Dans cette thèse, un procédé innovant de transistor implémenté sur des réseaux denses de nanofils (NFs) verticaux est proposée comme une solution potentielle pour des composants très avancés.Dans une première partie, des masques de résine formant des réseaux des nanopiliers verticaux sont fabriqués par lithographie électronique sur une résine inorganique. Ces masques sont transférés dans le substrat de Si par gravure ionique réactive avec des conditions optimisées pour réaliser des réseaux ultradense de NFs verticaux avec un diamètre decananométrique et une excellente anisotropie. Enfin, le phénomène d’effondrement des nanostructures induit par les forces de capillarité a été précisément étudié.Dans une deuxième partie, les phénomènes d’oxydation et de siliciuration de nanostructures sont observés et analysés systématiquement. En utilisant l’autolimitation de l’oxydation thermique, des NFs avec un diamètre ultrafin sont réalisés tout en améliorant l’anisotropie des profils de NFs et en réduisant la rugosité de surface.Une troisième partie débute par la réalisation et caractérisation de nanocontacts implémentés sur des structures à 2 terminaux à base de réseaux de NFs verticaux où une parfaite reproductibilité des caractéristiques IV est démontrée quand un grand nombre de NFs sont considérés par rapport à un NF unique. De plus, l’impact de la surface sur la conduction dans le NF est discuté. Enfin, des transistors à base de réseaux denses de NFs verticaux avec une grille entourante sont réalisés et démontre qu’ils sont une structure efficace pour lutter contre les effets canaux courts. / In this work, a transistor device based on dense networks of vertical silicon nanowires (Si NWs) is proposed as a promising way for ultimate Field Effect Transistor (FET). The first part is dedicated to the realization of dense arrays of vertical NWs with very narrow diameters by a "top-down" approach. Firstly, dense and well-defined nanocolumns arrays have been patterned by e-beam lithography using a negative tone e-beam resist. The resist patterns were transferred by reactive ion etching using chlorine based plasma chemistry and optimized parameters. Lastly, the collapse phenomenon of nanostructures induced by capillary force is studied. The second part concerns a systematically study of oxidation and silicidation phenomenon in the case of Si nanostructures. Thermal oxidation process is identified as an effective method to realize ultra-small diameter Si NWs, improving anisotropic profile and reducing surface roughness after etching process. In the third part, first, the fabrication and characterization of two-terminal structures implemented on vertical Si NWs arrays defined by a "top-down" approach with an ultra-high density is presented. A perfect reproducibility in the I-V characteristics is demonstrated when a large number of Si NWs are considered compared to a single Si NW; the temperature dependence and the non linearity of I-V characteristics indicates that contacts dominate the overall resistance of the Si NWs and the impact of Si NWs surface on conduction of the Si NWs is discussed. Secondly, transistor implemented on dense network of vertical Si NWs with a 15 nm length gate-all-around (GAA) is produced; the characteristics show that this structure can reduce effectively the short channel effects.

