Tesis sobre el tema "Diélectriques à Haut k"

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

Cette thèse examine les films minces d’oxyde de hafnium (HfO2) pour leur potentiel dans lesnanocondensateurs, répondant aux besoins en miniaturisation et haute performance del’électronique moderne. Le HfO2 est compatible avec la Déposition par Couches Atomiques(ALD), ce qui permet des dépôts minces précis et homogènes, essentiels pour garantir la fiabilitédes dispositifs électroniques. Les films minces sont soumis à différentes techniques de fabricationet de caractérisation pour analyser leur morphologie et leurs propriétés électriques, notamment laconstante diélectrique, la tension de claquage et la capacité de stockage d’énergie. Cette approchepermet de déterminer comment optimiser ces matériaux, à la fois en configurations amorphes eten structures cristallines, pour des performances maximales.Pour les diélectriques amorphes linéaires, HfO2 est combiné avec d’autres oxydes, tels quel’alumine et la silice, dans des structures de nanolaminés et de solutions solides. Ces combinaisonssont conçues pour stabiliser la constante diélectrique et offrir une résistance au claquage,améliorant l'efficacité du stockage d’énergie. La linéarité et la stabilité de ces matériaux amorphesles rendent particulièrement adaptés aux applications nécessitant une capacitance stable.L’étude approfondit aussi les propriétés des diélectriques cristallins non linéaires, dopés avec dusilicium ou de la zircone. Différentes températures de déposition et de recuit révèlent descomportements ferroélectriques et antiferroélectriques, augmentant la densité d’énergie et lastabilité. Cependant, les matériaux ferroélectriques, bien que prometteurs pour des applications àhaute densité, sont sensibles aux variations de tension, ce qui limite leur usage dans les applicationsnécessitant une capacitance constante. Les matériaux antiferroélectriques, en revanche, présententune stabilité accrue face aux variations de tension, mais ils font encore face à des défis d’efficacitéénergétique et de gestion thermique. La recherche souligne la variabilité de la constantediélectrique comme un défi majeur pour l'utilisation de ces matériaux dans des applicationsnécessitant une capacitance stable, comme le filtrage de signaux. Les matériaux nanolaminés etles solutions solides sont privilégiés pour obtenir une capacitance linéaire, mais leur efficacité restelimitée en termes de permittivité. L’exploration des phases non linéaires, cependant, ouvre la voieà des performances accrues dans certaines applications avancées.En conclusion, cette étude apporte un éclairage précieux sur les films minces d’oxyde de hafniumet leur rôle dans les nanocondensateurs, en explorant des solutions d’optimisation pour améliorerles performances diélectriques, notamment par les techniques de fabrication et les compositionsde matériaux. Les matériaux linéaires et non linéaires présentent chacun des avantages distincts,mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter les défis liés à la durabilité,l’efficacité électrique et la gestion thermique, afin de développer des condensateurs plusperformants pour les technologies électroniques modernes
This research investigates the use of hafnium oxide (HfO2)-based thin films in nanocapacitors, focusing on both their linear and non-linear electrical properties to meet the growing demands of high-performance and miniaturized electronic devices. Starting with the fundamental physics of energy storage capacitors, the investigation highlights the essential characteristics of effective dielectric materials, such as a high dielectric constant and a substantial band gap. Hafnium-based materials are particularly promising due to their compatibility with Atomic Layer Deposition (ALD), which allows for precise and uniform thin-film deposition—crucial for ensuring reliable performance in electronic devices.To understand the potential of these materials, various fabrication and characterization techniques were employed. This includes specific deposition processes to create the thin films and morphological tests to study the physical structure of the capacitors. Electrical testing plays a key role in evaluating critical parameters like dielectric constant, breakdown voltage, and overall energy storage capacity. By analyzing these factors, a comprehensive view of how both linear and non-linear hafnium-based dielectrics perform is provided.When exploring linear, amorphous hafnium-based dielectrics, HfO2 is combined with aluminum oxide and silicon dioxide to enhance dielectric properties. Different configurations, such as nanolaminates and solid solutions, are tested to find the optimal balance. The goal is to achieve materials that maintain a high dielectric constant and resist voltage breakdown, thereby improving their ability to store energy efficiently. On the other hand, a detailed look into non-linear, crystalline dielectrics examines the effects of doping hafnium oxide with elements like zirconia and silicon. Different deposition and annealing temperatures are assessed for their impact on crystalline structure and polarization behavior, revealing complex ferroelectric and antiferroelectric behaviors that could offer high energy density and stability.The findings suggest that while ferroelectric materials might not be suitable for applications requiring linear capacitance due to their sensitivity to voltage variations, antiferroelectric materials show promise. However, they still face challenges related to electrical efficiency and thermal management. Finding materials that can effectively stabilize voltage variations is crucial, as capacitors are increasingly used to manage these fluctuations in modern electronics.A significant challenge identified is the variability in the dielectric constant, which can limit the use of these materials in applications demanding stable capacitance, such as signal filtering. To address this issue, solid solutions and laminated materials, which provide consistent linear capacitance, are prioritized. Although these materials are effective up to a certain permittivity threshold, exploring non-linear phases opens the door to potentially higher performance under specific conditions.In summary, understanding of HfO2-based thin films and their role in nanocapacitors is advanced by this research. By examining both linear and non-linear dielectric materials, insights into how to optimize fabrication techniques and material compositions to improve dielectric properties are provided. Ongoing research into issues like material endurance, electrical efficiency, and thermal management is essential for developing reliable and high-performing capacitors that meet the evolving demands of modern electronic technologies

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

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

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

Le collage direct consiste à l’adhésion spontanée dès température ambiante de deux surfaces sans ajout de matière polymère à l’interface de collage. Réalisable sous vide ou à pression atmosphérique, il possède l’avantage de permettre l’empilement de matériaux monocristallins sur des matériaux amorphes, parfaitement illustrée, par exemple, avec la fabrication de substrats SOI (silicium sur isolant) couramment utilisé de nos jours en microélectronique et/ou en microtechnologie. La course à la performance et/ou pluridisciplinarité des circuits électroniques nécessite la maîtrise de ce procédé pour un plus large panel de matériaux. La compréhension des mécanismes physico-chimique à l’interface de collage devient alors primordiale. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes mis en jeu dans le collage direct hydrophile de couches diélectriques autres que l’oxyde de silicium : l’oxyde d’aluminium, le nitrure de silicium et un ultra-low k.Dans cette étude, des procédés de collage direct hydrophile de films diélectriques déposés sont développés avec différentes préparations de surface. L’évolution mécanique et chimique de l’interface de collage, après différents traitements thermiques, est analysé via différentes techniques de caractérisation comme la mesure anhydre d’énergie de collage, la microscopie acoustique, la réflectivité des rayons X et la spectroscopie infrarouge. Chaque matériau démontre un comportement particulier une fois confiné à l’interface de collage par rapport à son comportement en surface libre. Tout au long de cette thèse, le lien entre collage et surface libre a permis d’établir les mécanismes de collages des différents matériaux étudiés et d’énoncer des recommandations pour obtenir des collages de qualité
Direct wafer bonding refers to the spontaneous establishment of attractive forces between two surfaces at ambient temperature without any additional polymer material. Available at ambient pressure or under vacuum, this technology is attractive for monocrystal-amorphous stacks, perfectly illustrated by SOI (Silicon On Insulator) substrate elaboration widely used nowadays in microelectronics or microtechnologies. Electronic device performance and multidisciplinarity needs require this technology on many different materials. In this context, a precis understanding of bonding mechanism is paramount. The aim of this work is to study the hydrophilic bonding mechanisms for alumina, nitride silicon and ultra-low k thin films.In this study, hydrophilic bonding of deposited dielectric films prepared by chemical treatment were analyzed as function of post-bonding annealing temperature. Chemical and mechanical bonding interface closure has been analyzed from mechanical and chemical point of view via several characterization techniques: anhydrous bonding energy measurement, acoustic microscopy, X-Ray reflectivity and infrared spectroscopy. Each material demonstrates interesting behaviors embedded at the bonding interface compared to the deposited film free surfaces. Throughout the studies, correlations between bonding and free surface evolution have led to their bonding mecanisms and some recommendations for efficient and high quality bonding elaboration

Avec la miniaturisation continue des circuits intégrés et le remplacement de l'oxyde de silicium par des diélectriques low-k poreux à base de SiOCH, la fiabilité des circuits microélectroniques a été fortement compromise. Il est aujourd'hui extrêmement important de mieux appréhender les mécanismes de dégradation au sein de ces matériaux afin de réaliser une estimation précise de leur durée de vie. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont consisté à étudier les mécanismes de dégradation au sein du diélectrique afin de proposer un modèle de durée de vie plus pertinent. Par une étude statistique du temps à la défaillance sous différents types de stress électrique, un mécanisme de génération des défauts par impact est mis en évidence. En l'associant au mécanisme de conduction au sein du diélectrique, il a été possible de développer un modèle de durée de vie cohérent pour les interconnexions permettant une estimation de la durée de vie plus fiable que les modèles de la littérature. L'impact du piégeage de charges dans le diélectrique a ensuite été analysé grâce à ce modèle.

