Cette thèse porte sur l'étude des phénomènes qui se produisent lors de la réaction métal-silicium (siliciuration) en couches minces et dans des nanofils. En effet, les phénomènes tels que la germination, la croissance latérale, la croissance normale et la diffusion doivent être compris pour réaliser les contacts des futurs dispositifs de la microélectronique. La comparaison entre la siliciuration en couches minces et dans les nanofils est l'un des principaux aspects de ce travail. La distribution atomique en 3D des éléments chimiques dans les différentes siliciures de Ni a été obtenue par sonde atomique tomographique (SAT). Pour permettre l'analyse par SAT de différents types des nanofils à base de silicium, plusieurs méthodes originales de préparation des échantillons par faisceau d'ions focalisés ont été développées et testées. D'autre part, des mesures in situ et en temps réel de diffusion réactive par diffraction de rayons X ont permis de mettre en évidence l'importance de la germination dans la formation des phases et de déterminer les cinétiques de formation des siliciures de Ni allié en Pt, notamment des régimes de réaction aux interfaces et de croissance latérale. La forme caractéristique associée à la croissance latérale a été déterminée par des analyses ex situ de microscopie électronique en transmission et comparée aux modèles existants. La détermination par SAT de l'espèce qui diffuse majoritairement donne aussi des indications sur les mécanismes de formation des phases et de relaxation des contraintes dans les siliciures. / This thesis focuses on the phenomena that occur during the reaction between metal and silicon (silicide) on thin films and nanowires. Indeed, phenomena such as nucleation, lateral growth, normal growth and diffusion must be understood to make contacts for future microelectronic devices. The comparison between the silicide formation on thin films and nanowires is one of the main aspects of this work. Atomic distribution in 3D for the elements in different Ni silicide phase was obtained by atom probe tomography (APT). To enable the analysis of different types of silicon nanowires by APT, several original methods for sample preparation by focused ion beam has been developed and tested. On the other hand, in situ and real-time analysis by X-ray diffraction during the reactive diffusion helped to highlight the importance of the nucleation of a phase and to determine the kinetics of formation of Ni(Pt) silicides, including the reaction on the interfaces and the lateral growth. The characteristic shape associated with the lateral growth was determined by ex-situ transmission electron microscopy analyzes and was compared with the existing theoretical models. Moreover, the determination of the fastest diffusing species by APT provided information on the mechanisms of phase formation and stress relaxation in the silicide.

Avec la réduction de taille des composants microélectroniques, le monosiliciure de nickel (NiSi) a été largement utilisé dans les transistors CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) en tant que contacts pour les sources, drains et grilles. Cependant, NiSi se dégrade lors du recuit à haute température. Il apparait essentiel d'étudier la séquence de formation de phases et la stabilité du monosilicide en présence d’éléments d'alliage. Les réactions à l'état solide entre des films de Ni allié en W et/ou Pt et un substrat de Si ont été étudiées principalement par diffraction des rayons X (DRX) in-situ et sonde atomique tomographique (SAT). L'analyse combinatoire de la réaction entre des films Ni avec différents composition gradients et le Si a permis de comprendre la séquence de formation. Les concentrations des éléments d'alliage (W et Pt) ont un impact significatif sur la séquence de formation des siliciures de Ni et sur la cinétique de formation des phases. Le mécanisme d'agglomération des films minces de NiSi a également été étudié au cours de cette thèse. Un film de Ni pur de 15 nm a été déposé sur un substrat de Si enrichi de multicouches de Si isotopique. Des analyses SAT ont été effectuées sur l'échantillon de Ni/Si (isotope) après un recuit à 600°C. En observant la distribution des isotopes de Si, un mécanisme d'agglomération de NiSi a été proposé selon que les isotopes de Si restent sous forme de multicouches ou qu'ils se mélangent. Cette étude rendue possible grâce à la capacité unique de la SAT d'observer les isotopes en 3D et à l'échelle atomique apporte une meilleure