L'usage des oxydes high-K comme diélectriques de grille dans les transistors MOSFET s'impose comme une étape obligatoire pour maintenir la croissance continue des performances électriques de ces composants électroniques. Malheureusement, le dépôt de ces oxydes sur silicium pose des problèmes sérieux (formation d'une couche intermédiaire de silice ou d'un siliciure métallique, mauvaise maîtrise de la qualité électronique de l'interface, mobilité des porteurs réduite, etc.). Une voie envisageable pour réaliser des interfaces Si/high-K de bonne qualité est l'utilisation d'une couche mince de « primaire » organique. Le greffage de chaînes organiques saturées par pontage Si-O-C (silicium-alcoxyle) a été exploré. La stabilité thermique des couches greffées a été étudiée par spectroscopie infrarouge. Il apparaît que la décomposition ne s'effectue pas par rupture de l'ancrage Si-O-C, mais par fragmentation de la chaîne. Ce processus a été modélisé qualitativement par une simulation numérique. Pour optimiser les couches organiques greffées, les efforts se sont orientés vers le greffage de chaînes fonctionnelles ultra-courtes et à terminaison hydrophile. Cependant, la terminaison fonctionnelle de ces chaînes peut interférer avec la réaction de greffage, soit en inhibant la réactivité de la terminaison à greffer, soit en induisant des réactions parasites. L'hydrolyse d'esters courts greffés, nécessaire pour obtenir des terminaisons hydrophiles, n'a pu être réalisée sans éviter l'hydrolyse de l'ancrage Si-O-C. Le dépôt de couches de HfO2 a été réalisé sur des couches organiques dont le greffage est bien maîtrisé. Les couches s'avèrent continues, bien qu'un peu plus rugueuses que sur substrat de silicium non greffé. L'infrarouge indique une décomposition partielle de la couche organique mais la surface du silicium apparaît largement préservée de l'oxydation. Ces résultats préliminaires semblent indiquer que la stabilité thermique de la couche organique ne constitue pas une barrière infranchissable et que l'approche considérée peut être viable. Mots-clés : couches organiques, oxydes high-K, greffage, spectroscopie infrarouge, stabilité thermique, hydrolyse

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.

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.

Les mémoires flash non volatiles - utilisées dans les ordinateurs, les téléphones portables ou les clés USB - peuvent être constituées de nanostructures semiconductrices (SC) ou métalliques insérées dans une matrice isolante. Elles nécessitent l’élaboration d’hétérostructures de type "oxyde/métal/oxyde/SC" et la maîtrise de chaque interface. Dans ce cadre, nous avons étudié les premiers stades de la croissance de nanostructures de Fer élaborées par épitaxie par jet moléculaire (EJM) sur les substrats d’oxyde (high-k) cristallins LaAlO3(001) et LaAlO3(111). Les propriétés chimiques et structurales ont été déterminées, in-situ, par spectroscopie de photoélectrons X (XPS), diffraction de photoélectrons X (XPD) et diffraction d’électrons (RHEED et LEED) puis ex-situ par microscopie électronique en transmission (TEM). Une étude par simulation des profils XPD, basée sur la théorie de la diffusion multiple, a été menée à l’aide du programme de calcul Ms-Spec. L’étude de la croissance de Fe sur LaAlO3(001) à différentes températures de substrat a montré l’existence d’une fenêtre étroite de température, autour de 500 °C, où la croissance de Fe est épitaxique et de type Volmer-Weber (îlots 3D). Les analyses RHEED, XPD et TEM ont mis en évidence une unique relation d’épitaxie, où la maille élémentaire de Fe est tournée de 45° par rapport à celle du substrat. Les résultats XPS ont montré un environnement chimique unique des atomes de Fer (forme atomique), traduisant l’absence de toute inter-diffusion à l’interface Fe/LaAlO3(001). L’étude de la croissance de Fe sur LaAlO3(111) a également mis en évidence un mode de croissance Volmer-Weber et une interface abrupte. Par ailleurs, tout un travail de développement à l'intérieur du code Ms-Spec a été