Les élastomères diélectriques sont des matériaux actifs souples capables de grandes déformations sous chargement électrique. Ils sont constitués d’une fine membrane d’élastomère (en général en silicone ou en acrylique), recouverte de chaque côté par des électrodes souples et étirables. L’ensemble a une épaisseur de l’ordre de 100 microns. Lorsqu’une tension électrique est appliquée entre les électrodes, la membrane se comprime et sa surface peut augmenter de plus de 100%.Ce principe de conversion électromécanique peut être utilisé pour réaliser des haut-parleurs. Des prototypes ont été développés par plusieurs groupes de recherche, et des modèles ont été proposés pour évaluer leurs performances.Une caractéristique intrinsèque des haut-parleurs en élastomères diélectriques est leur nature multiphysique. En effet, le mécanisme d'actionnement est lui-même un couplage entre électrostatique et mécanique; la membrane est très fine et légère, et se couple ainsi fortement à l'acoustique car l’air est lourd par rapport à la membrane; et enfin la résistivité des électrodes engendre un couplage entre l'électro-dynamique et la mécanique.Les modèles proposés jusqu’alors ne considéraient pas l’ensemble de ces couplages, limitant leur utilisation à des estimations qualitatives. Dans cette thèse, un modèle multiphysique de haut-parleurs en élastomères diélectriques est mis en place, afin de permettre l’optimisation de leurs performances acoustiques, en terme de réponse en fréquence, niveau rayonné, et directivité.Les couplages forts entre électrostatique, dynamique membranaire, acoustique, et électrodynamique sont étudiés à l’aide d’un modèle par éléments finis dans FreeFEM. Ce modèle est validé par des comparaisons avec des mesures dynamiques et acoustiques, et ensuite utilisé pour améliorer les performances du prototype, en travaillant sur plusieurs plans : optimisation de l’excitation, filtrage, amortissement, et contrôle
Dielectric elastomers are soft active materials capable of large deformations when activated by a high voltage. They consist of a thin elastomer membrane (generally made of silicone or acrylic), sandwiched between compliant electrodes. The thickness of the assembly is about 100 microns. When a high voltage is applied between the electrodes, the membrane is squeezed between the electrodes, and increases in area by up to 100%.This electromechanical conversion principle can be used to build loudspeakers. Prototypes have been developed and tested by several research groups, and models have been proposed to estimate their performance.An intrinsic characteristic of dielectric elastomer loudspeakers is their multi-physic nature. Indeed, the actuation mechanism is itself a coupling between electrostatics and mechanics; the membrane is very thin and light, and couples therefore strongly with the surrounding air which is comparatively heavy; and finally the electrode electrical resistivity induces a coupling between electrodynamics and mechanics.The models proposed so far did not consider all of these couplings together, which limited their use to qualitative estimations. In this thesis, a multi-physic model of dielectric elastomer loudspeakers is set-up, in order to optimize their acoustic performances, in terms of frequency response, radiated level, and directivity. The strong couplings between electrostatics, membrane dynamics, acoustics and electrodynamics are studied with a finite element model in FreeFEM. This model is validated by dynamical and acoustical measurements, and then used to improve the performances of the prototype, by working on several levels: optimisation of the excitation, filtering, damping and control

Nous présentons dans ce travail l'impact du procédé de fabrication d'un circuit intégré (nœud technologique 28 nm) sur le matériau diélectrique poreux utilisé pour isoler les interconnexions des transistors. Notre étude est en particulier axée sur la diffusion d'espèces (chimies de nettoyage, eau/humidité, molécules de gaz) dans le réseau poreux. Pour décorréler les effets "chimiques" d'affinité entre la surface et les molécules considérées et "physiques" de taille des pores, plusieurs techniques de caractérisation complémentaires sont utilisées. Les modifications chimiques sont d'abord caractérisées en surface par XPS et angle de goutte. Le FTIR est ensuite utilisé pour sonder l'épaisseur de la couche et le ToF-SIMS pour obtenir un profil en profondeur des modifications. L'analyse de la microstructure par RMN du solide permet de mettre en évidence les variations de la réticulation du squelette silicique. La porosimétrie par EP, PALS et GISAXS révèle des incohérences entre ces techniques reposant sur l'adsorption de gaz d'une part, et la diffusion de rayons X et l'annihilation de positrons d'autre part. La modélisation numérique des isothermes d'adsorption de gaz nous permettent de tenir compte des interactions sonde-surface et de réconcilier les résultats. Ainsi nous mesurons une augmentation de la taille des pores par les plasmas de gravure, et une diminution de taille des pores après nettoyage HF, qui correspondent aux modifications chimiques en termes de tailles des groupements. Finalement, ces moyens de caractérisation montrent que des traitements de silylation peuvent restaurer efficacement les propriétés diélectriques et physico-chimiques des matériaux low-k
We report in this work the impact of the manufacturing process of an integrated circuit (28 nm technology node) on the porous dielectric material used to isolate the interconnections of the transistors. Our study focuses in particular on the diffusion of species (cleaning chemistries, water/moisture, gas molecules) in the porous network. To decorrelate "chemical" effects of affinity between the molecules and the surface and "physical" effects due to pore size, several complementary techniques are used for further characterization. Chemical changes are first characterized at the surface by XPS and drop contact angle. FTIR is then used to probe the whole thickness of the layer and the ToF-SIMS to obtain a depth profiled characterization. A microstructure analysis by solid-state NMR enables to highlight the changes in cross-linking of the silicon skeleton. A porosimetric study by EP, PALS and GISAXS reveals inconsistencies between these techniques based on the adsorption of gases on the one hand, and X-ray scattering and positron annihilation of the other. Numerical modeling of gas adsorption isotherms enables us to consider interactions probe surface and reconcile the results. Thus we measured an increase of the pore size by plasma etching, and a decrease in pore size after HF cleaning, which correspond to the characterized chemical changes in terms of size of the functional groups. Finally, these characterization techniques show that silylation treatments can effectively restore the dielectric and physico-chemical properties of low-k materials

Avec la miniaturisation des circuits intégrés, le délai de transmission dû aux interconnexions a fortement augmenté. Pour limiter cet effet parasite, le SiO2 intégré en tant qu'isolant entre les lignes métalliques a été remplacé par des matériaux diélectriques à plus faible permittivité diélectrique dits Low-κ. La principale approche pour élaborer ces matériaux est de diminuer la densité en incorporant de la porosité dans des matériaux à base de SiOCH. L'introduction de ces matériaux peu denses a cependant diminué la fiabilité : sous tension, le diélectrique SiOCH poreux est traversé par des courants de fuite et peut claquer, générant des défaillances dans le circuit. La problématique pour l'industriel est de comprendre les mécanismes de dégradation du diélectrique Low-κ afin de déterminer sa durée de vie aux conditions de température et de tension de fonctionnement. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont consisté à étudier les mécanismes de conduction liés aux courant de fuite afin d'extraire des paramètres quantitatifs représentatifs de l'intégrité électrique du matériau. Nous avons utilisé ces paramètres afin de suivre le vieillissement du matériau soumis à une contrainte électrique. Nous avons également introduit la spectroscopie d'impédance à basse fréquence comme moyen de caractérisation du diélectrique Low-κ. Cet outil nous a permis de caractériser le diélectrique intermétallique de façon non agressive et d'identifier des phénomènes de transport de charges et de diffusion métallique à très basses tensions qui offrent des perspectives pour l'étude de la fiabilité diélectrique des interconnexions.

