Analyse et quantification par XPS des dopants actifs dans des couches épitaxiées fortement dopées
L’épitaxie RP-CVD joue un rôle important en microélectronique car elle permet la croissance de couches fortement dopées tout en conservant l’orientation cristalline du substrat de départ. Le contrôle de ces couches est indispensable pour assurer la fiabilité des dispositifs. Un fort dopage de films minces de Si ou SiGe est notamment nécessaire pour réduire la résistivité des contacts. L’objectif de cette thèse est de développer une technique de caractérisation capable de mesurer la quantité de dopants et leur environnement chimique qui détermine s’ils sont électriquement actifs ou pas. Le travail consistera à évaluer la spectroscopie de photoélectrons (XPS) pour quantifier les dopants As, P et B et identifier leur état chimique. L’impact des conditions de croissance sera évalué, en variant notamment la température et la nature des précurseurs, afin d’obtenir des couches fortement dopées sans dégradation morphologique, tout en minimisant la concentration de dopants inactifs. Des développements méthodologiques seront menés en XPS pour parvenir à caractériser ce dopage au niveau des lignes de production avec une bonne répétabilité. Les conditions d’analyse et de traitement des spectres seront optimisées. Le doctorant sera aussi amené à réaliser des mesures exploratoires en XPS à haute énergie (HAXPES). D’autres techniques de caractérisation telles que le SIMS, le FTIR et l’XRD ainsi que des mesures électriques viendront compléter les résultats obtenus.
Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie
Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie
Une meilleure compréhension structurale en nanoélectronique grâce à la microscopie à rayons X en champ sombre
La microscopie à rayons X en champ sombre (DFXM) est une technique synchrotron émergente et non destructive, capable d’imager les contraintes et les défauts cristallins avec une résolution de 30 à 100 nm sur de larges champs de vue. Les améliorations récentes à l’ESRF et sur la ligne de lumière ID03 ont augmenté l’intensité des rayons X de deux ordres de grandeur, permettant l’étude des structures nanométriques les plus complexes fabriquées en salle blanche. Cette thèse a pour objectif d’exploiter la DFXM pour l’analyse d’architectures microélectroniques avancées soumises à des contraintes thermo-mécaniques critiques. La DFXM fournira une cartographie 3D des contraintes, de l’orientation et des défauts enfouis dans des dispositifs complexes sans destruction de l’échantillon. Une étude comparative sera menée avec des techniques locales de rayons X complémentaires disponibles sur synchrotron telles que la microdiffraction Laue et la microscopie de diffraction des rayons X en balayage (SXDM). Des corrélations multi-échelles seront établies avec la MET et la spectroscopie Raman. Des simulations par éléments finis appuieront l’interprétation en modélisant le comportement mécanique sous charge thermique ou en conditions opérationnelles. L’objectif est de définir une méthodologie robuste pour l’analyse multi-échelle des contraintes dans les composants de la microélectronique.
Cette thèse se déroulera au CEA–Leti sur la plateforme de Nano-caractérisation, et s’inscrit dans une collaboration étroite avec la ligne ID03 de l'ESRF et soutient les avancées dans les technologies quantiques, la photonique et les technologies microélectroniques à haute efficacité énergétique. Ce travail contribuera à améliorer la fiabilité et l’optimisation de la conception des dispositifs de prochaine génération.
Comment la nucléation des défauts impact la fracture dans le transfert de couches par SmartCut
Le procédé SmartCutTM est largement utilisé dans la fabrication de substrats innovants pour la microélectronique, comme par exemple le SOI (Silicon-on-Insulator).
Les phénomènes physiques à la base de ce procédé, sont encore au cœur de nos recherches. L’optimisation de l’étape de fracture est un sujet majeur dans notre laboratoire et dans notre collaboration avec Soitec. Dans la thèse de G. Salomon (fin prévue en décembre 2026), le développement de protocoles d’analyses de la surface post fracture, ont mis en évidence le lien entre l’évolution de défauts lacunaires à l’origine de la fracture (platelets) et la rugosité post fracture. Nous avons ainsi pu caractériser les premiers stades de la croissance des platelets et ainsi déterminer leurs caractéristiques principales (taille et densité). Ce qui n’avait été réalisé jusque là qu’à travers des caractérisations complexes basées sur des observations TEM.
Maintenant que nous avons mis en évidence l’impact des platelets sur la rugosité post-fracture et que les moyens pour quantifier ces interactions ont été développés, l’étape suivante est d’étudier d’identifier des moyens de contrôler leur nucléation par des nouveaux procédés. Il s’agira aussi d’optimiser l’état post fracture des substrats SOI.
