Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte de miniaturisation des transistors MOS afin de mener la technologie CMOS à ces dimensions ultimes.<br /> Avec les techniques actuelles de fabrication et pour des longueurs de grille de transistor inférieures à 30nm, les variations moyennes de la longueur de grille, appelées rugosité de bord, entraînent des fluctuations électriques dans le transistor inacceptables pour le bon fonctionnement des futures générations de dispositifs. Il convient donc de contrôler ce paramètre afin de le réduire. Pour réussir ce défi technologique, il est essentiel de le mesurer avec précision afin, par la suite, de comprendre ses origines et son évolution après chaque étape technologique de fabrication. <br /> Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la mesure la rugosité de bord, à l'aide d'un nouvel équipement de métrologie : le microscope à force atomique en trois dimensions. Nous avons évalué les capacités de cet outil et déterminé un protocole de mesure de la rugosité de bord, qui nous a permis ensuite d'étudier ses origines et d'étudier son évolution lors des différentes étapes technologiques de fabrication d'une grille de transistors MOS. Nous avons remarqué que la formation de la rugosité de bord est un problème complexe qui fait intervenir de nombreux facteurs fortement liés entre eux. Par la suite, nous montrons que le bombardement ionique d'un procédé de gravure plasma est responsable de la diminution de la rugosité de bord de la résine. Nous avons également mis en évidence que la rugosité de bord du masque avant la gravure de la grille est un paramètre clé pour le contrôle de la rugosité de la grille finale.

Les diodes réalisées avec le diamant comme semi-conducteur comportent de nombreuses potentialités dues à sa bande interdite de 5.45 eV. Parmi les principales, il y a le fonctionnement à des températures très supérieures à celles supportées par les autres semi-conducteurs, ainsi qu'une tension de claquage de plusieurs kV. Le but de ce travail est de réaliser des couches de diamant homoépitaxié faiblement dopées bore et préparées avec ajout d'oxygène, adaptées à ces diodes. Des méthodes de caractérisation telles que la spectroscopie Raman et la cathodoluminescence fournissent des informations sur la qualité cristalline des couches et la nature des défauts présents. Une étude de l'optimisation de la gravure par plasma O2 a permis de réaliser des contacts ohmiques sur la couche p+ et des structures mesa. Les caractéristiques de contacts ohmiques Au/Ti et Si/Al/Si et de contacts Schottky Ag/Ti et Ni/Er sont étudiées. La génération et la passivation des défauts révélés ainsi que leur interaction avec la compensation des accepteurs introduits par le bore sont déterminées par des mesures électriques et transitoires.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des recherches avancées pour l'élaboration de la grille en silicium amorphe, pour les applications CMOS sub-0,1 µm. Cette étude a été menée sur la plate-forme de gravure du CNET, équipée de différents outils de caractérisation installés in situ. Dans un premier temps, nous avons développé un procédé de gravure à base de HBr/O2 permettant d'assurer une bonne anisotropie de gravure tout en ne générant aucun perçage de l'oxyde de grille très mince (< 2 nm). Au cours de l'optimisation de ce procédé, nous avons observé une augmentation de l'épaisseur de l'oxyde de grille. Grâce à différentes techniques d'analyses, nous avons montré que cette augmentation d'épaisseur est due à une oxydation et une amorphisation partielle du substrat de silicium sous l'oxyde de grille. Le deuxième volet de ce travail a porté sur une étude physico-chimique de la couche de passivation formée sur les flancs de la grille. Cette couche permet d'assurer l'anisotropie de gravure en bloquant toute gravure latérale. Par des analyses XPS, nous avons montré qu'elle se forme dès l'étape de gravure principale. Elle est constituée d'un 'sous' oxyde de silicium bromé. Pendant l'étape de surgravure, cette couche se densifie par substitution du brome par des atomes d'oxygène. Nous avons également montré que sa formation dépend fortement de la chimie utilisée, de l'énergie des ions, de la durée de la surgravure et de la dilution en oxygène. Des observations au microscope électronique à transmission ont révélé que cette couche est plus épaisse au sommet qu'au pied de la grille, favorisant ainsi l'apparition de défaut sous forme d'encoche au pied de la grille, le 'notching'.