nécessaire afin de surmonter des problèmes de convergence des calculs de diffusion multiple rencontrés dans le cas d’atomes lourds ayant des énergies cinétiques élevées (atomes de La dans LaAlO3). À cette fin, quatre hypothèses ont été formulés:1- Une prise en compte insuffisante des processus inélastiques :2- L’approximation muffin-tin n'est plus suffisante pour décrire correctement le potentiel ;3- Trop de chemins de faible intensité sont négligés ;4- Divergence de la série de diffusion multiple utilisée pour calculer la section efficace.Les calculs ont montré que les trois premières hypothèses n’ont pas d’influence sur la convergence dans le cas présent. En revanche, la quatrième hypothèse a été validée. En effet, on a montré que du fait du fort pouvoir diffuseur des atomes de La, le développement en série de diffusion multiple pouvait diverger (rayon spectral, i.e. la plus grande des valeurs propres en module de la matrice de diffusion, > 1) pour des grandes tailles d'amas de LaAlO3, alors qu’il converge pour des amas de Si et de MgO de taille similaire (les deux systèmes utilisés en comparaison). Par ailleurs, au-delà de quelques centaines d’atomes, le rayon spectral de LaAlO3, même inférieur à 1, reste important ce qui rend la convergence très lente. / Non-volatile flash memories embedding nanocrystals (NC) are promissing devices for use in computers, mobiles phones or USB keys. The insertion of semiconducting (SC) or metal NC in an insulating matrix requires the elaboration of complex "oxide/metal/oxide/SC" heterostructures and the control of the associated successive growth steps. In this context, we have studied the first growth stades of Fe nanostructures elaborated by Molecular Beam Epitaxy (MBE) on the of crystalline oxides (high-k) substrates of LaAlO3(001) and LaAlO3(111). Chemical and structural properties were investigated in-situ, by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray photoelectron diffraction (XPD) and electron diffraction (RHEED and LEED), and ex-situ by transmission electron spectroscopy (TEM). A simulation study of XPD profiles, based on the theory of multiple scattering, was conducted using the Ms-Spec calculation program. The study of the growth of Fe on LaAlO3(001) at different substrate temperatures showed the existence of a narrow temperature window, around 500 °C, where Fe has epitaxial growth with Volmer-Weber type (3D islands). The RHEED, XPD and TEM analysis showed a single epitaxial relationship, where the Fe unit cell is rotated by 45° compared to the substrate one. The XPS results showed a unique chemical environment of Fe atoms (atomic form), reflecting the absence of inter-diffusion in the Fe/LaAlO3(001) interface. The study of the Fe grown on LaAlO3(111) also showed a Volmer-Weber growth mode and an abrupt interface.Moreover, further development work within the Ms-Spec code was needed to overcome the issue of multiple scattering calculations convergence usually encountered in the case of heavy atoms with high kinetic energies (La atoms in the LaAlO3). In this regard, four hypotheses were formulated : 1- Insufficient consideration of the inelastic processes ;2- The muffin-tin approximation is no longer sufficient to adequately describe the potential ;3- Unduly low intensity paths are neglected ;4- Divergence of multile scattering series used to calculate the cross section.The calculations allowed us to rule out the first three hypothesis, since no influence on convergence was found in this case. However, the fourth hypothesis was validated. Indeed, it was shown that due to the high power diffuser of the La atoms, the multiple scattering series expansion could diverge (spectral radius, i.e. the largest eigenvalue modulus of the scattering matrix,> 1) for large sizes of LaAlO3 clusters. Whereas, it converges to the clusters of Si and MgO of similar size (both systems used in comparison). Furthermore, even less than 1, spectral radius of LaAlO3 remains important beyond few hundred atoms, thus rendering the convergence very slow.

