Dissertationen zum Thema „Matériau diélectrique à haute permittivité“

Cette thèse porte sur l'élaboration et la caractérisation des grilles métalliques en TiN, aluminium et lanthane pour les technologies CMOS gate-first à base d'oxyde high-k HfSiON. L'effet de l'épaisseur et de la composition des dépôts métalliques a été caractérisé sur les paramètres de la technologie 32/28nm. Ces résultats ont été reliés à une variation de travail de sortie au vide du TiN, à des dipôles induits par l'Al et le La à l'interface HfSiON/SiON et à leur diminution aux petites épaisseurs de SiON (roll-off). Nous avons montré que l'aluminium déposé sous forme métallique dans le TiN cause une diminution de son travail de sortie, opposée au faible dipôle positif induit par l'Al. Nous avons évalué l'influence du roll-off pour ces différents métaux et mis en évidence pour la première fois sa forte dépendance avec l'épaisseur de lanthane déposée. Le développement de procédés de dépôt de TiN, Al, La a permis d'accroître les bénéfices de ces matériaux pour la technologie CMOS 32/28nm
This thesis is about the manufacturing and the characterization of TiN, aluminum and lanthanum metal gate for high-k based 32/28nm CMOS technologies. The effect of metal gate layer thickness and composition has been characterized on 32/28nm technology parameters. These results have been related to a change in the TiN vacuum work function, to Al- and La- induced dipoles at the HfSiON/SiON interface or their lowering on thin SiON (roll-off). We have shown that metallic aluminum introduced in the TiN metal gate causes a work function lowering, opposed to the weak Al-induced dipole. We have evaluated the roll-off influence for theses different metals. For the first time we report the strong roll-off dependence with the deposited lanthanum thickness. Newly developed TiN, Al, La deposition processes have brought benefits for the CMOS 32/28nm technology

Des films de polyfluorure de vinylidène et de polypropylène, chargés en titanate de baryum, sont réalisés par extrusion. Les propriétés diélectriques de ces films sont mesurées dans différentes conditions. Les films à matrice PVDF présentent les meilleures caractéristiques pour une application de stockage d'énergie. L'évolution de la permittivité relative et de la rigidité diélectrique en fonction du taux volumique de charge, sont modélisées respectivement par la théorie de la percolation et par un modèle semi-empirique. Les mélanges sont étudiés en rhéométrie dynamique et capillaire. Les interactions interparticules donnent naissance à un réseau dont la structure est dépendante de la sollicitation appliquée. En écoulement de poiseuille, des instabilités d'écoulement ainsi que des défauts d'écoulement sont observés pour des gradients de vitesse de cisaillement relativement faibles

Les matériaux de structure pérovskite de formule générale ABO3 sont les ferroélectriques les plus étudiés pour leurs propriétés intéressantes dans de nombreuses applications technologiques. Cependant leurs propriétés sont directement reliées à la structure et sont fortement conditionnées par les transitions de phases qui dépendent de la température, de la composition chimique et de la pression. Dans le manuscrit de thèse, le comportement sous haute pression de deux matériaux pérovskite SrTi1-xZrxO3 (STZ) et KNb1-XTaXO3 (KNT) est étudié et différentes techniques de frittage pour améliorer la densité des céramiques et optimiser les propriétés ferroélectriques des céramiques K(Nb0.40Ta0.60)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 sont examinées.Des analyses sous hautes pressions par spectroscopie Raman et diffraction des rayons X des poudres de SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) et KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) en enclume diamant ont été réalisées. Les spectres Raman montrent une augmentation des modes Raman avec la pression pour les poudres de STZ indiquant que la pression induit des transitions de phases vers des symétries plus basses de la maille dans ces composés.De plus, les expériences de spectroscopie Raman ont fait apparaître une décroissance des modes Raman lorsque la pression est augmentée, montrant bien que la pression induit des transitions de phases vers des structure plus symétriques. L'évolution du mode Raman principal pour les phases orthorhombique et quadratique a été suivi jusqu'à ce que la phase cubique apparaîsse, ce qui nous a permis de proposer un diagramme de phase pression-composition pour les composés KNT.Trois différentes techniques de frittage, utilisation d'additifs, frittage en deux paliers et SPS ont été étudiées pour les céramiques de K(Nb0.4Ta0.6)O3 et (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 . La constante diélectrique et les pertes en fonction de la température des céramiques ont été améliorées par l'utilisation du KF comme additif de frittage et par le frittage en deux paliers. Les échantillons densifiés par SPS présentent une microstructure fine et possèdent les plus fortes densités. Ils ont les meilleurs propriétés ferroélectriques. Aucun changement significatif de la température de Curie ne semble être induit par le taux de Na, et on observe cependant une augmentation de la constante diélectrique et des propriétés ferroélectriques suivant le taux de Na
Perovskite materials whose general chemical formula is ABO3 are one of the most study ferroelectrics due to the interesting properties that they have for technological applications. However, their properties are directly related to structural phase transitions that could depend of temperature, composition and pressure. In the studies presented here, we first examined the high-pressure behavior of two perovskite materials SrTi1-xZrxO3 (STZ) and KNb1-XTaXO3 (KNT), and we later continued to investigate different sintering techniques in order to improve the densification, dielectric and ferroelectric properties of K(Nb0.40Ta0.60)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics.High-pressure Raman scattering and X-ray diffraction investigations of SrTi1-xZrxO3 (x= 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) and KNb1-XTaXO3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 0.9) powders were conducted in diamond anvil cells. Raman scattering experiments showed and increased of Raman modes with pressure for the STZ samples, which indicates that pressure induced phase transitions towards lower symmetry for these compounds.Moreover, high pressure Raman spectroscopy experiments showed a decrease of the Raman modes as the pressure was increased for the KNT samples, showing that pressure induced phase transitions towards higher symmetries. The evolution of the main Raman modes for the orthorhombic and tetragonal phases were followed until the cubic phase was reach, and allowed us to propose a pressure-composition phase diagram for the KNT compounds.Three different sintering techniques, sintered aids, two step sintering and spark plasma sintering, were used on K(Nb0.4Ta0.6)O3 and (KxNa1-x)Nb0.6Ta0.4O3 ceramics. The use of KF as sintered aid and the two step sintering method showed an improvement of the dielectric constant and dielectric losses of these samples. SPS samples presented a fine microstructure with the highest density and the best ferroelectric behavior. We did not detect any changes on the Curie temperature due the amount of Na but and increase of the dielectric constant and the ferroelectric properties was observed due to the amount of Na

À mesure que la technologie des semi-conducteurs progresse, la nécessité de surmonter les limitations de la réduction des tailles de dispositifs est considérée comme primordiale. Bien que la loi de Moore ait guidé cette évolution au cours des cinq dernières décennies, les contraintes des composants actifs sont désormais évidentes à mesure que les processus de fabrication approchent de l'échelle atomique. L'approche "More Than Moore" a émergé pour y remédier, mettant l'accent sur l'intégration et la miniaturisation de puces hétérogènes afin de permettre l'empilement de diverses fonctionnalités système. Cependant, l'intégration de composants passifs pose des défis significatifs en raison de leur production par des processus disparates. Pour relever ce défi, Murata Integrated Passive Solutions a inventé la technologie du Substrat de Connexion Intégré Passif (PICS), facilitant l'intégration de composants passifs à base de silicium dans des structures 3D. La dernière itération, PICS5, utilise un gabarit en oxyde d'aluminium anodique et un dépôt de couche empilée Métal-Isolant-Métal par dépôt de couches atomiques. Cette thèse a contribué à l'affinement continu de la technologie PICS5 en améliorant les propriétés des condensateurs 3D et en explorant le potentiel des matériaux diélectriques à haute permittivité (Nb2O5). Cette recherche visait à optimiser les performances des composants et à anticiper les futurs défis de l'innovation en semi-conducteurs en clarifiant les subtilités des processus de dépôt de films minces et des conditions des équipements ALD
As semiconductor technology progresses, the need to overcome the limitations of shrinking device sizes is considered paramount. While Moore’s law has guided this evolution over the past five decades, the constraints of the active components are now obvious as manufacturing processes approach the atomic scale. More Than Moore's approach has emerged to address this, emphasizing the integration and miniaturization of heterogeneous chips to enable the stacking of diverse system functionalities. However, integrating passive components poses significant challenges due to their production via disparate processes. Addressing this challenge, Murata Integrated Passive Solutions invented the Passive Integrated Connecting Substrate (PICS) technology, facilitating the integration of silicon-based passive components into 3D structures. The latest iteration, PICS5, leverages an anodic aluminum oxide template and Metal-Insulator-Metal stack deposition via atomic layer deposition. This thesis contributed to the ongoing refinement of PICS5 technology by enhancing the properties of 3D capacitors and exploring the potential of high-k dielectric materials (Nb2O5). This research aimed to optimize component performance and anticipate future challenges in semiconductor innovation by clarifying the nuances of thin film deposition processes and ALD equipment conditions