Les mémoires Flash sont aujourd'hui incontournables pour le développement de l'électronique portable. C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail de cette thèse. Il a été mené selon deux axes : l'étude de l'utilisation des high-k dans le diélectrique tunnel des mémoires Flash, et l'évaluation de matériaux à base de Hf en tant que couche de stockage. D'après nos résultats, la première solution nécessiterait une amélioration des propriétés de conduction et de piégeage des matériaux en diminuant leur défauts par des optimisations futures des procédés de fabrication. Nous avons établi des critères permettant de choisir parmi les nombreux candidats potentiels, ceux sur lesquels il faudrait continuer l'effort de recherche. La seconde solution a permis de mettre en évidence les très bonnes propriétés de Hf 02 en tant que couche de stockage. Ce matériau permet d'avoir une très bonne rétention, faiblement activée en température, ce qui est prometteur pour des applications de type NROM. Une modélisation de type Shockley Read Hall a été développée pour expliquer certains des résultats
Flash memory is today indispensable in order to pursue the development of portable electronics, which is facing an unpreceded success (cell phones, digital photos, PDA, USB sticks. 00)' ln order to maintain it for the years to come, it is necessary to continue improving this technology. It is within this context that the work of this PhD was carried out. The following two fields of investigation were developped : the study of high-k as Flash memory tunnel dielectric and the evaluation of Hf-based materials as charge storage layers. According to our results, the first solution would need an improvement of mate rial conduction and trapping properties, by lowering their defects, through future process optimizations. We have nonetheless established criteria allowing to choose among several different candidates, the ones for which it seems worthwhile to conduct further research. The second solution allowed us to evidence the very good properties of Hf 02 as a storage layer. This materialleeds to very good retention properties with a low temperature activation and seems highly promising for NROM-type applications. Shockley Read Hall modeling was also used in order to explain some of the results

Ce memoire est consacre a l'etude de faisabilite de dispositifs rayonnants fonctionnant dans la bande millimetrique, constitues par des antennes imprimees placees au foyer de lentilles dielectriques. La conception de ces antennes avait pour application deux systemes de communication a haut debit, permettant d'offrir un service multimedia et internet rapide : - le l. M. D. S (local multipoint distribution system) est base sur des liaisons hertziennes de proximite a 40 ghz (inferieures a 5 km entre les stations de base et les multiples recepteurs d'abonnes) avec une couverture cellulaire. - le systeme de communication sky station a 47 ghz consiste en un reseau de plates formes stratospheriques (maintenues a une altitude de 23 km) au-dessus des principaux centres urbains mondiaux. Eu egard aux problemes de propagation par faisceaux hertziens dans le domaine millimetrique, les antennes lentilles repondent aux exigences de gains definis par le bilan de liaison. Les antennes lentilles presentent d'autres caracteristiques interessantes detaillees au cours de ce memoire. De plus, nous mettons a profit les avantages specifiques aux antennes imprimees. Les antennes imprimees sont modelisees avec un code de calcul a formulation rigoureuse (f. D. T. D. ) ; dans une deuxieme etape, les performances de l'antenne lentille sont calculees avec un code base sur l'optique geometrique couplee a la theorie des ouvertures rayonnantes. Apres une revue des configurations possibles, nous presentons trois prototypes utilisant un reseau de 2 2 elements rayonnants carres comme source d'illumination d'une lentille dielectrique (a simple faisceau, multifaisceaux ou substrat).

La miniaturisation des composants CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) impose l’emploi de matériaux diélectriques de permittivité élevée. LaAlO3 et SrTiO3 sont aujourd’hui parmi les meilleurs candidats ; toutefois, la diffusion de l’oxygène dans ces matériaux conduit à la dégradation des propriétés électriques et de l’interface avec le silicium. Ce travail théorique a pour but d’étudier les facteurs gouvernant, à l’échelle de la liaison chimique, la diffusion de l’ion oxygène. L’approche choisie repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), couplée à des méthodes d’analyse de la densité électronique, et sur le développement d’un outil original : les cartes de densité d’énergie. Les régions de la densité électronique contribuant à la barrière de diffusion ont ainsi pu être identifiées; une optimisation de ces matériaux à l’échelle de la liaison chimique peut alors être envisagée
The miniaturization of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) components requires the use of high dielectric permittivity materials as gate oxide. LaAlO3 and SrTiO3 are among the best candidates, but the oxygen diffusion in these materials leads to the degradation of both the electrical properties and the interface with silicon. In this context, the aim of this theoretical work is to study the factors governing the oxygen ion diffusion at the chemical bonding scale. This approach is based on Density Functional Theory (DFT), coupled with electron density analysis methods, and the pioneering development of energy density cards. The regions of the electron density contributing to the diffusion barrier have been identified allowing new routes of optimization of these materials across the chemical bonding

Ce travail est centre sur l'etude experimentale du transport thermique des composes a base de ktao#3, caracterises par la presence d'un mode optique qui s'amollit lorsque la temperature diminue. La conductivite thermique du systeme non dope a particulierement ete etudiee, ainsi que celle des composes dopes avec des ions polarisants (nb, na, li). Les phonons acoustiques sont fortement diffuses aux environs de 7 k. Cette resonance a ete attribuee a une interaction des phonons thermiques avec le mode optique mou, rendue possible dans des regions ou existe un desordre structural. Ce desordre est localement cree par des centres impuretes, dont nous determinons la nature par des mesures dielectriques et de resonance paramagnetique electronique. De facon plus microscopique, nous proposons d'associer le concept de libron a ce defaut et nous essayons de faire un lien entre les effets du desordre observe dans ktao#3 et la physique des systemes desordonnes (verres)

La miniaturisation des composants dans la micorélectronique touche maintenant les composants passifs comme les capacités MIM (Métal/Isolant/Métal). Pour augmenter la densité de capacité des capacités MIM, les diélectriques conventionnels (Si02, E = 3. 9) sont remplacés par des diélectriques à haute permittivité diélectrique dits « high-k » comme Zr02. Sa permittivité E est égale à 47 lorsqu'il se trouve sous la phase tétragonale. Le procédé de dépôt de Zr02 est la méthode PEALD. Nous avons étudié le procédé de dépôt de Zr02 avec les précurseurs TEMAZ et ZyALD. Les propriétés thermodynamiques du TEMAZ ont été analysées par spectrométrie de masse. L'influence des paramètres du procédé PEALD et de post-traitements sur les mécanismes de formation de la zircone tétragonale a été étudiée. De nombreuses méthodes de caractérisation (XRD, Raman, TEM, SIMS, XPS, caractérisations électriques. . . ) ont été employées afin d'établir un optimum propriétés des films de Zr02 / performance du procédé de dépôt
The continuous decreasing size of integrated circuits in the field of microelectronics is now applied to passive components such as MIM (Metal/Insulator/Metal) capacitors. To increase the capacitance density of MIM capacitors, new materials with high permittivity are required to replace silica (Si02, E = 3. 9). Zr02 permittivity is around 47 for the tetragonal phase. Zr02 is deposited by PEALD. We studied the Zr02 deposition method with TEMAZ and ZyALD precursors. Thermodynamic properties of TEMAZ have been analyzed by Knudsen cell mass spectrometry. PEALD process parameters and post-treatments influence on the tetragonal zirconia synthesis have been investigated. Various characterisation methods (XRD, Raman spectroscopy, TEM, SIMS, XPS, electrical characterisation) were employed to establish an optimum between Zr02 films properties and deposition process performance

