This dissertation summarises my research activities in the field of Ion Implantation-Induced extended defects and of their impact on the properties of Ultra-Shallow source/drain junctions (USJs) in miniaturized MOS transistors. The most common method for the fabrication of source/drain regions consists in the localized doping of the substrate material by ion implantation, followed by thermal annealing to achieve electrical activation. The major problem related to the use of ion implantation is the formation of various defect types resulting from the precipitation of the large amounts of interstitials and vacancies generated during the implantation process and their interaction with dopant atoms during annealing. The various complex interactions between the defects and the implanted dopants are at the origin of the diffusion and activation anomalies that represent the major obstacles to the fabrication of USJs satisfying the ITRS requirements. The main results of my work will be presented in three parts. The first part is dedicated to the fundamental studies on the formation and evolution of implant-induced defects and on their impact on transient enhanced diffusion (TED). These studies contributed (i) to provide a unified description of implantation-induced defect evolution, explaining why, depending on the implant and annealing conditions, a given defect type is formed, dissolves during annealing or transforms into a larger defect with different crystallographic characteristics and (ii) to improve the existing models by extending them to all defect families, including a correct TED dependence on the defects' size distributions. In the second part, I will focus on the defect-dopant interactions causing dopant activation anomalies, due to their impact on the active dose and is some cases, also on the carrier mobility. In the case of p+-n junctions formed by Boron implantation, these anomalies are due to the formation of small Boron-Interstitial Clusters (BICs), which will be at the centre of all the studies presented in this part. Other investigated defect-dopant interactions include the formation of Fluorine-related Si interstitial traps, used to reduce both B Transient Enhanced Diffusion and dopant deactivation, and the dopant trapping by implantation-induced defects. The progressive introduction of advanced processes and materials in the semiconductor industry during the last decade raised some specific questions related to the fabrication of USJs, including the formation of implant-induced defects during ultra-fast annealing, their evolution in the presence of the buried Si-SIO2 interface in SOI materials or the Boron activation stability in Germanium. We will address these issues in the third part of this presentation. Due to the increased difficulties to maintain the MOS miniaturization pace (as well as to the approaching of its physical limits), the general context of the MOS-related research domain has largely evolved over the last years. On the one hand, the continuous optimisation of advanced doping and annealing schemes for the fabrication of USJs will therefore have to deal with the increasingly important requirement of reducing power consumption in future device generations. On the other hand, the years 2000s have seen the emergence of the so-called "More-than-More" domain, consisting in the addition of novel functionalities to electronic devices based on (or derived from) Silicon MOS technology. The perspectives of my research activity within this "extended-CMOS" context will finally be presented at the end of the presentation.

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications. / This thesis is dedicated to the study of InMnP and GaMnP materials fabricated by ion implantation and thermal annealing. More precisely we have investigated the possibility of forming by ion implantation homogeneous InMnP and GaMnP materials (alloys), containing up to 5 at. % of Mn, that would be in a ferromagnetic state for possible applications in spintronics. In the first introductive chapter we give the motivations for this research and briefly comment the literature existent on this subject. The second chapter describes the principles of ion implantation, which is the technique used for the fabrication of the samples. The effects of the energy, fluency and direction of the ion beam on the implantation profile and the formation of damages will be highlighted. Also in this chapter we shall find information concerning the semiconducting substrates used for the implantation. The experimental techniques used for the structural, chemical and magnetic characterisation of the samples, together with their limitations are discussed in the third chapter. Some theoretical principles of magnetism necessary for the understanding of the magnetic measurements are presented in chapter 4. The fifth chapter is dedicated to the study of the morphology and magnetic properties of the substrates used for implantation and the sixth chapter to the study of samples implanted with Mn without thermal annealing. In particular we’ll see in this chapter that Mn implantation at more then 1016 ions/cm2 makes amorphous the implanted layer and the Mn atoms are distributed in depth following a Gaussian profile. The implanted Mn atoms are in a paramagnetic state between 5 and 300 K having the spin value of 5/2. In chapter 7 we present the properties of samples annealed at low temperatures. We shall see that in these samples the implanted layer is polycristalline and the Mn atoms are still in a paramagnetic state. In the chapters 8 and 9 that contain most of the results of this thesis, we present the measurements on samples annealed at high temperatures: in chapter 8 one shall find results on InP and GaP implanted with Mn and in chapter 9 one shall see results on InP co-implanted with Mn and P. Firstly, in chapter 8 we’ll see that thermal annealing at high temperatures leads to an epitaxial recrystallization of InMnP and GaMnP. But most of the Mn atoms diffuse to the surface due to a segregation effect. In the regions at the surface, highly concentrated in Mn, the XRD and TEM measurement identify the formation of MnP and In crystalline. The magnetic measurements identify also the presence of ferromagnetic MnP. Moreover in these measurements one finds that 60 % of the implanted Mn is in a paramagnetic state with the spin value reduced with respect to that found in un-annealed samples. In the InP samples co-implanted with Mn and P we have only a partial recrystallization but, the effect of segregation of Mn at the surface is much reduced. In this case more than 50 % of the implanted Mn forms ferromagnetic MnP and the rest of it is diluted in InP, in a paramagnetic state with spin 5/2. Finally, in the last chapter 10 we present the principal conclusion that we have reached and discuss the results and their implications.