Pour améliorer les performances des circuits intégrés rapides, densité d'intégration, vitesse et fiabilité, des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans la conception des capacités Métal-Isolant-Métal (MIM) pour augmenter la capacité surfacique et ainsi diminuer leurs tailles. De nombreux diélectriques tels que Si3N4, Ta2O5, HfO2 ou STO paraissent appropriés compte tenu de leurs caractéristiques à basses fréquences. Cependant, la permittivité complexe εr (permittivité réelle εr ' et pertes εr ") des isolants peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître comme la théorie le prévoit. Il devient donc nécessaire d'étudier le comportement de ces matériaux sur un large spectre afin de sélectionner le diélectrique le plus stable en fréquence avant de développer les procédés technologiques nécessaires à son intégration. Nous proposons une méthode de caractérisation capable d'analyser les performances des ces nouveaux isolants, déposés en couche planes, sur un large domaine de fréquences (de 40 MHz à 40 GHz) avant leur intégration au sein d'une filière technologique. La technique de caractérisation in situ utilisée se base sur une structure de test qui encapsule le matériau à caractériser dans son environnement de fabrication sous un guide d'onde coplanaire (CPW). Ce dernier permet alors l'étude large bande de fréquence de la permittivité complexe du matériau High-K
To improve the performances of the high-speed integrated circuits, integration density, speed and reliability, high permittivity insulators are progressively introduced in the design of Metal-Insulator-Metal (MIM) to increase the capacitance density and then to reduce their sizes. Many dielectrics such as Si3N4, Ta2O5, HfO2 or STO seem to be appropriated according to their characteristics at low frequencies. However, the complex permittivity εr (real permittivity εr ' and loses εr ") of insulators can vary with frequency : relaxation and resonance phenomenon can appear as the theory predicts. Then it is necessary to analyze the behavior of these materials on a large spectrum in order to select the dielectric which is the most stable in frequency before developing technological processes necessary to its integration. We propose a characterization method able to analyze the performances of these new insulators, deposited in planar layers, on a large frequency range (from 40 MHz to 40 GHz) before integrating them within a technological line. The in situ characterization technique that is used is based on a test structure that integrates the material to characterize in its manufacturing environment under a coplanar wave guide (CPW). This one then allows the large wave frequency study of the complex permittivity of the High-K material

L’étude de la croissance épitaxiale d’oxydes cristallins sur silicium présente un grand intérêt pour les technologies CMOS du futur ou l’intégration monolithique sur Si : la miniaturisation continue des composants de la microélectronique devrait conduire, pour les nœuds technologiques sub-22 nm, au remplacement de la silice comme oxyde de grille par des oxydes cristallins à haute permittivité diélectrique afin de limiter les fuites par effet tunnel. La maîtrise de la croissance d'oxydes cristallins doit aussi permettre l'intégration sur silicium d’oxydes fonctionnels à propriétés ferroélectriques, magnétiques ou optiques, ouvrant ainsi la voie au développement de nouveaux dispositifs. Un objectif essentiel est donc d’obtenir la croissance épitaxiale d’oxydes de bonne qualité cristalline et présentant une stabilité thermodynamique avec Si, avec la formation d’interfaces abruptes. Les études menées dans ce travail ont concerné la maitrise de l’élaboration d’oxydes cristallins sur Si à basses températures par épitaxie par jets moléculaires et le développement de stratégies d’ingénierie d’interface appropriées. Les matériaux envisagés ont été d’une part, les oxydes d’alcalinoterreux, tels que SrO, BaxSr1-xO, d’autre part des oxydes de type pérovskite tels que SrTiO3, BaTiO3 ou LaAlO3. Une première étape a consisté à définir et à optimiser les conditions d’homo-épitaxie et d’hétéro-épitaxie d’oxyde sur oxyde, pour les systèmes SrO/SrTiO3, SrTiO3/SrTiO3, BaTiO3/SrTiO3 et LaAlO3/SrTiO3. La faisabilité de réalisation d’hétéro-structures d’oxydes cristallins a ainsi été montrée dans une perspective d’intégration d’oxydes fonctionnels sur semi-conducteur. Dans une deuxième étape, nous avons cherché à maîtriser l’épitaxie d’oxydes cristallins sur silicium, en étudiant plus particulièrement les systèmes SrO/Si et SrTiO3/Si : l’oxyde de strontium SrO peut être épitaxié à température ambiante, avec formation d’une interface abrupte, sans formation de silice à l’interface. Le désaccord de maille avec Si conduit cependant à une relaxation rapide de la contrainte au delà de la 2ème monocouche déposée, par formation de dislocations. A une température plus élevée de 500°C, un dépôt de quelques monocouches de SrO conduit par contre à la formation d’un silicate monocristallin de composition proche de Sr2SiO4. Cependant, l’interface silicate de strontium/Si présente une stabilité thermodynamique médiocre, par suite de réactions interfaciales, lors de recuits prolongés à haute température. Nous avons aussi développé une stratégie de croissance épitaxiale de SrTiO3 sur Si, en nous attachant à une description fine de l’interface à l’aide de techniques complémentaires telles que la spectroscopie de photons X et la microscopie électronique en transmission. Le processus d’élaboration optimisé s’appuie sur la succession de différentes étapes : une ingénierie d’interface avec formation d’un siliciure de strontium, une recristallisation à basse température de quelques monocouches de SrTiO3 et la reprise d’épitaxie ultérieure à plus haute température. On observe ainsi la formation d’une couche de bonne qualité cristalline, sans pouvoir éviter la formation d’une couche interfaciale amorphe de type silicate de ~1nm. L’utilisation de couches tampon interfaciales de SrO ou SrTiO3 sur Si a aussi permis la reprise d’épitaxie de la pérovskite LaAlO3 sur Si, dont l’épitaxie directe sur Si n’avait pu être obtenue. L’ensemble des résultats ainsi obtenus permet d’envisager le développement de processus d’intégration de nouvelles fonctionnalités sur silicium et la réalisation de dispositifs nouveaux pour la microélectronique
The study of the epitaxial crystalline oxide growth on silicon is of great interest for the future CMOS technologies or monolithic integration on silicon : the miniaturization of the micro-electronic devices leads to the replacement of the SiO2 gate oxide by crystalline oxides with high dielectric permittivity. The control of the crystalline oxide growth must also allow integration of functional oxide on silicon with ferroelectric, magnetic or optical properties, thus opening the way with the development of new devices. The studies undertaken in this work are related to the growth of crystalline oxides on silicon at low temperatures with molecular beam epitaxy and the development of strategies of suitable interface engineering. The deposited materials were on the one hand the rare earth oxides such as SrO, Ba×Sr1-×O and the other hand, oxides of perovskite type such as SrTiO3, BaTiO3 or LaAIO3. A first step has consisted in defining and optimizing the conditions of homo-epitaxy and hetero-epitaxy of oxide on oxide, for the systems SrO/SrTiO3, SrTiO3/SrTiO, BaTi3/SrTiO3 and LaAlO3/SrTiO3. The feasibility to realise crystalline oxide hetero-structures was thus studied from the point of view of functional oxide integration on semiconducteur. In a second step, we achived to control the crystalline oxide epitaxy on silicon, by studying more particularly the systems SrO/Si and SrTiO3/Si : strontium oxide can be grown at ambient temperature with formation of an abrupt interface, without silica to the interface. At a higher temperature of 500°C, depositing some mono-layers of SrO leads on the other hand to the formation of a mono-crystalline silicate of composition close to Sr2SiO4. However, the interface strontium silicate/Si has a poor thermodynamic stability, due to interfacial reactions during annealings at high temperature. We also developed a strategy of epitaxial growth of SrTiO3 on silicon based on the succession of various steps : an engineering of interface with formation of a strontium silicide, a recrystallization at low temperature of some mono-layers of SrTiO3 and the subsequent epitaxy at higher temperature. Thus, we observe the formation of a layer of good crystalline quality, without being able to avoid the formation of an amorphous silicate interfacial layer of ~1nm. The use of buffer layers of SrO or SrTiO3 on silicon allows the subsquent epitaxy of the LaALlO3 perovskite, of which the direct epitaxy on silicon could not have been obtained. The whole of the results so obtained makes it possible to consider the development of process of integration of new functionalities on silicon and the realization of new devices for micro-electronics

Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères
Biopolymer materials attract significant attention in many fields where they tend to replace petrosourced polymers. Thanks to their properties, such as biocompatibility, biodegradability, flexibility and lightness, biopolmyers are also increasingly used in many electronic applications. Nevertheless, their possible integration into high-frequency electronics requires the study of important properties such as thermal conductivity and dielectric complex permittivity. In this work we are interested in two biopolymers in particular, poly lactic acid (PLA) and cellulose palmitate (CP). The extraction of the properties of these materials is carried out through the implementation of two methods. The means selected are the 3ω method for the thermal conductivity and the two-line method for the dielectric complex permittivity. This latter is measured in the frequency band 0.5 - 67 GHz. These two characterization techniques require the realization of metal lines on the surface of the biopolymer films. Since biopolymers are not compatible with classical photolithography method, an alternative processes have been developed to meet this technological challenge. This experimental work is accompanied by modeling studies on both aspects, estimates of the thermal conductivity and the complex dielectric permittivity of the investigated materials. The comparison of the proposed analytical and numerical models with the experimental data shows a good understanding of the problem of characterization of these biopolymers

Cette thèse traite de l’étude des variations du travail de sortie effectif du métal de grille dans les empilements High-κ / Grille métal. Pour ce faire, nous avons étudié et développé des techniques de caractérisation électrique dont, notamment, l’étude de la réponse capacitive des structures MOS et la mesure du courant de photoémission interne. Ces techniques nous ont permis d’isoler les différentes composantes du travail de sortie effectif du métal de grille. Nous avons ainsi démontré que le ces variations viennent principalement d’un dipôle à l’interface High-κ / SiO2. De plus, nous avons mis en évidence une forte réduction du travail de sortie effectif des grilles P pour les faibles épaisseurs de SiO2 (Roll-Off) qui est, elle aussi, due à un dipôle à cette même interface. Enfin, nous avons étudié l’impact des procédés de fabrication sur ce dipôle puis, plus généralement, sur le travail de sortie effectif des grilles
In this PhD report, we study the variations of the effective metal work function in High-k metal gate devices. To perform this analyse, we have firstly studied and developed electrical characterisation techniques and especially the analyse of the capacitive response of MOS structure and the measurement of the internal photo-emission current. These methods have allowed us isolating the different components influencing the effective metal gate work function. Using these methods, we have demonstrated that these variation mostly originate from a dipole at the High-k / SiO2 interface. Moreover, we have evidenced a reduction of effective work function for P type metal gates. This phenomenon also originate from a dipole at the same interface. Finally, we have studied the influence of fabrication processes on this dipole and, more genarally, on the effective metal gate work function

L'essor du marché des MicroSystèmes ElectroMécaniques (MEMS : MicroElectroMechanial Systems) durant les deux dernières décennies s'est accompagné d'efforts de recherche soutenus pour élargir leurs champs d'application. Employés comme capteurs gravimétriques, des microstructures vibrant à la résonance permettent une détection ultrasensible pouvant aller jusqu'à la masse d'un seul proton pour les plus ultimes d'entre elles. Les capteurs MEMS gravimétriques fonctionnalisés apparaissent alors comme une alternative sans marquage aux technologies existantes de détection d'analytes chimiques et biologiques. Leur résolution est exacerbée par la réduction en taille, et un des principaux enjeux au développement de tels capteurs miniaturisés provient de la capacité à réaliser des moyens de transduction électromécanique - actionnement et détection électriques du mouvement mécanique - robustes et intégrés. Ces travaux de thèse présentent l'étude de la transduction diélectrique appliquée à la mise en vibration de microleviers et son intégration dans le cadre d'un procédé de fabrication collective sur silicium. L'efficacité de ce moyen de transduction est fortement liée à l'épaisseur et à la permittivité de la couche diélectrique employée et tire avantageusement partie de l'utilisation de matériaux à haute permittivité (" High-K ") en films d'épaisseur nanométrique. Dans les travaux présentés, trois matériaux diélectriques ont été étudiés : le nitrure de silicium faiblement contraint, l'alumine et l'oxyde d'hafnium. Ils ont été intégrés comme couche d'actionnement sur des microleviers de silicium. Les résultats obtenus démontrent la capacité d'actionnement des microstructures en utilisant ces couches diélectriques et également la possibilité d'effectuer simultanément actionnement et détection électrique sur un seul et même transducteur. Les perspectives ouvertes par ce travail concernent l'amélioration de la qualité des films minces employés et l'exploitation de matériaux de permittivité plus élevée. Ils forment un pas de plus vers des systèmes de détection fonctionnels intégrant reconnaissance chimique et premier étage de traitement du signal
Since two decades now, microscopic electronic devices including moving parts, called MicroElectroMechanical Systems (MEMS) have had a growing impact on industry and daily lives. Their range of application is already wide: from actuators (inkjet print heads, digital cinema projectors, etc.) to mechanical sensors (microphones, accelerometers, etc.). There is a growing research effort in the biosensing field as well. One of the main challenges for this application is to integrate a miniaturized and robust element to a vibrating beam-like structure, in order to achieve electromechanical actuation and detection, i.e. to convert an electrical signal into vibration and vice versa. In this work, we studied the integration of three dielectric materials on silicon microcantilevers, and successfully demonstrated the feasibility of simultaneous flexural actuation and detection of the structures by mean of dielectric transduction. Those results are one step forward the elaboration of mature detection systems

For their use in high technology equipments, tantalum capacitors are required to have low Equivalent Series Resistance (ESR). The purpose of this work is to study a stable doped polymer for a possible replacement of MnO2, a poor conductor material used as a cathode. We have first studied the behaviour of Ta2O5 oxides, especially their dielectric strength, the effect of thermal annealing and chemical elements incorporation. We have shown that the stability and the good electric conductivity of PEDT polymer are suitable for its using as a cathode material. During the capacitor realization, the filling process of the porous tantalum anodes with polymeric solution has been optimised. Finally, the electrical tests showed a steady capacitance on a large range of frequency with lower ESR values compared to the conventional capacitors. To certify the validity of our results, life tests were carried out during 1000 hours and indicated that almost the electrical parameters remained stable
Les exigences des circuits imposent aux condensateurs au tantale d'avoir de faibles valeurs de résistance série équivalente (RSE). Ce travail vise à remplacer le MnO2, matériau peu conducteur utilisé comme cathode par un polymère suffisamment stable et dopé. D'abord, nous avons mis en évidence le rôle du recuit dans la stabilisation du Ta2O5 et le rôle des éléments chimiques incorporés dans le renforcement de sa rigidité diélectrique. Nous avons montré que la stabilité et la bonne conductivité électrique du polymère PEDT conviennent à son utilisation comme cathode. Durant la réalisation des condensateurs, nous avons testé les procédés pour optimiser le remplissage des anodes de tantale avec la solution polymère. Finalement, les tests électriques montrent une capacité stable sur une large gamme de fréquence et des valeurs de RSE inférieurs à celles des condensateurs conventionnels. Les paramètres électriques restent stables pendant 1000 h ce qui assure la validité de nos résultats