Les travaux que nous presentons dans ce memoire portent sur la conception de circuits hyperfrequences en technologie monolithique (mmic) pour chaines de modulation en bande k. Dans une premiere partie, nous presentons les differentes missions et architectures des charges utiles des satellites de telecommunications. Apres avoir demontrer que la modulation numerique par deplacement de phase est la mieux adaptee aux forts debits d'informations, nous presentons les specifications des modulateurs par deplacement de phase a 2, 4 et 8 etats realises. La description des conceptions en technologie mmic de trois modulateurs non-lineaires, l'un a deplacement de phase a 2 etats (mdp2) avec ses drivers integres compatibles des logiques ttl et cmos, l'autre a deplacement de phase a 4 etats (mdp4) et le dernier a 8 etats (mdp8), fait l'objet du second chapitre. Les resultats de mesure des circuits de la premiere fabrication en fonderie sont presentes dans la troisieme partie. Ensuite nous les comparons aux simulations. A partir de ces conclusions, nous abordons les changements a effectuer lors du second depart en fonderie pour la conception d'une version amelioree de ces modulateurs. La derniere partie presente la conception et les resultats de mesure des circuits de la seconde fabrication en fonderie. En plus d'une amelioration des circuits de la premiere fabrication, nous avons realise un modulateur mdp2 avec son driver integre compatible d'une logique plus rapide de type pecl, toujours dans un souci d'augmenter le debit d'informations a transmettre. Les resultats obtenus pour les modulateurs mdp2 avec drivers permettent de valider l'integration sur une meme puce de plusieurs fonctions et donc de reduire les lignes d'interconnexion entre circuits numeriques et hyperfrequences. Les modulateurs mdp8 associees a des techniques de codage avancees pourront etre utilisees dans des chaines de modulation en bande k de satellites de telecommunications a vocation multimedia.

L'intégration de diélectriques High- k dans les empilements de grille des transistors a fait naître des problèmes de fiabilité complexes. A cela vient s'ajouter, en vue des technologies sub-32nm planaires, de nouvelles problématiques liées à l'utilisation de substrats silicium sur isolant complètement désertés FDSOI. En effet, l'intégration d'un oxyde enterré sous le film de silicium va modifier électrostatique de la structure et faire apparaître une nouvelle interface Si/SiO2 sujette à d'éventuelles dégradations. Ce manuscrit présente différentes méthodes de caractérisation électrique ainsi que différentes études de fiabilité des dispositifs FDSOI intégrants des empilements High- /grille métallique. Dans un premier temps, une étude complète du couplage électrostatique dans des structures FDSOI est réalisée, permettant de mieux appréhender l'effet d'une tension en face arrière sur les caractéristiques électriques des dispositifs. Différentes méthodes de caractérisation des pièges d'interface sont ensuite présentées et adaptées, lorsque possible, au cas spécifique du FDSOI, où les défauts entre le film de silicium et l'oxyde enterré doivent être pris en compte. Enfin, différentes études de fiabilité sont présentées, des phénomènes de PBTI et de NBTI sur des dispositifs à canaux longs aux phénomènes propres aux dispositifs de petite dimension, tels que l'impact des porteurs chauds dans des structures FDSOI à film ultra fins et les effets d'augmentation de tension de seuil lorsque les largeurs de grille diminuent.

Malgré les gros efforts de recherche consacrés depuis dix ans à l'étude de nouveaux films minces d'oxyde à grande permittivité kappa pour remplacer la silice en microélectronique, les relations qui existent entre les propriétés structurales/chimiques et électriques de ces films restent encore peu explorées. Des films minces d'oxydes à base de zirconium et de lanthane, préparés par dépôt chimique de couches atomiques (ALD) sur substrats de silicium et/ou germanium, font l'objet de ce mémoire. Les paramètres quantitatifs relatifs à l'organisation à l'échelle nanométrique dans ces films et aux interfaces, déterminés par microscopie électronique en transmission à haute résolution (MEHR) et spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons (EELS) mises en œuvre sur un microscope moderne, sont directement corrélés avec les propriétés électriques (kappa et densité d'états d'interface Dit). Par recuit sous vide, le sesquioxyde La2O3 peut-être obtenu avec sa phase hexagonale de grande permittivité (kappa ~ 27) mais il s'hydrolyse rapidement et une couche interfaciale amorphe étendue de type silicate et de faible permittivité se forme à l'interface avec le silicium. L'oxyde ternaire LaxZr1-xO2-delta (x = 0,2) est non hygroscopique. Sur substrat de silicium et avec x ~ 0,2, il est stabilisé après recuit sous sa forme cubique (kappa ~ 30) avec une couche interfaciale amorphe riche en silice peu étendue. Sur substrat de germanium et avec x ~ 0,05, il est stabilisé en contact direct avec le substrat sous sa forme tétragonale de plus grande permittivité (kappa ~ 40) grâce à la diffusion du germanium dans le film. Le lanthane, présent surtout près de l'interface, forme un germanate qui diminue Dit. Ce travail a été développé dans le cadre du programme européen REALISE
Despite the considerable research work devoted since ten years to the study of new high permittivity (kappa) thin films for replacing silica in microelectronics, the relationships that exist between the structural/chemical and electrical properties of the films are not widely studied today. Thin Zr- and La-based oxide films, prepared by atomic layer deposition on silicon and/or germanium, are considered in this work. Quantitative parameters in relation with the organization at the nanometre level in the films and at the interfaces, determined by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS) operated on a modern electron microscope, are directly connected to electrical parameters such as kappa and Dit (interface state density). After annealing under vacuum, the La2O3 sesquioxide can be obtained with its high permittivity hexagonal phase (kappa ~ 27) but is not stable. It is hygroscopic and forms with the silicon substrate an extended amorphous interfacial layer silicate in composition. The LaxZr1-xO2-delta (x = 0. 2) ternary oxide is not hygroscopic. On a silicon substrate and with x ~ 0. 2, it is stabilized in the cubic structure (kappa ~ 30) with annealing and forms a silica-rich interfacial layer with a spatial extension limited to 1-2 nanometres. On a germanium substrate and with x ~ 0. 05, the ternary is stabilized with the high permittivity tetragonal structure (kappa ~ 40) due to germanium diffusion within the film and develops in direct contact with the substrate. Lanthanum is essentially present near the interface and forms a germanate that lowers the Dit. This work has been developed in line with the European program REALISE

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

L'objectif de cette thèse était l’étude de dispositifs électroniques à base de pérovskites hybrides. Dans ce cadre nous avons développé et fabriqué des transistors à effet de champ (FET) ainsi que des cellules solaires à base de perovskite. Dans le cas des transistors, en utilisant des couches minces de pérovskites hybride hautement cristallisées nous avons réalisé des transistors ambipolaires fonctionnant à la température ambiante et présentant une hystérésis faible, une transconductance élevée (pour ce type de matériau), et un rapport Ion / Ioff> 104. Dans le cadre de cette thèse l’utilisation de plusieurs diélectriques nous a permis d’obtenir une forte modulation de la conductance du canal avec des tensions de grille relativement faibles (4-6V). Dans ce cadre l’oxyde d’Hafnium de permittivité relative er=23.5 a montré de très bonnes performances et une très bonne compatibilité pour la croissance de pérovskite hybride. Après plusieurs étapes de polarisation les dispositifs ont présenté un fonctionnement stabilisé et ont été mesurés au cours des cycles consécutifs pendant 14 heures avec peu de changement dans leurs performances. Nous avons mis en évidence que l’augmentation du champ électrique a permis la formation d’un canal de trous à l’interface. La polarisation consécutive des dispositifs à base de HfO2/pérovskite a amené à la création d’un second courant d’électrons et a mis en évidence un fonctionnement ambipolaire final. L’ensemble des dispositifs ont présenté une hystérésis dont l’amplitude était parfois non négligeable. Cela a démontré la présence de charges mobiles ioniques aux interfaces qui influence les courants de sorties du dispositif. Dans la dernière partie de la thèse nous nous sommes intéressés à la croissance de pérovskite hybride pour la production de cellules solaires. Nous avons étudié les deux conditions de croissance suivantes : conditions sous air normal (humidité relative> 60%) et en atmosphère d’azote en boites à gants (humidité relative <0.1 ppm). Par ces deux voies nous avons obtenu respectivement des rendements de conversion photovoltaïque respectivement de 5% et 8%
The objective of this thesis was the study of electronic devices based on hybrid perovskites. In this context we have developed and produce field effect transistors (FETs) and solar cells based on hybrid perovskite material. In the case of transistors, using thin layers of highly crystallized hybrid perovskites we have made ambipolar transistors operating at room temperature and having low hysteresis, high transconductance (for this type of material) and a ratio of Ion / Ioff > 104. In the context of this thesis, the use of several dielectrics allowed us to obtain a high modulation of the channel conductance with relatively low gate voltages (4-6V). Hafnium oxide with relative permittivity er = 23.5 showed very good performances and a very good compatibility for the hybrid perovskite growth. After several polarization steps the devices exhibited stabilized operation and were measured in consecutive cycles for 14 hours with small change in their performance. We have shown that the increase of the electric field allowed the formation of a hole channel at the interface. The successive polarization of HfO2 / perovskite-based devices led to the creation of a second electron current and demonstrated a final ambipolar device. All the devices presented a hysteresis with amplitude sometimes not negligible. This demonstrated the presence of mobile ion charges at the interfaces that influence the output currents of the device. In the last part of the thesis we focused our work in hybrid perovskite growth for the production of solar cells. We have studied two growth conditions: conditions under normal air (relative humidity> 60%) and nitrogen atmosphere in glove boxes (relative humidity <0.1 ppm). By these two paths we obtained photovoltaic conversion efficiencies of 5% and 8% respectively