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal. / The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.

Dans cette thèse, nous avons développé et étudié des miroirs absorbants saturables ultra-rapides, pour des applications au traitement de signaux optiques à très haut débit et la génération d’impulsions laser ultra-courtes à 1.55 µm. Dans une première partie, nous avons développé un miroir absorbant saturable ultra-rapide basé sur le semi-conducteur In₀.₅₃Ga₀.₄₇As soumis à une implantation ionique à température élevée de 300 °C. Des ions Fe ont été utilisés car il a été démontré que les niveaux Fe²⁺/Fe³⁺ peuvent agir comme des centres de recombinaison efficaces pour les électrons et les trous dans In₀.₅₃Ga₀.₄₇As. Nous avons étudié la durée de vie des porteurs en fonction de la dose ionique, la température et le temps de recuit. A part la durée de vie rapide, les caractéristiques de réflectivité non-linéaire, telles que l’absorption linéaire, la profondeur de modulation, les pertes non saturables ont été étudiées dans différentes conditions de recuit. Après un recuit à 600 °C pendant 15 s, un échantillon présentant une grande amplitude de modulation de 53,9 % et une durée de vie de porteurs de 2 ps a été obtenu. Dans une seconde partie, la gravure par faisceau d’ions focalisés (FIB) a été utilisée pour fabriquer une structure en biseau ultrafin sur de l’InP cristallin, pour réaliser un dispositif photonique multi-longueur d’onde à cavité verticale. Les procédures de balayage FIB et les paramètres appropriés ont été utilisés pour contrôler le re-dépôt du matériau cible et pour minimiser la rugosité de surface de la zone gravée. Le rendement de pulvérisation de la cible en InP cristallin a été déterminé en étudiant la relation entre la profondeur de gravure et la dose ionique. En appliquant les conditions de rendement optimales, nous avons obtenu une structure en biseau ultrafin dont la profondeur de gravure est précisément ajustée de 25 nm à 55 nm, avec une pente horizontale de 1:13000. La caractérisation optique de ce dispositif en biseau a confirmé le comportement multi-longueur d’onde de notre dispositif et montré que les pertes optiques induites par le procédé de gravure FIB sont négligeables. Dans une troisième partie, nous avons démontré que la réponse optique non-linéaire du graphène est augmentée de manière résonnante quand une monocouche de graphène est incluse dans une microcavité verticale comportant un miroir supérieur. Une couche mince de Si₃N₄ a été déposée selon un procédé de dépôt par PECVD spécialement développé pour agir comme couche de protection préalable avant le dépôt du miroir supérieur proprement dit, permettant ainsi de préserver les propriétés optiques du graphène. En incluant une monocouche de graphène dans une microcavité appropriée, une profondeur de modulation de 14,9 % a été obtenue pour une fluence incidente de 108 µJ/cm². Cette profondeur de modulation est beaucoup plus élevée que la valeur maximale de 2 % obtenue dans les travaux antérieurs. De plus un temps de recouvrement aussi bref que 0,7 ps a été obtenu. / In this thesis, we focus on the development of ultrafast saturable absorber mirrors for applications to ultra-high speed optical signal processing and ultrashort laser pulse generation at 1.55 μm. In the first part, we have developed an ultrafast In₀.₅₃Ga₀.₄₇As -based semiconductor saturable absorber mirror by heavy ion implantation at the elevated temperature of 300 ºC. Fe ion has been employed as the implant since it has been shown that Fe²⁺/Fe³⁺ level can act as efficient recombination centers for electrons and holes in In₀.₅₃Ga₀.₄₇As. We studied the carrier lifetime of Fe-implanted sample as a function of ion dose, temperature and annealing time. Apart from the fast carrier lifetime, the characteristics of nonlinear reflectivity for the Fe-implanted sample, such as linear absorption, modulation depth, nonsaturable loss, have are also been investigated under different annealing temperature. Under annealing at 600 ºC for 15 s, the Fe-implanted sample with a big modulation depth of 53.9 % and a fast carrier lifetime of 2 ps has been achieved. In the second part, focused ion beam milling has been applied to fabricate an ultra-thin taper structure on crystalline indium phosphide to realize a multi-wavelength vertical cavity photonic device. The appropriate FIB scanning procedures and operating parameters were used to control the target material re-deposition and to minimize the surface roughness of the milled area. The sputtering yield of crystalline indium phosphide target was determined by investigating the relationship between milling depth and ion dose. By applying the optimal experimentally obtained yield and related dose range, we have fabricated an ultra-thin taper structure whose etch depths are precisely and progressively tapered from 25 nm to 55 nm, with a horizontal slope of about 1:13000. The optical characterization of this tapered device confirms the expected multi-wavelength behavior of our device and shows that the optical losses induced by the FIB milling process are negligible. In the third part, we demonstrate that the nonlinear optical response of graphene is resonantly enhanced by incorporating monolayer graphene into a vertical microcavity with a top mirror. A thin Si₃N₄ layer was deposited by a developed PECVD process to act as a protective layer before subsequent top mirror deposition, which allowed preserving the optical properties of graphene. Combining monolayer graphene with a microcavity, a modulation depth of 14.9 % was achieved at an input energy fluence of 108 µJ/cm². This modulation depth is much higher than the value of about 2 % in other works. At the same time, an ultrafast recovery time of 0.7 ps is retained.

