L'objectif de cette étude est de regarder l'influence du Pt sur la formation des siliciures de Ni dans le procédé Salicide et en particulier sur la phase basse résistivité NiSi, envisagée par l'industrie pour réaliser les contacts avec les zones actives de transistors de type Flash. Pour cela, nous avons étudié la nature, la séquence et la cinétique des phases formées, d'une part sur le système Ni1-xPtx/Si(100) (0% ≤ x ≤ 30%), et plus particulièrement sur un système intéressant pour certaines de ces propriétés, Ni(13%Pt)/Si(100). Deux types de dépôts ont été confrontés : dépôts réalisés avec une cible alliée Ni(13%Pt) ou par codéposition (cibles Ni et Pt dissociées). Ainsi nous avons couplé différentes techniques de caractérisation in situ (diffraction des rayons X, Réflectivité des rayons X (RRX), résistivité 4 pointes) pour essayer de comprendre les mécanismes liés à ce système. En particulier des expériences de RRX in-situ, associées à une analyse par transformée de Fourier inverse, ont été mises en œuvre, en utilisant le rayonnement synchrotron (ESRF), et aboutissent à des résultats originaux : la séquence des phases est modifiée dans le cas du Ni(13%Pt). Enfin, des premières mesures de résistance sur lignes étroites ont été réalisées, soulignant les avantages et les limites associées à l'utilisation d'un tel système.

L'objectif de cette thèse est d'étudier les corrélations entre les propriétés morphologiques, structurales et magnétiques de nanoparticules à base de cobalt et platine. L'importance de cette étude tient au fait que les nanoparticules de CoPt constituent un matériau potentiellement utilisable dans le domaine de l'enregistrement magnétique. Il est donc essentiel de déterminer les liens entre les propriétés magnétiques et l'organisation atomique des nanoparticules. Pour cela, nous avons d'abord étudié la structure et la morphologie de ces objets à l'aide de techniques complémentaires : la microscopie électronique, la diffusion et l'absorption des rayons X. Les résultats montrent des transitions structurales dépendantes de paramètres comme la température, la taille ou le mode de croissance des nanoparticules. Ainsi, lors de la croissance atome par atome, des transitions de structure icosaédrique vers cubique à faces centrées sont observées. En revanche, la coalescence permet la formation d'une structure intermédiaire décaédrique. La structure chimiquement ordonnée qui est la plus intéressante pour le stockage de l'information a été obtenue par recuit à une température de 630 °C. Dans un second temps nous avons étudié les propriétés magnétiques des nanoparticules par magnétométrie SQUID et par dichroïsme magnétique circulaire des rayons X. L'analyse des résultats fait apparaître des liens clairs entre leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Ces études ont été menées sur des particules alliées et coeur / coquille. Des effets d'interface ont été mis en évidence et les échantillons recuits ont montré une très forte augmentation du moment magnétique.

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.

La réaction de films minces métalliques avec un substrat de silicium reste encore peu étudiée dans le domaine des très faibles épaisseurs. Afin de suivre les cinétiques de réaction et l'évolution des contraintes lors de la formation d'une phase, des mesures de diffraction du rayonnement X synchrotron, et de courbure de substrat ont été couplées. Le système Pd/Si constitue un système modèle ; un siliciure unique se forme : Pd2Si. Les résultats obtenus prouvent que le modèle de Zhang et d'Heurle permet d'expliquer l'évolution des contraintes résultant de la compétition de deux mécanismes : le développement de contraintes en compression dû à la formation d'une nouvelle phase et la relaxation des contraintes du siliciure déjà formé. Néanmoins, la microscopie électronique en transmission et les figures de pôle révèlent que la texture de cette phase change selon l'orientation du substrat. Sur Si(111), Pd2Si est en épitaxie alors que sur Si(001), la phase présente une texture qui évolue au cours du traitement thermique. Cette évolution serait activée par un mécanisme de fluage diffusionnel puis par de la déformation plastique. L'étude de films ultra-minces de Ni montre qu'il existe une épaisseur critique (<6 nm) en dessous de laquelle la séquence de phases et la texture des siliciures formés sont modifiées. Différentes techniques révèlent qu'à partir de 200 °C, la phase NiSi croît sous la forme d'une couche homogène et continue. En augmentant la température, les phases NiSi et NiSi2 coexistent avec différentes morphologies : îlots pénétrant dans le substrat ou bâtonnets.