La miniaturisation des transistors CMOS permet d'améliorer les performances, la densité d'intégration et le coût des circuits électroniques. Plusieurs ruptures technologiques concernant l'architecture et les matériaux des transistors doivent s'additionner pour atteindre les dimensions ultimes, à l'échelle de l'atome. L'introduction d'un diélectrique haute permittivité comme isolant de grille à la place du SiO2 vise à améliorer le compromis épaisseur d'oxyde/courant de fuite de grille. Un canal haute mobilité doit permettre d'améliorer la vitesse des porteurs et donc le compromis vitesse (fréquence d'horloge)/puissance active des circuits. Cette thèse porte sur l'étude, la fabrication et les propriétés de transport de transistors CMOS cumulant ces deux nouvelles options technologiques. Ceci concerne en particulier des transistors avec un empilement de grille TiN/HfO2 : nMOS à canaux Si contraints, pMOS à canaux SiGe(:C) ou Ge contraints et une nouvelle architecture pMOS selon l'orientation cristallinne (111). Des gains en mobilité élevés par rapport aux transistors de référence HfO2/Si, pouvant atteindre +800% pour la mobilité des trous sur les transistors Ge contraints, sont obtenus conjointement avec l'effet du diélectrique HfO2 : une réduction de 4 décades du courant de fuite de grille par rapport à un oxyde SiO2. Une caractérisation électrique approfondie permet de montrer l'importance de l'optimisation de l'interface diélectrique/canal sur les gains en mobilité. Les caractéristiques des transistors sont analysées et discutées jusqu'à des longueurs de grille inférieures à 50nm. Finalement, la dégradation de la mobilité avec un empilement de grille TiN/HfO2, point critique limitant l'émergence de tels empilements, est analysée en détail et les mécanismes de collisions des porteurs sont déterminés expérimentalement
CMOS scaling allows an improvement of the performance, the integration density and the price of electronic circuits. Several breakthroughs, concerning the MOSFET architecture and materials must be added to push the transistor at his atomic scale limit. The replacement of the gate silicon oxide by a high-k dielectric is promising to improve the oxide thickness/gate leakage current trade-off. A high mobility channel provides a carrier velocity improvement and thus, an increase of the speed/active power ratio in the circuits. This work concerns the study, the fabrication and the transport properties of CMOS transistors with both of these new technological options. It includes several different transistors with a TiN/HfO2 gate stack: strained Si channel nMOSFETs, strained SiGe(:C) or Ge pMOSFETs and a new pMOS architecture with a (111) surface oriented channel. High mobility enhancements compared to the HfO2/Si reference, up to +800% for the hole mobility in strained Ge, are reported in addition to the high-k dielectric characteristic: a 4 decades gate leakage reduction compared to the silicon oxide. Our in-depth electrical characterization demonstrates that the dielectric/channel interface optimization is crucial to obtain high mobility gains. Transistors characteristics are presented and discussed down to 50nm gate length. Finally, the mobility degradation with a TiN/HfO2 gate stack, which constitutes a serious issue for the high-k/metal gate stack emergence, is analysed and the mobility scattering mechanisms are determined experimentally

Les propriétés diélectriques d'un milieu hétérogène sont importantes. Plusieurs auteurs ont proposé des fonctions empiriques et théoriques concernant la permittivité diélectrique d'un milieu hétérogène. La formulation de Bergman est la plus complète. Cette formule permet d'évaluer la permittivité effective d'un milieu hétérogène contenant deux composants sous la forme d'une intégrale qui sépare l'influence des permittivités de chaque composant et le rôle de la dispersion géométrique. Nous avons appliqué cette formule aux formules de Lichtenecker, de C. R. I. M. , de Rayleigh, de Bottcher, de Bruggeman et de Looyenga, et calcule les fonctions de densité géométrique correspondantes. Puis, nous avons vérifié les propriétés de ces fonctions et calculé le facteur de percolation. En présence d'un lot de valeurs expérimentales de la permittivité de mélange diélectrique, dans le cas où on ne dispose pas de formule empirique, on peut calculer la densité géométrique numériquement par la méthode de décomposition des polynômes de Legendre. Il apparait possible de proposer une extension des formules de Lichtenecker, C. R. I. M. Et Looyenga, à trois constituants, ces formules ont été mises sous forme d'intégrales. Puis, nous avons constaté qu'elles obéissent toutes à la même formule. Les travaux de Milton-Golden développés dans cette thèse, sont des formules basées sur des théorèmes mathématiques. En nous appuyant sur ces travaux, nous avons démontré que la permittivité de mélange à deux ou à trois constituants des formules de Lichtenecker, C. R. I. M. Et Looyenga, peut-être représentée sous la forme d'intégrale.

L'objectif de ce travail est d'étudier la diffusion de l'eau (vieillissement hydrothermique) dans un matériau composite époxy utilisé pour l'isolation des barres d'alternateurs, et ses conséquences sur les propriétés diélectriques et électriques du matériau.
Le champ de claquage décroît fortement en présence d'eau. La spectroscopie diélectrique à basse fréquence (<10-1Hz) et à basse tension montre une grande sensibilité des propriétés diélectriques (Ε' et tanΔ) vis à vis de la teneur en eau absorbée tandis que les mêmes mesures à haute tension ne montrent pratiquement pas de variation par rapport aux premières. En analysant des mesures de spectroscopie diélectrique et des mesures du courant DC, le matériau apparaît comme étant formé par des clusters d'eau entre lesquels le transfert de charge dépend de la température et de la direction du champ appliqué.
Un modèle a été développé pour calculer la distribution du potentiel et du champ dans le matériau vieilli dans une structure de barre. Le calcul du champ met en évidence la chute de fiabilité lors que le matériau subit un vieillissement hydrothermique. Il suggère également une nouvelle méthode efficace de diagnostic de l'isolation.

La présence de lacunes d’oxygène dans les diélectriques est supposée dégrader les propriétés électriques des transistors « high-k metal gate ». Nous avons donc étudié les possibilités d’une nouvelle méthodologie pour analyser ces défauts dans des couches minces de HfO2. Il s’agit d’utiliser des techniques optimisées pour la caractérisation de nano-dispositifs i.e. la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) en microscopie électronique en transmission et la cathodoluminescence (CL)calibrées par la spectroscopie d’annihilation de positons (PAS). Des films de HfO2 ont été déposés par ALD et PVD sur des substrats de silicium. Pour les besoins du PAS, des couches d’épaisseur (10 à 100nm) supérieure au standard de la nanoélectronique ont été élaborées. D’après leurs analyses par DRX,RBS/NRA, MEB, TEM. Ces couches présentent majoritairement une structure complexe et un excès d’oxygène important. Les résultats PAS dépendent de la technique de dépôt et du traitement thermique.Leur comparaison avec des caractérisations électriques sur les couches les plus minces indique la génération de champs électriques dans la couche, à l’interface avec le substrat et dans le substrat. Ces observations confirment la présence de charges évoquée dans la littérature. Ces études ont permis de mettre au point la méthodologie et les conditions d’acquisition et d’analyse des spectres EELS et CL.Ceux-ci dépendent de la technique de dépôt et du traitement thermique. Cependant la qualité des couches n’a pas permis d’isoler les effets de la stoechiométrie. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives pour approfondir la compréhension des phénomènes se déroulant au sein des nano-dispositifs
The presence of oxygen vacancies in high-k oxides is fore seen to have detrimental effects in high-kmetal gate MOS transistors. To validate this hypothesis, we investigate the possibility of using electron energy loss spectroscopy in an electron transmission microscope (EELS) and the cathodoluminescence(CL) calibrated by the positron annihilation spectroscopy (PAS) to analyze these defects in thin HfO2 layers.To develop this methodology, HfO2 films have been deposited both by ALD and PVD on silicon substrates. To make the samples adapted to the PAS depth resolution, the layers thicknesses (10 to100 nm) are higher than those used in microelectronics. According to XRD, RBS/NRA, MEB, TEM results, these layers present a complex structure and a large excess of oxygen.PAS results depend both on the deposition technique and on the heat treatment. They evidence the presence of electric fields in the oxide layer or at the interface with the substrate. Electrical measurements in the thinnest layers, confirm the presence of charges in the oxide layer as already mentioned in the literature. The sign of these charges changes with heat treatment and is in agreement with the PAS results.EELS improved data acquisition has been developed. The EELS and CL spectra have been analyzed using a systematic methodology allowing to extracting characteristic parameters. They depend on the deposition technique and the heat treatment. However, due to the poor quality of the layers, it has not been possible to isolate the effects of the stoichiometry. This work opens many perspectives to improve knowledge on phenomena occurring in devices

Ce travail est consacré à l'étude d'une installation permettant la réticulation de pièces en composite verre-époxyde par chauffage haute fréquence, destinées à l'industrie automobile. L'installation est instrumentée pour mesurer en temps réel la permittivité complexe du matériau, la puissance absorbée par matériau, le champ électromagnétique et la température en différents points de la pièce. Le procédé de réticulation est modélisé par un modèle de connaissance, dont les valeurs des paramètres ont été déterminées pour que les températures estimées suivent les températures mesurées. Les paramètres cinétiques, thermiques et diélectriques ont une signification physique. Ils peuvent être comparés aux informations caractéristiques du matériau, obtenues par ailleurs. Les pièces à réaliser sont disposées dans un applicateur coaxial, entre les plateaux d'une presse. Il est montré que le profil de tension appliqué aux pièces peut être ajusté pour compenser les variations d'épaisseur des pièces le long de leur longueur si on sait choisir convenablement la longueur d'onde de propagation, placer des impédances parallèles le long de l'applicateur à des endroits définis par le profil à obtenir et induire une répartition TEM pure du champ électromagnétique par une alimentation distribuée en 4 points. On a construit et justifié un schéma électrique équivalent de l'applicateur réel permettant de concevoir la connexion correcte entre le générateur et l'applicateur et on a montré qu'il y a lieu d'interpréter avec soin les mesures directes du champ électromagnétique que l'on peut faire avec une antenne insérée dans l'enceinte.

