Les microsystèmes connaissent depuis une dizaine années un développement important grâce à leur pouvoir de miniaturisation des systèmes complexes. A l'heure actuelle un grand nombre d'entreprises étudie la possibilité de faire passer leurs produits de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique. Cette translation d'échelle a pour but de réduire les coûts de production et d'augmenter les performances. Dans cette optique, ce travail de thèse a étudié une solution de disjoncteur thermique en technologie microsystème.<br />Le disjoncteur thermique protège les réseaux électriques contre des surcharges de courant en mesurant l'énergie qui s'écoule dans les fils<br />pendant une durée ? Au delà d'une énergie de seuil, le réseau est ouvert. Le composant microsystème réalisant cette fonction est un convertisseur électro-thermique à grande constante de temps.

L'effort principal de la première partie de cette thèse est concentré sur le développement de capteurs de pH-ISFET en technologie peu coûteuse et non modifiée de 0.6um CMOS (AMS). La recherche comprend une étude de faisabilité, la conception, la fabrication, et la caractérisation complète de sensibilité pH. Un des aspects principaux de la fiabilité du capteur d'ISFET est sa mise en boîtier. Plusieurs structures d'ISFET ont été conçues, fonctionnent et donnent des résultats exploitables. La contribution de bruit d'ISFETs <br />commerciaux, aussi bien que des nouveaux capteurs de pH conçus, est étudiée et mesurée. A la fin de la première partie, deux interfaces de capteurs ISFET sont présentées. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'étudier des inductances planaires suspendues à fort facteur de qualité Q pour des applications analogiques RF. Nous présentons des études, les calculs et la conception d'inductances suspendues sur puce <br />développées dans une technologie CMOS 0.8um (AMS). L'architecture de conception novatrice proposée maximalise le facteur de qualité Q. Les inductances suspendues peuvent être placées verticalement <br />au-dessus du substrat, et ainsi les effets parasites de substrat sont considérablement réduits. Les inducteurs passifs conçus ont des valeurs de 1nH à 7nH. Le facteur Q plus grand que dix est estimé à partir des calculs, et il est vérifié expérimentalement par des mesures de paramètres S.

On peut définir les microsystèmes ou les systèmes micro–électromécaniques comme des systèmes de petites dimensions (plus petites qu'un centimètre cube) et qui accomplissent des fonctions de précision. Les microsystèmes se composent de capteurs pour acquérir les informations du monde extérieur, d'une partie électronique pour le traitement de données et d'actionneurs qui réagissent avec le monde extérieur. Le coût élevé de développement d'un microsystème est dû en grande partie à la complexité du flot de conception faisant intervenir une multitude d'outils CAO spécifiques ou adaptés aux microsystèmes. <br />Le but de cette thèse est de développer une méthodologie de modélisation et de simulation de microsystèmes en se basant sur les outils CAO microélectronique existants. Cette méthodologie comprend les différents niveaux d'abstraction des microsystèmes. Pour transposer les techniques de simulation et modélisation du domaine microélectronique aux microsystèmes, il a fallu faire tout d'abord une étude comparative entre les deux flots de conception. Nous avons ensuite développé des techniques pour gérer la complexité des dessins du masque de microsystèmes. Ces techniques couvrent la génération des motifs uniformes au niveau de layout, ainsi que l'adaptation des algorithmes de vérification de règles de dessin aux formes complexes microsystèmes. Une étude sur une méthodologie de synthèse et d'optimisation pour microsystèmes est présentée où un langage hybride de description de microsystèmes est illustré et différents algorithmes d'optimisation sont discutés. Finalement un environnement de simulation globale de SoC est défini où un composant microsystème « commutateur optique » est simulé avec son environnement électronique.

Les microsystèmes sont le dernier développement de la microélectronique. Leur apparition ouvre des possibilités révolutionnaires dans plusieurs domaines d'application, dont l'exploitation de l'espace.L'utilisation des microsystèmes dans l'espace se heurte au problème de l'exposition à la radiation, notamment pour la partie électronique. Cet obstacle a été surmonté dans le passé par la mise en place de filières de fabrication résistantes ("durcies") aux effets de la radiation. Le rétrécisemment des budgets militaires a provoqué la disparition de la plupart des technologies de fabrication durcies, ce qui est en train de pousser les constructeurs vers l'emploi de technologies commerciales standard (COTS). L'objectif de cette thèse a été d'investiguer des techniques de conception pour le durcissement d'un microsystème fabriqué par une technologie COTS. Le microsystème en question est un capteur de rayonnements infrarouges basé sur des thermopiles en silicium, suspendues par une étape de micro-usinage en volume par la face avant. Les éléments pertinents des différents domaines de connaissance impliqués sont passés en revue, avec une analyse des techniques de durcissement applicables à la construction de l'électronique de lecture en technologie CMOS. Un programme de caractérisation expérimentale a été réalisé, et il a permit d'établir le niveau de sensibilité de la technologie aux rayonnements et l'efficacité des techniques de durcissement développées. Les très bons résultats obtenus ont permis de passer à la réalisation de la chaîne de lecture du capteur, qui a été fabriquée, catactérisée et qualifiée pour l'espace.