Les satellites de communication apparaissent comme une solution particulièrement intéressante pour fournir une connectivité à large bande à un grand nombre d'utilisateurs. La propriété de diffusion naturelle des satellites (et ses bandes de fréquence Ku/Ka) rend leur utilisation évidente pour les services de multidiffusion, multimédia, ainsi que pour l’interconnexion de réseaux à haut débit. Toutefois, les signaux de cette bande de fréquence sont beaucoup plus sensibles aux interférences atmosphériques. La principale innovation permettant de résoudre ces problèmes a été l'adoption du codage et de la modulation adaptatifs. Ceci est le principal moteur de cette thèse car cette adaptabilité rend les systèmes par satellite traditionnels inefficaces. Nous nous concentrons sur un paradigme différent pour traiter ces nouveaux défis. Celui-ci est basé sur l’optimisation conjointe des couches de la pile de protocoles. L'idée fondamentale est le fait que l'adaptabilité de la couche physique doit être suivi au niveau des couches supérieures afin de réaliser une gestion efficace des ressources, ceci afin de respecter les exigences strictes (QoS) des nouveaux services. Nous couvrons plusieurs aspects liés à "l’optimisation réseau"; réaliser une allocation efficace des ressources qui maximise le débit tout en assurant l'équité entre tous les utilisateurs, et ce, en fonction des conditions de canal. Nous avons également mis l'accent sur le choix de la meilleure méthodologie permettant de choisir les outils mathématiques appropriés, l'architecture la plus efficace, des technologies adaptatives sur les couches supérieures, ainsi que la meilleure approche de conception "cross-layer".

Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités « Métal-Isolant-Métal » (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb (ZrxTi1-x) O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al. , Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al. , J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al. , IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al. , IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012)
To improve the electrical performances of integrated circuits (integration density, speed and reliability), high permittivity materials are introduced in passive components, including "Metal-Insulator-Metal" (MIM) capacitors. Many dielectrics, with a permittivity ranging from mean (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) to very high (perovskites SrTiO3 and BaTiO3) through the alloy of several elements (HfTiO, TiTaO or Pb(ZrxTi1-x)O3) are widely studied as promising candidates. These components and materials are designed to operate at frequencies higher and higher, up to several gigahertz. The dielectric complex permittivity Er (real permittivity E'r and losses E''r) may vary with frequency: relaxation and resonances phenomena may occur. The characterization of these materials and the performances evaluation of components integrating these dielectrics become necessary over a wide frequency band. This thesis aims to obtain the electrical characteristics of dielectrics over a wide frequency band, from DC to several tens of gigahertz, in an in-situ configuration, i. E. In thin films and with the same processes of integration of the final MIM component. For this, a generic tool, from the development of the technology necessary to realize test structures to the high frequency extraction procedures of the material properties, has been developed, validated through SixNy and then applied to some dielectrics: AlN [1], TiTaO [2], HfO2 and ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al. , Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al. , J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al. , IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al. , IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012)

Les diélectriques jouent un rôle important dans le fonctionnement des composants en microélectronique. Ils sont omniprésents en tant que barrière diélectrique, isolant intermétallique entre les interconnexions, diélectrique de grille pour les transistors MOS ou isolant pour les composants passifs comme les condensateurs MIM. Cette intégration de composants passifs directement dans les puces est une vole très explorée parce qu'elle prolonge la course à la miniaturisation et à la réduction des coûts mais celle-ci doit s'effectuer avec des performances électriques des composants toujours plus élevées et à des fréquences de plus en plus grandes. Pour répondre à ces exigences, les diélectriques à faible permittivité sont remplacés par les diélectriques à permittivité élevée (εr entre 5 et 40), voire très élevée (εr>40) nommés respectivement « medium-k » et « high-k ». Les procédés d'élaboration de ces matériaux en couches très minces influencent leurs propriétés électriques et il en résulte la nécessité de les caractériser dans leur configuration réelle d'utilisation et sur une large bande de fréquence du fait des applications visées. Ces travaux de thèse présentent la méthode de caractérisation hyperfréquence et in-situ développée pour extraire la permittivité complexe des diélectriques. Elle est applicable sur une large bande de fréquences, de quelques MHz à plusieurs dizaines de GHz. Plusieurs configurations de structures de test ont été étudiées afin d'optimiser la précision de cette extraction large bande. Elles ont été classées en deux familles : des structures utilisant des phénomènes de propagation et des structures localisées de type capacitif, chacune étant elle-même divisée en plusieurs catégories adaptée aux différents types de procédés de réalisation des matériaux. Plusieurs diélectriques ont été étudiés, en allant des oxydes de type HfO2 ou ZrO2 aux pérovskites de type SrTiO3 ou PbZrTiO3, et cela sur une large gamme d'épaisseurs, de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Des techniques de calibrage hyperfréquence et d'optimisation ont été proposées afin de permettre une extraction précise des pertes diélectriques. Une part importante des travaux a aussi consisté à mener ces caractérisations hyperfréquences de la permittivité en fonction de la température et sous la contrainte d'un champ électrique statique afin de comprendre les phénomènes physiques rencontrés et en vue d'une application pour réaliser des composants accordables
Dielectrics play an important role in the operation of microelectronic devices. They are omnipresent as dielectric barriers, inter metal insulator between interconnects, dielectric gate for MOS transistors or insulator for passive devices and especially MIM capacitors. The integration of passive devices in microchips is a developed trend because it extends the race to miniaturization and cost reduction. However, this tendency must ensure that the performance of the electrical devices is always better especially at higher frequencies. To meet these requirements, it exists a trend of replacing the ordinary low-k dielectric by the novel medium-k (εr between 5 and 40) or high-k (εr>40). Nevertheless, the thin dielectric films are expected to exhibit different properties, due to the fabrication processes. As a result, it is crucial to characterize them in their real working configurations and for a large frequency bandwidth of the aimed application. This work presents an in-situ and high frequency characterization method to extract the complex permittivity of the medium-k and high-k dielectrics. It is valid for a large frequency bandwidth, from several megahertz to several gigahertzes. Many configurations of test structures are studied in order to optimize the accuracy of this large bandwidth extraction. They are classified in two families : structures using propagation phenomenon and capacitive lumped structures. Each one is then divided in many categories that fit for different dielectric fabrication processes. Many materials are studied : from medium-k such as HfO2 and ZrO2 to high-k such as SrTiO3 and PbZrTiO3. Their thicknesses vary in a wide range from tens to hundreds of nanometres. High frequency calibration and optimization techniques are proposed for an accurate extraction of dielectric losses. An important part of this work is the high frequency characterization of the permittivity as a function of temperature and applied DC electrical field which could help to reveal and explain many observed physical phenomena. Regarding to the application aspect, this study is promising especially for tunable components

