La réduction de la taille des circuits CMOS vers des dimensions extrêmement petites est telle que son élément constitutif, le MOSFET à base de Silicium, commence à souffrir d’une faible efficacité de puissance. L’une des alternatives qui ne peut être écartée est le concept du transistor MOSFET à base de matériaux III-V. Ses propriétés de transport extraordinaires, apportées par les matériaux III-V, promettent de réduire la tension d’alimentation des circuits CMOS sans réduire leur performance. Cette transition technologique pourrait aboutir non seulement à des circuits CMOS plus petits, plus écologiques mais aussi à des circuits co-intégrés avec des technologies RF. C’est dans ce contexte que nous présentons, dans ce travail de thèse, la fabrication et la caractérisation des transistors MOSFET Ultra-Thin Body (UTB) à base d’InAs et du transistor FinFET à base d’InAs. La combinaison d’une longueur de grille extrêmement réduite, d’une faible résistance d’accès et d’une mobilité impressionnante dans le canal d’InAs a permis d’obtenir des courants importants (IMAX=2000mA/mm pour LG=25nm). Egalement, l‘utilisation des architectures du canal de type ultra mince et FinFET permet d’obtenir un bon contrôle électrostatique. De plus, une spécificité du procédé technologique présentée dans ce travail est les réalisations des contacts et du canal par une épitaxie par jets moléculaires (MBE) localisée. / Scaling the size of CMOS circuits to extremely small dimensions gets the semiconductor industry to a point where its cornerstone, Silicon-based MOSFET starts to suffer a poor power efficiency. In the quest for alternative solutions cannot be omitted a concept of III-V MOSFET. Its outstanding transport properties hold a promise of reduced CMOS supply voltage without compromising the performance. This can path a way not only to the smaller, greener electronics but also to more co-integrated RF and CMOS electronics. In this context, we present fabrication and characterization of Ultra-Thin body InAs MOSFETs and InAs FinFET. Synergy of a deeply scaled gate length, low access resistance and a high mobility of InAs channel enabled to obtain impressively high drain currents (IMAX=2000mA/mm for LG=25nm). Equally, the introduction of Ultra-Thin body and FinFET channel design provides an improved electrostatic control. A specific feature of the process presented in this work is a fabrication of contacts and channel by localized molecular beam epitaxy MBE epitaxy.

La réduction des dimensions des dispositifs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) implique de nombreux défis dans la formation de jonctions. La recroissance par épitaxie en phase solide (SPER) à des températures inférieures à 600 °C est une technique attrayante dans la mesure où elle permet de réaliser des jonctions abruptes avec une forte concentration de dopants actifs et qui sont nécessaires pour les nœuds avancés tels que le 20 nm et au-delà. Dans ce manuscrit, on présente un modèle atomistique basé sur la méthode Monte-Carlo cinétique sur réseau (LKMC) afin de simuler la cinétique de SPER dans le silicium. Le modèle s'appuie sur la description phénoménologique des mécanismes microscopiques de recristallisation proposé par Drosd et Washburn dans [J. Appl. Phys. 53, 397 (1982)] en distinguant des événements {100}, {110} et {111} selon le plan local de recroissance et a été implémenté dans le simulateur MMonCa [Appl. Phys. Lett. 98, 233109 (2011)]. Il s'agit de la même base que le modèle de Martín-Bragado et Moroz [Appl. Phys. Lett. 95, 123123 (2009)] qui a été implémenté dans le simulateur commercial Synopsys SProcess KMC. Néanmoins, dans notre travail, la formation de macles lors des évènements {111} a été introduite ce qui a nécessité des changements importants dans l'implémentation. Le modèle a été calibré sur des résultats expérimentaux et permet de prédire l'anisotropie et la dépendance en température. En particulier, il a été utilisé afin d'expliquer la formation de zones défectueuses dans les dispositifs FDSOI à l'issue de la SPER à une température réduite. Le modèle LKMC a, en outre, été étendu dans le but d'inclure l'influence d'une contrainte non-hydrostatique et la recroissance accélérée du fait de la présence de dopants actifs. Les effets d'une contrainte non-hydrostatique ont été introduits en utilisant le concept de tenseur d'activation proposé par Aziz, Sabin et Lu dans [Phys. Rev. B 