Les systèmes à fibre optique ont été commercialement utilisés depuis les années 80 pour la transmission de signaux haut débit sur de longues distances. Plus récemment, l'introduction de l'amplificateur optique et du multiplexage en longueur d'onde a permis la <br />transmission et la régénération de signaux de très haut débit directement dans le domaine optique. Cependant, la faible connectivité des réseaux actuels rend encore inefficace l'utilisation de la bande passante disponible. A présent, les systèmes à fibre optique évoluent en permettant de plus en plus, non seulement la <br />transmission mais aussi la commutation de signaux directement dans le domaine optique.<br /><br />Parmi les technologies existantes pour réaliser la commutation de signaux lumineux, les commutateurs micro-usinés en silicium avec propagation de signaux dans l'air se sont révélés comme une des <br />technologies les plus prometteuses. Ces dispositifs présentent des niveaux de pertes d'insertion et de diaphonie intercanaux plus faibles que les commutateurs à base de guides d'onde surtout dans les commutateurs à très grand nombre de ports.<br /><br />Ce travail de recherche a été focalisé sur la conception de commutateurs optiques micro-usinés. Après avoir révélé les avantages et les possibles applications de ces dispositifs dans les réseaux optiques, nous avons modélisé la propagation de signaux dans les <br />commutateurs optiques et nous avons appliqué ces modèles pour calculer les pertes d'insertion. Une étude comparative a été réalisée sur les microactionneurs électrostatiques et plusieurs modèles ont été obtenus par couplage des théories électrostatique <br />et structurelle. La cosimulation multilangage à été examinée comme méthodologie pour la validation globale de commutateurs optiques. <br />Finalement, nous avons exploré les technologies de fabrication à travers la conception d'un prototype sur micro-usinage en surface.

