L'approche développée est une méthode "bottum-up" pour la réalisation d'électrodes nanostructurées pour des dispositifs de stockage et de production de l'énergie. Tout d'abord, la nanostructuration de surface est effectuée par voie électrochimique, une technique peu coûteuse, permettant un contrôle précis de la géométrie et facile à mettre en oeuvre sur de grandes surfaces. Ces nanostructures sont ensuite fonctionnalisées par la technique de dépôt de couche atomique ("Atomic Layer Deposition ", ALD). Cette technique est particulièrement intéressante pour la fonctionnalisation de surface car elle permet de déposer des matériaux de haute qualité sur de grandes surfaces avec un contrôle de l'épaisseur à l'échelle atomique. La combinaison de la nanostructuration par voie électrochimique et de la fonctionnalisation de surface par ALD est donc particulièrement intéressante pour les applications visées : la photocatalyse, l'électrocatalyse et les batteries au lithium. L'élaboration d'une électrode hybride à partir de nanotubes de TiO2 et de SnO2 pour les batteries Li-ion est décrite. La seconde étude concerne l'élaboration d'une anode pour des piles à combustibles à éthanol, composée de nanotubes de TiO2, de SnO2 et de Pd. La dernière partie concerne la fabrication d'une photoélectrode nanotubulaire ordonnée pour la production de dihydrogène. Les membranes d'alumine servent de matrice pour le d epôt de NiO et de Sb2S3 par ALD. / The approach developed here is the so-called bottum-up method to design nanostructured electrodes that can be use for energy storage and production. First, the surfaces are structured at the nanoscale using electrochemical methods. This method is not expensive, it allows a total control of the geometry and it is easy to implement on large surfaces. Then, the nanostructures are functionalized by Atomic Layer Deposition (ALD). This technique is particularly useful for surface functionalization as it allows to deposit high quality materials on large surfaces with a thickness control at the atomic scale. The combination of the electrochemical structuring with the surface functionalization by ALD is particularly attractive for the targeted applications : photocatalysis, electrocatalysis and lithium batteries. The development of a hybrid anode consists of SnO2 coated TiO2 nanotubes for Li-ion batteries is described. The second study is the development of anodes for direct ethanol fuel cells consists of the nanotubes of TiO2, SnO2 and Pd. The last part focused on the production of ordered nanotubular photoelectrode for the production of hydrogen. The alumina membranes are used as a template for the deposition of NiO and Sb2S3 by ALD.

Les besoins de la microélectronique pour les condensateurs de type DRAM sont résumés dans la feuille de route ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Pour descendre en dessous du noeud technologique 22 nm, des performances électriques telles qu'une épaisseur d'oxyde équivalent (EOT) < 0.5 nm et un niveau de courant de fuite < 1.10-7 A/cm² à 0.8 V sont nécessaires. Ces performances sont difficiles à atteindre si l'on considère des oxydes standards largement utilisés tels que le SiO2, le Si3N4 ou l'Al2O3. Le dioxyde de Titane constitue un matériau diélectrique de choix pour ce type d'application si l'on considère sa forte constante diélectrique, la plus haute des oxydes binaires. Selon les conditions de croissance de la couche de TiO2, celle-ci peut se présenter sous forme amorphe ou posséder une structure cristalline appelé phase anatase ou phase rutile. Cette dernière présente une très forte constante diélectrique (90 à 170 selon l'orientation de la maille cristalline) et en fait un atout indéniable pour le développement de condensateur DRAM. Toutefois, cette phase rutile est aussi à l'origine d'un fort courant de fuite mesuré à partir des structures Métal - Isolant - Métal (MIM) associées. De ce fait, il est primordial de savoir contrôler ces courants de fuite tout en gardant la forte valeur de constante diélectrique de la phase rutile. Dans ce travail, nous proposons de travailler sur la croissance des couches minces de TiO2 intégrées dans des structures MIM et déposées sur des substrats différents tels que des électrodes de RuO2/Ru ou de Pt. La technique de dépôt employée pour les couches minces de TiO2 est la technique ALD pour son contrôle très précis de l'épaisseur déposée et sa souplesse d'utilisation pour ce type d'applications. Les propriétés physico-chimiques des couches de TiO2 et l'influence du substrat sur ces propriétés sont analysées. Des compositions