Une alternative à la réduction des dimensions caractéristiques des transistors est la 3D séquentielle. L’intégration 3D séquentielle requiert la fabrication de plusieurs niveaux de composant directement les uns au dessus des autres. Les procédés de fabrication utilisables pour les niveaux supérieurs sont limités par le budget thermique maximal que peuvent supporter les niveaux inférieurs. Pour la technologie FDSOI cette limite est fixée entre 500 °C et 550°C, 5 h dépendant de la siliciuration utilisée. Malgré le travail fourni pour réduire le BT des procédés de fabrication du transistor FDSOI, il est difficile d’atteindre cette limite pour certaines étapes, comme l’épitaxie des sources et drains surélevés. Dans ce contexte, cette thèse propose d’étudier et d’améliorer la stabilité thermique des niveaux bas, c’est à dire des transistors FDSOI et des niveaux de routages intermédiaires. L’étude de stabilité thermique du transistor FDSOI a permis d’identifier le siliciure comme étant l’élément le plus sensible aux budgets thermiques. Sa détérioration entraîne la dégradation de la résistance d’accès du transistor et favorise la diffusion du siliciure dans le canal. L’utilisation du Ni0.90Pt0.10 est limitée à 500 °C, 5 h, celle du Ni0.85Pt0.15 à 550 °C, 5 h. En alternative au NiPt, un nouveau siliciure a été étudié : le Ni0.90Co0.10. Afin de repousser sa stabilité thermique à 600 °C, 2 h, son intégration a dû être couplée à deux facteurs d’améliorations : l’amorphisation partielle des sources et drains par implantation et l’intégration d’un film de silicium intrinsèque epitaxié au-dessus des sources et drains composés de Si0.70Ge0.30. Les effets de ces différents « boosters » ont ainsi été analysés et expliqués. Pour la première fois, les avancées obtenues ont été implémentées sur des dispositifs FDSOI du noeud 14 nm. Ce premier essai est concluant car des performances identiques aux transistors pMOS fabriqués avec le siliciure Ni0.85Pt0.15, étudié depuis les années 2000, ont été obtenues. Néanmoins, la stabilité thermique évaluée sur transistor Ni0.90Co0.10 reste à améliorer. L’intégration de niveaux de routage entre les niveaux de transistors requiert des matériaux thermiquement stables et peu contaminants. Dans cette optique, la stabilité thermique d’une liste de diélectriques a été étudiée et caractérisée principalement par ellipsométrie, FTIR et ellipsométrie-porosimértie. Ainsi des couples isolant/barrière ont pu être déterminés pour chaque budget thermique appliqué entre 500 °C et 600 °C, 2 h. En ce qui concerne le métal intermédiaire, le tungstène a été étudié comme matériau conducteur, en plus du cuivre, en raison de son caractère moins contaminant. Ces deux matériaux ont montré une bonne stabilité thermique : jusqu’à 500 °C, 2 h pour le cuivre et 550 °C, 5 h pour le tungstène. Cependant, la résistance d'une ligne en cuivre est six fois moins résistante d'une ligne en tungstène. Cette valeur pourra être abaissée dans le cas de l’utilisation d’une nouvelle barrière en tungstène sans fluore qui a été étudiée et intégrée avec succès. Pour finir, la fiabilité du diélectrique à l’état de l’art, le SiOCH poreux, a été analysé dans des structures intégrant des lignes en tungstène. Dans ces conditions, la durée de vie du diélectrique est estimée à 1e16 années. Malgré la diminution de cette valeur après budget thermique à 600 °C, 2 h, (1e7 années), celle-ci reste bien supérieure à celle du cuivre dans des conditions identiques. / The 3D sequential integration is a smart alternative to planar device scaling. In this integration, the stacked transistors are processed sequentially, thus implying the reduction of the top thermal budget processes in order to preserve the bottom levels. For the FDSOI technology, the maximum thermal budget is set at 500 °C, 2 h. Despite the work done to reduce the thermal budget of the FDSOI processes, it is difficult to comply with this limit, as for example for the epitaxial raised source and drain which would need a thermal budget limit relaxation. In the frame of this Ph.D work, the thermal stability of the FDSOI transistors and the intermediate Back-End-Of-Line have been studied and optimized. The FDSOI transistor silicide has been identified as the most sensitive element to the thermal budget. Its degradation imply the access resistance degradation and favor the diffusion of the silicide into the channel. For this purpose, the Ni0.90Co0.10 silicide has been studied. To increase its thermal stability up to 600 °C, 2 h, two enhancers have been integrated: the pre-amorphization implant and the integration of a silicon capping over the Si0.70Ge0.30 source and drain. The effects of these enhancers on the thermal stability have been analyzed and