Développement de procédés technologiques pour une intégration 3D monolithique de dispositifs nanoélectroniques sur CMOS

Résumé : Le transistor monoélectronique (SET) est un dispositif nanoélectronique très attractif à cause de son ultra-basse consommation d’énergie et sa forte densité d’intégration, mais il n’a pas les capacités suffisantes pour pouvoir remplacer complètement la technologie CMOS. Cependant, la combinaison de la technologie SET avec celle du CMOS est une voie intéressante puisqu’elle permet de profiter des forces de chacune, afin d’obtenir des circuits avec des fonctionnalités additionnelles et uniques. Cette thèse porte sur l’intégration 3D monolithique de nanodispositifs dans le back-end-of-line (BEOL) d’une puce CMOS. Cette approche permet d’obtenir des circuits hybrides et de donner une valeur ajoutée aux puces CMOS actuelles sans altérer le procédé de fabrication du niveau des transistors MOS. L’étude se base sur le procédé nanodamascène classique développé à l’UdeS qui a permis la fabrication de dispositifs nanoélectroniques sur un substrat de SiO2. Ce document présente les travaux réalisés sur l’optimisation du procédé de fabrication nanodamascène, afin de le rendre compatible avec le BEOL de circuits CMOS. Des procédés de gravure plasma adaptés à la fabrication de nanostructures métalliques et diélectriques sont ainsi développés. Le nouveau procédé nanodamascène inverse a permis de fabriquer des jonctions MIM et des SET métalliques sur une couche de SiO2. Les caractérisations électriques de MIM et de SET formés avec des jonctions TiN/Al2O3 ont permis de démontrer la présence de pièges dans les jonctions et la fonctionnalité d’un SET à basse température (1,5 K). Le transfert de ce procédé sur CMOS et le procédé d’interconnexions verticales sont aussi développés par la suite. Finalement, un circuit 3D composé d’un nanofil de titane connecté verticalement à un transistor MOS est réalisé et caractérisé avec succès. Les résultats obtenus lors de cette thèse permettent de valider la possibilité de co-intégrer verticalement des dispositifs nanoélectroniques avec une technologie CMOS, en utilisant un procédé de fabrication compatible.

Architectural-Physical Co-Design of 3D CPUs with Micro-Fluidic Cooling

The performance, energy efficiency and cost improvements due to traditional technology scaling have begun to slow down and present diminishing returns. Underlying reasons for this trend include fundamental physical limits of transistor scaling, the growing significance of quantum effects as transistors shrink, and a growing mismatch between transistors and interconnects regarding size, speed and power. Continued Moore's Law scaling will not come from technology scaling alone, and must involve improvements to design tools and development of new disruptive technologies such as 3D integration. 3D integration presents potential improvements to interconnect power and delay by translating the routing problem into a third dimension, and facilitates transistor density scaling independent of technology node. Furthermore, 3D IC technology opens up a new architectural design space of heterogeneously-integrated high-bandwidth CPUs. Vertical integration promises to provide the CPU architectures of the future by integrating high performance processors with on-chip high-bandwidth memory systems and highly connected network-on-chip structures. Such techniques can overcome the well-known CPU performance bottlenecks referred to as memory and communication wall. However the promising improvements to performance and energy efficiency offered by 3D CPUs does not come without cost, both in the financial investments to develop the technology, and the increased complexity of design. Two main limitations to 3D IC technology have been heat removal and TSV reliability. Transistor stacking creates increases in power density, current density and thermal resistance in air cooled packages. Furthermore the technology introduces vertical through silicon vias (TSVs) that create new points of failure in the chip and require development of new BEOL technologies. Although these issues can be controlled to some extent using thermal-reliability aware physical and architectural 3D design techniques, high performance embedded cooling schemes, such as micro-fluidic (MF) cooling, are fundamentally necessary to unlock the true potential of 3D ICs. A new paradigm is being put forth which integrates the computational, electrical, physical, thermal and reliability views of a system. The unification of these diverse aspects of integrated circuits is called Co-Design. Independent design and optimization of each aspect leads to sub-optimal designs due to a lack of understanding of cross-domain interactions and their impacts on the feasibility region of the architectural design space. Co-Design enables optimization across layers with a multi-domain view and thus unlocks new high-performance and energy efficient configurations. Although the co-design paradigm is becoming increasingly necessary in all fields of IC design, it is even more critical in 3D ICs where, as we show, the inter-layer coupling and higher degree of connectivity between components exacerbates the interdependence between architectural parameters, physical design parameters and the multitude of metrics of interest to the designer (i.e. power, performance, temperature and reliability). In this dissertation we present a framework for multi-domain co-simulation and co-optimization of 3D CPU architectures with both air and MF cooling solutions. Finally we propose an approach for design space exploration and modeling within the new Co-Design paradigm, and discuss the possible avenues for improvement of this work in the future.