Au cours de ces dernières années, les nanostructures à base de silicium et de germanium, enfouies dans une matrice diélectrique, ont été largement étudiées en raison de leurs applications potentielles dans la nanoélectronique et l’optoélectronique. Afin de fabriquer des dispositifs de haute performance avec des nanocristaux Si1-xGex, il est nécessaire de connaître et de contrôler leurs propriétés structurelles et électriques, ce qui est le but de ce travail. Pour cela, nous avons utilisé la co-implantation ionique de Si et de Ge avec différentes doses dans des matrices de SiO2 pour synthétiser les NCx de Si1-xGex. Concernant l’influence de la matrice sur les propriétés des NCx, nous avons également utilisé l’implantation ionique de Ge dans des films minces de SiOxNy riches en Si élaborés par PECVD. Enfin, l’effet de la présence des dopants sur les propriétés structurales et électriques des NCx de Si1-xGex a été étudié par la co-implantation des dopants avec le Si et le Ge dans le SiO2. Suite à l'implantation des éléments désirés (Si, Ge et éventuellement le dopant), la formation des NCx est induite par un recuit thermique à 1000 ou 1100°C. / Semiconductor nanostructures based on silicon and germanium have attracted enormous interest in the last years because of their potential applications in nanoelectronics and optoelectronics. In order to fabricate high performance devices with Si1-xGex nanocrystals, it is required to know and control their structural and electrical properties which is the aim of our study. For that, we used the ionic co-implantation of Si and Ge of different fluences in SiO2 matrices to synthesize the Si1-xGex NCx. Matrix effect on the properties of Si1-xGex NCx, have been also studied by the implantation of Ge in Si-rich SiOxNy thin films prepared by PECVD. Finally, the effect of the presence of dopants on the structural and electrical properties of Si1-xGex NCx has been studied by the co-implantation of dopants with Si and Ge in SiO2. The formation of NCx is induced by thermal annealing at 1000 or 1100 °C after the implantation of the desired elements (Si, Ge and possibly the dopant).