L'amélioration des performances des circuits intégrés nécessite le développement de nouveaux matériaux comme, par exemple, les diélectriques à très faible permittivité, appelés Ultra Low-K (K<=2,5). Cette étude se focalise sur les matériaux a-SiOCH poreux déposés en couche mince par PECVD suivant une approche dite « porogène ». Cette approche consiste en le dépôt d'une matrice de type a-SiOCH contenant des inclusions organiques qui sont dégradées dans un second temps, grâce à l'utilisation d'un post-traitement, afin de créer la porosité. La première partie de cette étude montre que l'extension de l'approche porogène a permis d'élaborer des matériaux ayant des constantes diélectriques pouvant atteindre 2,25 en utilisant un procédé industriel avec, comme type de post-traitement, un recuit thermique assisté par rayonnement UV. Certains matériaux ont été intégrés dans des démonstrateurs. Puis, dans un second temps, l'impact du procédé d'élaboration sur la structure chimique du matériau a été analysé afin de mieux comprendre son comportement mécanique. Enfin, la mise en place d'une technique de caractérisation a permis la mesure des différentes contributions de la constante diélectrique (électronique, ionique et dipolaire). L'évolution de ces composantes en fonction des paramètres d'élaboration a ainsi pu être étudiée
The enhancement of integrated circuits performances needs the development of new materials, like ultra low permittivity dielectrics, called Ultra Low-K (K<=2,5). This study focus on porous SiOCH thin films elaborated by PECVD via a "porogen" approach. This approach consists in the deposition of a SiOCH matrix containing organics inclusions which are removed afterwards, via a post-treatment, to create porosity. The first part of this study shows that the porogen approach extension has led to materials having a dielectric constant of 2. 25 by using an industrial process with a UV assisted thermal curing as post-treatment. Some of these materials have been integrated in demonstrators. In the second part of this study, elaboration process impact on chemical structure has been analysed to better understand mechanical behaviour of these materials. Finally, a characterization method has been set up to measure the different contributions to the dielectric constant (electronic, ionic and dipolar). Then, the evolution of these contributions as a function of the elaboration parameters has been studied

Résumé: Aujourd’hui plusieurs obstacles technologiques et limitations physiques s’opposent à la poursuite de la miniaturisation de la technologie CMOS : courants de fuite, effet de canal court, effet de porteurs chauds et fiabilité des oxydes de grille. Le transistor à un électron (SET) fait partie des composants émergents candidats pour remplacer les transistors CMOS ou pour constituer une technologie complémentaire à celle-ci. Ce travail de thèse traite de l’amélioration des caractéristiques électriques du transistor à un électron en optimisant ses jonctions tunnel. Cette optimisation commence tout d’abord par une étude des modes de conduction à travers la jonction tunnel. Elle se conclut par le développement d’une jonction tunnel optimisée basée sur un empilement de matériaux diélectriques (principalement Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3], H[florin]O[indice inférieur 2] et TiO[indice inférieur 2]) ayant des propriétés différentes en termes de hauteurs de barrières et de permittivités relatives. Ce manuscrit présente, la formulation des besoins du SET et de ses jonctions tunnel, le développement d’outils de simulation appropriés - basés sur les Matrices de transmission - pour la simulation du courant des jonctions tunnel du SET, l’identification des stratégies d’optimisation de ces dernières, grâce aux simulations et finalement l’étude expérimentale et l’intégration technologique des jonctions tunnel optimisées dans le procédé de fabrication de SET métallique en utilisant la technique de dépôt par couches atomiques (ALD). Ces travaux nous ont permis de prouver l’intérêt majeur de l’ingénierie des jonctions tunnel du SET pour accroitre son courant à l’état passant, réduire son courant de fuite et étendre son fonctionnement à des températures plus élevées.
Abstract: Today, several technological barriers and physical limitations arise against the miniaturization of the CMOS: leakage current, short channel effects, hot carrier effect and the reliability of the gate oxide. The single electron transistor (SET) is one of the emerging components most capable of replacing CMOS technology or provide it with complementary technology. The work of this thesis deals with the improvement of the electrical characteristics of the single electron transistor by optimizing its tunnel junctions. This optimization initially starts with a study of conduction modes through the tunnel junction. It concludes with the development of an optimized tunnel junction based on a stack of dielectric materials (mainly Al[subscript 2]O[subscript 3], H[florin]O[subscript 2] and TiO[subscript 2]), having different properties in terms of barrier heights and relative permittivities. This document, therefore, presents the theoretical formulation of the SET’s requirements and of its tunnel junctions, the development of appropriate simulation tools - based on the transmission matrix model- for the simulation of the SET tunnel junctions current, the identification of tunnel junctions optimization strategies from the simulations results and finally the experimental study and technological integration of the optimized tunnel junctions into the metallic SET fabrication process using the atomic layer deposition (ALD) technique. This work allowed to démonstrate the significance of SET tunnel junctions engineering in order to increase its operating current while reducing leakage and improving its operation at higher temperatures.

Aujourd’hui plusieurs obstacles technologiques et limitations physiques s’opposent à la poursuite de la miniaturisation de la technologie CMOS : courants de fuite, effet de canal court, effet de porteurs chauds et fiabilité des oxydes de grille. Le transistor à un électron (SET) fait partie des composants émergents candidats pour remplacer les transistors CMOS ou pour constituer une technologie complémentaire à celle-ci. Ce travail de thèse traite de l’amélioration des caractéristiques électriques du transistor à un électron en optimisant ses jonctions tunnel. Cette optimisation commence tout d’abord par une étude des modes de conduction à travers la jonction tunnel. Elle se conclut par le développement d’une jonction tunnel optimisée basée sur un empilement de matériaux diélectriques (principalement Al2O3, HfO2 et TiO2) ayant des propriétés différentes en termes de hauteurs de barrières et de permittivités relatives. Ce manuscrit présente, la formulation des besoins du SET et de ses jonctions tunnel, le développement d’outils de simulation appropriés - basés sur les matrices de transmission - pour la simulation du courant des jonctions tunnel du SET, l’identification des stratégies d’optimisation de ces dernières, grâce aux simulations et finalement l’étude expérimentale et l’intégration technologique des jonctions tunnel optimisées dans le procédé de fabrication de SET métallique en utilisant la technique de dépôt par couches atomiques (ALD). Ces travaux nous ont permis de prouver l’intérêt majeur de l’ingénierie des jonctions tunnel du SET pour accroitre son courant à l’état passant, réduire son courant de fuite et étendre son fonctionnement à des températures plus élevées
Today, several technological barriers and physical limitations arise against the miniaturization of the CMOS: leakage current, short channel effects, hot carrier effect and the reliability of the gate oxide. The single electron transistor (SET) is one of the emerging components most capable of replacing CMOS technology or provide it with complementary technology. The work of this thesis deals with the improvement of the electrical characteristics of the single electron transistor by optimizing its tunnel junctions. This optimization initially starts with a study of conduction modes through the tunnel junction. It concludes with the development of an optimized tunnel junction based on a stack of dielectric materials (mainly Al2O3, HfO2 and TiO2), having different properties in terms of barrier heights and relative permittivities. This document, therefore, presents the theoretical formulation of the SET’s requirements and of its tunnel junctions, the development of appropriate simulation tools - based on the transmission matrix model- for the simulation of the SET tunnel junctions current, the identification of tunnel junctions optimization strategies from the simulations results and finally the experimental study and technological integration of the optimized tunnel junctions into the metallic SET fabrication process using the atomic layer deposition (ALD) technique. This work allowed to demonstrate the significance of SET tunnel junctions engineering in order to increase its operating current while reducing leakage and improving its operation at higher temperatures

