques. Dans cette thèse, une nouvelle classe de copolymère constitué d’un bloc semi-conducteur π-conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT) regioregulier et d’un bloc oligosaccharidique a été synthétisée et a montré une auto-organisation en nanostructures périodiques de domaine inférieure à 10 nm. Deux systèmes de copolymères à blocs ont été synthétisés, le P3HT-bloc-maltoheptaose peracétylé (P3HT-b-AcMal7) et le P3HT-bloc-maltoheptaose (P3HT-b-Mal7), via une réaction de chimie "clic" entre les segments oligosaccharidiques et P3HT fonctionnalisés en extrémité. Une étude exhaustive sur leur comportement d'auto-assemblage par des analyses AFM, TEM et de diffusion des rayons X a révélé que le copolymère à bloc P3HT-b-AcMal7 montre une propension à s'auto-assembler par recuit thermique en structures lamellaires avec une résolution inférieure à 10 nm, c’est-à-dire la morphologie et la taille idéale pour la couche active d’une cellule photovoltaïque organique. De plus, ce système présente l’une des plus petites tailles de domaines réalisées par l'auto-assemblage de copolymères à blocs à base de P3HT. Un réseau lamellaire composé uniquement du P3HT a été obtenu par gravure chimique sélective du bloc sacrificiel AcMal7 à partir d'un film nano-organisé de P3HT-b-AcMal7 et ceci sans affecter la structure lamellaire initiale. Les domaines vides du AcMal7 gravé pourront être remplis par un composé accepteur d'électrons tel que le [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (PCBM) pour l’application photovoltaïque comme perspective de cette thèse. Les résultats et les connaissances acquises dans cette étude devraient permettre d'augmenter les performances des prochaines générations de cellules photovoltaïques organiques. / Nanoscale patterning through self-assembly of block copolymers is one of the promising bottom-up strategies for controlling active layer morphology in organic photovoltaics. In this thesis, a new class of carbohydrate-based semiconducting block copolymers consisting of π-conjugated regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and oligosaccharides were synthesized and self-organized into sub-10 nm scale periodic nanostructures. Two different diblock copolymers, i.e. P3HT-block-peracetylated maltoheptaose (P3HT-b-AcMal7) and P3HT-block-maltoheptaose (P3HT-b-Mal7) were synthesized via "click" reaction between end-functionalized oligosaccharide and P3HT moieties. A comprehensive investigation of their self-assembly behavior by AFM, TEM, and X-ray scattering analyses revealed that the P3HT-b-AcMal7 diblock copolymer has the ability to self-assemble into sub-10 nm scale lamellar structure, which is the ideal morphology of the active layer in organic photovoltaics and one of the smallest domain sizes achieved by self-assembly of P3HT-based block copolymers, via thermal annealing. Nano-patterned film made of P3HT was attained by selective chemical etching of AcMal7 block from microphase-separated P3HT-b-AcMal7 template without affecting the original lamellar structure. The resultant void where the etched-out AcMal7 block existed will be filled with electron acceptor compounds such as [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) for photovoltaic application as a perspective of this thesis. The results and knowledge obtained in this study are expected to provide further advances and innovation in organic photovoltaics.