Certains éléments des internes de cuve des réacteurs à eau pressurisée (REP) en acier inoxydable austénitique 316L, présentent un endommagement prématuré par corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation. Ce phénomène est complexe puisqu’il implique le couplage entre le matériau lui-même, l'état de contrainte, l’irradiation et l’environnement. L’irradiation neutronique couplée à un facteur environnemental, l’hydrogène, pourrait jouer un rôle dans ce phénomène. Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit porte sur l’étude des effets des défauts induits par l’irradiation sur le piégeage de l’hydrogène dans un acier inoxydable austénitique 316L au cours de son oxydation en milieu primaire des REP. Grâce à des implantations ioniques permettant de reproduire le même type de défauts que ceux induits par les neutrons, les interactions hydrogène - défauts ont tout d’abord été étudié avec une approche modèle par chargement cathodique en deutérium, traceur isotopique de l’hydrogène. Cela a permis de mettre en évidence le piégeage de cet élément au niveau des défauts induits par l’implantation ionique et particulièrement des cavités. Un modèle de résolution numérique des équations de McNabb et Foster permettant de simuler la diffusion et le piégeage de l’hydrogène dans un matériau a confirmé ce résultat. Ensuite des essais d’oxydation en milieu primaire simulé des REP à 320 °C ont été réalisés afin de comparer les couches d’oxyde formées entre matériaux implantés et non implantés, ainsi que leur prise d’hydrogène. Ces essais ont permis de mettre en avant le piégeage de l’hydrogène dans l’alliage sous l’oxyde et, dans une moindre mesure, au niveau des défauts d’implantation plus en profondeur. / Some components of vessel internals in pressurized water reactor (PWR) made of stainless steel, have shown cracks induced by Irradiation-Assisted Stress Corrosion Cracking (IASCC). This complex phenomenon originates from the coupling between the material itself, a tensile stress state, environmental conditions and irradiation. This PhD thesis aims at studying the influence of hydrogen in IASCC and particularly its interactions with the defects created by neutron irradiation in a 316L austenitic stainless steel. Thanks to ion implantation, defects similar to neutron irradiation-induced defects were created. As a first step, hydrogen - defects interactions were studied with a model approach consisting in deuterium cathodic charging. Deuterium was used as an isotopic tracer for hydrogen. This technique allowed to highlight hydrogen trapping by implantation-induced defects (mostly by the cavities) in 316L stainless steel. Simulation of hydrogen diffusion and trapping in the studied materials with a numerical resolution model of McNabb and Foster’s equations confirmed the experimental results. Then, oxidation tests were performed in PWR simulated primary environment at 320 °C in order to study the effects of irradiation-induced defects on the oxidation and the hydrogen uptake of the 316L stainless steel. The major highlight of these experiments was the observation of hydrogen accumulation in the alloy beneath the oxide, due to trapping by vacancies created by oxidation process and by ion implantation. In addition, hydrogen trapping was observed deeper in the alloy and it was attributed to the cavities induced by implantation.

Ce travail porte sur l’étude des phénomènes induits par implantation d’hydrogène et/ou d’hélium dans le silicium monocristallin. Le cloquage et l’exfoliation dus à la coimplantation d’hélium et d’hydrogène ont été étudiés en fonction des paramètres d’implantation (énergie, fluence, courant, rapport H/He) et des conditions de recuit. Un comportement de type fenêtre à été observé dont le maximum de surface exfoliée dépend uniquement de la fluence. Deux mécanismes d’exfoliation liés aux régimes de fluence ont été identifiés et discutés. D’autre part, la microstructure des échantillons a été étudié par MET, et les déformations ont été mesurées par diffraction des Rayons X. Un modèle décrivant la distribution des contraintes dans le substrat implanté a été proposé. Le phénomène de delamination des substrats qui apparaît pour des conditions particulières d’implantation a également été étudié, comparé aux phénomènes de cloquage et exfoliation, et expliqué en utilisant des concepts de la mécanique de la fracture. Enfin, l’interaction élastique entre précipités d’He et d’H a été étudiée pour des profils d’implantation superposés et décalés. Dans ce dernier cas, nous avons montré que le champ de contraintes générées par les plaquettes d’hélium en surpression pouvait être utilisé comme source locale de contraintes pour contrôler la formation et la croissance de plaquettes d’hydrogène. Afin d’interpréter nos résultats expérimentaux, nous avons développé un modèle basé sur l’interaction élastique pour la nucléation des précipités dans un solide semi-infini. / The present work relates an investigation of H2 + and He+ coimplanted (001)-Si substrates. The phenomena of blistering and exfoliation were studied by SEM as a function of the implantation parameters (energy, fluence, current and H/He ration) and annealing protocol. A window behavior as function of the implanted fluence was observed and two distinct fluence dependents mechanisms of exfoliation were indentified and discussed. The microstructure of the implanted samples was studied using TEM and related to ballistic effects and stress-strain dependent interactions. The strain was measured using DRX and a model to describe the stress-strain distribution into the implanted layer is developed. A new phenomenon of delamination of thin layer from implanted Si substrates was observed to emerge from particular implantation conditions. The behavior was studied and explained using fracture mechanics concepts and contrasted to blistering/exfoliation processes. Finally, the elastic interaction between He and H plate-like precipitates giving rise to arranged nanostructure was demonstrated and studied using TEM. An elasticity based model was developed to understand the behavior. The result set the basis for further developments of nanostructures within a crystalline matrix by manipulating preferential orientations of precipitates in nanometric scale.

