Le but principal de ce travail de thèse est de proposer un matériau précurseur d'oxydes métalliques (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible avec la technique de photolithographie interférentielle DUV. Des oxoclusters de métaux (MOC) de transitions obtenus par complexation d'un ligand organique et hydrolysé partiellement ont été proposé comme briques élémentaires pour construire ces nanostructures. Le recours à des longueurs d'onde DUV (193 nm) permet d'exciter directement les MOC, ce qui conduit à une réticulation photoinduite, et confère à la résine un caractère de photoresist négatif. Une étude spectroscopique détaillée a permis de proposer un mécanisme de photoréticulation. Cette étude s'est appuyée essentiellement sur des techniques de suivi in situ de la réaction photochimique, par ellipsométrie spectroscopique et RT-FTIR. La nanostructuration a été effectuée essentiellement par lithographie interférométrique DUV (DUV-IL) à 193 nm et étendue à la stéréolithographie biphotonique. La DUV-IL a été choisie pour son potentiel d'écriture de nanostructures sur des surfaces relativement importantes, dans des conditions standard d'atmosphère et température. De plus, dans le cas des TiOC, les nanostructures peuvent être rendues inorganiques à température ambiante par un traitement photochimique supplémentaire. Dans le cas de ZrOC et HfOC, une étape supplémentaire de recuit thermique permet d'obtenir une structure de type MO2 cristallisée.

Le domaine du diagnostic moléculaire connait un essor impressionnant depuis plusieurs dizaines d'années. Différents outils d'analyse d'interactions moléculaires sont présents sur le marché. La plupart d'entre eux sont basés sur des tests immunologiques utilisant la fluorescence comme technique de lecture. Or, l'utilisation de techniques de détection avec marquage comme la fluorescence augmente le coût d'une analyse et peut dénaturer un échantillon. Dans cette perspective, une technique de lecture optique sans marquage, qui est une alternative à la fluorescence, a été développée. Le principe de lecture est basé sur le suivi des modifications du spectre de diffraction de réseaux périodiques, composés de molécules sondes, lors d'interactions avec différentes solutions à analyser. Cette thèse CIFRE est le fruit d'une collaboration entre le LAAS CNRS et la société Innopsys, spécialisée dans la commercialisation d'outils de lecture optique. Elle porte sur le développement d'une plateforme dédiée à l'analyse biomoléculaire (ADN, protéines) au travers de l'utilisation de biopuces multiplexées et d'un instrument de lecture optique sans marquage automatisée. Nous montrons que cette technologie de biodétection sans marquage nécessite le développement d'une chimie de surface permettant l'organisation de molécules sondes en réseaux de lignes périodiques, tout en minimisant l'adsorption non-spécifique entre les lignes. Nous présentons l'optimisation d'un procédé de bi-fonctionnalisation de surface, qui met en jeu un dépôt multiplexé par microcontact printing sur des couches de polymères passivantes. Ces surfaces structurées à l'échelle moléculaire ont permis la détection d'interactions protéines/protéines sans marquage et le concept semble également transférable pour la détection d'hybridation de courtes séquences d'ADN.

L'intégration de diélectriques High-k dans les empilements de grille des transistors a fait naître des problèmes de fiabilité complexes. A cela vient s'ajouter, en vue des technologies sub-32nm planaires, de nouvelles problématiques liées à l'utilisation de substrats silicium sur isolant complètement désertés FDSOI. En effet, l'intégration d'un oxyde enterré sous le film de silicium non seulement va modifier l'électrostatique de la structure mais aussi introduire une nouvelle interface Si/SiO2 sujette à d'éventuelles dégradations. Ce manuscrit présente différentes méthodes de caractérisation électrique ainsi que différentes études de fiabilité des dispositifs FDSOI intégrants des empilements High-κ/ grille métallique. Dans un premier temps, une étude complète du couplage électrostatique dans des structures FDSOI est réalisée, permettant de mieux appréhender l'effet d'une tension en face arrière sur les caractéristiques électriques des dispositifs. Différentes méthodes de caractérisation des pièges d'interface sont ensuite présentées et adaptées, quand cela est possible, au cas spécifique du FDSOI, où les défauts entre le film de silicium et l'oxyde enterré doivent être pris en compte. Enfin, différentes études de fiabilité sont présentées, des phénomènes de PBTI et de NBTI sur des dispositifs à canaux longs aux phénomènes propres aux dispositifs de petite dimension, tels que l'impact des porteurs chauds dans des structures FDSOI à film ultra fins et les effets parasites d'augmentation de la tension de seuil lorsque les largeurs des transistors diminuent. / The integration of High-k dielectrics in recent CMOS technologies lead to new complex reliability issues. Furthermore new concerns appear with the use of fully depleted silicon on insulator (FDSOI) substrates for future sub-32nm planar technologies. Indeed, the integration of a buried oxide underneath the silicon film changes the electrostatic of the structure and create a new Si/SiO2 interface which may be degraded. This thesis presents different electrical characterization techniques and reliability studies on High-κ/metal gate FDSOI transistors. First, a complete electrostatic study of FDSOI structures is done allowing a better understanding of the effects of backgate biases. Different techniques to characterize interface traps are then presented and adapted to FDSOI devices, where traps at the silicon film/buried oxide interface must be considered. Finally, different reliability studies are presented; from NBTI and PBTI issues on long channel devices to specific concerns related to small gate length transistors such as hot carriers degradation on ultra-thin film FDSOI devices and threshold voltage increase with gate width scaling.