Le besoin croissant d'intégration de nouvelles fonctions dans les futures générations de dispositifs portables contribue au surpeuplement des circuits imprimés. Dans ce contexte, la miniaturisation des composants discrets est impérative pour compenser l'augmentation de leur nombre et pour garder la taille des cartes de circuit imprimé gérable. L'un des composants les plus courants de ce type est le condensateur, qui peut être utilisé pour découpler une partie d'un réseau électrique d'un autre. Cependant, la miniaturisation des condensateurs nécessite une augmentation de leur densité de capacité, impliquant l'intégration de condensateurs haute densité. Le succès d'une telle intégration repose sur l'utilisation à la fois de matériaux à haute constante diélectrique et d'une architecture d'empilement. Dans ce contexte, les couches de titanate-zirconate de plomb (PZT) combinées aux piles multi-MIM sont de bons candidats pour la nouvelle génération de condensateurs. La technologie multi-MIM consiste à empiler deux ou plusieurs structures MIM en parallèle afin d'augmenter la densité de la capacité sans modification effective de la surface. Avec la géométrie multi-MIM, la performance de l'appareil est fortement affectée par la qualité de l'interface Métal/PZT, il est donc important d'élaborer une chimie d'interface qui ne dégrade pas les performances des multi-MIM.Cette thèse soutenue par le projet français «Programme de l'économie numérique des investissements d'Avenir » vise deux axes de développement pour l’améliorer de la qualité des interfaces Pt/Ru/PZT: la première concerne l'optimisation du contenu de Pb en excès dans la couche de PZT, tandis que le second étudie les effets du recuit de post métallisation (PMA).La première partie de la thèse est dédiée aux analyses de densité de capacité réalisées sur les condensateurs Pt/Ru/PZT/Pt en fonction de l'excès de précurseur du Pb dans les couches de PZT déposées par voie sol-gel (10, 15, 20 et 30% de Pb respectivement pour PZT10, PZT15, PZT20 et PZT30).Nous montrons qu'une augmentation de l'excès de Pb de 10 à 20% entraîne une augmentation de la constante diélectrique maximale (environ 8,8%), ainsi qu'une diminution de la tangente de perte (de 4,36 à 3,08%) et du champ de claquage (de 1,68 à 1,26MV/cm). La PMA favorise l'augmentation du maximum de constant diélectrique (jusqu'à 7,5%) et le champ de claquage augmente de 0.5 MV/cm.Ensuite, l'influence de la chimie de surface des PZT est étudiée en fonction de l'excès de précurseur de Pb. Cet excès de Pb permet de compenser l'évaporation du plomb pendant le traitement thermique successif. En utilisant la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), nous montrons la présence d'une phase de surface ZrOx. Les faibles niveaux d'excès de Pb conduisent à la formation de nanostructures ZrOx à la surface de la couche de PZT. Un taux plus élevé en Pb favorise la disparition totale nanostructures ZrOx en surface.Enfin, nous avons sondé l'interface Pt/Ru/PZT en fonction de l'excès de Pb et de la PMA. La microscopie électronique en transmission (TEM) montre que les nanostructures de ZrOx sont présentes à l'interface du Ru/PZT10. Les nanostructures cristallines ZrOx pourraient former une couche non ferroélectrique et ainsi affecter la densité de capacité. L'analyse en mode operando (sous polarisation in situ) par XPS haute-énergie montre une réponse électronique dépendant de la polarisation appliquée, probablement grâce à l’écrantage imparfait du champ dépolarisant à l'interface Pt/Ru/PZT10. En outre, une nouvelle phase (PbOx) est observée au niveau Pt/Ru/PZT30, probablement liée à la quantité de Pb en excès dans le PZT30. Cette phase semble induire la diminution du champ de claquage et la densité de capacité observée au niveau du Pt/Ru/PZT30/Pt. Enfin, PMA sur le Pt/Ru/PZT10 montre la création d'alliage à base de ZrRuOx et PbRuOx qui pourrait être à l'origine de l'amélioration des réponses électriques des condensateurs PZT après PMA. / The growing need for the integration of an increasing number of functions into the new generation of portable devices contributes to overcrowding of printed circuit boards. In this context, the miniaturization of discrete components is imperative to maintain a manageable size of the printed circuit boards. Decoupling capacitors are one of the most important such discrete components. Miniaturization requires an increase of capacitance density, involving the integration of high-density capacitors. The success of such integration relies on the use of both high dielectric permittivity materials and a suitable stacking architecture. Lead zirconate titanate (PZT) in decoupling multiple metal-insulator-metal (multi-MIM) stacks is a good candidate for the new generation of integrated capacitors. The multi-MIM technology consists in stacking two or more PZT film-based MIM structures connected in parallel in order to increase the density of the capacitance without any effective surface area change. Device performance is heavily affected by the quality of the interface with the electrodes, so it is important to engineer interface chemistry which does not degrade the multi-MIM performance.This thesis, supported by the French “Programme de l’économie numérique des investissements d’Avenir” addresses two aspects of development aiming to improve the quality of the Pt/Ru/PZT interfaces: the first one concerns the optimization of Pb excess content in the PZT film, while the second one investigates the Post Metallization Annealing (PMA) done after deposition of electrode/PZT multilayer.The first part of the thesis presents the capacitance density analysis performed on Pt/Ru/PZT/Pt capacitors as a function of Pb excess in the sol-gel precursor solution (10, 15, 20 and 30% of excess Pb for PZT10, PZT15, PZT20 and PZT30, respectively). Pb excess compensates the lead evaporation during calcination.An increase of Pb excess from 10 to 20% leads to an increase of the maximum dielectric constant of 8.8%, a decrease of the loss tangent from 4.36 to 3.08% and breakdown field from 1.68 to 1.26MV/cm. PMA favors the enhancement of the maximum of dielectric constant by 7.5%, and the breakdown field increases to 0.5 MV/cm.The influence of the surface chemistry is studied as a function of Pb precursor excess. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) demonstrates that low level of Pb excess leads to the presence of a ZrOx surface phase in the form of nanostructures. Higher Pb precursor content allows the PZT synthesis to proceed to its end-point, fully consuming the ZrO2 precursor and eliminating the low dielectric constant ZrOx surface phase.We have then studied the Pt/Ru/PZT interface as a function of Pb excess and PMA. Transmission Electron Microscopy (TEM) cross-sectional analysis shows that the crystalline ZrOx nanostructures are still present at the electrode interface, constituting a dielectric layer which contributes to defining capacitor performance. Operando (under bias in situ) hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) analysis using synchrotron radiation highlights an electronic response dependent on the applied polarization, most probably due to imperfect screening of the depolarizing field at the Pt/Ru/PZT10 interface. Furthermore, a new phase (PbOx) is observed at the Pt/Ru/PZT30 due to the high Pb excess. This new phase seems to induce a reduction in breakdown field and capacitance density. Finally, PMA on the Pt/Ru/PZT10 suggests the creation of interface ZrRuOx and PbRuOx which could be at the origin of the improvement of electrical responses of PZT capacitors after PMA.In conclusion, this thesis has provided valuable information and methodology on the correlation between surface and interface physical chemistry of PZT and Pt/Ru/PZT and electric characteristics of PZT based MIM capacitors.