On cherche à fabriquer un matériau en verre expansé (foamglass) ayant une bonne absorption acoustique à l'aide d'un processus d'expansion faisant appel au chauffage mixte diélectrique et infra-rouge. Deux types de matériaux à cellules ouvertes (petites bulles ou grandes bulles) sont conçus au laboratoire. On suit l'absorption aux moyennes et hautes fréquences (microondes). L'apport d'énergie électromagnétique au cours du chauffage infra-rouge favorisé l'expansion du matériau, alors que les microondes sont peu satisfaisantes

Ce travail présente une méthodologie pour étudier les lois de mélange des matériaux composites, en vue de la détermination de leurs propriétés électromagnétiques. La première partie présente un recueil des modèles existants pour décrire les propriétés diélectriques des mélanges, ainsi que les théories qui décrivent le phénomène de la percolation et les études à propos de la variation de la permittivité en fonction de la fréquence. Tous les modèles qui décrivent ces études ont été introduits dans un logiciel, qui accomplit des analyses selon les types des données disponibles: il peut effectuer une analyse comparative des lois de mélange appliquées à un système donné, ou bien calculer la permittivité diélectrique d'une des phases si elle n'est pas connue, ou encore calculer les paramètres critiques de la percolation et aussi étudier la variation de la permittivité en fonction de la fréquence. Ce logiciel présente une interface graphique conviviale, et un guide qui permet à l'utilisateur d'avoir accès aux renseignements théoriques à partir desquels les conclusions ont été dégagées. Ayant comme base ce logiciel, les lois de mélange ont été appliquées à plusieurs systèmes, tels que des émulsions eau-huile et des systèmes poudre-air. Les résultats obtenus ont permis de vérifier les modèles les plus adaptés à chaque type de système, ainsi que de vérifier leurs comportements en fonction de la fréquence et d'effectuer des études des paramètres qui donnent des éléments pour la prévision du seuil de la percolation

La thèse est consacrée aux matériaux électro-actifs, qui sont développés et conçus pour faire de la conversion entre énergie électrique et énergie mécanique. Avec les nouvelles technologies émergentes de transduction électromécanique, les polymères électro-actifs (EAP) ont gagné une attention considérable. Ils présentent de grandes déformations quand ils sont soumis à un champ électrique. Cependant, ces matériaux présentent de faibles permittivités et exigent pour fonctionner l’application de forts champs électriques. Les recherches entreprises dans la thèse traitent de différentes méthodes ayant pour but d'augmenter la permittivité des polymères et par conséquent d’améliorer les propriétés électromécaniques sous des champs électriques modérés. Les différentes approches consistent à la mise au point de nouveaux matériaux, par la méthode de mélange de polymères ou en utilisant un nouveau type de polymère, et par l'incorporation de nano-charges spéciales dans la matrice polymère. Un mélange de polyuréthane (PU) et PEMG obtenu à partir d'un procédé en solution conduit à des valeurs plus basses de module de Young, mais aussi à de plus faibles permittivités diélectriques. Il est cependant mis en évidence une amélioration des propriétés électromécaniques, par exemple, à le gain à des champs électriques modérés est d’un facteur 2, avec seulement 9% en poids de PEMG. Deux types de Pebax sont testés comme matrice polymère. Des valeurs très élevées de permittivités sont obtenus plus particulièrement pour le Pebax1657 mais liés pour ce matériau à des valeurs élevées de conductivité. En dépit de ces permittivités élevées, seule une légère amélioration de la conversion électromécanique est observée par rapport au polyurethane. Nous nous sommes également intéressés aux nanocomposites de polyuréthane basés sur desnanoparticules d'argent recouvertes de polymère polyvinylpyrrolidone (PVP). Un fin revêtement de polymère sur les nanoparticules d'argent conduit à une meilleure dispersion des charges dans les films de polyuréthane, et des valeurs plus élevées de permittivité. Différentes quantités d'Ag-PVP sont testées jusqu'au seuil de percolation proche de 45% en poids de charges. À partir des mesures par interférométrie laser et du nouveau dispositif de caractérisation croisée, les propriétés électromécaniques optimales sont obtenues pour 20% en poids de Ag-PVP, avecun gain de 2 à 6 par rapport au polyuréthane pur. Afin d'expliquer la différence entre les résultats expérimentaux et attendus, et par conséquent pour parvenir à une meilleure compréhension du comportement électromécanique de ces différents matériaux, certaines hypothèses ont été discutées et testées. Nous avons montré notamment une baisse des permittivités diélectriques sous champs électriques pour les Pebax et les nanocomposites, des problèmes d'absorption d'eau pour les Pebax et une diminution de cristallinité dans le cas des nanocomposites PU-Ag
The thesis is devoted to electroactive materials, which are developed and designed to make conversion between the electricity and the mechanical form. With newer emerging electromechanical transduction technologies, electroactive polymers (EAP) have gained a considerable attention. The polymers are competitive in many applications such as actuators, sensors, robotic system and biological mimics since they are cheap, light, easy to process, and they present large electric field-induced strains. However, these materials suffer from the low permittivity and high voltage requirement to drive the actuations. The research undertaken for the thesis intends then to provide different methods in order to enhance the polymer permittivity and consequently the electromechanical activities at moderate electric fields. The different approaches consist on the development of new materials by polymer blend method or by using new kind of polymer, and on the incorporation of special nano-fillers in the polymer matrix. A blend of polyurethane (PU) and poly [ethylene-co-(methyl acrylate)-co-(glycidyl methacrylate) (PEMG) obtained from a simple solution method leads to lower values of Young modulus but also lower dielectric permittivities. The PU-PEMG blend presents however an improvement of the electromechanical capabilities, for example it is obtained a two fold increase of the strain at moderate fields with only 9%wt of PEMG.Two types of Polyetherblockamide (Pebax) are tested as polymer matrix. Very high values of permittivities are obtained particulary for Pebax1657 but accompanied for this material by high values of conductivity. Despite these high permittivities (more than 200000 for Pebax 1657 and 500 for Pebax 2533 at 0.1 Hz), only a moderate improvement of the electromechanical capability is observed compared to PU. We are also intererested on polyurethane nanocomposites based on silver nanoparticles coverered by PolyVinylPyrrolidone (PVP) polymer. A little polymer coating of the nanosilver leads to a better dispersion into the polyurethane films and higher values of permittivity. Different amounts of Ag-PVP are tested up to the percolation threshold close to 45%wt of fillers. Based on laser interferometer measurements and new cross characterization device, the optimal electromechanical properties are obtained for 20 %wt of Ag-PVP and a gain of 2 to 6 is obtained compared to pure polyurethane. In order to explain the difference between experimental and expected results and consequently to achieve a better understanding of the electromechanical behaviour of these different materials, some hypotheses were discussed and tested. We have shown particularly a drop of dielectric permittivities under electric fields for Pebax and nanocomposites, some problems of water absorption for Pebax and a decrease of crystallinity for the PU-Ag nanocomposites