Ce travail de thèse vise l'étude des interactions entre les plasmas utilisés en microélectronique et les résines à amplification chimique. Les procédés de fabrication employés en microélectronique nécessitent l'utilisation de matériaux polymères. Ces matériaux permettent dans un premier temps de définir des motifs représentant les différentes parties des composants électroniques, grâce à une étape de lithographie. Dans la suite du procédé de fabrication, ils jouent le rôle de masque afin de traiter les surfaces sous-jacentes aux endroits désirés. Une de ces étapes pour laquelle le polymère joue le rôle de masque est la gravure sèche par plasma, qui permet de transférer les motifs créés par lithographie dans le substrat et ainsi obtenir la structure du circuit intégré. Ainsi les résines employées doivent être suffisamment résistantes afin de remplir efficacement leur rôle de masque à la gravure. L'objectif principal de ce travail de thèse a donc été d'étudier la résistance à la gravure des résines à amplification chimique de dernière génération (193 nm) afin de mettre en évidence les dégradations de ces matériaux pendant les étapes de gravure, et de trouver des moyens d'améliorer leur résistance. Dans un premier temps le comportement des résines 193 nm a été comparé à une résine de référence plus résistante. Des analyses physico-chimiques (FTIR, XPS, DSC et TGA) ont permis de mettre en évidence les faiblesses des résines 193 nm liées à leur structure acrylique. La chimie des résines 193 nm étant complexe et devant répondre à de nombreux critères notamment pour l'étape de lithographie, il est préférable de les renforcer en tentant de contrôler les dégradations observées. Ainsi le deuxième objectif de la thèse a été d'étudier le renforcement des résines par des procédés plasma en utilisant des conditions particulières différentes des étapes de gravure. Les modifications spécifiques apportées par ces traitements sur les résines ont donc été mises en évidence, et le rôle prépondérant des émissions UV a notamment pu être prouvé. Enfin ces traitements plasma ont été appliqués sur des lignes de résines afin de montrer le fort potentiel applicatif de ces procédés pour améliorer deux points critiques : la vitesse de gravure et la rugosité des motifs.

Les transistors mono-électroniques (SETs) sont des dispositifs ayant un grand potentiel d'applications, comme la détection de charge ultra-sensible, la logique à basse consommation de puissance, la mémoire ou la métrologie. De plus, la possibilité de piéger un seul électron et de manipuler son état de spin pourrait permettre des applications en informatique quantique. Le silicium est un matériau intéressant pour fabriquer l'îlot d'un SET. Son gap semi-conducteur permet le fonctionnement du dispositif dans le régime à un seul électron ou trou et pourrait permettre d'étendre la plage d'opération du SET en température en augmentant l'énergie d'addition du diamant central de la valeur du gap. En outre, le silicium bénéficie de plus de quarante années d'expertise en microfabrication et d'une compatibilité avec la technologie métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS). Cependant, la fabrication de ces dispositifs fait face à de sérieuses limitations à cause de la taille nanométrique requise pour l'îlot. À ce jour, les procédés de fabrication proposés permettant l'opération à la température ambiante sont trop peu reproductibles pour permettre des applications à grande échelle. Dans ce mémoire de maîtrise, la fabrication de transistors mono-électroniques en silicium (Si-SETs) pour le traitement classique et quantique de l'information est réalisée avec un procédé nanodamascène. Le polissage chimico-mécanique (CMP) est introduit comme étape clef de la fabrication du transistor, permettant le contrôle au nanomètre près (nanodamascène) de l'épaisseur du transistor. Cet outil permet la fabrication de dispositifs ayant une géométrie auparavant impossible à réaliser et ouvre la porte à l'innovation technologique. De plus, un procédé de gravure du silicium par plasma à couplage inductif (ICP) est développé pour permettre la fabrication de nanostructures de silicium sur une nanotopographie alliant le nano et le 3D. Les Si-SETs fabriqués sont caractérisés à basse température et démontrent du blocage de Coulomb avec une énergie de charge de plus de 100 meV, soit quatre fois la température ambiante. De plus, le régime à un seul électron et les effets quantiques du confinement dans ce régime sont observés. Pour la première fois, le gap complet du silicium et les premiers diamants sont mesurés sur un dispositif fabriqué avec un procédé reproductible et industrialisable. Le diamant central voit son énergie d'addition augmentée de la valeur du gap du silicium, pour un total de plus de 1200 meV, soit 46 fois la température ambiante. Cette caractéristique pourrait ouvrir la porte à des applications en logique basse puissance dans un mode de transport à plusieurs électrons laissant circuler dix fois plus de courant dans l'état ouvert, tout en conservant le bas courant dans l'état fermé d'un SET.