différentes de diélectriques sont élaborées au moyen de la technique de dépôt par ALD et notamment des couches minces de TiO2 dopés à l'aluminium. Les propriétés électriques de ces couches sont étudiées afin de déterminer les performances électriques des structures MIM associées en termes de courant de fuite et de densité capacitive. / The requirements for future dynamic random access memory (DRAM) capacitors are summarized in the International Technology Roadmap for Semiconductors. For sub-22 nm node, performances like equivalent oxide thickness (EOT) < 0.5 nm and leakage current density < 1.10-7 A/cm² at 0.8 V are required but are difficult to meet. Titanium dioxide (TiO2) is an attractive dielectric material for such application regarding its high dielectric constant (k). Depending on its growth conditions, TiO2 can be prepared in amorphous, anatase or rutile phase. From the structural point of view, it is generally preferred that TiO2 remains amorphous throughout a complete technological process to minimize leakage transport along grain boundaries. However, the rutile phase exhibits very high dielectric constant ranging from 90 to 170, depending on the lattice orientation. Due to this high dielectric constant, TiO2 rutile phase is considered as a promising material for capacitors in future generations of Dynamic Random Access Memories (DRAMs). A key issue is how to control the high leakage current of rutile phase while keeping the highest dielectric constant in order to get the best electrical performances. In this work, we investigate the growth of high dielectric constant rutile TiO2 films in Metal - Insulator - Metal (MIM) structures deposited on different substrates such as RuO2/Ru or Pt electrodes using ALD (Atomic Layer Deposition). A study of physico-chemical properties of TiO2 layer and influence of bottom electrodes on TiO2's crystalline structure is proposed. Different compositions of dielectrics are processed using flexibility of ALD deposition technique, including Al-doped TiO2 layers and pure TiO2 layers. Electrical properties in terms of leakage current or capacitance density of MIM structures embedding that kind of dielectrics and comparison between these MIM structures in terms of electrical performances is proposed in order to determine the best dielectric film composition to meet the requirements for next generation of DRAM capacitors.

Au cours ce travail, nous nous sommes intéressés au design de particules plasmoniques pour le contrôle de l’absorption et de l’émission de lumière. Notre stratégie a été de synthétiser des nanoparticules de type cœur@écorce composées d’un cœur d’or et d’une écorce diélectrique de silice contenant des molécules organiques fluorescentes. Nous avons fait varier la distance entre ces dernières et le cœur afin de moduler l’intensité de leur couplage avec les plasmons du métal et d’ainsi contrôler les propriétés optiques des nanoparticules. Nous nous sommes aussi intéressés à l’assemblage de ces nanoparticules sous la forme de supra-particules ou de réseaux bidimensionnels organisés. L’étude des propriétés optiques de ces nouveaux matériaux a permis de mettre en évidence une forte exaltation de l’intensité de fluorescence des particules cœur@écorce quand celles-ci sont confinées entre deux nappes métalliques, ce qui correspond à un mode de cavité fort. Nous avons également travaillé sur la synthèse de particules composées d’un cœur de silice et soit d’une écorce d’or présentant des patchs « vierges », soit d’une écorce de dioxyde de titane comportant des patchs recouverts de nanoparticules d’or. / During this work, we were interested in the design of plasmonic particles for the control of the absorption and the emission of light. Our strategy was to synthesize core@shell nanoparticles made of a gold core and a silica shell containing fluorescent organic molecules. We have varied the distance between the emitters and the core in order to tune their coupling with the plasmons of gold. We thus tuned the optical properties of the particles. We were also interested in the assembly of these nanoparticles to get supra-particles or organized two-dimensional networks. The study of optical properties of these new materials showed that the exaltation of the fluorescence is maximal when the core@shell particles are confined between two gold boundaries, this situation corresponding to a strong cavity mode. We also worked on the synthesis of particles consisting of a silica core and either a gold shell with bare patches or a titanium dioxide shell with patches covered with gold nanoparticles.