L’avènement des énergies renouvelables, notamment offshore, et la nécessité de transporter l’électricité sur des distances toujours plus grandes tout en réduisant les pertes en ligne requièrent la mise en place d’un nouveau réseau électrique plus performant, le supergrid. L’amélioration des sous-stations ultra haute tension en courant alternatif (UHVAC) de type poste sous enveloppe métallique (PSEM), i.e. la réduction de leur empreinte au sol ou leur montée en tension, s’inscrit parmi les défis engendrés par le développement du supergrid. L’amélioration de la tenue aux contraintes électrothermiques des isolants solides employés dans les PSEM a été identifiée comme le principal verrou technologique pour le perfectionnement de ces appareillages, déjà pleinement maîtrisés en HVAC. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été motivés par la nécessité de développer un matériau isolant électrique plus performant que les matériaux existant actuellement sur le marché. L’un des matériaux couramment employés pour la fabrication d’isolants solides pour PSEM, une matrice époxy-anhydride chargée d’alumine micrométrique, a servi de référence commerciale à notre étude. Suite à une étude bibliographique, nous avons choisi de conserver la matrice époxy du système commercial de référence et de jouer sur les charges inorganiques employées pour optimiser les propriétés du matériau isolant. Les travaux présentés mettent en évidence l’influence de la nature des charges inorganiques (alumine ou nitrure de bore hexagonal), de leur facteur de forme (quasi sphérique ou lamellaire) et de leur fraction volumique sur la conductivité thermique, le coefficient d’expansion thermique, les propriétés mécaniques dynamiques, les propriétés diélectriques, la conductivité électrique à haute tension (DC) et la rigidité diélectrique (AC) des matériaux composites. L’étude expérimentale des relations structure-propriétés est complétée par un travail de modélisation des propriétés diélectriques et de la conductivité thermique des matériaux composites
The integration of renewable energies to the power grid requires its modification in order to ensure its stability, security and efficiency. Improving ultra-high voltage alternative current (UHVAC) gas insulated substations (GIS), e.g. reducing their size or increasing their voltage, is one of the challenges induced by the development of the future power grid, the supergrid. Increasing the ability of solid insulators used in such equipment to withstand electro-thermal stress has been identified as the main obstacle to overcome. The work presented in this manuscript has been motivated by the necessity to develop more efficient electrical insulating materials compared to commercially available ones. An epoxy-anhydride matrix filled with micron sized alumina, often used to produce GIS solid insulators, has been used as a reference for this study. We decided to keep the matrix of the reference material throughout our work and to concentrate on the filler influence in order to optimize the properties of the composites. The impact of the nature of the filler (alumina or hexagonal boron nitride), its shape factor (platelets or almost spherical particles) and its volume fraction upon thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, dynamic mechanical properties, dielectric properties, high voltage direct current (DC) conductivity and AC breakdown strength have been highlighted. The experimental study of structure-property relationships is completed by dielectric properties and thermal conductivity modelling using the effective medium theory

Les semiconducteurs composés III-V, et en particulier l’InGaAs, sont considéréscomme une alternative attractive pour remplacer le Silicium (Si) habituellement utilisépour former le canal dans les dispositifs Métal-Oxide-Semiconducteur (MOS). Sa hautemobilité électronique et sa bande interdite modulable, des paramètres clés pourl’ingénierie de dispositifs à haute performance, ont fait de l’InGaAs un candidatprometteur. Cependant, la stabilité thermique et la chimie des interfaces desdiélectriques high-k sur InGaAs est beaucoup plus complexe que sur Si. Tandis que laplupart des études se concentrent sur diverses méthodes de passivation, telles que lacroissance de couches passivantes d’interface (Si, Ge, et Si/Ge) et/ou le traitementchimique afin d’améliorer la qualité de l’interface high-k/InGaAs, les phénomènes telsque la diffusion d’espèces atomiques provenant du substrat dus aux traitementsthermiques n’ont pas été étudiés attentivement. Les traitements thermiques liés auxprocédés d’intégration de la source (S) et du drain (D) induisent des changementsstructurels qui dégradent les performances électriques du dispositif MOS. Unecaractérisation adaptée des altérations structurelles associées à la diffusion d’élémentsdepuis la surface du substrat est importante afin de comprendre les mécanismes defaille. Dans ce travail, une analyse de la structure ainsi que de la stabilité thermiquedes couches TiN/ZrO2/InGaAs par spectroscopie de photoélectrons résolue en angle(ARXPS) est présentée. Grâce à cette méthode d’analyse non destructive, il a étépossible d’observer des effets subtils tels que la diffusion d’espèces atomiques àtravers la couche diélectrique due au recuit thermique. A partir de la connaissance dela structure des couches, les profils d’implantation d’In et de Ga ont pu être estiméspar la méthode des scenarios. L’analyse de l’échantillon avant recuit thermique apermis de localiser les espèces In-O et Ga-O à l’interface oxide-semiconducteur. Aprèsrecuit, les résultats démontrent de façon quantitative que le recuit thermique cause ladiffusion de In et Ga vers les couches supérieures. En considérant différents scénarios,il a pu être démontré que la diffusion d’In et de Ga induite par le recuit atteint lacouche de TiO2. Dans le cas où l’échantillon est recuit à 500 °C, seule la diffusion d’Inest clairement observée, tandis que dans le cas où l’échantillon est recuit à 700 °C, onobserve la diffusion d’In et de Ga jusqu’à la couche de TiO2. L’analyse quantitative~ viii ~montre une diffusion plus faible de Gallium (~ 0.12 ML) que d’Indium (~ 0.26 ML) à 700°C /10 s. L’analyse quantitative en fonction de la température de recuit a permisd’estimer la valeur de l’énergie d’activation pour la diffusion d’Indium à travers leZircone. La valeur obtenue est très proche des valeurs de diffusion de l’Indium àtravers l’alumine et l’hafnia précédemment rapportées. Des techniquescomplémentaires telles que la microscopie électronique en transmission à hauterésolution (HR-TEM), la spectroscopie X à dispersion d’énergie (EDX) et laspectrométrie de masse à temps de vol (TOF-SIMS) ont été utilisés pour corréler lesrésultats obtenus par ARXPS. En particulier, la TOF-SIMS a révélé le phénomène dediffusion des espèces atomiques vers la surface
III-V compound semiconductors, in particular InGaAs, are considered attractivealternative channel materials to replace Si in complementary metal-oxidesemiconductor(MOS) devices. Its high mobility and tunable band gap, requirementsfor high performance device design, have placed InGaAs as a promising candidate.However, the interfacial thermal stability and chemistry of high-k dielectrics on InGaAsis far more complex than those on Si. While most studies are focused on variouspassivation methods, such as the growth of interfacial passivation layers (Si, Ge, andSi/Ge) and/or chemical treatments to improve the quality of high-k/InGaAs interface,phenomena such as the out-diffusion of atomic species from the substrate as aconsequence of the thermal treatments have not been carefully studied. The thermaltreatments, which are related with integration processes of source and drain (S/D),lead to structural changes that degrade the electrical performance of the MOS device.A proper characterization of the structural alterations associated with the out-diffusionof elements from the substrate is important for understanding failure mechanisms. Inthis work it is presented an analysis of the structure and thermal stability ofTiN/ZrO2/InGaAs stacks by angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS).Through a non-destructive analysis method, it was possible to observe subtle effectssuch as the diffusion of substrate atomic species through the dielectric layer as aconsequence of thermal annealing. The knowledge of the film structure allowed forassessing the In and Ga depth profiles by means of the scenarios-method. For the asdeposited sample, In-O and Ga-O are located at the oxide-semiconductor interface. Byassuming different scenarios for their distribution, it was quantitatively shown thatannealing causes the diffusion of In and Ga up to the TiO2 layer. For the sampleannealed at 500 °C, only the diffusion of indium was clearly observed, while for thesample annealed at 700 °C the diffusion of both In and Ga to the TiO2 layer wasevident. The quantitative analysis showed smaller diffusion of gallium (~ 0.12 ML) thanof indium (~ 0.26 ML) at 700 °C/10 s. Since the quantification was done at differenttemperatures, it was possible to obtain an approximate value of the activation energyfor the diffusion of indium through zirconia. The value resulted to be very similar topreviously reported values for indium diffusion through alumina and through hafnia.~ vi ~Complementary techniques as high resolution transmission electron microscopy (HRTEM),energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) and time of flight secondary ion massspectrometry (TOF-SIMS) were used to complement the results obtained with ARXPS.Specially, TOF-SIMS highlighted the phenomenon of diffusion of the substrate atomicspecies to the surface
Compuestos semiconductores III-V, en particular InxGa1-xAs, son consideradosmateriales atractivos para reemplazar el silicio en estructuras metal-oxidosemiconductor(MOS). Su alta movilidad y flexible ancho de banda, requisitos para eldiseño de dispositivos de alto rendimiento, han colocado al InxGa1-xAs como uncandidato prometedor. Sin embargo, la estabilidad térmica en la interfazdieléctrico/InxGa1-xAs es mucho más compleja que aquella formada en la estructuraSiO2/Si. Mientras que la mayoría de los estudios se centran en diversos métodos depasivación tales como el crecimiento de las capas intermedias (Si, Ge y Si/Ge) y/otratamientos químicos para mejorar la calidad de la interfaz, fenómenos como ladifusión de las especies atómicas del sustrato como consecuencia del recocido no hansido cuidadosamente estudiados. Los tratamientos térmicos, los cuales estánrelacionados con los procesos de integración de la fuente y el drenador (S/D) en undispositivo MOSFET, conducen a cambios estructurales que degradan el rendimientoeléctrico de un dispositivo MOS. Una caracterización apropiada de las alteracionesestructurales asociadas con la difusión de los elementos del substrato hacia las capassuperiores es importante para entender cuáles son los mecanismos de falla en undispositivo MOS. En este trabajo se presenta un análisis de la estructura y laestabilidad térmica de la estructura TiN/ZrO2/InGaAs por la espectroscopía defotoelectrones por rayos X con resolución angular (ARXPS). A través de un método deanálisis no destructivo, fue posible observar efectos sutiles tales como la difusión delas especies atómicas del sustrato a través del dieléctrico como consecuencia delrecocido. El conocimiento detallado de la estructura permitió evaluar los perfiles deprofundidad para las componentes de In-O y Ga-O por medio del método deescenarios. Para la muestra en estado como se depositó, las componentes de In-O yGa-O fueron localizadas en la interfaz óxido-semiconductor. Después del recocido, semuestra cuantitativamente que éste causa la difusión de átomos de In y Ga hacia a lascapas superiores. Asumiendo diferentes escenarios para su distribución, se muestraque el recocido provoca la difusión de In y Ga hasta la capa de TiO2. Para la muestrarecocida a 500 °C, se observó claramente la difusión de indio, mientras que para lamuestra recocida a 700 °C tanto In y Ga difunden a la capa de TiO2. El análisis~ iv ~cuantitativo mostró que existe menor difusión de átomos de galio (0.12 ML) que deindio (0.26 ML) a 700 °C/10 s. Puesto que el análisis sobre la cantidad de materialdifundido se realizó a diferentes temperaturas, fue posible obtener un valoraproximado para la energía de activación del indio a través del ZrO2. El valor resultóser muy similar a los valores reportados previamente para la difusión de indio a travésde Al2O3 y a través de HfO2. Con el fin de correlacionar los resultados obtenidos porARXPS, se emplearon técnicas complementarias como la microscopía electrónica detransmisión (TEM), la espectroscopía de energía dispersiva (EDX) y la espectrometríade masas de iones secundarios por tiempo de vuelo (SIMS-TOF). Particularmente, TOFSIMSdestacó el fenómeno de difusión de las especies atómicas sustrato hacia lasuperficie