Dans le cadre de la réduction des dimensions des technologies CMOS, le module de jonction apparaît comme un point bloquant pour l’amélioration des performances. En particulier, la hauteur de barrière entre le siliciure et le silicium limite le courant passant du transistor. Cette thèse adresse spécifiquement la problématique du contrôle de la hauteur de barrière suivant deux directions. D’une part, nous étudions l’intérêt d’une modification du métal formant le siliciure. D’autre part, nous évaluons le potentiel des techniques de ségrégation de dopants pour la modulation de la hauteur de barrière.Dans un premier temps, nous démontrons les difficultés liées à l’intégration des siliciures de type n (ErSi). Par ailleurs, nous mettons en évidence le fort potentiel du siliciure de platine (PtSi). En effet, ce matériau présente une stabilité thermique supérieure au siliciure de référence (NiSi) et montre une faible barrière à l’injection de trous. De plus, nous montrons que les techniques de ségrégation de dopants permettent d’obtenir de faibles hauteurs de barrières pour l’injection des électrons. Le PtSi apparaît donc comme un candidat à fort potentiel pour les futures technologies CMOS.Après avoir montré les inconvénients majeurs posés par l’intégration auto-alignée du PtSi grâce au procédé standard par eau régale, nous proposons une nouvelle méthode de retrait sélectif basée sur la transformation du métal non réagi en un germaniure facilement retiré par des chimies conventionnelles.En conclusion, nous intégrons le PtSi dans un procédé de fabrication industriel afin de démontrer des performances électriques à l’état de l’art des technologies CMOS les plus avancées. / In the context of the CMOS technology scaling, the junction module appears as being critical for the device performance improvement. Indeed, the Schottky barrier height between the silicide and the silicon is a main limitation for the on-state current increase. This thesis addresses the problem of barrier height control following two main paths. On the one hand, we study the impact of a modification of the metal forming the silicide. On another hand, we evaluate the potential of barrier height modulation using dopant segregation techniques.The difficulties related to the integration of n-type silicides (e.g. ErSi) are highlighted as well. Also, the strong potential of the PtSi is demonstrated. This silicide intrinsically shows a better thermal stability as compared to the reference silicide (NiSi), and has a low barrier height to holes. Moreover, we implement a method using dopant segregation techniques that allow us to reach low barrier heights to electrons. PtSi thus appears as a promising candidate for future CMOS technologies.However, we underline the strong issues related to the self-aligned integration of PtSi using the aqua regia standard process. We have developed during this thesis a new selective etching method based on the transformation of the unreacted metal into a germanide, easily etchable in conventional chemistries, that allows a safe integration.As a conclusion, we integrate PtSi in an industrial process flow, and we demonstrate that electrical performance are in-line with state-of-the-art CMOS technologies.

Alors que le développement industriel des technologies CMOS-SOI aborde le cap des longueurs de grille inférieures à 30nm, l’optimisation du module source/drain est identifié comme l’un des verrous technologiques fondamentaux afin d’atteindre le niveau de performance spécifié dans la feuille de route ITRS. Afin d’adresser cette difficulté, une solution consiste à remplacer le module de jonction source/drain conventionnel par un contact métallique de type Schottky dont la hauteur de barrière doit être modulée à la baisse afin de réduire la résistance spécifique de contact. La mise en œuvre des techniques de ségrégation de dopants à basse température a été identifiée comme une technique efficace de réduction de barrière Schottky. D’autre part, l’application de contraintes mécaniques est également connue pour induire une réduction de barrière Schottky par levée de dégénérescence aux minima de bandes. L’objet principal de cette thèse est donc d’étudier la possibilité de cumuler ces deux effets, en particulier dans le cas d’un substrat SOI en tension biaxiale. Les caractérisations morphologiques et électriques réalisées au cours de cette thèse montrent que l’utilisation du siliciure de platine est judicieuse de part sa faible hauteur de barrière Schottky aux trous (250meV). Nous avons également démontré que l’utilisation simultanée des deux méthodes d’abaissement de barrière précédemment citées permet de réduire ce paramètre de 145 meV. Ce travail de thèse a démontré que l’intégration du siliciure de platine combiné à l’utilisation de la ségrégation de dopant et de substrat contraint permettait d’obtenir des jonctions Schottky de type p et n à faible hauteur de barrière. / While the CMOS-SOI technologies development is reaching the sub 30-nm gate length era, the Source/Drain module optimization is identified as a one of the biggest challenge to be solved in order to satisfy the ITRS specification. For the sake of addressing this difficulty, one solution consists in replacing the conventional Source/Drain junction module by Schottky contacts. However, the Schottky Barrier Height has to be lowered in order to reduce the contact resistance to the minimum. The dopant segregation implementation has been identified as an efficient method to reduce the Schottky Barrier Height. The mechanical stress is also known to induce a Schottky Barrier height lowering due to degeneracy breaks at silicon sub bands minima. The main objective of this thesis is to assess the possibility of cumulating these two effects, in particular in the case of a biaxialy strained substrate. Morphological and electrical characteristics showed that the use of platinum silicide is relevant for the low Schottky Barrier Height to hole (250meV). In addition, we demonstrated that the combined implementation of the two aforementioned Schottky Barrier height lowering methods leads to a reduction equal to 145meV. This thesis work illustrates that platinum silicide integration combined with the use of dopant segregation and advanced strained substrates provide Schottky junctions with a low barrier height for both p- and n-type.