CdTe pour la radiographie médicale; maitrise des propriétés électriques
L’usage de détecteurs à conversion directe dans le domaine de la radiographie médicale ouvre de nouvelles perspectives. De par ses propriétés, le matériau semiconducteur CdTe s’impose comme un matériau de choix pour réaliser ces nouveaux composants. Le sujet de thèse proposé vise à développer les connaissances et les procédés permettant la fourniture de cristaux de CdTe aux propriétés adaptées aux exigences applicatives. Les travaux s’appuieront sur l’expertise avancée du laboratoire quant à la maitrise des procédés de monocrstallisation du CdTe. Les enjeux du sujet seront les suivants :
- Réaliser des recuits sous atmosphère contrôlées (ex-situ, sur coupon) pour étudier leur impact sur les propriétés électrique du CdTe,
- Réaliser des caractérisations avancées pour tenter de mieux comprendre les mécanismes de dopage dans CdTe,
- Fabriquer des dispositifs « simples » et les tester sous flux X pour quantifier les performances des matériaux du laboratoire.
Le sujet de thèse proposé est au cœur du développement d’une filière CdTe pour les applications en radiographie médicale. Des travaux pluridisciplinaires (développements matériaux - procédé, caractérisation matériau, réalisation et test sous flux X de dispositifs simplifiés) sont proposés pour aborder ce sujet.
Croissance d’hétérostructure pérovskite halogène inorganique 2D/3D par dépôt par ablation laser pulsée (PLD) pour l’optoélectronique et le photovoltaique
Les pérovskites halogènes (PK) ont démontré un très fort potentiel pour le photovoltaïque (PV) en atteignant des rendements records (35% en tandem sur silicium). Cependant, leur stabilité limitée (dégradation sous humidité, chaleur ou lumière) et les défis de mise à l’échelle (perte de rendement à grande surface) freinent leur industrialisation. Parallèlement, dans le domaine des microLED, les PK émergent comme une alternative prometteuse aux boîtes quantiques (QDs) pour les couches de conversion de couleur, grâce à leur pureté spectrale élevée et leur absorption supérieure. Pourtant, leur efficacité et stabilité restent à optimiser pour rivaliser avec les solutions existantes.
Ce projet propose une approche innovante : la fabrication de pérovskites inorganiques 2D et d’hétérostructures 2D/3D par dépôt par ablation laser pulsée (PLD), un procédé innovant pour les pérovskites et ayant un fort potentiel de mise à l’échelle. Les pérovskites 2D, grâce à leur confinement quantique, présentent une énergie de liaison des excitons élevée, idéale pour les LED et lasers, tandis que les hétérostructures 2D/3D améliorent la stabilité et réduisent les recombinaisons non radiatives.
Les objectifs de la thèse sont :
1. Synthèse de pérovskites 2D inorganiques (avec/sans plomb) par PLD et caractérisation avancée du matériau: cristallinité, luminescence, absorption, bandgap, stabilité…
2. Fabrication d’hétérostructures 2D/3D dans l’objectif d’atteindre un effet de passivation des défauts 3D, caractérisation avancée: rendement de photoluminescence, durée de vie des porteurs, passivation des interfaces…
3. Application pour le PV et les microLED : évaluation du potentiel pour des cellules tandem et des couches de conversion de couleur
Les résultats viseront à démontrer que le PLD permet de dépasser les limites actuelles (stabilité, production à grande échelle) tout en maintenant des performances optoélectroniques compétitives. Ce travail s’inscrit dans une dynamique mondiale où les PK pourraient contribuer à des avancées très significatives dans le domaine du PV et des micro-écrans.
Micro-électrolyse en continu pour une synthèse plus vertueuse de nanoparticules d'or
Les nanoparticules (NPs) d'or possèdent des propriétés électroniques, photoniques et chimiques uniques, qui les rendent incontournables pour un grand nombre d'applications technologiques ou médicales. Elles sont typiquement produites par précipitation contrôlée du métal à partir d'une solution aqueuse d'un sel d'or. Cela permet de régler précisément leur taille, et donc leurs propriétés, ce qui est crucial pour la plupart des applications. Les microréacteurs en continu, dans lesquels le mélange de la solution de sel avec celle contenant l'agent réducteur est optimal, permettent un contrôle accru de la réaction, et donc de la taille des NPs. Malgré tout, même dans cas, la synthèse de NPs de très petite taille nécessite d'utiliser des agents réducteurs très puissants qui sont souvent nocifs pour l'Homme et pour l'Environnement. Nous proposons de limiter leur impact et de développer un procédé de fabrication plus parcimonieux en insérant dans le micro-réacteur une cellule d'électrolyse afin de synthétiser in-situ la juste quantité d'agent réducteur nécessaire à la réaction.