Mesure de permittivité diélectrique complexe des pulpes de minerais dans le domaine des hautes fréquences afin de différencier les intéractions physicochimiques engagées entre les collecteurs et les minerais. Étude de flottation sous champ électromagnétique intense dans un tube de hallimond et dans cellule prototype. Amélioration du rendement et de la sélectivité du procédé par irradiation haute fréquence des pulpes

L'eau diffère des autres solvants grâce au rôle particulier de la liaison hydrogène. Plus particulièrement, les études présentées dans ce manuscrit illustrent la persistance de la liaison hydrogène dans les solutions aqueuses supercritiques, en particulier entre 647 et 773 K et 22,1 et 40 MPa. Une étude vibrationnelle par spectroscopie Raman optique sur des mélanges d'eau et d'eau deutérée permet d'observer d'une part des vibrateurs majoritaires dont la fréquence est celle de la molécule isolée, et d'autre part la signature de vibrateurs minoritaires toujours reliés par liaison hydrogène aux autres molécules. Notre étude par diffusion X aux petits angles sur de l'eau et de l'eau additionnée d'ions (notamment LiBr et CsBr) montre que ces liaisons hydrogène devraient être présentes dans des zones de densité de type liquide, zones dont la taille et le contraste augmentent avec la présence des ions et le numéro atomique du cation. Ces ions restent solvatés à l'intérieur des zones de haute densité, grâce à des valeurs "locales" plus fortes de la permittivité diélectrique, ce que nous avons démontré grâce à une étude par spectroscopie d'absorption X du complexe ZnBr2 dans des solvants de polarité fixe, mais de permittivité diélectrique variable (eau, méthanol et acétate d'éthyle). Ce manuscrit se termine par une perspective scientifique et technique concernant des mesures de l'eau au seuil K de l'oxygène par diffusion Raman inélastique X à haute température et haute pression
The main difference between water and other solvents comes frome the special role of the hydrogen bond. More precisely, we study the persistence of hydrogen bond in supercritical aqueous solution, particularly between 647 and 773 K and 22. 1 and 40 MPa. A vibrational study by Raman spectroscopy on mixtures of water and heavy water allow us to observe on one side numerous oscillators whose frequency is the one of the isolated molecule and on the other side a few oscillators linked by hydrogen bounds to other molecules. Our study by small angle X-ray scattering on water and water with ions added (such as LiBr and CsBr) shows that those hydrogen bonds should be present in high density inhomogeneities, whose size and contrast increases with the presence of ions and the atomic number of the cation. These ions are still solvated in high density area, thanks to higher "local" values of the dielectric permittivity. This fact has been demonstrated by a study by X-ray absorption spectroscopy of ZnBr2 in solvent with a fixed value of polarity but variable dielectric permittivity (water, methanol and ethyl acetate). The manuscript ends with a perspective of scientific and experimental study of the oxygen K edge of water by X-ray Raman scattering ath high temperature and high pressure

Les mémoires non-volatiles programmables une fois sont en plein essor dans le monde de l’électronique embarquée. La traçabilité, la configuration ou encore la réparation de systèmes sur puce avancés font partis des applications adressées par ce type de mémoire. Plus particulièrement, la technologie antifusible présente des propriétés de sécurité autorisant le stockage d’information sensible.Ce travail de thèse est orienté vers la compréhension des mécanismes de claquage d’oxydes minces sollicités pour la programmation des cellules antifusibles ainsi que l’intégration au niveau système de moyens de détections. Une première étape fut d’étudier les phénomènes de claquage de diélectrique type SiO2 et à haute permittivité sous l’application d’un fort champ ́électrique. Des techniques de mesures dédiées ont été développées afin de réaliser des caractérisations dans les conditions de programmation des mémoires antifusible sollicitant des temps au claquage inférieurs à la micro-seconde. Ces mesures ont ensuite permis l’étude statistique du claquage des diélectriques ainsi que la modélisation sous de hautes tensions ; hors des gammes étudiées traditionnellement dans le domaine de la fiabilité. Le modèle proposé permet l’optimisation des dimensions d’une cellule élémentaire en fonction d’un temps au claquage défini au préalable. Un mécanisme inattendu occasionnant un sur courant substrat a également été mis en évidence pendant la phase de programmation. L’étude de ce phénomène a été réalisée par des caractérisations électriques et des simulations afin de conclure sur l’hypothèse d’un déclenchement d’un transistor bipolaire parasite de type PNP dans la cellule antifusible. L’impact des conditions de programmation sur le courant de lecture mesuré sous une basse tension a également été analysé. Des structures de tests analogiques dédiés ont été conçues afin de contrôler l’amplitude du courant de programmation. Le contrôle du temps de programmation est quant à lui accompli par un système de détection de courant et de temporisation. Finalement, ces solutions sont validées par un démonstrateur d’une capacité de 1-kb conçu et fabriqué sur une technologie CMOS standard avancée 32nm
Non-volatile one-time programmable memories are gaining an ever growing interest in embedded electronics. Chip ID, chip configuration or system repairing are among the numerous applications addressed by this type of semiconductor memories. In addition, the antifuse technology enables the storage of secured information with respect to cryptography or else. The thesis focuses on the understanding of ultrathin gate-oxide breakdown physics that is involved in the programming of antifuse bitcells. The integration of advanced programming and detection schemes is also tackled in this thesis. The breakdown mechanisms in the dielectric material SiO2 and high-K under a high electric field were studied. Dedicated experimental setups were needed in order to perform the characterization of antifuse bitcells under the conditions define in memory product. Typical time-to-breakdown values shorter than a micro second were identified. The latter measurements allowed the statistical study of dielectric breakdown and the modeling in a high voltage range, i.e. beyond the conventional range studied in reliability. The model presented in this PhD thesis enables the optimization of the antifuse bitcell sizes according to a targeted mean time-to- breakdown value. A particular mechanism leading to a high bulk current overshoot occuring during the programming operation was highlighted. The study of this phenomenon was achieved using electrical characterizations and simulations. The triggering of a parasitic P-N-P bipolar transistor localized in the antifuse bitcell appeared as a relevant hypothesis. The analysis of the impact of the programming conditions on the resulting read current measured under a low voltage was performed using analog test structures. The amplitude of the programming current was controlled in an augmented antifuse bitcell. The programming time is controlled by a programming detection system and a delay. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb demonstrator yet designed and fabricated in a logic 32-nm CMOS process