Für die Beschichtung von Bauelementen im Bereich der Elektronik erlangt das Beschichtungsverfahren der Atomlagenabscheidung zunehmend an Bedeutung. Dieses Verfahren überzeugt hier durch seine Fähigkeit sehr homogene Schichten mit einer Dicke von wenigen nm auch auf Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Atomlagenabscheidung von Aluminiumoxid unter Verwendung der Präkursoren Trimethylaluminium und Wasser. Hauptaufgabe dieser Arbeit ist die Modellierung eines experimentellen Prozessaufbaus mit kommerzieller Simulationssoftware. Anhand der Simulationsergebnisse können Aussagen zur Optimierung des ALD-Prozesses getroffen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Simulation eines ALD-Prozesses sehr lange Rechenzeiten erforderlich sind. Insbesondere konnte ein tieferes Verständnis der automatischen Zeitschrittweitenregulierung der Software bei transienten Simulationen gewonnen werden. Die Dauer der Spülschritte wurde durch die Simulationsergebnisse als ausreichend bestätigt. Des Weiteren kann die Verwendung der zur Anlage gehörigen Gasdusche anhand der Simulationsergebnisse nicht empfohlen werden.

Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts. / Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

In dieser Arbeit werden verschiedene Prozesse zur Atomlagenabscheidung (ALD) von TiO2 und HfO2 experimentell untersucht. Die Untersuchungen schließen eine experimentelle Charakterisierung des Schichtwachstums sowie eine massenspektrometrische Analyse der Reaktionsprodukte ein. Im Detail wurden der ALD-Prozess mit Cp*Ti(OMe)3 und Ozon zur Abscheidung von TiO2 sowie der ALD-Prozess mit TEMAHf und Ozon zur Abscheidung von HfO2 untersucht. Der theoretische Teil der Arbeit beginnt mit einer Methode zur Bestimmung des absoluten Haftkoeffizienten. Anschließend werden numerische Modelle entwickelt, welche die Adsorption von Präkursormolekülen durch strukturierte Substrate beschreiben. Diese Modelle enthalten die Substratstruktur und den absoluten Haftkoeffizienten. Es wird eine statistische numerische Methode entwickelt, mit der der Gastransport in dem ALD-Reaktor statistisch beschrieben wird. Die statistischen Größen, welche die Gasdynamik im Reaktor beschreiben, werden mit der Discrete Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode bestimmt. Mit dieser Methode und den Modellen der Adsorption kann der komplette ALD-Prozess simuliert werden. Die neu entwickelte Methode wird verwendet um die Effizienz verschiedener ALD-Reaktoren in Abhängigkeit des absoluten Haftkoeffizienten, der Substratstruktur sowie der Prozessbedingungen zu untersuchen. Die Geometrie des Reaktors wird variiert und mit der Referenzgeometrie verglichen.:Inhaltsverzeichnis................................................................................ i Tabellenverzeichnis.............................................................................. iii Abbildungsverzeichnis ......................................................................... v Abkürzungsverzeichnis ........................................................................ ix Formelverzeichnis ................................................................................ xi 1. Einführung ....................................................................................... 1 1.1. Motivation und Zielstellung ........................................................... 1 1.2. Grundlagen der Atomlagenabscheidung ....................................... 3 1.3. Materialien und Anwendungen ..................................................... 6 2. Experimentelle Grundlagen .............................................................. 9 2.1. ALD-Anlage ................................................................................... 9 2.2. Physikalische Probencharakterisierung ........................................ 11 2.2.1. Röntgenmethoden ..................................................................... 11 2.2.2. Elektronenstrahl-Methoden ....................................................... 12 2.2.3. Spektrometrische Methoden ...................................................... 13 2.3. Experimentelle in-situ Prozesscharakterisierung .......................... 14 3. Atomlagenabscheidung von TiO2 und HfO2 ..................................... 21 3.1. Abscheidung von Titandioxid ........................................................ 21 3.1.1. TDMAT als Titanpräkursor .......................................................... 21 3.1.2. Cp*Ti(OMe)3 als Titanpräkursor ................................................ 25 3.2. Abscheidung von Hafniumdioxid mit TEMAHf und Ozon ................. 30 3.3. Massenspektrometrie an ALD-Prozessen mit Ozon ...................... 32 3.3.1. Cp*Ti(OMe)3 mit Ozon .............................................................. 32 3.3.2. TMA mit Ozon ............................................................................ 36 3.3.3. TEMAHf mit Ozon ....................................................................... 