La miniaturisation depuis 50 ans des composants, transistors MOSFET à base de silicium, dans les technologies CMOS est de plus en plus limité par l'apparition de phénomènes quantiques dans les dispositifs de taille sub-0,1 µm. L'épaisseur requise pour l'isolant de grille devenant trop faible, cela induit une très forte augmentation des courants de fuites à travers le diélectrique. Une solution pour résoudre ce problème est de remplacer la silice (SiO2), qui est l'isolant naturel du substrat de Si, par un autre matériau qui a une constante diélectrique plus élevée que celle de la silice. Avec ces oxydes « high-κ » on peut viser une épaisseur physique d'isolant plus élevée et donc diminuer les courants de fuites tout en maintenant la capacité surfacique du transistor constante. <br />Les solutions industrielles actuelles développées sont à base d'oxydes « high-κ » amorphes. Une alternative serait l'utilisation d'oxydes monocristallins épitaxiés directement sur silicium qui permettrait de retrouver les propriétés de l'oxyde massif et d'obtenir des interfaces abruptes sans présence de couches interfaciales. Cependant le choix du matériau est limité par le désaccord de maille avec le substrat et aussi par la compatibilité et la stabilité thermodynamique des oxydes vis-à-vis du Si. Les matériaux explorés dans cette thèse ont été LaAlO3 et Gd2O3 choisis pour leurs propriétés électroniques (constante diélectrique et discontinuités de bandes) et γ-Al2O3 choisi pour ses qualités thermodynamiques vis-à-vis du Si. La méthode d'élaboration utilisée a été l'épitaxie par jets moléculaires (EJM).<br />Nous avons tout d'abord commencé par étudier le système LaAlO3/Si. Après avoir défini les conditions optimales de croissance (température, pression d'oxygène et vitesse de croissance), par homoépitaxie (sur un substrat de LaAlO3(001)) et hétéroépitaxie (sur un substrat de SrTiO3(001)), nous avons exploré les possibilités de faire croître cet oxyde directement sur Si(001). N'ayant pas pu trouver de fenêtre de croissance compatible, une solution a été d'utiliser une fine couche interfaciale de SrO ou de SrTiO3 pour obtenir une phase solide de LaAlO3 sur Si. Cependant les limitations thermodynamiques de l'interface à base d'alcalino-terreux (Sr) rendent incompatible la réalisation de transistors CMOS. <br />Le deuxième oxyde étudié a été l'oxyde de gadolinium (Gd2O3). Si la croissance s'est révélée monodomaine et de très bonne qualité sur Si(111), nous avons observé une croissance bidomaine sur substrat de Si(001). Ceci provient de l'alignement des plans (110) de l'oxyde sur les plans (001) du Si, tournés de 90° à chaque marche de silicium, Nous avons alors montré que l'utilisation d'un substrat vicinal de Si(001) désorienté de 6° permet de favoriser qu'un seul domaine de Gd2O3. Malgré ses limitations (formation de silicate interfacial à hautes températures) le système Gd2O3/Si est actuellement considéré comme un des plus intéressants pour l'intégration dans les technologies CMOS.<br />Afin d'obtenir des interfaces abruptes et stables thermodynamiquement, nous avons exploré les possibilités offertes par l'oxyde γ-Al2O3. Après avoir mis en évidence la possibilité de faire croître un film fin de γ-Al2O3(001) pseudomorphe avec une interface cohérente, nous avons défini différents assemblages possibles combinant γ-Al2O3 et un oxyde « high-κ ». Une solution originale qui permet d'intégrer un oxyde « high-κ » cristallin sur Si avec une interface abrupte et stable a été proposée.

