Micro & Nanotechnologies

La thématique est couverte par deux approches complémentaires : une allant du macro-système vers les détails d’implémentation (approche top-down), l’autre partant des briques de base pour complexifier et enrichir le système (approche bottom-up).

Approche Top-Down

La conception à très basse puissance apporte toute sa plus-value avec la multitude de composants, de systèmes, de produits qui inondent actuellement le marché. Ces produits ont la particularité d’avoir une consommation extrêmement faible.

Une des premières activités est d’assurer les encadrements doctoraux par rapport à nos thématiques de recherche, dont la réduction de la consommation et « l’energy harvesting » qui est la récolte de l’énergie ambiante. Trois sujets de thèse ont dans ce cadre été menés à terme ces dernières années :

• celui porté par Maxime Cholvy qui travaillait sur la conception de circuits et le développement de solutions analogiques basse puissance pour la gestion d’énergie en mode nano power (technologie nano Watt) pour un micro-contrôleur ;
• celui porté par Elie Courdouan, qui travaillait sur le développement de modules spécifiques de type batterie à récupérateur d’énergie (BMS) de type multi sources ;
• celui porté par Manon Fourniol qui travaillait à développer un système de mesure très basse puissance (ULP) pour le suivi environnemental temps réel à base de capteurs (GPS, T, P, RH, RCO2, UV).
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Ainsi, le premier axe de recherche est la récupération de toutes les énergies qui sont stockées en continu (capacités, inductance). En effet, sur les circuits intégrés, un grand nombre de capacités intrinsèques sont embarquées au sein des circuits. L’étude actuelle est de récupérer les charges disponibles au temps T sur ces capacités lors des modes très basse consommation.
Ce sujet est développé depuis plusieurs années par la société STMicroelectronics, et notamment dans le cadre de la thèse soutenue par Maxime Cholvy.

Parallèlement à cette étude sur circuit intégré, une étude était également menée grâce à la thèse d’Elie Courdouan. L’objectif de cette thèse était de réaliser un système intelligent entièrement autonome en énergie.
En effet, les circuits de types IoT, fonctionnant sur réseau LORA, nécessitent peu de puissance pour fonctionner. Or, l’énergie solaire est déjà connue pour répondre à cette demande de faible consommation, grâce notamment au développement de petits panneaux solaires à haut rendement (et pour certains flexibles).
Un autre axe de recherche est de quantifier l’énergie vibratoire résultante d’un composant piézoélectrique. La conjonction de ces deux sources d’énergie est alors gérée grâce à un Battery Management System (BMS) intelligent embarquant de l’IA, ce qui permet de répondre à cette contrainte.

Enfin une dernière étude est de réaliser un système très basse consommation (ULP), embarqué sur l’humain à des fins médicales. Les capteurs doivent consommer aussi faiblement que possible grâce à l’utilisation de modes de fonctionnement des micro-contrôleurs dédiés.
Ce travail a été réalisé par Manon Fourniol en collaboration avec des laboratoires de rééducation médicale.

Le laboratoire de Fiabilité Electrique de l’ISEN (REER) a travaillé dans les projets nano 2017 et RESIST (terminé en janvier 2018) au renforcement de ST Microelectronics comme leader dans la fabrication des technologies avancées avec l’optimisation des différents process (M40, 28LP, 28FD), par l’emploi de techniques accélérées de durée de vie pour les transistors MOSFET et cellules digitales dans l’intervalle de longueur de grille 40nm à 22nm.
L’objectif était d’atteindre un difficile compromis entre performance en vitesse, consommation et vieillissement progressif AC-DC avec l’augmentation de la température, pour les dispositifs des multi-cœurs et des IOs.

L’accent a été mis sur la comparaison des conditions de recuit RTO sur la durée de vie, ainsi que sur les techniques possibles de neutralisation de la dégradation porteurs chauds HC et en température sous polarisation négative NBTI avec des conditions d’injections de porteurs chauds. Différents modes de stress et de recovery ont été analysés avec la tension substrat en mode direct (FBB) par effet d’écrantage (sense) des défauts. Ceci est basé sur l’ajustement de la tension de seuil VT post-stress en fonction du nombre de défauts et du temps de recouvrement. Ceci a permis de mettre au point une méthodologie validée sur prototypes composés de circuits CMOS nanométriques (28FD) qui incorporent cette technique auto-adaptative dédiée aux applications automobiles sous environnement à fortes contraintes (T,V).

Nous avons participé au développement et tests des premiers circuits digitaux prototypes en technologies 40LP et 28FD qui s’adaptent en temps réel au compromis entre la vitesse (performance en fréquence), la consommation (LP) et le vieillissement (aging). Différents facteurs de variabilité (PVT) impactent les performances des circuits :

• le vieillissement haute température sous polarisation négative (NBT) ;
• l’injection de porteurs chauds (HCD) ;
• le claquage des diélectriques de grille (SBD, HBD).
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L’ensemble de ces mécanismes se traduisent par une variabilité temporelle progressive qui augmente le taux d‘apparition des erreurs au niveau circuit et système.

Les profils de densité d’erreur en fonction du taux d’activité et de la charge sous l’utilisation (workload) ont été étudiés dans un premier temps à travers les techniques statiques de compensation (S-AVS), puis en utilisant une compensation dynamique (D-ABB).
L’incorporation de moniteurs in-situ, de capteurs de température et de blocs de correction d’erreur a permis d’adapter en temps réel le compromis en fréquence, consommation et variation/correction du taux d’erreurs avec le vieillissement pour différentes utilisations.
Des tests à long terme sur cartes ont permis d’affiner la sélection des meilleures compensations de la fiabilité D-ABB en intégrant les aspects moniteurs, variabilité des process, suite de logiciels, et en étendant à l’utilisation fine d’algorithmes d’apprentissage statistique avec gestion de la mémoire court et long termes conduisant à l’élaboration de démonstrateurs.