compréhension de l'agglomération de films minces poly-cristallin d'intermétallique / With the downscaling of microelectronic devices, NiSi has been widely used in complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors as contact on source, drain and gate. However, NiSi suffers from degradation upon annealing at high temperatures. Adding alloying elements is an effective method to increase the stability of nickel monosilicide but the formation sequence of Ni silicides is substantially modified. Therefore, the studies of the phase formation sequence and the stability of monosilicide are of great importance.The solid-state reactions between Ni films alloyed with W and/or Pt and Si substrates were studied mainly by in-situ X-ray diffraction (XRD) and atom probe tomography (APT) using combinatorial analysis of co-deposited gradient films. The phase sequence was monitored by in-situ XRD and APT was used to examine the silicides and reveal the redistribution of alloying elements. The content of alloying elements (W and Pt) has a large impact on the phase sequence of Ni silicides and the kinetics of phase formation. The basic agglomeration mechanism of NiSi thin films was studied. A 15nm pure Ni film was deposited on a Si substrate enriched with isotope multilayers. APT analyses were performed on the sample of Ni/Si (isotope) after an annealing at 600°C. By observing the distribution of Si isotopes (30Si, 29Si and 28Si), whether they maintain a multilayer structure or are mixed together, a mechanism of the agglomeration of NiSi was proposed. This was possible because of the unique capability of APT to observe isotopes in 3D at the atomic scale and it allows a better understanding and to control of the agglomeration of poly-crystalline compound thin films

Le couplage des propriétés ferromagnétiques et semiconductrices représente une perspective prometteuse, afin de réaliser des technologies qui exploitent le spin des électrons. Ceci permettra de stocker et traiter des bits informatiques de façon instantanée dans le même dispositif, plutôt que dans des dispositifs séparés (mémoire et processeur). La Spintronique pourrait alors révolutionner la technologie de l'information. Un candidat potentiel pour la fabrication d'hétérostructures métal ferromagnétique/semiconducteur pour des applications en Spintronique, est le système Mn-Ge. Ce système qui est compatible avec la technologie CMOS, présente une phase intéressante pour la Spintronique qui est Mn5Ge3, avec une possibilité d'épitaxie sur le Ge(111). Afin d'intégrer cette phase dans des procédés de fabrication, nous étudions la diffusion réactive à l'état solide entre un film de Mn et un substrat de Ge (comme dans le cas de la formation des siliciures dans la technologie CMOS). L'accent a été mis sur la séquence de formation de phases lors de la réaction entre un film nanométrique de Mn et le Ge, l'influence de l'interface sur cette réaction, et sur la diffusion du Mn dans le Ge. L'incorporation du carbone dans des films minces de Mn5Ge3 a montré une augmentation notable de la température de Curie : nous présentons alors l'effet du carbone sur la réaction Mn-Ge, et sa redistribution dans les couches minces MnxGey. / Coupling ferromagnetic and semi-conducting properties represents a pathway toward producing technologies that exploit the spin of electrons. That would allow store and process computer bits instantly in a same device, rather than separate devices (memory and CPU). The Spintronics could then revolutionize the information technology. A potential candidate for the fabrication of heterostructures ferromagnetic metal / semiconductor for Spintronics applications is the Mn-Ge system. This system is compatible with CMOS technology, and presents an interesting phase for Spintronics which is Mn5Ge3 phase, which is able to be grown epitaxially on Ge(111). To integrate this phase in the manufacturing process, we study the solid state reactive diffusion between a thin Mn film and Ge substrate, to form a germanide upon the Ge substrate (as in the case of the formation of silicides in CMOS technology). Emphasis was placed on the sequence of phase formation during the reaction between a 50 nm thick Mn film and Ge, the influence of the interface on the reaction, and the diffusion of Mn in Ge. Incorporation of carbon in thin Mn5Ge3 films showed a significant increase in the Curie temperature, we then present the effect of carbon on the reaction Mn-Ge and its redistribution in thin MnxGey films.