understood. In addition to those, the Ni0.90Co0.10 has been integrated for the first time on 14 nm node FDSOI transistors. This first attempt is positive: identical performances on pMOS transistors have been obtained with Ni0.90Co0.10 silicide compare to Ni0.85Pt0.15 silicide, which is studied since the 2000’s. However, the improvement of thermal stability is not yet achieved on FDSOI transistors with Ni0.90Co0.10 silicide. Concerning the stability of the intermediate BEOL, the stability of dielectrics has first been studied and characterized by ellipsometry, FTIR and ellipsometric–porosimetry. Thus, insulating/barrier pairs have been defined for each thermal budget between 500 °C and 600 °C, 2 h. The metal lines have been studied using a 28nm node layout. Due to its limited contaminant characteristic, tungsten has been analyzed in addition to copper. Both materials show a good thermal stability: 500 °C, 2 h for copper and 550 °C, 5 h for tungsten despite the higher resistivity of tungsten. A factor 6 has been measured between these two materials. The resistance of a tungsten line has been improved by the integration of a new barrier. Finally, the state of the art Back-End-Of-Line dielectric reliability, the porous SiOCH, has been studied, function of the thermal budget, in structure integrated tungsten metal lines. In these conditions, the dielectric lifetime is estimated at 1e16 years. Despite its reduction due to thermal budget at 600 °C, 2 h (1e7 years), the tungsten lifetime estimation remains higher than the one obtained with copper lines without thermal budget.

L'introduction de la supraconductivité dans des structures de type MOSFET en silicium ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche en physique. Dans cette thèse, on s'intéresse aux propriétés de transport électronique au sein d'un MOSFET fabriqué avec des sources et drains supraconducteurs. Afin de garantir la reproductibilité de ces dispositifs, il est important d'intégrer des matériaux supraconducteurs compatibles avec la technologie CMOS exploitant la technologie silicium qui a pour énorme avantage d'être véritablement fiable et mature. L'idée fondamentale est de réaliser un nouveau type de circuit supraconducteur avec une géométrie de type transistor dans lequel un supracourant non dissipatif circulant au sein du dispositif, de la source vers le drain, serait modulé par une tension de grille : un JOFET. Une perspective importante est la réalisation d'un qubit supraconducteur grâce à une technologie parfaitement reproductible et mature. Cependant, à très basse température et avec la diminution de la taille des dispositifs, deux phénomènes a priori antagonistes entrent en compétition, à savoir la supraconductivité qui implique un grand nombre d'électrons condensés dans le même état quantique macroscopique et l'interaction Coulombienne qui décrit des processus de transport à une particule. L'intérêt de l'étude est donc de réaliser de tels transistors afin de mieux comprendre comment ce genre de dispositif hybride peut s'adapter à des propriétés opposées. Dans cette thèse, j'ai étudié deux façons d'introduire la supraconductivité dans nos dispositifs. La première option est de réaliser des sources et drains en silicium rendus supraconducteurs par dopage en bore et recuit laser effectué grâce à des techniques de dopage hors-équilibre robustes et bien maîtrisées. Même si la supraconductivité du silicium très fortement dopé en bore est connue depuis 2006 et son état supraconducteur a été très bien caractérisé sur des couches bidimensionnelles, la supraconductivité du SOI, qui est le substrat initial à la base de certains transistors, n'a jamais encore été testée et étudiée. L'objectif est de pouvoir adapter ces techniques de dopage au SOI afin de le rendre supraconducteur et de pouvoir l'intégrer par la suite dans des dispositifs de type MOSFET. La seconde option considérée est la réalisation de source et drain à base de siliciures supraconducteurs tel que le PtSi. Ce siliciure est intéressant du point de vue de sa température critique relativement haute de 1K. D'un point de vue technologique, les MOSFETs à barrière Schottky présentant des contacts en PtSi supraconducteur ont été élaborés au CEA/LETI. Les mesures à très basse température au sein d'un cryostat à dilution ont mis en évidence cette compétition entre la supraconductivité et les effets d'interaction Coulombienne et ont également révélé la supraconductivité dans le MOSFET comportant des contacts en PtSi grâce notamment à l'observation du gap induit dans le dispositif. / Superconducting transport through a silicon MOSFET can open up many new possibilities ranging from fundamental research to industrial applications. In this thesis, we investigate