Avec l’augmentation de la densité de fonctionnalités dans les différents circuits intégrés nous entourant, l’intégration 3D (empilement des puces) devient incontournable. L’un des point-clés d’une telle intégration est la métallisation des vias traversant (TSV, Through Silicon Via) reliant deux puces entre-elles : ces TSV ont des facteurs de forme de plus en plus agressifs, pouvant dépasser 20. Les dépôts des couches barrière à la diffusion du cuivre et d’accroche pour le dépôt électrolytique du cuivre étant actuellement réalisées par dépôt physique en phase vapeur, ceux-ci sont limités en termes de conformité et de facteur de forme. Le travail de cette thèse porte sur le développement du dépôt de couches atomiques (ALD, Atomic Layer Deposition) de cuivre et de nitrure de tantale afin de résoudre les problèmes énoncés lors de la métallisation de TSV. Les précurseurs de cuivre étant actuellement mal connus, différents précurseurs ont été dans un premier temps évalués, afin de sélectionner celui répondant au cahier des charges précis de notre étude. Nous nous sommes par la suite attachés à l’étudier selon deux axes : d’abord en examinant ses propriétés thermodynamiques afin de mieux appréhender les réactions de dépôt, puis lors d’élaboration de films de cuivre sur différents substrats et à différentes conditions afin d’optimiser le procédé d’élaboration de films mince de cuivre. Dans un second temps, nous nous sommes attachés à l’étude d’un précurseur de tantale pour la réalisation de couches barrière à la diffusion. Celui-ci a été étudié en ALD, afin de proposer à l’industrie microélectronique un procédé de dépôt de couches barrière et d’accroche optimisé. Pour finir, nous avons vérifié que l’ALD permet le dépôt conforme dans des TSV à haut facteur de forme, et que les films obtenus ont les propriétés correspondant au cahier des charges de l’industrie la microélectronique. / With the increasing density of features in the various integrated circuits surrounding us, 3D integration (stacking chips) becomes essential. One key point of such integration is the metallization of Through Silicon Vias (TSV) connecting two chips together: the aspect ratio of these TSV will be higher than 20 in the near future. The copper-diffusion barrier layer and seed layer for the electrodeposition of copper are currently deposited by physical vapour deposition, and this technique is limited in terms of conformality in high aspect ratio structure. This work focuses on the development of the Atomic Layer Deposition (ALD) of copper and tantalum nitride in order to propose conformal deposition method of barrier and seed layers. Copper precursors being not well known, different precursors were initially evaluated following the specifications of our study. Once the most promising precursor selected, it has been studied in two different ways. Firstly, a thermodynamic study has been carried out to understand the deposition mechanism; then copper ALD films were deposited on different substrates using different conditions to optimize the deposition. In a second step, a tantalum precursor has been studied for ALD of diffusion barrier, in order to offer the microelectronics industry a deposition method for both barrier and seed layer. Finally, we verified that ALD leads to conformal deposition on high aspect ratio TSV, and that the resulting films have properties corresponding to the specifications of the microelectronic industry.

Le tantale est un métal à utilisation stratégique notamment dansle domaine de l'électronique et des implants biomédicaux,domaines qui requièrent la réalisation de dépôts de tantale encouches minces. L’objectif de cette thèse est de déposer par voieélectrochimique et à température ambiante du tantale métalliqueà partir d'un sel de tantale solubilisé dans un électrolyte liquideionique qui possède à la fois les propriétés d’un solvant et d’unélectrolyte. Ils ont une fenêtre électrochimique large qui les rendprometteurs pour l’électrodéposition des matériaux réfractairescomme le tantale. Nous avons établis au cours de cette thèse denouvelles connaissances sur les propriétés physico-chimiques etde transport de l’électrolyte formé du sel de tantale TaF5 et duliquide ionique [BMPyr][TFSI]. Ces études corrélées à desanalyses électrochimiques et des analyses de la morphologie etde la composition élémentaire du dépôt ont conduit à proposerun mécanisme de réduction du sel de tantale pentavalent entantale métallique. Du tantale métallique sous une formeamorphe existe dans les couches profondes du dépôtaccompagné de résidus du liquide ionique enfermé dans lespores des couches déposées. / Tantalum is a metal of strategic uses such as in the field ofelectronics and biomedical implants. These fields require thedeposition of thin metallic tantalum films on different substrates.The aim of this thesis is to perform tantalum electrodepositionfrom tantalum salt at room temperature using room temperatureionic liquids as electrolytes. Tantalum electrodeposition isimpossible in aqueous solutions; therefore ionic liquids are thebest choice