37 3.3.4. Prozessüberwachung mit Massenspektrometrie ....................... 39 3.4. Zusammenfassung zur ALD von TiO2 und HfO2 ........................... 41 4. Modellierung der Adsorption ........................................................... 43 4.1. Adsorptionsverhalten planarer Substrate .................................... 43 4.2. Adsorptionsverhalten strukturierter Substrate ............................ 49 4.2.1. Numerische Simulationsmethode .............................................. 52 4.2.2. Gaskinetik in einem zylindrischen Graben ................................. 54 4.2.3. Effektive Haftkoeffizienten und Sättigungsdosen ..................... 55 4.2.4. Sättigungsprofile entlang der Grabenwand .............................. 59 4.3. Methode zur Bestimmung des absoluten Haftkoeffizienten von ALD-Präkursoren ........................................................................................ 61 4.3.1. Methode am Beispiel von TDMAT mit Ozon ................................ 66 4.3.2. Absoluter Haftkoeffizient von TEMAHf mit Ozon ......................... 74 4.3.3. Absoluter Haftkoeffizient von Cp*Ti(OMe)3 mit Ozon ................ 78 4.3.4. Temperaturabhängigkeit absoluter Haftkoeffizienten ............... 79 4.4. Zusammenfassung zur Modellierung der Adsorption .................... 81 5. Gekoppelte Prozesssimulation ........................................................ 83 5.1. Statistische Methode zur Simulation der ALD ............................... 83 5.1.1. Statistische Größen der Gasdynamik ......................................... 85 5.1.2. Algorithmus der gekoppelten ALD-Simulation ............................ 90 5.2. Anwendung der Methode zur Optimierung einer Gasdusche ........ 93 5.2.1. Geometrie und Randbedingungen ............................................. 93 5.2.2. Ergebnis der Reaktorsimulation ................................................. 96 5.2.3. Gekoppelte ALD-Simulation für planare Substrate ................... 102 5.2.4. Gekoppelte ALD-Simulation für strukturierte Substrate ........... 110 5.3. Einfluss der Randbedingungen auf die geometrische Effizienz ... 113 5.4. Vergleich zwischen Simulation und Experiment .......................... 114 6. Zusammenfassung und Ausblick .................................................... 117 Literaturverzeichnis ........................................................................... 121 Anhang .............................................................................................. 129 Parameter der modellierten effektiven Haftkoeffizienten ................... 129 Hafnium-Dotierung von Titandioxidschichten ..................................... 131 Eigene Veröffentlichungen ................................................................. 133 Lebenslauf ......................................................................................... 135 / This dissertation is divided into an experimental part and a theoretical part. The experimental part describes the atomic layer deposition (ALD) of TiO2 and HfO2. TDMAT and Cp*Ti(OMe)3 were used as titanium precursors, while TEMAHf was used as the hafnium precursor. Ozone was used as the oxygen source. The self limiting film growth and the temperature window of these ALD processes were investigated. The reaction by-products of the Cp*Ti(OMe)3/O3 process were identified by quadrupol mass spectrometry (QMS). The QMS analysis of the TEMAHf/O3 process revealed that water is formed during the metal precursor pulse. The theoretical part of this thesis describes the development of models and numerical methods to simulate the ALD as a whole. First of all, a model for the adsorption of precursor molecules by planar substrates was developed. This model was extended to describe the adsorption of precursor molecules inside a cylindrical hole with an aspect ratio of 20, 40 and 80. The adsorption of precursor molecules is dominated by the absolute sticking coefficient (SC), i.e., the reactivity of the precursor molecules. From the numerical model the saturation profiles along the wall of a cylindrical hole can be determined. From the comparison of the simulated profile with an experimentally determined thickness profile the SC can be determined. This method was used to determine the SC of the precursors examined in the experimental part. The SC of TEMAHf increases exponentially with the substrate temperature. A discrete particle method (DSMC) was used to derive a statistical description of the gas kinetics inside an ALD reactor. Combining the statistical description of the gas transport and the numerical models of the adsorption, it is possible to simulate the ALD for any combination of reactor, substrate and SC. It is possible to distinguish the contribution of the reactor geometry, the process parameters and the process chemistry (SC) to the process efficiency. Therefore, the ALD reactor geometry can be optimized independently of the process chemistry. This method was used to study a shower head ALD reactor. The reactor geometry, the composition of the gas at the inlet and the position of the inlet nozzles was varied in order to find more efficient ALD reactors. The efficiency of the reference geometry is limited by the inlet nozzles close to the exhaust and the decrease of the pressure on the substrate near the exhaust. The efficiency of ALD processes with different SCs was simulated for planar and structured substrates with a diameter of 300 mm and 450 mm.:Inhaltsverzeichnis................................................................................ i Tabellenverzeichnis.............................................................................. iii Abbildungsverzeichnis ......................................................................... v Abkürzungsverzeichnis ........................................................................ ix Formelverzeichnis ................................................................................ xi 1. Einführung ....................................................................................... 1 1.1. Motivation und Zielstellung ........................................................... 1 1.2. Grundlagen der Atomlagenabscheidung ....................................... 3 1.3. Materialien und Anwendungen ..................................................... 6 2. Experimentelle Grundlagen .............................................................. 9 2.1. ALD-Anlage ................................................................................... 9 2.2. Physikalische Probencharakterisierung ........................................ 11 2.2.1. Röntgenmethoden ..................................................................... 11 2.2.2. Elektronenstrahl-Methoden ....................................................... 12 2.2.3. Spektrometrische Methoden ...................................................... 13 2.3. Experimentelle in-situ Prozesscharakterisierung .......................... 14 3. Atomlagenabscheidung von TiO2 und HfO2 ..................................... 21 3.1. Abscheidung von Titandioxid ........................................................ 21 3.1.1. TDMAT als Titanpräkursor .......................................................... 21 3.1.2. Cp*Ti(OMe)3 als Titanpräkursor ................................................ 25 3.2. Abscheidung von Hafniumdioxid mit TEMAHf und Ozon ................. 30 3.3. Massenspektrometrie an ALD-Prozessen mit Ozon ...................... 32 3.3.1. Cp*Ti(OMe)3 mit Ozon .............................................................. 32 3.3.2. TMA mit Ozon ............................................................................ 36 3.3.3. TEMAHf mit Ozon ....................................................................... 37 3.3.4. Prozessüberwachung mit Massenspektrometrie ....................... 39 3.4. Zusammenfassung zur ALD von TiO2 und HfO2 ........................... 41 4. Modellierung der Adsorption ........................................................... 43 4.1. Adsorptionsverhalten planarer Substrate .................................... 43 4.2. Adsorptionsverhalten strukturierter Substrate ............................ 49 4.2.1. Numerische Simulationsmethode .............................................. 52 4.2.2. Gaskinetik in einem zylindrischen Graben ................................. 54 4.2.3. Effektive Haftkoeffizienten und Sättigungsdosen ..................... 55 4.2.4. Sättigungsprofile entlang der Grabenwand .............................. 59 4.3. Methode zur Bestimmung des absoluten Haftkoeffizienten von ALD-Präkursoren ........................................................................................ 61 4.3.1. Methode am Beispiel von TDMAT mit Ozon ................................ 66 4.3.2. Absoluter Haftkoeffizient von TEMAHf mit Ozon ......................... 74 4.3.3. Absoluter Haftkoeffizient von Cp*Ti(OMe)3 mit Ozon ................ 78 4.3.4. Temperaturabhängigkeit absoluter Haftkoeffizienten ............... 79 4.4. Zusammenfassung zur Modellierung der Adsorption .................... 81 5. Gekoppelte Prozesssimulation ........................................................ 83 5.1. Statistische Methode zur Simulation der ALD ............................... 83 5.1.1. Statistische Größen der Gasdynamik ......................................... 85 5.1.2. Algorithmus der gekoppelten ALD-Simulation ............................ 90 5.2. Anwendung der Methode zur Optimierung einer Gasdusche ........ 93 5.2.1. Geometrie und Randbedingungen ............................................. 93 5.2.2. Ergebnis der Reaktorsimulation ................................................. 96 5.2.3. Gekoppelte ALD-Simulation für planare Substrate ................... 102 5.2.4. Gekoppelte ALD-Simulation für strukturierte Substrate ........... 110 5.3. Einfluss der Randbedingungen auf die geometrische Effizienz ... 113 5.4. Vergleich zwischen Simulation und Experiment .......................... 114 6. Zusammenfassung und Ausblick .................................................... 117 Literaturverzeichnis ........................................................................... 121 Anhang .............................................................................................. 129 Parameter der modellierten effektiven Haftkoeffizienten ................... 129 Hafnium-Dotierung von Titandioxidschichten ..................................... 131 Eigene Veröffentlichungen ................................................................. 133 Lebenslauf ......................................................................................... 135