Votre mission consistera à tester et adapter une (ou des) cellule(s) d'électrolyse en continu pour la synthèse de NPs d'or. Pour cela, vous devrez identifier différents systèmes réactionnels et types de cellules adaptés. Vous pourrez également tester différents agents de surface qui permettent de stabiliser ces NPs tout en leur conférant des propriétés chimiques intéressantes sur le plan biologique. Tout au long de ce travail, vous veillerez à maintenir les bonnes caractéristiques des NPs (taille, propriétés chimiques de surface, propriétés optiques, etc.) en fonction de l'application visée.
Croissance matériaux chalcogénures FerroMagnétiques 2D pour la spintronique
Les matériaux chalcogénures, notamment les alliages Ge-Sb-Te (GST), sont essentiels pour les mémoires à
changement de phase (PCMs). Bien que performantes, ces mémoires consomment beaucoup d’énergie, ce
qui pousse à explorer des solutions alternatives. Les alliages GST offrent des opportunités uniques dans le
domaine de la spin-orbitronique comme matériau d'interconversion spin-charge ou comme source de courant polarisé en spin. Les alliages ferromagnétiques 2D comme les alliages Fe-Ge-Te ou Ge-Mn-Te offrent des pistes prometteuses comme sources de courant de spin pour de nouveaux types de mémoires plus efficaces. Pour une injection de spin efficace, on recherche un matériau qui non seulement présente une température de Curie (TC) élevée et une polarisation de spin importante, mais qui est parfaitement compatible à la technologie CMOS existante à base de silicium.
Cette thèse a pour but de développer et de maîtriser de manière industrielle sur substrat Si 300 mm, la croissance par épitaxie van der Waals dans des bâtis de pulvérisation cathodique industriels de films ferromagnétiques 2D basés sur les alliages FenGe(Ga)Te2 (n=3, 5) ou Ge1-xMnxTe afin par exemple de les intégrer in situ avec des couches de chalcogénures d’interconversion spin-charge telles que les couches ferroélectriques (a-GeTe(111)) ou des isolants topologiques (Bi2-xSb2Te3).
Le collage de puces à plaque: des mécanismes physiques à l'élaboration de puces fines empilables
Le collage direct de puce sur des plaques est devenu depuis quelques années un axe de développement majeure en microélectronique et au cœur de nombreux projet du LETI aussi bien en photonique sur silicium que pour les applications 3D impliquant du collage hybride.
De par leur taille réduite, le collage de puces permet d’étudier les effet de bords du collage direct et de mettre en œuvre de nouveau process de collage direct pouvant éclairer de façon original les mécanismes du collage direct déjà bien étudié au LETI. D’un point de vue plus technologique, l’élaboration de puces fines empilables sera aussi une clé technologique très intéressante pour de nombreuses applications. Elle se présente comme une alternative astucieuse aux procédés damascènes classiques pour palier les difficultés liées à la planarisation de surfaces à faible densité de fortes topographies.
Dépôt sélectif d’oxydes par ALD
Pour la microélectronique du futur, le dépôt sélectif localisé ou Area Selective Deposition = ASD constitue une approche prometteuse pour simplifier les schémas d’intégration des nœuds technologiques les plus avancés. Ces approches d’ASD nécessitent d’être adaptées en fonction d’un trinôme comprenant le matériau à déposer, la surface de croissance et la surface inhibée.
Cette thèse se concentrera sur le dépôt sélectif d’oxydes (tels que SiO2, Al2O3, …) sur Si ou SiO2 et non sur le nitrure de silicium (SiN)qui est l’un des sujets les plus complexe en ASD afin d’évaluer l’intérêt de ce type de procédé pour la réalisation de transistors FDSOI avancés.
Pour développer ce procédé de dépôt sélectif de SiO2, différentes approches permettant de rendre le SiN inhibiteur à la croissance d’oxydes déposés par ALD (Atomic Layer Deposition) seront étudiées (traitements plasma, Small Molecular Inhibitor, combinaison des deux, …). Des caractérisations de surface spécifiques seront réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes d'inhibition à l'origine du dépôt sélectif et permettant d'atteindre une sélectivité élevée pour des épaisseurs d'oxyde de 10 nm et plus.
Cette thèse se déroulera au CEA-LETI, dans le service de dépôt de matériaux avancés, en collaboration avec le LMI UMR 5615 CNRS/UCBLyon. L’étudiant aura accès aux plateformes de réalisation en salle blanche 300 mm pour les dépôts de couches minces par PEALD, à la plateforme de nanocaractérisation et à la fonctionnalisation de surface en phase gazeuse au LMI. Des analyses de surface et caractérisations des couches minces (ellipsométrie, XRR, AFM, FTIR, angle de goutte, SEM, XPS, Tof-SIMS) seront utilisées pour déterminer la meilleure sélectivité et comprendre les mécanismes physico-chimiques.