Les premiers travaux relatifs aux combinaisons des métaux alcalins avec le silicium ou le germanium datent du milieu du siècle dernier. Sainte-Claire Delville (1857) (1), Winkler (1864) (2) puis Vigouroux (1869) (3) (4), qui entreprirent les premières recherches dans cette voie ne décelèrent en fait aucune réaction entre le silicium et le sodium. Moissan (1902) (5) (6), après avoir réalisé la synthèse d'un siliciure de lithium auquel il attribua la formule Li₆Si₂, montra que le silicium réagissait sous vide avec le sodium ou le potassium pour former de petites quantités de siliciures difficiles à séparer des produits de départ, et qu'il ne put identifier. Les premiers essais concernant les germaniures alcalins donnèrent en revanche des résultats beaucoup plus concluants. En 1930 Dennis et Skow (7) après avoir porté à 1000°C un mélange équimoléculaire de germanium et de sodium dans un creuset de fer isolèrent un germaniure de sodium correspondant à la formule NaGe...

Pour le développement des nœuds technologiques 14 nm et en-deçà, la technologie planaire Fully Depleted Silicon-On-Isolator implémente des sources et drains (S&D) en Si1-xGex épitaxiés pour augmenter la mobilité des trous par induction d'une contrainte compressive dans le canal p-MOS. Le procédé de siliciuration auto-alignée est utilisé pour contacter les S&D avant le dépôt du diélectrique du premier niveau de contact. Cependant, le procédé de germanosiliciuration des S&D reste un défi majeur. En effet, le germanosiliciure de Ni souffre de la partition de Ge et de l'agglomération du film dès 400 °C qui dégradent irréversiblement les performances du transistor. La stabilité morphologique des siliciures de Ni a été considérablement améliorée par l'utilisation d'un alliage Ni1-yPty sur Si. Cependant, pour le système quaternaire Ni-Pt-Si-Ge, ainsi que pour les films ultra-minces de Ni ou Ni1-yPty à fort taux de Pt (> 10 at.%), les réactions à l'état solide sont complexes et leurs études restent rares. Dans ce travail, nous proposons une étude comparative des systèmes Ni/Si0,7Ge0,3 et NiPt(15 at.%)/Si0,7Ge0,3. La discussion est centrée sur les mécanismes de formation et de dégradation intervenant pendant la réaction Ni/Si0,7Ge0,3. Puis, l'impact du Pt sur la séquence de phase et la dégradation a été identifié. Finalement, la comparaison de ces réactions réalisées sur pleine plaque et dans des motifs a permis d'extraire l'impact du confinement. Afin de caractériser ces films très fins, la sonde atomique tomographique a été utilisée pour étudier la redistribution des éléments, ainsi que la diffraction des rayons X pour identifier la phase en présence et la texture du film. / For 14 nm node and beyond, planar Fully Depleted Silicon-On-Isolator (FDSOI) CMOS of STMicroelectronics implements Si1-xGex epitaxial layers in source/drain (S&D) areas to enhance the hole mobility by inducing a compressive stress in the pMOS channel. Salicide process is preformed to contact S&D prior pre-metal dielectric deposition. However, the Nickel based germanosilicidation of S&D remains more than ever a critical challenge. Indeed, Nickel germanosilicide suffers from Ge out-diffusion and film agglomeration from 400 °C which both degrade irreversibly transistor performances. Morphological stability of Ni based silicide has been considerably improved by using Ni1-yPty alloys on Si. Nevertheless, for the quaternary system with Ni-Pt-Ge-Si as well as for ultra-thin Ni or Ni1-yPty films and high Pt content (> 10 at.%), the solid state reactions are complex and remain poorly understood. In this work, we propose a comparative study between Ni/Si0,7Ge0,3 and NiPt(15 at.%)/Si0,7Ge0,3. We focused on the discussion on the formation and degradation phenomena occurring during the Ni/Si0,7Ge0,3 reaction. Then, the impact of Pt on both phase sequence and degradation has been identified. Finally, the comparison between reactions performed on blanket and patterned wafers permit to extract the impact of patterning. To characterize these very thin films, atom probe tomography was performed to study element redistribution, as well as X-rays diffraction to identify phase nature and texture.