44, 9812 (1991)] et seulement quatre paramètres indépendants sont nécessaires. La présence de dopants ionisés cause une accélération de la vitesse de recroissance qui est attribué à un effet lié à la position du niveau de Fermi à l'interface amorphe/cristal. Un solveur 3D auto-cohérent de l'équation de Poisson avec le modèle de Thomas-Fermi a été implémenté et couplé avec le modèle LKMC afin de prendre en compte la courbure des bandes à l'interface amorphe/cristal. La correction phénoménologique de décalage du niveau de Fermi généralisé (GFLS) proposée par Williams et Elliman dans [Phys. Rev. Lett. 51, 1069 (1983)] a été utilisée pour modifier les fréquences de recristallisation des évènements microscopiques. Des simulations de la vitesse de recroissance en fonction de la température pour différentes concentrations de dopants ont montré un bon accord avec les données expérimentales. En résumé, dans ce manuscrit, un modèle unifié de SPER basé sur une approche LKMC est présentée. Il prend en compte l'influence de différents paramètres sur la cinétique de recroissance et ayant un intérêt technologique tels que la température, l'orientation cristalline, la contrainte et la présence de dopants. Le modèle est, en soi, tridimensionnel et permet donc d'explorer les phénomènes de recroissance impliquant plusieurs fronts de recristallisation et qui ont lieu lors du procédé de fabrication de dispositifs électroniques réels. / Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) device scaling involves many technologicalchallenges in terms of junction formation. Solid phase epitaxial regrowth (SPER) at temperaturesbelow 600 ˝C is an attractive technique since it enables to form highly–activated andabrupt junctions that are required for advanced technology nodes such as 20 nm and beyond.In this manuscript, we present a comprehensive atomistic model relying on the lattice KineticMonte Carlo (LKMC) method to simulate SPER kinetics in silicon. The model is based onthe phenomenological description of the microscopic recrystallization mechanisms proposedby Drosd and Washburn in [J. Appl. Phys. 53, 397 (1982)] by distinguishing among {100},{110} and {111} events depending on the local regrowth plane and has been implemented inthe MMonCa simulator [Appl. Phys. Lett. 98, 233109 (2011)]. This is the same basis than theatomistic model of Martín–Bragado and Moroz proposed in [Appl. Phys. Lett. 95, 123123(2009)] and available in the Synopsys SProcess KMC commercial tool. Nevertheless, in ourwork the formation of twin configurations during {111} events has been incorporated givingrise to significant changes in the implementation. The model has been calibrated on single–directional SPER experiments and allows predicting the regrowth anisotropy and temperaturedependence. In particular, it has been used to explain the formation of defective regions inFDSOI devices annealed with a low processing temperature. In this work, the LKMC modelhas also been extended in order to include the influence of non–hystrostatic stress and dopant–enhanced regrowth that are technologically relevant. Non–hydrostatic stress effects have beenincorporated using the concept of activation strain tensor introduced by Aziz, Sabin and Luin [Phys. Rev. B 44, 9812 (1991)] and only four independent parameters are required. Thepresence of ionized dopants has been shown to cause an enhancement of the regrowth velocitywhich has been attributed to a Fermi level effect. A three–dimensional Thomas–Fermi–Poisson solver has been implemented and coupled with the LKMC model allowing to takeinto account the band bending at amorphous/crystalline interface. The phenomenological generalizedFermi level shifting (GFLS) correction proposed by Williams and Elliman in [Phys.Rev. Lett. 51, 1069 (1983)] has been used to modify the microscopic recrystallization rates.Simulations of the regrowth velocity as a function of temperature for different dopant concentrationshave shown a reasonable agreement with experimental data. In summary, in thismanuscript a unified SPER model relying on the LKMC approach is presented. It takes intoaccount various technologically relevant parameters influencing the regrowth kinetics such astemperature, crystalline orientation, stress and dopants. The model is per se three-dimensionaland can therefore be used to explore multi–directional regrowth phenomena that take place inreal electronic devices.