Les oxydes forment une classe de matériaux qui couvrent un vaste spectre de fonctionnalités: diélectricité, semiconductivité, métallicité, supraconductivité, optique non linéaire, acoustique, piézoélectricité, ferroélectricité, ferromagnétisme… Dans cette thèse nous avons réalisé l’intégration d’oxydes sous forme de couches minces cristallines sur silicium, en utilisant l’épitaxie par jets moléculaires (EJM).Le premier objectif de la croissance d’oxydes cristallins sur silicium est de réaliser des isolateurs de grille à forte constante diélectrique pour les technologies CMOS avancées« sub-22nm ». L’utilisation de l’oxyde de gadolinium (Gd2O3) a été explorée en détail comme un candidat très prometteur pour remplacer l’oxyde de grille traditionnelle qu’est la silice(SiO2). La croissance épitaxiale de Gd2O3 sur le substrat Si (111) a été réalisée en identifiant les conditions de croissance optimale pour obtenir de bonnes propriétés diélectriques avec notamment l’obtention d’une valeur d’EOT de 0,73nm et des courants de fuite compatibles avec les spécifications de l’ITRS pour les noeuds « sub-22nm ». En outre, les propriétés diélectriques de Gd2O3 ont pu être améliorées en effectuant des recuits post-dépôts. L’autre intérêt d’avoir un empilement d’oxydes cristallins sur silicium repose sur leurs applications potentielles dans les technologies « Plus que Moore » ainsi que pour l’« Intégrations hétérogènes». Le système SrTiO3/Si (001) a été étudié comme un système modèle de l'intégration des oxydes sur semi-conducteur. La cristallinité, la qualité de l’interface oxyde-semiconducteur, l’état de surface et le processus de relaxation de STO déposé sur silicium ont été examinés et analysés, permettant de déterminer des conditions de croissance optimales. Plusieurs processus de croissance ont été réalisés et comparées. Finalement, une couche mince de STO de même qualité qu’un substrat massif a pu être obtenue sur silicium avec une bonne cristallinité et une surface atomiquement lisse. A partir des empilements de Gd2O3/Si et SrTiO3/Si, il a été possible d’intégrer sur silicium des oxydes possédant des fonctionnalités variées comme la ferro-(piézo-)électricité(BaTiO3, PZT et PMN-PT), le ferromagnétisme (LSMO) et l’optoélectronique (Ge). Ces couches minces fonctionnelles sur Si peuvent être alors largement utilisées pour des applications de stockage mémoire, les lasers et les cellules solaires, etc. / Oxides form a class of material which covers almost all the spectra of functionalities : dielectricity, semiconductivity, metallicity superconductivity, non-linear optics, acoustics, piezoelectricity, ferroelectricity, ferromagnetism…In this thesis, crystalline oxides have beenintegrated on the workhorse of the semiconductor industry, the silicon, by Molecular Beam Epitaxy (MBE).The first great interest of the epitaxial growth of crystalline oxides on silicon consists in the application of “high-k” dielectric for future sub-22nm CMOS technology. Gadoliniumoxide was explored in detail as a promising candidate of the alternative of SiO2. The pseudomorphic epitaxial growth of Gd2O3 on Si (111) was realized by identifying the optimal growth conditions. The Gd2O3 films show good dielectric properties and particularly an EOTof 0.73nm with a leakage current consistent with the requirements of ITRS for the sub-22nmnodes. In addition, the dielectric behavior of Gd2O3 thin films was further improved by performing PDA treatments. The second research interest on crystalline oxide/Si platform results from its potential application for the “More than Moore” and “Heterogeneous integration” technologies. TheSrTiO3/Si (001) was intensively studied as a paradigm of the integration of oxides on semiconductors. The crystallinity, interface and surface qualities and relaxation process of the STO films on silicon grown at the optimal conditions were investigated and analyzed. Several optimized growth processes were carried out and compared. Finally a “substrate-like” STO thin film was obtained on the silicon substrate with good crystallinity and atomic flat surface. Based on the Gd2O3/Si and SrTiO3/Si templates, diverse functionalities were integrated on the silicon substrate, such as ferro-(piezo-)electricity (BaTiO3, PZT and PMN-PT),ferromagnetism (LSMO) and optoelectronics (Ge). These functional materials epitaxially grown on Si can be widely used for storage memories, lasers and solar cells, etc.