the electric transport properties of a MOSFET built with superconducting source and drain contacts. Due to their advantages in terms of scalability and reproducibility, we want to integrate superconducting materials compatible with CMOS technology, thus exploiting the reliable and mature silicon technology. The idea is to realize a new type of superconducting circuits in a transistor geometry in which a non-dissipative supercurrent flowing through the device from source to drain will be modulated by a gate: a JOFET. One important outcome is the realization of superconducting qubits in a perfectly reproducible and mature technology. However, at low temperature and with the reduction of the size of the devices, two antagonistic phenomena appear. The dissipation-free transport of Cooper pairs competes with lossy single-particle processes due to Coulomb interactions. The goal is to understand how these two conflicting properties manifest in such hybrid devices. In this thesis, I studied two different ways of introducing superconductivity in the devices. We deployed a high boron doping and a laser annealing provided by well-controlled out-of-equilibrium doping techniques to make the silicon superconducting. Although highly boron-doped silicon has been known to be superconducting since 2006, superconductivity of SOI, the basic brick of some transistors, was never tested before. We aim at adapting those doping techniques on SOI in order to make it superconducting and to integrate it in transistor-like devices. In a second project, we study source and drain contacts fabricated with superconducting silicides such as PtSi. Such Schottky barrier MOSFETs with superconducting PtSi contacts are elaborated at the CEA/LETI. Measurements at very low temperature revealed the competition between superconductivity and Coulomb interactions and moreover, have brought evidence of superconductivity in PtSi based silicon Schottky barrier MOSFET.

L’objectif globale de cette thèse est l’étude de la croissance de plots de siliciure de cobalt (CoSi2) individuels combinés à une surface semi-isolante de silicium hydrogénée (Si(100):H) afin de créer un environnement propice à l’interconnexion de molécules fonctionnalisées, prémisse des circuits moléculaires. Cette étude, liée au contexte de l’électronique moléculaire ascendante, est réalisée à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) à basse température (9 K) sous ultra-vide. Ce travail de thèse débute par l’étude de l’adsorption d’atomes de Co, à basse température (12 K) sur la surface de Si(100)-2x1. Nos investigations nous ont permis d’observer, pour la première fois, des sites d’adsorption à la surface et des sites interstitiels métastables en surface et subsurface. Grâce aux excitations électroniques induites par les électrons tunnels, certains sites d’adsorption ont pu être manipulés sur la surface de Si(100). Cette étude préliminaire est suivie par la croissance de plots de siliciure de cobalt individuels sur le Si(100) dont les propriétés électroniques ont été étudiées à basse température (9 K). Ceci nous a permis d’identifier deux géométries de plot de CoSi2 de tailles nanométriques dont le caractère métallique est démontré et ayant de faibles barrières de Schottky à l’interface métal/semi-conducteur. Dans un second temps, nous avons examiné les propriétés de molécules de Co-TPP individuelles et de leurs interactions avec les surfaces de Si(100) et de Si(100) hydrogénées. Les topographies STM révèlent différentes conformations d’adsorption ayant des propriétés physico-chimiques particulières telles qu’une fonction bistable intramoléculaire, ainsi que des propriétés électroniques surprenantes permettant de sonder la physisorption totale ou partielle de l’adsorbat. Un troisième volet de cette thèse adresse la possibilité d’exploiter les propriétés intrinsèques de la surface de Si(100):H afin de créer des ponts moléculaires grâce au couplage successif de liaisons pendantes créées sur la surface du Si(100):H. Les mesures de spectroscopie tunnel effectuées sur ces structures exhibent des états inoccupés caractéristiques du couplage orbitalaire entre les liaisons pendantes dont l’énergie est fonction de l’orientation de la ligne déshydrogénée sur la surface. Finalement, après avoir vérifié que le processus d’hydrogénation ne perturbe pas le caractère métallique des plots de CoSi2, nous avons pu exploiter nos connaissances acquises lors des chapitres précédents. Ceci nous a permis d’étudier, pour la première fois, le contact entre molécules de Co-TPP et plots métalliques. Grâce aux techniques de manipulation latérale, les molécules de Co-TPP ont pu être déplacées et contactées aux plots métalliques. La spectroscopie tunnel effectuée