Réalisation de circuits passifs en technologie membranes à nanofils (MnM) en bande millimétrique : application à des interposeurs fonctionnalisés

Development of passive circuits in nanowire-membrane technology in millimeter wave frequencies : application to functionalized interposer

• Auteur / Autrice : Júlio Mota Pinheiro
• Direction : Philippe Ferrari, Ariana Maria da Conceição Lacorte Caniato Serrano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 24/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de radio-fréquence et d'intégration de circuits (Grenoble) (2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Fatima Salete Correra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Duchamp
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tinus Stander, Hervé Aubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS (électronique)

Circuits intégrés tridimensionnels

Nanofils

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Interposeur

Ondes millimétriques

Nanotechnologie

Interconnexion 3-D

Voie à haute densité

Ligne à ondes lentes

Interposer

Millimeter wave

Nanotechnology

3-D interconnection

High-Density via

Slow-Wave transmission line

Résumé

Ce travail vise à développer des circuits passifs en ondes millimétriques dans l'interposeur appelé MnM - metallic nanowire-filled membrane. Cet interposeur s'inscrit dans le contexte où la miniaturisation des circuits passifs due à la haute fréquence de fonctionnement (environ supérieure à 10 GHz jusqu’à 300 GHz pour les ondes millimétriques) rend intéressante l'insertion de circuits passifs dans des technologies intégrées telles que le CMOS, mais qui en raison des limitations liées à la technologie ne présentent pas une qualité élevée, étant donc plus intéressant en termes de performance et de coût l'utilisation d'un substrat auxiliaire pour la conception de circuits passifs qui permet leur intégration avec des circuits actifs en technologie intégrée ; ce substrat est appelé interposeur. Pour le développement d'un bon interposeur, il est nécessaire qu'il présente des lignes de transmission et des vias de haute qualité. L'interposeur MnM est une membrane d'alumine à faible coût qui possède par sa fabrication des nanopores naturels pouvant être utilisés pour la croissance de nanofils de cuivre. Pour le développement de cet interposeur et la présentation des circuits passifs, le processus de fabrication est amélioré, l'accent étant mis sur la croissance des nanofils de manière localisée et sur le rendement de la fabrication. Le substrat est caractérisé électriquement pour l'extraction des pertes et sa constante diélectrique, dont on a constaté qu'elle était influencée par les nanopores. Avec l'amélioration du processus de fabrication, le voie de nanofils sont développés et leurs performances analysées dans le cadre d'une transition entre une face et une autre du substrat grâce à un modèle électrique lié à la disposition physique validée par les résultats des mesures. Pour le modèle électrique, une approche analytique et une autre matrice sont proposées, avec la vérification que cette voie se comporte comme une voie solide avec une conductance qui prend en compte le matériau des nanofils et leur densité surfacique. Il est vérifié que les voie de nanofils ont des performances de pointe, en plus de leurs dimensions telles que le rayon et l'espacement entre les voies sont faibles, dictées uniquement par la dimension minimale atteinte en photolithographie. Les inductions de type solénoïde à deux, trois, cinq et dix spires qui utilisent ces voies sont proposées et analysées, avec la proposition d'un modèle électrique, qui concerne sa disposition physique, à utiliser par les concepteurs. Ces inductances sont compactes en raison de la petite taille des voies de nanofils, et ont une fréquence de résonance élevée, 98 GHz pour l’inductances à deux spires. Enfin, un nouveau modèle électrique pour les lignes de transmission de type microruban avec un effet d'onde lente causé par les nanofils est proposé pour faciliter sa conception et sa simulation, car sa simulation électromagnétique présente un coût de calcul élevé. Ce même modèle est également utilisé pour les lignes de transmission en technologie PCB, qui présentent le même effet d'onde lente mais avec une fréquence de fonctionnement en micro-ondes. Ainsi, ce travail présente une avancée significative pour l'interposeur MnM, en présentant à la fin un interposeur d'ondes millimétriques pleinement fonctionnel.

This work aims at the development of passive circuits in millimeter-wave frequency in the interposer called MnM – metallic nanowire-filled membrane. This interposer is inserted in the context where the miniaturization of passive circuits due to the high operating frequency (roughly above 10 GHz up to 300 GHz for millimeter-waves) makes it interesting to insert passive circuits in integrated technologies such as CMOS, but that due to the limitations linked to the technology do not present high quality, being therefore more interesting in terms of performance and cost the use of an auxiliary substrate for the design of passive circuits that allows their integration with active circuits in integrated technology; this substrate is called an interposer. For the development of a good interposer, it is necessary that it presents high quality transmission lines and vias. The MnM interposer is a low cost alumina membrane that naturally has nanopores caused by its fabrication process that can be used to grow copper nanowires. For the development of this interposer and passive circuits on it, the manufacturing process is improved, with the focus on the growth of nanowires in specific regions and on the fabrication yield. The substrate is electrically characterized for extracting its losses and its dielectric constant, which has been shown to be influenced by the nanopores. With the improvement of the manufacturing process, nanowire-vias are developed and their performance analyzed in the context of a transition between one face and another of the substrate through an electrical model related to the physical layout validated by the measurement results. For the electrical model, an analytical and a matrix approach are proposed, with the verification that the nanowire-via behaves as a solid via with a conductance that takes into account the material of the nanowires and their surface density. It is verified that the nanowire-via have a state-of-the-art performance, besides its small dimensions such radius and pitch between vias, dictated only by the minimum dimension achieved in photolithography. Two, three, five and ten spires solenoid-type inductions that make use of these vias are proposed and analyzed, with the proposal of an electrical model, which relates to its physical layout, to be used by designers. These inductances are compact, due to the small size of the nanowire-vias, and have a high self-resonance frequency, 98 GHz for two-spire inductance. Finally, a new linear electric model for microstrip transmission lines with slow-wave effect caused by the nanowires is proposed, to facilitate its design and simulation, since its electromagnetic simulation presents a high computational cost. This same model is also used for transmission lines in PCB technology, which present the same slow-wave effect but with operating in microwave frequency. Thus, this work presents a significant advance for MnM interposer, presenting at the end a fully functional millimeter wave interposer.