for this application because of their largeelectrochemical window. Room temperature ionic liquidsaccomplish both the roles of a solvent and an electrolyte. Theirperspectives are encouraging for the electrodeposition ofrefractory metals as tantalum. We have established in this thesisnew knowledge about the physicochemical and transportproperties of the electrolyte formed by tantalum salt TaF5 andthe room temperature ionic liquid [BMPyr][TFSI]. These studiescorrelated with electrochemical analysis, morphology andelemental composition analysis of the layers deposited served usin the understanding of the reduction mechanism of tantalumsalt into its metallic form. An amorphous metallic form oftantalum exists in deeper layers of the deposit in addition toresidues of the ionic liquid trapped in the pores of the layers.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:34:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-03-17T11:04:02Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-03-17T11:04:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Maria Eneide de Souza Araujo (mearaujo@ipen.br) on 2015-10-07T12:39:18Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-10-07T12:39:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:34:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-03-17T11:04:02Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-03-17T11:04:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Cerâmicas à base de alumina pertencem à classe de materiais denominados estruturais, muito utilizados em ferramentas de corte. A alumina possui boas propriedades para uso como cerâmica estrutural e com o objetivo de melhorar suas tenacidade à fratura e resistência mecânica, são produzidos compósitos com diferentes aditivos. Novos estudos apontam para os micro-nanocompósitos, onde a adição de partículas micrométricas deve auxiliar no aumento da resistência mecânica, e de partículas nanométricas, no aumento da tenacidade à fratura. Neste trabalho foram obtidos micro-nanocompósitos à base de Al2O3 com inclusão de partículas nanométricas de NbC e micrométricas de WC com proporções de 2:1, 6:4, 10:5 e 15:10 e micro-nanocompósitos à base de Al2O3 com inclusão de partículas nanométricas de NbC e micrométricas de TaC com proporção de 2:1 em relação à alumina. Para o estudo de densificação, os micro-nanocompósitos foram sinterizados em dilatômetro com taxa de aquecimento de 20 °C / min até a temperatura de 1800 °C, em atmosfera de argônio. Com base nos resultados de dilatometria, corpos de prova foram sinterizados entre 1500°C e 1700°C, com patamar de 30 minutos, em forno resistivo de grafite e atmosfera de argônio. Foram determinadas as densidades, fases cristalinas formadas, durezas e tenacidades, e analisadas as microestruturas dos micro-nanocompósitos. As amostras Al2O3:NbC:TaC sinterizadas a 1700°C atingiram as maiores densidades aparentes (~95%DT) e a amostra sinterizada a 1600°C apresentou microestrutura homogênea e valor de dureza (15,8 GPa) em comparação à alumina pura. As composições com 3% de inclusões são as mais promissoras para aplicações futuras como ferramentas de corte. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Maria Eneide de Souza Araujo (mearaujo@ipen.br) on 2015-10-07T12:39:18Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-10-07T12:39:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho foram realizados experimentos de soldagem de chapas de Tântalo e Monel 400 com 100 m de espessura. Foram realizadas soldas em um laser de Nd:YAG operando em modo pulsado e em um Laser de Fibra operando em modo contínuo. Em seguida a microestrutura das amostras foram analisadas através de microscopia ótica e foram realizados ensaio de microdureza Vickers. As amostras que apresentaram melhores resultados foram submetidas a ensaios de tração e a ensaios de corrosão. Após análise dos resultados observou-se que a soldagem a laser apresenta muitos benefícios em relação a outros processos convencionais para chapas finas. A soldagem no modo pulsado apresentou maior relação de aspecto se comparado a soldagem em modo contínuo. A soldagem em modo contínuo apresentou uma velocidade de soldagem muito superior ao modo pulsado. Os resultados indicaram que a soldagem no modo pulsado apresenta maior aplicabilidade para chapas finas, devido à necessidade um controle preciso sobre a intensidade aplicada. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