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.

Les travaux présentés portent sur la corrélation entre les propriétés structurales et morphologiques de couches mince de Fe et d'alliages de Fe-Co épitaxiées sur substrat de silicium et leurs propriétés magnétique et magnéto-optique. Les études et résultats présentés dans ce mémoire sont l'aboutissement de l'utilisation d'un ensemble de compétences variées telles que la croissance de couches minces sur silicium, la caractérisation par des méthodes dites globales des propriétés structurales et cristallographiques des systèmes élaborés complétées par une approche à l'échelle nanométrique de la topologie et morphologie des surfaces par des techniques de champ proche (STM). <br />La fonction d'énergie d'anisotropie magnétique des couches minces a été étudiée à l'aide d'une nouvelle méthode de mesure par effet Kerr magnéto-optique : la méthode TBIIST (Transverse Bias Initial Inverse Susceptibility and Torque) intégrant de plus une détermination des différentes contributions magnéto-optique non linéaire en aimantation au signal Kerr. Ces dernières reflètent et traduisent la symétrie cristallographique du système étudié ainsi que les brisures de symétrie liées à la morphologie des surfaces – des interfaces (croissance d'îlots asymétriques) induites par les conditions d'élaboration des couches épitaxiées. Les propriétés d'anisotropie magnétique et magnéto-optique observées et les interprétations expérimentales ont été confortées par des modélisations, des calculs et des simulations à partir des images de topologie STM.

Les besoins de l'industrie aéronautique en matériaux composites capables de conserver pendant de longues durées leurs performances a des températures de 600°C ont motivé la conception de zones interfaciales particulièrement stables au sein de matériaux composites a matrice d'alliage de titane renforcés par des filaments de carbure de silicium. Des dépôts sur filaments de siliciures TiSi2 et Ti5Si3 obtenus par pulvérisation cathodique ont été caractérisés par microscopie électronique a balayage, analyses nucléaires (Rutherford Backscattering Spectrometry) et spectrometrie d'électrons Auger (AES). Les compatibilités chimique et thermomécanique entre les différents constituants des matériaux composites élaborés par compression a chaud a partir des filaments revêtus et divers types de feuillards de titane (Ti, B21S, Ti 1100) ont été étudiées en calculant les états de contraintes résiduelles au sein des constituants et en mesurant leur cinétique d'évolution. L'analyse des zones interfaciales par spectrométrie X et Auger a permis de proposer des mécanismes de diffusion.