Les dernières technologies microélectroniques embarquent des transistors dont les isolants de grille sont des isolants à forte constante diélectrique (high-k en anglais) associés à des grilles métalliques (on utilise l'abréviation HKMG pour high-k – metal gate). Si cet empilement permet de garder une quantité de charges suffisante dans le canal, il est plus difficile de contrôler les tensions de seuil des transistors à cause de la présence de charges et de dipôle dans ces couches ou aux interfaces. Deux études préliminaires ont établi qu'il existe une corrélation entre les énergies de liaisons des éléments mesurées par XPS d'un empilement HKMG et la tension de seuil d'un transistor utilisant ce même empilement. Des charges sont présentes dans les couches isolantes des empilements HKMG, conduisant à un décalage du potentiel électrostatique au sein de ces couches. Ceci induit une modification du travail de sortie effectif de l'électrode métallique du transistor. Et en XPS ces charges induisent une variation de l'énergie cinétique des électrons extraits des couches se trouvant sous ces charges. L'objectif de cette thèse est de simuler de manière quantitative l'impact électrostatique induit par ces charges et dipôles et de comparer cet impact aux décalages des raies XPS ainsi qu'aux mesures électriques des tensions de seuil des transistors. Ceci permettra ensuite d'estimer la variation des tensions seuil des transistors très en amont dans le procédé de fabrication
The last microelectronic technologies includes transistors with materials of high dielectric constant (high-k ) associated to metal gate (we use the abbreviation HKMG for high-k - bad metal). If this pile allows to keep a sufficient quantity of charges in the channel, it is more difficult to check the threshold voltage of transistors because of the presence of charge and of dipole in these layers or in the interfaces. Two preliminary studies established that there is a correlation between the binding energies measured by XPS of a pile HKMG and the threshold voltage of a transistor using the same pile. Charges are present in the insulating layers of piles HKMG, leading to a difference of the electrostatic potential within these layers. A modification of the effective workfunction of the metallic electrode of the transistor in s then observed, and in XPS these charges lead t oa variation of the kinetic energy of electrons extracted from the layer. The purpose of this thesis is simulate in a quantitative way the electrostatic impact of this charges and dipôles and to compare this impact with the observation made by XPS as well as with the electric measures of the threshold voltage of transistors. This will then allow to estimate the variation of the threshold voltage of transistors well further in the manufacturing process

Ce travail de thèse porte sur l'intégration de matériaux de haute constante diélectrique (High-k) en tant que diélectrique interpoly dans les mémoires non volatiles de type Flash. L'objectif est de déterminer quel matériaux High-k seraient des candidats probables au remplacement de l'empilement ONO utilisé en tant que diélectrique interpoly. Une gamme de matériaux high-k ont été étudiés via des caractérisations électriques (I-V, C-V, statistique de claquage…) et physiques (TEM, EDX, XPS…) afin d'éliminer les matériaux ne répondant pas au cahier des charges d'un diélectrique interpoly. Les difficultés et les obstacles liés a l'intégration de matériaux High-k dans une chaine de procédés de fabrication de mémoires Flash ont été pris en compte, et des solutions ont été proposées
The work of this thesis is on integration of high dielectric constant materials (High-k) as dielectric interpoly in Flash non volatile memories. The objective is to determine which High-k materials are suitable as interpoly dielectric in place of the ONO stack currently used. A range of High-k materials have been studied by electrical characterizations (I-V, C-V, breakdown statistics…) and physical characterizations (TEM, EDX, XPS…) in order to select those with the best properties for an interpoly dielectric. The difficulties in integration of High-k materials in a Flash memory process flow have been taken in account and solutions have been proposed

Les commutateurs capacitifs MEMS RF présentent un intérêt connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs. Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus: la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. Le procédé technologique n'est pas assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de bonnes performances et reproductibilité. Le sujet de cette thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La partie 1 montre le procédé de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques ont été testés pour accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le chapitre 2. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Enfin, toutes ces optimisations et études ont été appliquées à un tuner d'impédance. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constituent le dernier chapitre
Capacitive RF MicroElectroMechanical System switches present well-known interests in microwave field for a lot of applications (spatial, mobile phone). They may bring tunability to high frequency modules without all the drawbacks of active devices. However numerous problems remain unsolved like dielectric reliability, power handling and fabrication yield which slow down the industrialisation of such components. Efforts have already been done on the design, the dielectric reliability and the technological process. This last-one is not enough improved to obtain functional structures with enhanced performances and reproducibility. The purpose of this thesis work deals with the optimization of the fabrication process of capacitive RF switches with enhanced power handling and their integration in an impedance tuner for K band applications. The first section shows the fabrication process and its principal improvements. Studies on sacrificial layer and releasing method permitted to increase the RF performances and the technological yield. Moreover, new dielectrics have been investigated in order to get better switch life time. The relation between the applied power and the generated temperature is described in the second chapter. Thermal characterizations have been performed to understand the mechanical behaviours under stress. Thanks to infra-red camera, the overheating due to power has been determined. Solutions have been found and studied to absorb or prevent deformations under thermal stress. Finally, all these improvements and studies have been applied to a circuit: an impedance tuner. Its design, fabrication and characterization constitute the final chapter of this manuscript

La miniaturisation des circuits intégrés permet à la fois d'augmenter les performances mais aussi de réduire leur coût. Cependant, cette réduction des dimensions provoque la prépondérance du temps de transit dans les interconnexions devant le temps de commutation des transistors. Ainsi, un matériau diélectrique de plus faible permittivité de type SiOC poreux est intégré malgré une sensibilité plus élevée au plasma de gravure. Ce travail de recherche s'intéresse au développement de procédés plasmas in situ réalisés après la gravure de l'empreinte de la ligne métallique dans le diélectrique poreux. Ces traitements, utilisant des chimies réductrices, oxydantes et à base d'hydrocarbures, ont pour but de 1) limiter la croissance de résidus qui provoquent parfois des pertes de rendement dans! le cas de l'utilisation d'un masque dur métallique et 2) limiter la diffusion de la barrière métallique en TaN/Ta. Cependant, ces traitements (NH3, 02, CH4, H2) ont été optimisés afin de ne pas augmenter la modification induite par l'étape de gravure seule. La caractérisation de la modification induite dans le diélectrique situé sur le fond et les flancs des lignes par les plasmas, été effectuée notamment en développant des techniques de caractérisation spécifiques. Ainsi, l'ensemble des traitements plasma induisent tous une couche modifiée dans le matériau avec des caractéristiques différentes sur le fond et les flancs (composition de surface, épaisseur, perméation. . . ). Le traitement à base de méthane limite la croissance de résidus sans modifier le diélectrique plus que l'étape de gravure. Ce procédé a été implémenté en production par l'entreprise
The decrease of the integrated circuits size lets to increase the performances and reduce the manufacture costs. However, this shrink causes the preponderance of interconnect delay compared to the transistor commutation time. Despite a high sensibility to plasma exposure, a porous SiOCH dielectric material with a lower k-value is implemented. This work focuses on the development of in situ plasma treatments performed after the etching of the imprint of metallic line into the dielectric material. These treatments, based on reductive, oxidizing and hydrocarbon chemistries, aim to 1) limit the residues formation in the case of a metallic hard mask which can cause yield losses and 2) limit the diffusion of the metallic barrier into the dielectric material. However, these treatments (NH}, O2, CH4, H2) have been optimized so as to not increase the modification induced by the etching step. The characterization of the dielectric material modification, induced by the treatments, at the bottom and the sidewalls of the trenches has been performed using new or optimized te<. . 1miques. Thus, with ail the plasma treatments, a modified layer is observed on both bottom and sidewalls of the trenches with different characteristics (thickness, permeation, surface composition. . . ). The methane based plasma treatment limits the growth of metallic residues without increasing the modification induced by the etching step. This treatment has been implemented in production at STMicroelectronics

La miniaturisation des circuits intégrés permet à la fois d'augmenter les performances mais aussi de réduire leur coût. Cependant, cette réduction des dimensions provoque la prépondérance du temps de transit dans les interconnexions devant le temps de commutation des transistors. Ainsi, un matériau diélectrique de plus faible permittivité de type SiOCH poreux est intégré malgré une sensibilité plus élevée au plasma de gravure. Ce travail de recherche s'intéresse au développement de procédés plasmas in situ réalisés après la gravure de l'empreinte de la ligne métallique dans le diélectrique poreux. Ces traitements, utilisant des chimies réductrices, oxydantes et à base d'hydrocarbures, ont pour but de 1) limiter la croissance de résidus qui provoquent parfois des pertes de rendement dans le cas de l'utilisation d'un masque dur métallique et 2) limiter la diffusion de la barrière métallique en TaN/Ta. Cependant, ces traitements (NH3, O2, CH4, H2) ont été optimisés afin de ne pas augmenter la modification induite par l'étape de gravure seule. La caractérisation de la modification induite dans le diélectrique situé sur le fond et les flancs des lignes par les plasmas a été effectuée notamment en développant des techniques de caractérisation spécifiques. Ainsi, l'ensemble des traitements plasma induisent tous une couche modifiée dans le matériau avec des caractéristiques différentes sur le fond et les flancs (composition de surface, épaisseur, perméation...). Le traitement à base de méthane limite la croissance de résidus sans modifier le diélectrique plus que l'étape de gravure. Ce procédé a été implémenté en production par l'entreprise STMicroélectronics.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode.