Si l'utilisation des transformateurs piézoélectriques se bornait jusqu'alors à l'alimentation ou la protection de dispositifs électriques, ils sont aujourd'hui envisagés pour la génération de décharges plasma directement à leur surface. Les propriétés remarquables de ces générateurs piézoélectriques en font une alternative intéressante aux dispositifs conventionnels, notamment par la simplicité de mise en œuvre. La surface du transformateur constitue à la fois le support de décharge et l'élément élévateur de tension réduisant significativement l'encombrement des dispositifs. En outre les gains en tension de ces transformateurs sont remarquablement élevés et permettent d'obtenir des décharges pour des tensions d'alimentation n'excédant pas quelques volts. Ces avantages peuvent répondre avantageusement à certains problèmes rencontrés dans les procédés plasmas dont l'implantation dans les processus industriels, bien qu'elle soit en constante amélioration, est parfois confrontée à des problèmes de mise en œuvre d'enceintes complexes, rendant le procédé couteux ou inadapté aux conditions opératoires. L'objet de cette thèse porte sur l'étude fondamentale d'un transformateur piézoélectrique de type Rosen dédié à la génération de décharges électriques. Plus particulièrement, ce travail s'attèle au développement d'un modèle analytique permettant de mieux appréhender les limites de ce procédé innovant, ainsi qu'une meilleure compréhension du comportement des décharges plasma face aux spécificités de ce transformateur et de son matériau. Pour ce faire l'étude se consacre en première partie à la caractérisation du transformateur piézoélectrique hors décharge à partir de ses bornes, puis à l'extension d'un modèle analytique afin d'appréhender la distribution du potentiel électrique à sa surface. Le développement d'un dispositif expérimental permettra la mesure du potentiel ainsi que la discussion du modèle. Dans un second temps l'étude s'attache au comportement du transformateur piézoélectrique en décharge. La distribution de potentiel à présent connue constitue une donnée d'entrée nécessaire à l'étude de la dynamique de décharges dans ces différentes configurations. Les phénomènes à l'œuvre dans ce processus de génération étant complexes, l'étude est conduite suivant différentes étapes. Tout d'abord en passant par l'étude des propriétés des céramiques ferroélectriques au travers d'une décharge à barrière diélectrique plan-plan. Ensuite la dynamique des décharges est abordée par modélisation numérique suivant trois configurations différentes. Ces cas d'études conduisent à des régimes de décharges différents pouvant faire l'objet de mise en application future. Bien que le problème soit sous l'hypothèse d'un couplage faible, les résultats ont corroborés les observations expérimentales et ont permis de mieux comprendre l'influence des hautes permittivités et de la distribution du potentiel sur l'évolution spatio-temporelle de ce procédé
Nowadays piezoelectric transformers are not only used to supply or protect electrical devices, but also to generate plasma discharges directly on their surface. The remarkable properties of these piezoelectric generators make them an interesting alternative to conventional devices, especially the simple implementation. The surface of the transformer constitutes both the discharge support and the voltage elevator component reducing significantly the bulk of the devices. Besides the transformers' gain voltage are remarkably high and permit to generate discharges for low voltage supply not exceeding a few volts. These advantages respond to some problems met in the plasma processes of which the establishment in industrial processes - in constant improvement - is sometimes confronted to problems of chambers implementations, making this process expensive and not adequate to the operating conditions. The purpose of this thesis focuses on the fundamental studies of a Rosen piezoelectric transformer dedicated to the generation of electrical discharges. In particular, this work tackles the development of an analytical model allowing to improve the understanding of the limits of this innovating process, as well as a better comprehension of the plasma discharges behavior face with transformer and material features. In order to do this the first part of the study is devoted to the characterization of the piezoelectric transformer without discharge, then the extension of the analytical modeling in order to comprehend the distribution of surface electrical potential. The development of an experimental device will allow the potential measurement and the discussion of the model. In a second part the study focuses on behavior of the piezoelectric transformer in discharge. The potential distribution known today constitutes a necessary input data for the study of the discharge dynamic in different configurations. The complexity of the phenomena implemented in this process of generation requires to conduct the study following different steps. First of all, by the study of ferroelectric ceramic features through a dielectric-barrier discharge. Then the discharges dynamic is approached by numerical modeling following three different configurations. This cases conduct to different discharge regimes that can be the subject of future application. Even if the problem is under the hypothesis of a weak coupling, the results confirmed the experimental observations and permitted to understand better the influence of high permittivity and of the potential distribution on the saptio-temporal evolution of this process

Dans l'optique d'une miniaturisation dans le secteur de la microélectronique et plus particulièrement dans celui de la téléphonie mobile, les matériaux pérovskites à très haute constante diélectrique sont des candidats intéressants au remplacement des diélectriques actuellement utilisés dans l'élaboration des capacités Métal/Isolant/Métal (MIM). Ce travail est consacré à l'élaboration et à la caractérisation de couches minces de titanate de strontium (SrTiO3) et de titanate de baryum (BaTiO3) déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) dans des structures capacitives MIM Pt/diélectrique/Pt.
Une optimisation des dépôts à l'aide de plans d'expériences a été réalisée afin d'obtenir la constante diélectrique la plus élevée et ce, pour des températures d'élaboration les plus faibles possibles en vue de l'intégration des structures MIM sur les circuits intégrés.
Des analyses d'EXAFS, de XRR et d'AFM TUNA nous ont permis de comprendre l'influence de la microstructure des matériaux (taille de grain) et de la technologie d'élaboration des capacités (épaisseur de diélectrique, procédé de gravure de l'électrode supérieure et nature des électrodes) sur les propriétés des capacités MIM.
Une étude des multicouches SrTiO3/BaTiO3 a également été menée dans le but d'observer l'influence de la périodicité des empilements sur leurs propriétés électriques (constante diélectrique, linéarité en tension).

L'eau diffère des autres solvants grâce au rôle particulier de la liaison hydrogène. Plus particulièrement, les études présentées dans ce manuscrit illustrent la persistance de la liaison hydrogène dans les solutions aqueuses supercritiques, en particulier entre 647 et 773 K et 22,1 et 40 MPa. Une étude vibrationnelle par spectroscopie Raman optique sur des mélanges d'eau et d'eau deutérée permet d'observer d'une part des vibrateurs majoritaires dont la fréquence est celle de la molécule isolée, et d'autre part la signature de vibrateurs minoritaires toujours reliés par liaison hydrogène aux autres molécules. Notre étude par diffusion X aux petits angles sur de l'eau et de l'eau additionnée d'ions (notamment LiBr et CsBr) montre que ces liaisons hydrogène devraient être présentes dans des zones de densité de type liquide, zones dont la taille et le contraste augmentent avec la présence des ions et le numéro atomique du cation. Ces ions restent solvatés à l'intérieur des zones de haute densité, grâce à des valeurs "locales" plus fortes de la permittivité diélectrique, ce que nous avons démontré grâce à une étude par spectroscopie d'absorption X du complexe ZnBr2 dans des solvants de polarité fixe, mais de permittivité diélectrique variable (eau, méthanol et acétate d'éthyle). Ce manuscrit se termine par une perspective scientifique et technique concernant des mesures de l'eau au seuil K de l'oxygène par diffusion Raman inélastique X à haute température et haute pression.