Depuis l’apparition du circuit intégré, la performance des dispositifs semi-conducteurs est reliée à leur miniaturisation via le développement de procédés spécifiques tels que la lithographie. Néanmoins, la réduction des dimensions des dispositifs aux échelles nanométriques rend les étapes de patterning de plus en plus complexes et coûteuses (EUV, gestion de plusieurs passes de masque par couche et erreur de placement du/des masque(s) …) et pousse les fabricants de puces à se tourner vers des méthodes alternatives. Dans le but de réduire les coûts de fabrication des circuits intégrés, une approche bottom-up reposant sur l’utilisation de procédés de dépôts sélectifs est désormais envisagée, au détriment des approches conventionnelles top-down basées sur les procédés de lithographie. La solution de dépôt par couche atomique (ALD) est une technique appropriée pour le développement d’un procédé sélectif en raison de sa très grande sensibilité à la chimie de surface. Ce procédé est appelé dépôt sélectif de zone (ASD pour Area Selective Deposition). Il est basé sur un traitement spécifique d'activation ou de désactivation des réactions chimiques de surface avec le précurseur et/ou le réactif en mode ALD. Ces modifications de réactivité peuvent être obtenues en utilisant une couche de germination (activation) ou des groupes organiques tels que des monocouches auto-assemblées (SAM) (désactivation). Une autre voie est de tirer parti du retard inhérent à la croissance (ou temps d’incubation) sur différents substrats. Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau procédé ASD d’oxyde métallique en combinant un dépôt de couche atomique et une étape de gravure qui permet de bloquer la croissance sur substrat à base de silicium (Si, SiO2 et SiN) versus un substrat métallique (TiN). L'étape de gravure est réalisée par addition de NF3 dans un plasma d'oxygène tous les n cycles du procédé PEALD. Nous avons utilisé ce procédé pour le dépôt de deux oxydes actuellement à l'étude pour les applications de mémoires résistives non-volatiles : Ta2O5 et TiO2. Le but des dépôts sélectifs pour l'application mémoire est de réaliser des points mémoires localisés métal/isolant/métal en intégration 3D verticale dite VRRAM. / At advanced nodes, lithography starts to dominate the wafer cost (EUV, managing multiple mask passes per layer and pattern placement error….). Therefore, complementary techniques are needed to continue extreme scaling and extend Moore’s law. Selective deposition and etching is one of them because they can be used to increase and enhance patterning capabilities at very low cost. From all the different deposition processes, Atomic Layer Deposition (ALD) is maybe the most suitable technique to develop a selective process due to its very good coverage property and its high surface sensitivity. This process is called Area Selective Deposition and is a selective deposition process for bottom-up construction It is usually based on a specific surface activation or deactivation treatment in order to activate or limit / inhibit chemical reactions with the ALD precursor / reactant. This surface modifications are usually obtained by using seed layer (activation) or organic groups such as Self-Assembled Monolayers (SAM) (deactivation). Another pathway for selective area deposition with ALD is to take advantage of the inherent substrate-dependent growth initiation: this is inherent selectivity based on difference of nucleation delay. In this thesis, we have proposed a new ASD process of thin oxide by combining atomic layer deposition and etching step (super-cycle) for a 3D Vertical RAM integration. This allows the selective growth of a thin oxide on a metal substrate without deposition on an insulator and/or a semi-conductor substrate(s). The etching step is achieved by NF3 addition in an oxygen plasma every n cycles of the PEALD process allowing (1) to etch the oxide layer on Si and/or SiO2 surface while keeping few nanometers of oxide on TiN substrate and (2) to passivate this two surfaces and to add a new incubation time on Si or SiO2 substrates. We used this process for the deposition of two oxides that are currently under study for non-volatile resistive memories applications: Ta2O5 and TiO2. The intention for memory application is to realize a crosspoint memory in Back-End level from a pattern area or a trench area without the photolithography step.