Ces travaux salués au niveau international ont récompensé les efforts de la doctorante Souhir Mhira (Best paper ITC 2017, Outstanding and Best paper IRPS 2017, invited paper ESREF 2018). Ils ont de plus permis la validation des premiers produits de type automotive FDSOI (28FD) de ST Microelectronics pour une optimisation auto-adaptative en temps réel des circuits digitaux dédiés aux applications à fortes contraintes.

En 2019, nous avons commencé une étude sur la fiabilité des technologies haute tension (HV) et basse tension (LV) pour les imageurs qui sont à base de technologie BiCMOS et CMOS, dans le projet IPCEI avec ST Microelectronics Crolles, comme une suite sur les quatre prochaines années du projet nano (nano 2022).
L’objectif est la détermination de la durée de vie de ces dispositifs et circuits dédiés à la diversification des applications issues de l’utilisation de circuits BiCMOS et CMOS sous fortes contraintes d’activité à haute température.

Les aspects de la variabilité et de l’impact de la haute température sont donc primordiaux avec des tests spécifiques pour le domaine numérique et analogique. Le projet est développé par Alain Bravaix à l’ISEN Toulon depuis 2019 au travers du projet nano 2022. Dans le même temps, un autre doctorant développe une thèse à ST Rousset sur les effets de la variabilité locale et globale pour les technologies C40 (application digitale et mémoire) à travers un contrat CIFRE en collaboration avec l’ISEN-Toulon.

Approche Bottom-Up

En électronique moléculaire, les réalisations concernent :

• la nanostructuration de surfaces par une approche non lithographique permettant d’atteindre des tailles non accessibles par lithographie ;
• l’étude des relations structures-propriétés ;
• l’auto-assemblage de systèmes moléculaires donneur-accepteur pouvant déboucher sur des cellules solaires organiques ;
• la réalisation de nano-diélectriques moléculaires auto-assemblés sur les prochaines générations de transistors plus rapide à base de germanium.
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L’électronique moléculaire est une des voies prometteuses de la nanoélectronique se basant sur l’utilisation du potentiel d’auto-assemblage en mono-couches des molécules organiques et de leurs propriétés électroniques modulables par la chimie.

C’est dans cette perspective que se placent les travaux menés à l’ISEN Yncréa Méditerranée au sein de l’équipe « Nanostructuration » de l’IM2NP UMR CNRS 7334. De 2002 à 2006 nos travaux ont porté essentiellement sur la nanostructuration moléculaire à la surface du silicium pour servir de base à la réalisation de nano-composants moléculaires hybrides compatibles avec la technologie silicium. Les molécules étudiées étaient des molécules terminées trichlorosilane, déposées par auto-assemblage à partir d’une solution comprenant une seule ou deux espèces moléculaires pour obtenir des nanostructures par séparation de phases (thèse de S. Desbief, Université de Provence – Aix-Marseille, soutenue en 2006).

Dans le cadre de deux projets, nos travaux se sont ensuite orientés plus spécifiquement vers les cellules mémoire, avec la réalisation d’une cellule mémoire compatible CMOS où notre contribution a porté sur une étude fondamentale du rôle joué par le lien molécule-électrode (ANR PNANO « MEMO », 2005-2009), et les mémoires organiques innovantes (projet européen « EMMA », 2006-2009) avec l’étude et la caractérisation des cellules mémoire organiques par microscopie en champ proche.

La poursuite des activités de recherche a porté sur trois nouveaux sujets associés à trois thèses de doctorat dédiées à l’auto-assemblage sur diverses surfaces (silicium, or, etc.) de molécules spécifiques telles que les macro-cycles conjugués (thèse de V. Gadenne, Univ. Aix-Marseille III débutée en 2006 et soutenue en 2010), les fullerènes C60 (thèse de G. Delafosse, débutée en 2007 et soutenue en 2011), et les molécules « push-pull » pour le photovoltaïque avec les thèses de V. Malytskyi (Aix-Marseille Univ. AMU, 2011-2014), en collaboration avec le CINaM UMR CNRS 7325.

Toutes ces molécules ont un fort potentiel d’applications au sein de composants, en particulier pour les cellules mémoire et pour le photovoltaïque organique avec une large gamme d’absorption spectrale modulable par le choix des groupements donneur ou accepteur.

L’électronique et le photovoltaïque sont toujours au cœur de nos activités de recherche actuelles. Dans le domaine du photovoltaïque on peut citer, outre la thèse de V. Malytskyi, le financement par le Fonds France Canada pour la Recherche d’une collaboration et de la thèse de Y. Dufil (cotutelle AMU-Queen’s Univ., 2013-18) en cotutelle avec le groupe du Prof. J.M. Nunzi à Queen’s Univ. au Canada sur les couches moléculaires et les nanoparticules pour le photovoltaïque.

Et, pour l’électronique, le projet ANR « SAGe III-V » (2011-2014) avec le CEA, l’IEMN, et le CINaM, concernant la conception et l’évaluation de nano-diélectriques moléculaires à haute permittivité sur germanium et semi-conducteurs III-V, qui sont envisagés pour constituer la prochaine génération de transistors à haute fréquence. Ces nano-diélectriques peuvent être réalisés avec des molécules push-pull du fait de leur dipôle électrique. Ce dernier sujet fait l’objet d’une thèse.