Ma thèse porte sur l’étude par simulations numériques à l’échelle atomique de l’adsorption de molécules uniques et d’auto-assemblages moléculaires sur la surface de silicium Si(111) dopée bore notée Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. Après un premier chapitre de présentation des méthodes de calcul, puis un chapitre consacré à la surface Si(111)-B, la thèse se divise en deux grandes parties : l’une concernant l’adsorption de molécules uniques et l’autre consacrée à l’adsorption de tapis moléculaire.La première partie concerne l’adsorption de molécules uniques sur la surface de Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. Nous avons plus particulièrement étudié trois molécules présentant des mécanismes d’adsorption différents : la molécule de pyridile-azobenzène, une molécule de la famille des porphyrines (Cu-TBPP) et deux molécules appartenant à la famille des phtalocyanines (H2Pc et CuPc). Dans chaque étude, nous avons effectué une étude énergétique, structurale et électronique. Dans la plupart des cas, nous avons complété l’étude par un calcul d’image STM pour comparer avec les résultats expérimentaux. A partir de cette étude, nous avons montré que les molécules interagissent différemment avec la surface via des interactions électrostatiques, des liaisons datives, des liaisons ioniques et un mécanisme de cycloaddition. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’étude de l’auto-assemblage de molécules organiques sur la surface Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. L’auto-assemblage moléculaire est une technique permettant la fabrication d’architectures hautement organisées à l’échelle atomique. Nous avons étudié trois molécules différentes formant un auto-assemblage sur la surface de Si(111)-B : 1,3,5-tri(4-bromophényle benzène) notée TBB, 1,3,5-tri(4-iodophényle benzène) notée TIB et 1,3,5-triphenylbenzene notée THB. Comme la formation d’un réseau auto-organisé est la conséquence d’un équilibre entre les interactions molécule-molécule et molécules-substrat, nous avons évalué les énergies d’interaction mises en jeu en utilisant différentes approximations (LDA, GGA et GGA+D). Nous avons étudié, ensuite, les propriétés électroniques de ces assemblages par le calcul des densités d’états projetées, de la différence de la densité de charge, du Laplacien de la charge ou de la fonction ELF. Afin de comparer nos résultats avec les résultats expérimentaux, nous avons effectué un calcul d’image STM en utilisant deux approches : l’approche de Tersoff-Hamann et l’approche multidiffusion proposée par le code bSKAN. Dans une dernière étape, nous avons étudié la recroissance de molécules de fullerène C60 sur le réseau auto-organisé de molécules de TBB déposées sur la surface Si(111) (√(3 ) x√3)R30° -B. Nous avons effectué une étude énergétique des molécules de C60 qui se déposent préférentiellement dans les nanopores de forme hexagonale en accord avec les expériences STM. / My thesis presents the study of the adsorption of single molecules and molecular self-assembly, by numerical simulations at the atomic scale, on a boron doped silicon surface denoted Si(111)(√(3 ) x√3)R30°-B. After presenting the calculation methods and describing the surface model, this thesis is made of two parts: the first one is about the adsorption of single molecules and the second one is devoted to the formation of supramolecular network. In the first part, I studied the adsorption of single molecules on the silicon surface doped boron Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B. I have investigated the adsorption mechanisms of three different molecules: a molecule of pyridyl-azobenzene, a molecule of the family of porphyrin (Cu-TBBP) and two molecules which belong to the family of phtalocyanine (H2Pc and CuPc). For every molecule, I conducted energetic, structural and electronic studies. In most of the cases, I completed this work by calculating STM images in order to compare with experimental results. The second part of this thesis deals with the study of self assembly of organic molecules on the surface of Si(111)(√(3 ) x√3)R30°-B. Molecular self assembly is a technique which allows the formation of highly organized architectures at the atomic scale. I have studied three different molecules forming self assembly on the surface of Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B : 1,3,5-tri(4-bromophenyl benzene) denoted TBB, 1,3,5-tri(4-iodophenyle benzene) denoted TIB et 1,3,5-triphenylbenzene denoted THB. As the formation of a self organized network is a result of equilibrium between molecule-molecule interaction and molecule-substrate one, I have evaluated the interaction energies by using different approximations (LDA, GGA and GGA+D). Then, I have studied the electronic properties of these assemblies by calculating the projected density of states, the charge difference and the Laplacien of the charge or the ELF function (Electronic Localization Function). In order to compare our results with experimental ones, STM images calculations were performed by using two different approaches: the approach of Tersoff-Hamann and the multi-scattering approach proposed by bSKAN code. Finally, I have studied the growth of C60 molecules on the self organized network formed by the TBB molecules deposited on the Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B surface. The energetic study shows that C60 molecules are adsorbed preferentially in the hexagonal nanopores in agreement with the STM observations.