Cette thèse porte sur l'étude des phénomènes qui se produisent lors de la réaction métal-silicium (siliciuration) en couches minces et dans des nanofils. En effet, les phénomènes tels que la germination, la croissance latérale, la croissance normale et la diffusion doivent être compris pour réaliser les contacts des futurs dispositifs de la microélectronique. La comparaison entre la siliciuration en couches minces et dans les nanofils est l'un des principaux aspects de ce travail. La distribution atomique en 3D des éléments chimiques dans les différentes siliciures de Ni a été obtenue par sonde atomique tomographique (SAT). Pour permettre l'analyse par SAT de différents types des nanofils à base de silicium, plusieurs méthodes originales de préparation des échantillons par faisceau d'ions focalisés ont été développées et testées. D'autre part, des mesures in situ et en temps réel de diffusion réactive par diffraction de rayons X ont permis de mettre en évidence l'importance de la germination dans la formation des phases et de déterminer les cinétiques de formation des siliciures de Ni allié en Pt, notamment des régimes de réaction aux interfaces et de croissance latérale. La forme caractéristique associée à la croissance latérale a été déterminée par des analyses ex situ de microscopie électronique en transmission et comparée aux modèles existants. La détermination par SAT de l'espèce qui diffuse majoritairement donne aussi des indications sur les mécanismes de formation des phases et de relaxation des contraintes dans les siliciures. / This thesis focuses on the phenomena that occur during the reaction between metal and silicon (silicide) on thin films and nanowires. Indeed, phenomena such as nucleation, lateral growth, normal growth and diffusion must be understood to make contacts for future microelectronic devices. The comparison between the silicide formation on thin films and nanowires is one of the main aspects of this work. Atomic distribution in 3D for the elements in different Ni silicide phase was obtained by atom probe tomography (APT). To enable the analysis of different types of silicon nanowires by APT, several original methods for sample preparation by focused ion beam has been developed and tested. On the other hand, in situ and real-time analysis by X-ray diffraction during the reactive diffusion helped to highlight the importance of the nucleation of a phase and to determine the kinetics of formation of Ni(Pt) silicides, including the reaction on the interfaces and the lateral growth. The characteristic shape associated with the lateral growth was determined by ex-situ transmission electron microscopy analyzes and was compared with the existing theoretical models. Moreover, the determination of the fastest diffusing species by APT provided information on the mechanisms of phase formation and stress relaxation in the silicide.

L'objectif de cette étude est de comprendre l'influence du silicium sur la microstructure d'alliages base TiAl. En effet, de faibles additions de silicium peuvent améliorer la tenue à chaud de ces intermétalliques. Nous montrons que le silicium a tendance à ségréger fortement durant la solidification, à l'échelle microscopique, provoquant l'apparition de siliciures primaires dans les zones interdendritiques. Après étude de cette ségrégation, nous avons procédé à des traitements thermiques d'homogénéisation afin d'étudier quantitativement les transformations solide-solide ayant lieu dans ces alliages. Ainsi, nous avons pu observer la précipitation de siliciures aux interfaces gamma/alpha2 dans des structures lamellaires homogènes. Mais, la structure lamellaire tend à se modifier en même temps que les siliciures germent et croissent. Les liens entre ces deux transformations simultanées sont mis en évidence expérimentalement, avant d'être modélisés à partir d'hypothèses simples. La réalisation d'essais mécaniques sur des microstructures contrôlées permet, en guise de conclusion, de donner des tendances quant à l'influence du silicium sur le comportement à chaud des alliages TiAl / The goal of this study is the understanding of the influence of silicon on the microstructure of TiAl-based alloys. Small additions of silicon are actually known to improve the heat resistance of these intermetallics. It is shown here that silicon segregates strongly at the microscopic scale during solidification, leading to the apparition of primary silicides in the interdendritic regions. After a study of this segregation, homogenization heat treatments were performed in order to focus on a quantitative study of the solid-solid transformations occuring in these alloys. Thus, silicide precipitation was observed at the gamma/alpha2 interfaces in homogeneous lamellar structures. However, the lamellar structure undergoes its own evolution as the silicides nucleate and grow. The links between these simultaneous transformations are shown by our experimental results, then modelled through simple considerations. As a conclusion, mechanical tests on controlled microstructures give some trends on the influence of silicon on the high temperature mechanical properties of TiAl alloys