Résumé : Le transistor monoélectronique (SET) est un dispositif nanoélectronique très attractif à cause de son ultra-basse consommation d’énergie et sa forte densité d’intégration, mais il n’a pas les capacités suffisantes pour pouvoir remplacer complètement la technologie CMOS. Cependant, la combinaison de la technologie SET avec celle du CMOS est une voie intéressante puisqu’elle permet de profiter des forces de chacune, afin d’obtenir des circuits avec des fonctionnalités additionnelles et uniques. Cette thèse porte sur l’intégration 3D monolithique de nanodispositifs dans le back-end-of-line (BEOL) d’une puce CMOS. Cette approche permet d’obtenir des circuits hybrides et de donner une valeur ajoutée aux puces CMOS actuelles sans altérer le procédé de fabrication du niveau des transistors MOS. L’étude se base sur le procédé nanodamascène classique développé à l’UdeS qui a permis la fabrication de dispositifs nanoélectroniques sur un substrat de SiO2. Ce document présente les travaux réalisés sur l’optimisation du procédé de fabrication nanodamascène, afin de le rendre compatible avec le BEOL de circuits CMOS. Des procédés de gravure plasma adaptés à la fabrication de nanostructures métalliques et diélectriques sont ainsi développés. Le nouveau procédé nanodamascène inverse a permis de fabriquer des jonctions MIM et des SET métalliques sur une couche de SiO2. Les caractérisations électriques de MIM et de SET formés avec des jonctions TiN/Al2O3 ont permis de démontrer la présence de pièges dans les jonctions et la fonctionnalité d’un SET à basse température (1,5 K). Le transfert de ce procédé sur CMOS et le procédé d’interconnexions verticales sont aussi développés par la suite. Finalement, un circuit 3D composé d’un nanofil de titane connecté verticalement à un transistor MOS est réalisé et caractérisé avec succès. Les résultats obtenus lors de cette thèse permettent de valider la possibilité de co-intégrer verticalement des dispositifs nanoélectroniques avec une technologie CMOS, en utilisant un procédé de fabrication compatible. / Abstract : The single electron transistor (SET) is a nanoelectronic device very attractive due to its ultra-low power consumption and its high integration density, but he is not capable of completely replace CMOS technology. Nevertheless, the hybridization of these two technologies is an interesting approach since it combines the advantages of both technologies, in order to obtain circuits with new and unique functionalities. This thesis deals with the 3D monolithic integration of nanodevices in the back-end-ofline (BEOL) of a CMOS chip. This approach gives the opportunity to build hybrid circuits and to add value to CMOS chips without fundamentally changing the process fabrication of MOS transistors. This study is based on the nanodamascene process developed at UdeS, which is used to fabricate nanoelectronic devices on a SiO2 layer. This document presents the work done on the nanodamascene process optimization, in order to make it compatible with the BEOL of CMOS circuits. The development of plasma etching processes has been required to fabricate metallic and dielectric nanostructures useful to the fabrication of nanodevices. MIM junctions and metallic SET have been fabricated with the new reverse nanodamascene process on a SiO2 substrate. Electrical characterizations of MIM devices and SET formed with TiN/Al2O3 junctions have shown trap sites in the dielectric and a functional SET at low temperature (1.5 K). The transfer process on CMOS substrate and the vertical interconnection process have also been developed. Finally, a 3D circuit consisting of a titanium nanowire connected to a MOS transistor is fabricated and is functional. The results obtained during this thesis prove that the co-integration of nanoelectronic devices in the BEOL of a CMOS chip is possible, using a compatible process.