De nos jours, les concepteurs de dispositifs cryptographiques doivent non seulement mettre en œuvre des algorithmes robustes, mais ils doivent également s'assurer qu'il n'y ait pas de fuites d'informations à travers plusieurs canaux latéraux lors de l'exécution d'un algorithme. En effet, si ce n'est pas le cas, les implémentations cryptographiques, tant symétriques qu'asymétriques, seront vulnérables aux attaques par canaux auxiliaires. Pour les algorithmes à clé publique tels que le RSA, l'opération principale que doit être rendue robuste est l'exponentiation modulaire sur un anneau fini. Les principales solutions (contremesures) permettant de rendre robuste l'exponentiation modulaire à ces attaques par canaux auxiliaires sont basées sur la randomisation des données traitées. La randomisation de l'exposant et celle des messages sont en effet des techniques particulièrement efficaces pour contrecarrer les attaques par collision et par analyse des corrélations verticales. Toutefois, ces solutions éculées montrent leurs limites par rapport aux attaques dites horizontales qui n'exploitent qu'une exponentiation. Dans ce contexte, ce document relate le travail de conception, tant matériel que logiciel, d'un chiffreur RSA basé sur les systèmes modulaires de représentation des nombres (RNS). Ce chiffreur incorpore différentes contremesures définies à divers niveaux d'abstraction. L'évaluation de sa robustesse aux attaques par canaux cachés tant horizontales que verticales a démontré sa pertinence. / Not only designers of cryptographic devices have to implement the algorithmsefficiently, they also have to ensure that sensible information that leaks throughseveral side-channels (time, temperature, power consumption, electromagneticemanations, etc.) during the execution of an algorithm, remains unexploitedby an attacker. If not sufficiently protected, both symmetric and asymmetriccryptographic implementations are vulnerable to these so-called side-channelattacks (SCA). For public-key algorithms such as RSA, the main operation to bearmoured consists of a multi-digit exponentiation over a finite ring.Countermeasures to defeat most of side-channel attacks onexponentiations are based on randomization of processed data. The exponentand the message blinding are particular techniques to thwartsimple, collisions, differential and correlation analyses. Attacks based ona single (trace) execution of exponentiations, like horizontal correlationanalysis and profiled template attacks, have shown to be efficient againstmost of popular countermeasures.This work proposes a hardware and software implementations of RSA based on Residue Number System (RNS). Different countermeasures are implemented on different abstraction levels. Then, chosen-message and correlation attacks, based on both multi-trace and single-trace attacks are applied to evaluate the robustness of adopted countermeasures. Finally, we propose an improved single-execution attack based on unsupervised learning and multi-resolution analysis using the wavelet transform.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soit pour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteurs infrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domaine du visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectre visible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domaine de l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un bon candidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’une bande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opération cryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : il s’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Ce phénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode). En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporelle qui va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, ou de la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sont étudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation des sources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’attén