La réduction des recombinaisons aux surfaces des cellules solaires est un enjeu fondamental pour l'industrie photovoltaïque. La passivation des défauts électriques en surface peut être obtenue par la formation de liaisons chimiques ou par l'apport de charges électriques capables de repousser un type de porteurs. Ces effets peuvent être obtenus grâce à des couches minces fonctionnalisées déposées sur les surfaces des matériaux qui constituent les cellules. Dans le cadre de cette thèse nous avons étudié la passivation de surface du silicium par des couches minces d’Al2O3 déposées par ALD. La caractérisation physique, optique, structurale et chimique des couches déposées a été réalisée. Une optimisation du procédé d’élaboration (nettoyage pré dépôt, paramètres de dépôt et de recuit) de couches d’alumine a été nécessaire pour répondre aux exigences de la réduction de recombinaisons de surface et obtenir des résultats de passivation optimisés. Enfin, différentes briques technologiques nécessaires à l’intégration de ces couches dans l’architecture d’une cellule solaire silicium ont été étudiées et développées. / The reduction of recombination at the surfaces of solar cells is a fundamental challenge for the photovoltaic industry. Passivation of surface electrical defects can be achieved by the formation of chemical bonds or by the supply of electric charges capable of repelling a type of carrier. These effects can be obtained by means of functionalized thin layers deposited on the surfaces of the materials which constitute the cells. In this thesis we studied the surface passivation of silicon by thin layers of Al2O3 deposited by ALD. The physical, optical, structural and chemical characterization of the deposited layers was carried out. An optimization of the preparation process (pre-deposition cleaning, deposition and annealing parameters) of alumina layers was necessary to meet the requirements of reduction of surface recombinations and to obtain optimized passivation results. Finally, various technological bricks necessary for the integration of these layers in the architecture of a silicon solar cell have been studied and developed.

Since the rediscovery of carbon nanotubes (CNTs) due to the publication of Sumio Iijima's article Helical microtubules of graphitic carbon in the magazine Nature in 1991 the interest in carbon nanotubes has rapidly increased. This bachelor thesis also deals with this popular material with the aim to functionalize CNTs for further uses in the microelectronic industry. A promising approach is the functionalization of the CNTs with metal nanoparticles or metal films. To achieve this, one can perform an atomic layer deposition (ALD) on CNTs. In the present work the Trimethylaluminum (TMA) ALD is the chosen process for the functionalization of the CNTs, which will be studied here. Since the available knowledge on the CNT-functionalization by gas phase reactions is very limited, a theoretical study of possible reaction pathways is necessary. Those studies are carried out with two modern quantumchemical programs, Turbomole and DMol³, which are described together with an introduction into Density Functional Theory, as well as an introduction of CNTs and the ALD process. A basic model of a CNT with a Single Vacancy defect, which had been selected according to the demands of the studies, is introduced. Because the TMA ALD process requires hydroxyl groups as its starting point, not only is the performance of a TMA ALD cycle on a CNT studied, but also reactions which result in the CNTs owning of hydroxyl groups. Consequently, this bachelor thesis will focus on two di erent aspects: The performance of one TMA ALD cycle and the study of possible educts for the TMA ALD process. This study of the educts includes possible structures which can be formed when a CNT comes into contact with air.

L’objective est d’améliorer l’activité photocatalytique de TiO2 sous irradiations UV et Visible. Pour contourner les limites de TiO2 intrinsèque nous envisageons une fabrication de nanocomposite plasmonique à base de nanofils de TiO2 périodiquement organisés et assemblés avec des nanoparticules plasmoniques. Pour la fabrication des nanofils de TiO2 mécaniquement stables, deux approches ont été réalisées. La première approche est basée sur la croissance sélective en phase vapeur, la deuxième approche consiste en l’utilisation d’un moule de membranes AAO et d’un dépôt de films conformes par ALD. En parallèle les films de TiO2déposés par ALD sont assemblés avec les nanoparticules plasmoniques d’or. Les différentes architectures de TiO2 sont valorisées par des tests photocatalytiques (UV et Visible) sur les polluants modèles. Une nouvelle approche de la fabrication des films mesoporeux d’H-TiO2 avec efficacité photocatalytique à la fois sous irradiation UV et Visible est développée. / The objective of this thesis is to improve the photo-response of well-known photocatalytic material such as TiO2, which is usually only active in the UV range. The basic idea is to assemble several approaches within one device to improve the photocatalytic properties: fabrication of periodically-organised TiO2 nanostructures and their assembly with plasmonic nanoparticles. Two fabrication strategies were investigated for these purposes. The first approach consists of selective vapour phase growth. The second approach implements the use of an AAO template. In parallel, TiO2 films deposited by ALD and assembled with plasmonic gold nanoparticles are investigated. The photocatalytic measurements on various TiO2 architectures were performed in both irradiation ranges UV and Vis. A new fabrication approach of mesoporous H-TiO2 films was developed giving promising results of photocatalytic efficiency improvement in both UV and Visible ranges.