L'objectif de ce travail est de comprendre comment s'auto-organisent les films minces de PS-b-PMMA présentant des nanodomaines cylindriques de PMMA orientés verticalement. Ces films sont ensuite utilisés pour organiser des nano-objets discrets de faibles dimensions (diamètre ~ 20 nm) et en forte densité (~1011/cm²).<br />Il est montré que la phase de cylindres verticaux se forme de façon indirecte pendant le recuit thermique à partir d'une phase homogène. Tout d'abord, il se forme une phase de cylindres désordonnés au sein du film sur laquelle la phase de cylindres verticaux s'établie par un mécanisme de nucléation-croissance, menant à la présence de défauts aux joints de grains. <br />L'élimination des défauts dans le réseau nécéssite une diffusion de ces derniers. Après avoir montré expérimentalement et théoriquement que les sites heptacoordinés adoptent une morphologie distordue en raison de la contrainte du réseau, nous proposons un mécanisme de diffusion des dislocations basé sur la division des nanodomaines distordus. Nous montrons que les films réalisés possédent un ordre hexatique selon la théorie KTHNY.<br /> Finalement, nous utilisons ces films en tant que masque pour réaliser, par gravure plasma, des nano-piliers en Si/SiGe ou bien des capacités MOS à nanocristaux de Pt

Dans ce travail, nous avons étudié les plasmas inductifs en chimie chlorée, leurs interactions avec la surface du réacteur et l'impact de celles-ci lors de la gravure avancée en micro-électronique. Nous avons utilisé principalement deux diagnostics plasma in-situ et non perturbants : la sonde électrostatique et la spectrométrie d'absorption U.V. La sonde électrostatique plane permet de mesurer le flux ionique sur les parois du réacteur. Grâce à un couplage capacitif, elle est tolérante aux dépôts sur sa surface. Elle fonctionne aussi avec les plasmas électronégatifs, mais à fortes pressions, les inhomogénéités de ces plasmas font que le flux ionique localisé sur les parois peut différé du flux ionique sur les plaques gravées. Avec l'absorption U.V., la concentration absolue de Cl2 a été mesurée et le taux de dissociation en a été déduit. En se basant sur le modèle global de Lieberman qui suppose la température électronique indépendante de la puissance source injectée, un modèle théorique a été élaboré pour calculer le taux de dissociation. La dissociation de Cl2 dépend principalement de la puissance source injectée mais n'atteint jamais 100% à cause des recombinaisons rapide et diminue lorsque la pression augmente. Les concentrations des produits de gravure SiCl, SiCl2 et AlCl ont également été déterminées. Couplées aux mesures de flux ionique, Ils apparaît que ces produits sont produits directement par la gravure ionique. L'addition de CF4 dans un plasma de chlore provoque une baisse progressive des concentrations des produits chlorés jusqu'à un état stationnaire. Le retour à des plasmas en chlore pur provoque une hausse également progressive des concentrations de produits chloré. Le changement de chimie perturbe l'état des surfaces du réacteur ce qui modifie la composition chimique et le flux ionique des plasmas. L'historique du réacteur à une grande importance sur les dérives des procédés.