L’amélioration des systèmes électroniques pour le déploiement de l'avion tout électrique dépend de la capacité des composants passifs, tels que les condensateurs, à réduire leur volume, leur masse et leur coût, et augmenter leurs performances et leur fiabilité, particulièrement dans l’environnement aéronautique. Dans ce contexte, cette thèse a eu pour objectif l’étude et le développement de nouvelles technologies de condensateurs pour des applications avioniques. Dans la première partie des travaux, nous abordons l’évaluation de condensateurs céramique de puissance. La technologie céramique constitue, en effet, l’une des rares solutions matures capables de répondre aux exigences des équipementiers. La caractérisation, l’analyse des mécanismes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) ainsi que l’étude de fiabilité et de robustesse de composants commerciaux présentant des architectures originales (condensateurs multi-chips) ont été réalisées. Ces résultats ont été complétés par une étude plus amont sur la caractérisation de céramiques frittées par frittage flash (SPS). Les permittivités colossales de ces matériaux permettraient d’accroitre la fiabilité et la miniaturisation des condensateurs tout en conservant de fortes valeurs de capacité et de tension nominale. La seconde partie, plus fondamentale, a été consacrée au développement de nanoparticules céramique/polymère coeur-écorce pour des applications de condensateurs enterrés, opérant aux radiofréquences. La synthèse et les caractérisations physico-chimiques des nanocomposites ainsi que les procédés de fabrication de condensateurs en couches épaisses sont, en premier lieu, décrits. Une méthode de caractérisation électrique large bande a été mise au point pour permettre l’analyse des propriétés diélectriques et des mécanismes de conduction des nanoparticules. Les performances des dispositifs ont été recherchées en fonction de la température et des procédés de mise en forme. En outre, la durabilité en température de ces derniers a été évaluée
The improvement of electronic systems for the deployment of all-electric aircrafts depends on the ability of passive components, such as capacitors, to reduce their volume, weight and cost, and to increase their performance and reliability, particularly in the aeronautical environment. In this context, the objective of this thesis was to study and develop novel capacitor technologies for avionics. In the first part of this work, the evaluation of power ceramic capacitors has been discussed. Indeed, the ceramic technology appeared to be one of the few mature solutions meeting the requirements of OEMs. The characterization, the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) and reliability and robustness assessment of commercial components using original architectures (multi-chip capacitors) have been performed. These results have been completed by a more advanced study on the characterization of new ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS). The colossal permittivity of these materials could allow to increase reliability and miniaturization of capacitors while maintaining high values of capacitance and voltage rating. The second part, more fundamental, is devoted to the development of core-shell ceramic/polymer nanoparticles for embedded capacitors operating at radiofrequencies. The synthesis and the physicochemical characterization of the nanocomposites as well as the manufacturing processes of the thick film capacitors are first described. A new broadband electrical characterization methodology has been developed to analyze the dielectric properties and the conduction mechanisms of the nanoparticles. The effects of the temperature and the manufacturing process on the device performance have been investigated. In addition, the durability was evaluated

La miniaturisation des composants dans la micorélectronique touche maintenant les composants passifs comme les capacités MIM (Métal/Isolant/Métal). Pour augmenter la densité de capacité des capacités MIM, les diélectriques conventionnels (SiO2, ε = 3.9) sont remplacés par des diélectriques à haute permittivité diélectrique dits « high-k » comme ZrO2. Sa permittivité ε est égale à 47 lorsqu'il se trouve sous la phase tétragonale. Le procédé de dépôt de ZrO2 est la méthode PEALD. Nous avons étudié le procédé de dépôt de ZrO2 avec les précurseurs TEMAZ et ZyALD. Les propriétés thermodynamiques du TEMAZ ont été analysées par spectrométrie de masse. L'influence des paramètres du procédé PEALD et de post-traitements sur les mécanismes de formation de la zircone tétragonale a été étudiée. De nombreuses méthodes de caractérisation (XRD, Raman, TEM, SIMS, XPS, caractérisations électriques...) ont été employées afin d'établir un optimum propriétés des films de ZrO2 / performance du procédé de dépôt.

Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités " Métal-Isolant-Métal " (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb(ZrxTi1-x)O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al., Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al., J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al., IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al., IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012).

Le travail exposé dans cette thèse cible les nouveaux matériaux susceptibles d'être intégrés dans les mémoires et les applications à base de transistors MOS. Il est divisé en trois chapitres principaux. Le premier chapitre traite des contraintes de fabrication des dispositifs. Nous abordons aussi l'état de l'art ainsi que les objectifs industriels à courte échéance. Ce premier chapitre est important pour donner au lecteur les bases technologiques pour comprendre pourquoi des investissements gigantesques sur ces matériaux sont consentis dans l'industrie microélectronique et la recherche associée. Le second chapitre traite des méthodes de dépôt et croissance des isolants étudiés dans cette thèse. De même nous décrivons au mieux les moyens de caractérisation pour analyser les propriétés physiques et électriques de ces diélectriques. Quelques exemples de matériaux analysés aideront le lecteur à comprendre facilement notre méthode d'investigation scientifique. Le dernier chapitre est une revue de mon travail publié dans des journaux scientifiques de renommée internationale ou d'exposés dans des conférences majeures. Ce chapitre 3 est sous-divisé en 3 sections. La première et deuxième traite de la compréhension des propriétés des silicates d'aluminium-lanthane et oxydes de terre rare obtenus par différentes méthodes de dépôt et recuit. Les résultats ajoutés aux résultats de l'art antérieur donnent un aperçu significatif de notre recherche d'un matériau candidat potentiel comme isolant high k. La dernière section est dédiée aux oxydes de titane et de silicates de titane.

Au Népal central , les filons du Haut-Himalaya se sont formés dans un régime tectonique qui était tantôt compressif tantôt extensif selon 3 directions principales (N I20- N150°E, N80-N110°E et N10-N40°E). I s sont pour la plupart de composition leucogranitique. La classification des filons faite en fonction de K20 et des silicates ferromagnésiens permet d'identifier, à la lumière des éléments en trace et des isotopes du Sr, les roches source et leurs modes de fusion. Les quantités de fluides apportées pendant l'anatexie ont varié : un apport d'eau permet un taux élevé de fusion des différents niveaux sources (grauwackes, schistes, gneiss) et donne des filons et des granites plutôt homogènes de type Manaslu (prédominance de la biotite sur la tourmaline, teneurs en K20 moyennnes). Par contre, en mode anhydre (région du Machhapuchare), les magmas, obtenus en moindres quantités (filons à biotite et/ou tourmaline, K20 très faible à très élevé), ont des compositions différentes selon les matériaux source. Les différents magmas ont enregistré les mêmes cristallisations fractionnées de la biotite, de la tourmaline et du plagioclase durant leur ascension. Cependant, en traversant les niveaux calciques de la Dalle du Tibet, une forte contamination en Ca (+Ba et Sr) a causé la précipitation d'un plagioclase plus calcique, modifiant ainsi le rapport AI/Si des liquides et entraînant à son tour la recristallisation des biotites, l'arrêt de la formation des muscovites et des modifications dans les tourmalines. Des estimations de Li20, F et Fe3+/FeTolal dans les micas et des calculs de H20 et Fe3+/FeTotal dans les tourmalines permettent de montrer une hausse des conditions d'oxydation depuis la Formation 1 vers le granite du Manaslu. Des âges K/Ar et 39Ar/40Ar obtenus à partir des filons et des roches encaissantes permettent de rediscuter du refroidissement de la Dalle du Tibet en fonction de perturbations hydrothermales d'ampleur régionale et créatrices d'excès d'argon radiogénique.