L'activation à basse température est prometteuse pour l'intégration 3D séquentielle où lebudget thermique du transistor supérieur est limité (<650 ºC) pour ne pas dégrader letransistor inférieur, mais aussi dans le cas d'une intégration planaire afin d'atteindre des EOTultra fines et de contrôler le travail de sortie de la grille sans recourir à une intégration de type" gate-last ". Dans ce travail, l'activation par recroissance en phase solide (SPER) a étéétudiée afin de réduire le budget thermique de l'activation des dopants.L'activation à basse température présente plusieurs inconvénients. Les travauxprécédents montrent que les fuites de jonctions sont plus importantes dans ces dispositifs.Ensuite, des fortes désactivations de dopants ont été observées. Troisièmement, la faiblediffusion des dopants rend difficile la connexion des jonctions source et drain avec le canal.Dans ce travail, il est montré que dans un transistor FDSOI, l'augmentation des fuites dejonctions et la désactivation du Bore peuvent être évités grâce à la présence de l'oxyde enterré.De plus les conditions d'implantation ont été optimisées et les transistors activés à650 ºC atteignent les performances des transistors de référence.

L’activation à basse température est prometteuse pour l’intégration 3D séquentielle où lebudget thermique du transistor supérieur est limité (<650 ºC) pour ne pas dégrader letransistor inférieur, mais aussi dans le cas d’une intégration planaire afin d’atteindre des EOTultra fines et de contrôler le travail de sortie de la grille sans recourir à une intégration de type« gate-last ». Dans ce travail, l’activation par recroissance en phase solide (SPER) a étéétudiée afin de réduire le budget thermique de l’activation des dopants.L’activation à basse température présente plusieurs inconvénients. Les travauxprécédents montrent que les fuites de jonctions sont plus importantes dans ces dispositifs.Ensuite, des fortes désactivations de dopants ont été observées. Troisièmement, la faiblediffusion des dopants rend difficile la connexion des jonctions source et drain avec le canal.Dans ce travail, il est montré que dans un transistor FDSOI, l’augmentation des fuites dejonctions et la désactivation du Bore peuvent être évités grâce à la présence de l’oxyde enterré.De plus les conditions d’implantation ont été optimisées et les transistors activés à650 ºC atteignent les performances des transistors de référence. / Low temperature (LT) process is gaining interest in the frame of 3D sequentialintegration where limited thermal budget (<650 ºC) is needed for top FET to preserve bottomFET from any degradation and also in the standard planar integration for achieving ultra-thinEOT and work function control with high-k metal gate without gate-last integration scheme.In this work, LT Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) has been investigated for reducingthe most critical thermal budget which is dopant activation.From previous works, LT activated devices face several challenges: First, higher junctionleakage limits their application to high performance devices. Secondly, strong deactivation ofthe metastable activated dopants was observed with post anneals. Thirdly, the dopant weakdiffusion makes it difficult to connect the channel with S/D.In this work, it is shown that the use of FDSOI enables to overcome junction leakage andBoron deactivation issues thanks to the defect cutting off and sinking effect of buried oxide.As a consequence, dopant deactivation in FDSOI devices is no longer an issue. Finally,implants conditions of LT transistors have been optimized to reach similar performance thanits standard high temperature counterparts.