L'objet de cette étude est la gravure par plasma de matériaux hybrides SiOC(H) qui sont de nouveaux composés émergents. Leurs propriétés ajustables entre composés organiques et inorganiques leurs donnent de grandes potentialités. Ce travail est dédié à deux applications particulières en microélectronique.<br />Dans un premier temps, notre étude s'est portée sur leurs applications en lithographie optique dans le cadre d'un projet européen (157 CRISPIES n° 2000 30-143) où sont développés de nouveaux polymères contenant un nanocomposé, la molécule POSS (Si8O12) (Polyhedral oligomeric silsesquioxane). Ces polymères pourraient être utilisés dans un procédé de lithographie bicouche car ils sont faiblement absorbants pour les futurs rayonnements, UV à 157 nm, ou X à 13,5 nm. L'analyse de leur surface avant gravure a été particulièrement poussée grâce à une utilisation avancée des mesures XPS. Ce travail a mis en évidence la ségrégation en surface de la molécule POSS. Afin de caractériser la phase de développement plasma du procédé bicouche, ces matériaux ont été gravés en plasma d'oxygène. Des analyses XPS et ellipsométriques montrent le rôle joué par la couche d'oxyde qui se forme à la surface de ces matériaux. Une corrélation est faite entre l'épaisseur de l'oxyde mesurée par XPS et la consommation totale du polymère mesurée par ellipsométrie. L'ensemble de ces résultats nous a amené à développer un modèle cinétique permettant de comprendre les mécanismes de gravure de ces nouveaux composés en plasmas oxydants.<br />Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'utilisation de SiOC(H) comme isolant d'interconnexion. En effet, ces matériaux présentent une permittivité électrique plus faible que celle de l'oxyde de silicium classiquement utilisé en microélectronique, on les appelle low-k. Ils permettent d'améliorer les vitesses de transmission des informations au sein des puces. Les plasmas fluorocarbonés (C2F6) avec différents additifs (O2, Ar, H2) ont été utilisés à la fois pour obtenir une vitesse de gravure élevée mais aussi une sélectivité importante avec la couche d'arrêt SiC(H). L'addition d'hydrogène permet d'augmenter la sélectivité tout en conservant une vitesse de gravure élevée. Les caractérisations de surface par XPS quasi in situ montrent tout d'abord que la composition du matériau est modifiée sur quelques nanomètres, avec une diminution de la quantité de carbone. Ensuite, pour les plasmas de C2F6/H2 et C2F6/Ar, une couche fluorocarbonée se superpose à cette couche modifiée et son épaisseur est corrélée aux vitesses de gravure. Des mesures du flux ionique et de la quantité de fluor atomique permettent de mieux appréhender les mécanismes de gravure qui régissent ces matériaux.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une méthode novatrice de réalisation de nanostructures. Offrant la possibilité de nanofabrication au-delà des limites des techniques de litho-gravure (approche "top-down"), la croissance en mode tri-dimensionnel (approche "bottom-up"), qui se caractérise par la formation spontanée d'îlots à partir d'atomes déposés en surface, fournit des nanostructures avec d'excellentes qualités (résolution, interface). L'idée de ce travail a été d'étudier la structuration du substrat pour provoquer un arrangement périodique de ces îlots nanométriques avec une faible dispersion en taille. Cette pré-structuration est obtenue de façon "naturelle" à partir des marches des surfaces vicinales et de façon "artificielle" en imposant un motif périodique par litho-gravure. Nous avons élaboré des réseaux de trous sur des surfaces vicinales de Si(111) par lithographie électronique et gravure ionique réactive. Une optimisation des conditions de litho-gravure par plan d'expériences a permis de fabriquer des réseaux de trous de 40 nm de diamètre espacés de 40 nm, avec un facteur de forme supérieur à 1. La structuration de surface se poursuit par un recuit sous ultravide qui permet de réarranger la morphologie de celle-ci, notamment en ordonnant les marches suivant le réseau prédéfini par litho-gravure. Partant d'une surface avec des trous plus profonds et en procédant à son hydrogénation, l'optimisation de la durée et de la température de recuit permet d'éviter l'annihilation des trous avant le réarrangement total de la surface. Parallèlement à cela, il a fallut trouver les futures conditions de croissance permettant l'auto-organisation d'îlots d'or sur ces surfaces ainsi structurées. Pour cela, nous avons utilisé la surface "modèle" Si(111) désorientée de 2° vers [11-2] qui présente, grâce aux effets d'accumulation de marches (effets de "step bunching"), une structuration naturelle 1D avec une périodicité voisine de celle recherchée lors de la structuration artificielle. En ajustant le flux d'atomes et la température, c'est-à-dire la longueur de diffusion des ad-atomes d'or, nous avons obtenu un alignement d'îlots nanométriques le long des bords de marche de ces surfaces vicinales. Ceci est un premier pas vers la croissance auto-organisée en 2D, basée sur l'association des approches "top-down" et "bottom-up".