L'implantation ionique à très basse énergie (< 5keV) dans le silicium est utilisée pour la production de transistors CMOS. Les défauts présents dans le Si après implantation et recuit jouent un rôle crucial pour les performances du dispositif et, de ce fait, leur caractérisation structurale est fondamentale. Dans ce travail, je vais montrer que la combinaison de différentes techniques de diffusion de rayons X est une méthode puissante et non destructive pour réaliser ce but. La diffraction de rayons X révèle la distribution en profondeur de la contrainte dans le cristal de Si et la réflectivité spéculaire le profil de la densité électronique. La diffusion diffuse à incidence rasante (GI-DXS) permet de distinguer les défauts ponctuels des défauts étendus avec une résolution en profondeur. En raison du faible signal des défauts, l'utilisation du rayonnement synchrotron est nécessaire. GI-DXS est particulièrement adaptée à la caractérisation des défauts de fin de parcours.

L'objectif de ce travail était double : le développement d'un réacteur d'implantation par immersion plasma et l'analyse des mécanismes de nitruration. En ce qui concerne la nitruration des aciers, nous avons montré que des traitements de nitruration au potentiel flottant à des températures aussi basses que 300 °C étaient réalisables dans le réacteur URANOS avec des longueurs de diffusion de plusieurs centaines de microns. Pour les aciers faiblement alliés, les diffusions réalisées à 380 °C, conduisent à une amélioration notable des propriétés mécaniques de surface. Ainsi la dureté de surface est triplé et la limite d'endurance en fatigue augmente de 30 %, pour un traitement de 4 heures. Dans le cas des aciers inoxydables, des couches très dures (5 fois la dureté du substrat) d'austénite dilatée sont formées en surface. Le rôle de l'hydrogène dans le plasma, consiste non seulement à réduire la couche d'oxyde présente en surface du matériau, mais surtout à accélérer la cinétique d'enrichissement d'azote en profondeur, cela quelque soit le type d'acier. Le second objectif de cette thèse était le développement d'un nouveau réacteur d'implantation par immersion plasma. A basse température l'implantation d'azote sur des aciers entraîne la formation d'une couche dure de surface. L'implantation d'azote sur des alliages base aluminium révèle, toujours à basse température, la formation d'un film de nitrure d'aluminium (AlN). La grande originalité du réacteur que nous avons développé est de pouvoir réaliser des implantations à température élevée (300-1000 °C). Nous avons ainsi pu montrer qu'à 900 °C, sur des alliages base titane, on peut réaliser la croissance de films épais de TiN et Ti2N et au-delà induire la formation d'une couche de diffusion sur plus de 60 µm. L'implantation de silicium à température contrôlée a permis de montrer qu'un film transparent, de nitrure de silicium, pouvait croître grâce à un transport combinant l'action thermique et l'implantation ionique. Dans ce cas et pour des doses suffisamment élevées, la couche atteint 40 nanomètres et présente la stœchiométrie du nitrure Si3N4. Ce résultat est parfaitement inaccessible aux autres techniques de nitruration puisque, la croissance de nitrure est auto-limitée à des épaisseurs inférieurs à 5 nm.

Dans les transistors MOS avancés, la réalisation de jonctions ultraminces (<15 nm) abruptes et fortement dopées par implantation ionique de dopant reste la voie privilégiée pour l'élaboration des extensions source/drain (S/D). Cependant, au cours du recuit d'activation, cette méthode s'accompagne de la formation de défauts étendus de type interstitiel et d'agglomérats défauts-dopants qui sont à l'origine de problèmes majeurs tels que la diffusion accélérée et transitoire (TED) des dopants et la dégradation des propriétés électriques des jonctions. L'objectif de cette thèse a été de modéliser de façon globale ces différents phénomènes physiques afin de prédire la distribution des dopants dans les extensions S/D. Pour ce faire, nous avons d'abord simulé la croissance compétitive de type maturation d'Ostwald que se livrent ces défauts au cours du recuit et nous l'avons couplée à la diffusion des dopants, notamment dans les cas d'intérêt technologique, lorsque l'étape d'implantations à forte dose cause la formation d'agglomérats défauts-dopants engendrant une immobilisation et une inactivation partielle du dopant dans le silicium. Nous avons ensuite étendu les modèles développés dans le silicium aux cas de nouveaux matériaux tels que le SOI (Silicon-On-Insulator) ou le SiGe (alliage silicium/germanium). Enfin, les modèles élaborés et calibrés pour la fabrication des jonctions ultra-fines ont été validés en simulant électriquement les technologies industrielles en développement à STMicroelectronics-Crolles : C65 SOI et SiGe 45, avec une attention particulière aux effets de petites géométries tels que le SCE (Short Channel Effects) et le DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).