L'activation de petites molécules azotées telles que l'azote et l'ammoniac a été développé dans notre laboratoire via la chimie organométallique de surface (COMS). Les recherches effectuées durant cette thèse ont permis d'établir la réactivité de complexe de tantale imido amido supporté sur silice, [(SiO)2Ta(=NH)(NH2)] vis-à-vis de l'hydrogène et de l'ammoniac. Des étapes élémentaires de clivage hétérolytique de liaison H-H ou N-H ont été établies. En particulier, l'importance d'une molécule d'ammoniac dans la deuxième sphère de coordination (outer sphere assistance) du système s'est avérée cruciale pour la diminution des barrières d'énergie des états de transition pendant le transfert de protons. Les études ont été faites pour déterminer et expliquer le mécanisme de réduction de N2 par les complexes d'hydrures de tantale. La compréhension du mécanisme a été établie grâce aux études avec N2, N2H4 et N2H2 pour trouver les intermédiaires de cette réduction suivis par in-situ infrarouge, RMN et l'analyse élémentaire, et à l'aide de calcul DFT. Un mécanisme de clivage de N2 par des complexes dihydrogènes de Ta(V) est proposé. Enfin, la réactivité du complexe [(SiO)2Ta(=NH)(NH2)] vers l'activation de liaison C-H de C6H6, C6H5-CH3, t-Bu-Ethylène et CH4 a été étudié par la spectroscopie infrarouge / The activation of small molecules such as nitrogen and ammonia was already developed in our laboratory using the surface organometallic chemistry (SOMC) approach. This thesis focused on understanding the reactivity of tantalum imido amido complex [(SiO)2Ta(=NH)(NH2)], under hydrogen and/ or ammonia atmosphere. Heterolytic H-H and N-H cleavage across Ta-NH2 and Ta=NH bonds appeared crucial. The assistance of an additional ammonia molecule in the outer sphere of the d0 tantalum(v) imido amido ammonia model complex in order to reduce the energy barriers of the transition states during proton transfer was also shown. Studies were done to identify the mechanism of N2 reduction by tantalum hydride complexes. Studies with N2, N2H4 and N2H2 allowed identifying the intermediaries via in situ IR, NMR and elemental analysis. Combined with DFT calculations, these experiments led to the proposal of a novel mechanism for N2 cleavage based on the central role of Ta(H2) adducts. Finally, the reactivity of imido amido complex toward C-H bond activation was studied with C6H6, C6H5-CH3, t-Bu-Ethylene and CH4

Le Ta₃N₅ fait partie des matériaux les plus prometteurs pour la photo-électrolyse de l’eau. En effet, la bande de valence et la bande de conduction sont situées autour du potentiel d’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène et son petit gap (2.1eV) permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire. Par contre la synthèse de ce matériau est difficile à cause de la structure riche en azote (faible diffusion) et de l’état d’oxydation élevé du Ta (+5) dans le cristal de Ta₃N₅. Sa synthèse par pulvérisation cathodique est peu exploitée à ce jour, malgré que cette technique de dépôt permette d’augmenter le rapport ion-neutre arrivant sur le film en croissance et donc de fournir de l’énergie supplémentaire à la surface du film favorisant ainsi la cristallisation. Lors cette thèse, des couches minces de Ta₃N₅ ont été déposées par pulvérisation cathodique dans une atmosphère réactive. Il y est montré que la pulvérisation d’une cible de Ta produit des Ar rétrodiffusés avec des énergies élevées qui augmentent l’incorporation de défauts dans la couche lorsque la polarisation de la cible est élevée. Des films de Ta₃N₅ ont été déposés en mode continu ce qui a permis de maintenir une polarisation faible. Il a été mis en évidence que l’oxygène incorporé dans le cristal joue un rôle crucial pour la déposition du film de Ta₃N₅. De plus, l’oxygène influence fortement les propriétés des couches minces, notamment les propriétés optiques et électroniques. Un nouveau système, augmentant le flux d’ions vers le substrat, a été installé dans le réacteur de dépôt ce qui a augmenté le degré de cristallisation de la phase Ta₃N₅. Les connaissances acquises lors de cette thèse ont été utilisées pour préparer des photoanodes à partir de Ta₃N₅ et leur aptitude à décomposer l’eau sous l’illumination du soleil a été démontrée. / Ta₃N₅ is one of the most promising candidates for efficient water splitting using sunlight due to its band positions with respect to the oxygen and hydrogen evolution potentials and its small band gap of 2.1eV. Its synthesis, however, is challenging given its high content of nitrogen, with its low diffusivity, and the Ta metal atom in a high oxidation state. Few investigations into its synthesis by magnetron sputtering exist to date although this technique offers the possibility of tuning the ion-to-neutral flux ratio onto the growing film. This can change the supply of energy onto its surface and therefore promote the crystallization. In this thesis, reactive magnetron sputtering is investigated for the preparation of Ta₃N₅ thin films. It is shown that sputtering of a Ta target in an Ar atmosphere produces energetic backscattered Ar neutrals at high target potentials. To keep the potential low, Ta₃N₅ is deposited by sputtering in DC mode. The growth of the Ta₃N₅ phase requires the incorporation of oxygen into the lattice. It is shown that optical and electronic properties of these samples vary strongly with the precise amount of oxygen in the thin film. Samples with a high degree of crystallinity are obtained by increasing the N₂⁺ flux onto the substrate by changing the form of the magnetic field of the magnetron. The highly crystalline samples prepared by this method are proven to work as photoanodes for the splitting of water under illumination.