sur différentes molécules montre, d’une part, qu’en fonction de leur orientation par rapport à l’îlot de CoSi2, la structure électronique de chaque molécule est modifiée de manière spécifique. D’autre part, nous avons observé que la position de la mesure des spectres tunnels influe sur le gap de la molécule associé, révélant probablement une signature du transport électronique entre la molécule et le plot métallique. L’ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles perspectives extrêmement riches et prometteuses pour la réalisation de circuits moléculaires planaires comme prototype d’études fondamentales. / For the fabrication of molecular circuitsThe overall objective of this thesis is to study the growth of individual cobalt silicide (CoSi2) dots combined with a semi-insulating hydrogenated silicon surface (Si(100):H) to create a controlled and suitable environment for the interconnection of functionalized molecules, the premises to molecular circuits. This study, related to the context of the bottom-up molecular electronics, is performed using a scanning tunneling microscope (STM) at low temperature (9 K) under ultrahigh vacuum. This thesis begins with the study of the adsorption of Co atoms on the surface of Si (100)-2x1 kept at low temperature (12 K). Our investigations have led us to observe, for the first time, adsorption sites that are either stable or metastable interstitial sites on the surface and/or subsurface. With electronically induced excitations, some of the Co adsorption sites have been modified or manipulated on the Si(100) surface. This preliminary study is followed by the growth of individual cobalt silicide dots on the Si(100) while their properties are investigated at low temperature (9 K). This allowed us to identify two different types of silicide dots of nanometric sizes whose metallic character is demonstrated while low Schottky barriers at the metal/semiconductor interface are identified. In a second step, we examined the properties of individual Co-TPP molecules and their interactions with the Si(100) and hydrogenated Si(100) surfaces. The STM topographies reveal various conformations with specific properties such as an intra-molecular bistable function, as well as surprising electronic properties that allow probing the physisorbed parts of the adsorbate. A third part of this thesis addresses the possibility of exploiting the intrinsic properties of the Si(100):H surface to create molecular bridges through successive coupling of dangling bonds created at the surface of Si(100):H. Tunnel spectroscopy measurements carried out on these structures exhibit unoccupied states orbitals, signature of the coupling between dangling bonds, whose energy depends on the orientation of the dangling bond lines across the hydrogenated surface. Finally, after checking that the hydrogenation process of the Si(100) surface does not disturb the metallic character of the CoSi2 dots, we used our knowledge gained in previous chapters. This allowed us to study, for the first time, the contact between molecules of Co-TPP and metal dots. With lateral manipulation techniques, the Co-TPP molecules have been displaced and contacted to metallic pads. The tunneling spectroscopy performed on different molecules shows, firstly, that depending on their orientation relative to the CoSi2 dot, the electronic structure of each molecule is modified in a specific manner. On the other hand, we observed that the conductance spectrum influences the gap of the associated molecule, indicating a signature of electron transport between the molecule and the metal pad. Taken together, these results open new extremely rich and promising perspectives for the realization of planar molecular circuit as a prototype for fundamental studies.

L'objectif de cette étude est de caractériser la redistribution d'éléments d'alliages et de dopants au cours des premiers stades de formation des siliciures de Ni. Pour cela, nous avons étudié la nature, la séquence et la cinétique des phases formées, dans un premier temps pour les systèmes binaires Pd/Si, Pt/Si et Ni/Si, puis pour les systèmes ternaires (Ni,Pt)/Si et Ni/(Si, As) présentant un intérêt technologique pour la nanoélectronique. Ainsi, nous avons couplé des techniques de caractérisation originales (calorimétrie différentielle à balayage sur films minces, sonde atomique tomographique, diffraction des rayons X in situ) pour mesurer la redistribution du Pt dans les phases formées et leurs cinétiques de croissance. Nous avons pu développer un modèle pour décrire les premiers stades de croissance de ces siliciures alliés et dégager les mécanismes mis en jeu ainsi que les facteurs limitant la redistribution des éléments d'alliage et des dopants.