Afin de répondre aux exigences industrielles, aux besoins environnementaux ainsi qu’aux contraintes de fonctionnement, les composants électroniques doivent être protégés et interconnectés avec les autres éléments du système. Cette étape est appelée « Packaging ». Cependant, les technologies de packaging classiques, telles que le scellement de boitier, le brasage ou le moulage, sont généralement limitées au niveau de la géométrie du boitier, des interactions matières et ont un impact significatif sur le coût et la complexité de l’encapsulation. De plus, ces techniques sont peu évolutives au cours du développement de produit. En effet, la technique de packaging doit être définie dès le début de la conception du produit, en fonction du composant à encapsuler et des performances attendues. Le choix du mode d’encapsulation conditionne ainsi le processus de réalisation et d’assemblage du système.Dans cette thèse, une nouvelle approche du packaging, plus simple, plus flexible et moins coûteuse, est présentée. La fabrication additive, plus connue sous le nom d’impression 3D, permet de construire un packaging personnalisé, parfaitement adapté aux dimensions et spécifications des composants. Cette approche, simplifie le procédé d’encapsulation en fusionnant les différentes étapes de fabrication du boitier, de mise en place et d’étanchéité. De plus, elle permet également d’encapsuler facilement des composants déjà existants (composant sur étagère, du commerce).Afin de valider la faisabilité d’un packaging directe par fabrication additive, cette étude s’est tenue à un objectif principal : comprendre les mécanismes d’adhésion physico-chimiques (mécanique, chimie, …) mis en jeu entre un polymère ABS imprimé par fabrication additive et un substrat. Pour cela, plusieurs axes de recherches ont été développés, tels que :- Le choix du procédé de fabrication additive, basé sur l’adhésion du polymère imprimé sur substrat et la résolution du procédé. Cet axe, nous a permis de sélectionner la stéréolithographie (technique de fabrication reposant sur la polymérisation localisée de résine spécifique, réactive aux UV).- Les mécanismes d’adhésion entre un polymère ABS et un substrat. Cet axe, basé sur la connaissance des matériaux, leurs caractérisations chimiques ainsi que la caractérisation physique de l’adhérence, a permis de comprendre les mécanismes d’adhésion mis en jeux lors d’une impression directe sur substrat.- Des études pour améliorer l’adhérence, basées sur différentes chimies (organique, métalliques, inorganique) et topographies de surfaces (rugosité de surfaces, texturations de surfaces réalisées par découpe partielle ou gravure).- La réalisation d’un démonstrateur opérationnel, basé sur l’encapsulation directe d’une puce avec un routage conducteur et des interconnexions électriques. Cet axe nous a permis de valider la compatibilité de l’encapsulation par impression 3D avec un composant électronique.En conclusion, notre étude démontre que l’encapsulation des dispositifs de microélectronique à base de silicium peut être réalisée par de nouvelles techniques, notamment celles de fabrications additives. / In order to answer to industrial requirements and to withstand environment and functioning stresses, electronic components have to be packaged. State of the art of packaging technologies, such as lid sealing, brazing and molding, usually presents shape limitations, material issues and significant cost impact. Moreover, those technics have to be specified at the beginning of the product design in order to fit with the whole package and assembly processes, without decreasing the device performances.A new approach used to build a specific packaging allowing flexibility, simplicity and cost competitiveness is presented. Using the polymer additive manufacturing, more usually known as 3D printing, we propose to build customized structures and packages perfectly fitting with component dimensions and specifications. This approach simplifies the packaging process by merging the steps of package manufacturing, die encapsulation onto its substrate, and sealing. Moreover, it permits to easily package and encapsulate components off-the-shelf.In order to validate the feasibility of direct packaging by additive manufacturing, this study focused on a main objective: to understand the physical and chemical adhesion mechanisms (mechanics, chemistry, ...) involved between an ABS polymer printed by additive manufacturing and a substrate. For this, several research axes have been developed, such as :- The choice of additive manufacturing process, based on the adhesion of the printed polymer on the substrate and the resolution of the process. This axis allowed us to select the stereolithography process (manufacturing technique based on polymerization of specifics UV-reactive resins).- The adhesion mechanisms between an ABS polymer and a substrate. This axis, based on materials knowledge, their chemical characterizations and physical characterization of the adhesion, leads us to understand the adhesion mechanisms that occurred during a direct printing on substrate.- Studies to improve adhesion, based on different chemistries (organic, metallic, inorganic) and surfaces topographies (roughness, surface patterns obtained by partial dicing or chemical etching).- The realization of an operational prototype, based on the direct encapsulation of a chip with a conductive routing and electrical interconnections. This axis allowed us to validate the compatibility of 3D printing encapsulation with an electronic component.In conclusion, our study demonstrates that the encapsulation of silicon-based microelectronic devices can be achieved by new techniques, including additive manufacturing.

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse ont pour principal objectif d’aider à comprendre les différents mécanismes et phénomènes qui interviennent lors de l’interaction d’un laser avec un semiconducteur dans une analyse de circuits intégrés submicroniques. Le but étant de maitriser et améliorer les techniques d’analyse par laser en mode sonde. La miniaturisation et la densification des composants électroniques fait que les techniques d’analyse par laser atteignent leurs limites. Connaitre l’impact des différents paramètres physiques, optiques et électriques sur une analyse sonde est un facteur clé pour pouvoir améliorer la compréhension des signaux sonde mesuré. Ces travaux montrent également l’effet non négligeable de la température sur les techniques d’analyse par laser en mode sonde. / The main objective of the presented research work in this PhD thesis is to help to understand the different mechanisms and phenomena involved in the interaction of a laser with a semiconductor in the analysis of a submicron integrated circuit. The aim is to master and improve the Electro Optical Probing techniques. Miniaturization and densification of electronic components lead the failure analysis techniques using Laser to their limits. Knowing the impact of different physical, optical and electrical parameters on a probing analysis is a key to improve the understanding the measured EOP signals. These studies also show the significant effect of temperature on the EOP techniques.

L'intégration 3D fait actuellement figure d'alternative potentielle à la simple réduction des dimensions pour maintenir l'augmentation de la densité des circuits intégrés, principal moteur de l'industrie microélectronique depuis 40 ans. Cette thèse porte sur l'intégration à trois dimensions séquentielle où les transistors des différents niveaux sont fabriqués les uns après les autres sur un même substrat. La difficulté majeure de ce type d'intégration est la réalisation des niveaux de transistors supérieurs à bas budget thermique afin de préserver le niveau de transistor inférieur de toute dégradation. Dans cette thèse nous démontrons des cellules 3D fonctionnelles (inverseurs, SRAM) à cheval sur les deux niveaux. Plusieurs originalités par rapport à l'état de l'art, tel que : le développement de la brique siliciuration stable en température pour le FET inférieur, la réalisation de la zone active supérieur via un transfert par collage moléculaire et le développement de FET supérieur à bas budget thermique inférieur à 650°C sont démontrées Une deuxième partie de la thèse est consacrée à l'identification des applications de cette intégration. Dans le cas d'applications logiques, nous analysons conjointement les perspectives de gain en densité, performance et coût. D'autres applications comme les mémoires SRAMs, FLASH et les imageurs faiblement miniaturisés apparaissent comme des marchés potentiels pour cette intégration. L'intérêt de l'utilisation du couplage entre les transistors empilés permettant de modifier dynamiquement la tension de seuil du transistor supérieur est démontré par la conception de cellules SRAMs à stabilité améliorée.

L'intégration du siliciure de nickel allié à un faible pourcentage de platine dans un environnement de transistors CMOS génère des difficultés à contrôler sa formation. Ces problèmes peuvent se traduire par une migration anormale du nickel court-circuitant le transistor, impactant les rendements de fabrication. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de ce phénomène physique apparaissant de manière aléatoire à l'échelle d'un circuit intégré pour la microélectronique avancée. L'étude de ce phénomène rare a été conduite à l'aide de méthodes de caractérisation locales aux limites des possibilités techniques actuelles : détection des fuites par contraste de tension, SIMS, Microscopie électronique et sonde atomique tomographique. L'ensemble des résultats statistiques et des caractérisations réalisées ont permis de proposer un scénario de formation des défauts du siliciure en fonction des conditions de sa formation et de la redistribution des éléments chimiques en présence.

La métrologie in situ et le contrôle de procédés en temps réel sont pour l'industrie de la microélectronique des enjeux d'une importance cruciale. Une technique de caractérisation optique basée sur une analyse de la lumière diffractée par un objet, la scatterométrie, fait preuve pour cela d'un potentiel remarquable. Il s'agit d'une méthode non destructive qui permet de mesurer indirectement et avec excellente précision des grandeurs géométriques de motifs périodiques.<br /><br />Pour la résolution de ce problème inverse, il est coutume de comparer une signature relevée par ellipsométrie (par exemple) avec une bibliothèque de signatures optiques calculées au préalable. Dans cette thèse, ce principe appliqué couramment en situation statique (mesure en ligne d'un échantillon) a été étendu à une application dynamique (suivi de procédés en temps réel), pour laquelle les signatures sont acquises avec une faible résolution en longueurs d'onde mais avec une grande fréquence.<br />Ces développements ont consisté d'une part en l'élaboration d'un algorithme de reconstruction de forme basé sur la régularisation de Tikhonov et d'autre part sur l'utilisation d'une architecture de calcul particulière, les processeurs graphiques (GPU).<br /><br />A des fins de mise au point et de validation, nous nous sommes appuyés sur des procédés de la microélectronique pour lesquels le suivi en temps réel est un défi majeur pour le futur : gravure de résine par plasma et fluage de résine pour la nano-impression.