Contribution des interfaces métal semi-conducteur au fonctionnement des photodiodes infrarouge de dernière génération
Cette thèse concerne le domaine des détecteurs infrarouges refroidis utilisés pour les thématiques astrophysiques. Dans ce domaine, le DPFT/SMTP (Laboratoire Infrarouge) du CEA-LETI-MINATEC travaille en étroite collaboration avec Lynred, leader mondial dans la production de plans focaux infrarouge de haute performance. Dans ce cadre, le laboratoire infrarouge développe de nouvelles générations de détecteurs infrarouges pour répondre aux besoins des futurs produits.
L’un des axes de développement actuels concerne la qualité de l’interface métal semi-conducteur de type p. Ces développements sont portés par l’augmentation de la température de fonctionnement des détecteurs, ainsi que par les exigences de performances très fortes pour les applications spatiales.
L’enjeux de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des espèces chimiques présentes à l’interface d’intérêt en fonction de différents types de traitement de surface et de faire le lien avec les propriétés électriques du contact réalisé.
Le/a candidat/e intégrera le laboratoire infrarouge qui comprend la totalité de la filière de réalisation des détecteurs. Il/elle réalisera ces échantillons grâce aux moyens technologiques disponibles au sein de la salle blanche du LETI, en collaboration avec les experts de la filière. Il aura également accès aux outils de caractérisation nécessaires à l’étude (SIMS, XPS, AFM…) disponibles sur la plateforme de nano-caractérisation (PFNC) ou en salle blanche du CEA. Enfin, il/elle sera amené/e à participer à la caractérisation électro-optique du matériau, en collaboration avec le Laboratoire Imagerie infrarouge Refroidie (LIR) spécialisé dans la caractérisation fine du matériau actif.
Développement de procédés de dépôt/gravure par plasma pour une intégration SADP du nœud FD10
Le développement de nouveaux nœuds technologiques implique à la fois une réduction des dimensions critiques des motifs et une augmentation de leur densité. Depuis des années, le développement de stratégies de patterning multiple avec notamment le recours au Spacer Patterning (aussi noté SADP) s'est intensifié. Cette stratégie repose sur l'utilisation d'un motif sacrificiel sur lequel un matériau est déposé de manière conforme pour ensuite être gravé et ainsi définir des espaceurs qui serviront de masque pour l'obtention de motifs dans la sous-couche après retrait de la couche sacrificielle. Un des principaux défis de cette intégration est le choix des matériaux et leur compatibilité (budget thermique, sélectivité, etc.). Le recours à des matériaux types SiCO(N) peut apporter des alternatives intéressantes aux diélectriques classiques (SiO2, SiN). Un autre enjeu est l’obtention d’une seule population de motifs post-SADP : pour éviter les problèmes de micro-loading, des procédés de gravure plasma contrôlés de manière atomique devront être développés (ex. pulsing, ALE, etc.). L'impact environnemental devra être pris en compte lors du développement de ces procédés.
L'objectif de la thèse est de mettre au point une intégration avec les matériaux SiCO(N), développer ces matériaux et les stratégies de gravure associées.
Pour mener à bien vos recherches, vous profiterez de l’environnement privilégié qu’offre le CEA-Leti permettant d’utiliser des équipements industriels à l’état de l’art technologique à la fois en termes de développement de procédés et en termes de caractérisation des matériaux.
Mesure par scattérométrie de la distance focale d'exposition des outils de photolithographie en microélectronique
Depuis la fin des années 2000 avec l’arrivée des nœuds CMOS45nm, le contrôle des dimensions critiques (CD) des structures de l’étape photo-lithographie est devenu critique pour la fiabilité des circuits imprimés. La photo-lithographie optique demeure la technique la plus économique et la plus répandue pour la production grand volume dans l’industrie du semi-conducteur. Sur ce type d’équipement, le travail des fabricants s’est concentré sur l’augmentation de l’ouverture numérique de l’objectif de l’exposition, sur la diminution des sources d’aberrations optiques et sur la métrologie pour assurer un suivi performant de leurs machines. Ces évolutions ont été possible au détriment de la profondeur de champs de l'exposition. Pour ne pas altérer les images transférées dans les résines photosensibles, et au final avoir un dispositif défaillant, il est primordial de donner une valeur la plus juste et précise possible de cette grandeur. Pour répondre aux besoins grandissants de contrôle des procédés et des outils de lithographie qu’exigent les technologies les plus avancées, les techniques de métrologie à base d’analyse de signaux réfléchis sont massivement utilisées. Même si cette méthodologie répond correctement aux technologies CMOS actuelles (CMOS14nm et antérieures), il est peu probable qu’elle puisse adresser des technologies plus avancées, c'est pourquoi d'autres techniques doivent émerger, comme les techniques à base d'analyse du signal diffracté (scatterometrie).
Procédés de gravure séche innovants de matériaux exotiques
Les propriétés avantageuses (electro –optiques, - acoustisques, -mécaniques) de nouveaux matériaux comme l’ALN dopé Sc, le LNO, le LTO ou le KNN les rendent incontournables pour répondre aux besoins d’évolution de l’optique intégrée, les télécommunications (RF) et les microsystèmes. La réalisation de motifs aux dimensions submicroniques avec une vitesse d’attaque suffisante (>100nm/min), un profil de gravure vertical et une rugosité réduite des flancs sont les objectifs majeurs du travail de thèse pour satisfaire les critères de performances des dispositifs ciblés au niveau applicatif.
Etude in situ de l’impact du champ électrique sur les propriétés des matériaux chalcogénures
Les matériaux chalcogénures (PCM, OTS, NL, TE, FESO …) sont à la base des concepts les plus innovants en micro—électronique allant des mémoires PCM aux nouveaux dispositifs neuromorphiques et spinorbitroniques (FESO, SOT-RAM, etc …). Une partie de leur fonctionnement repose sur une physique hors-équilibre induite par l’excitation électronique résultant de l’application d’un champ électrique intense. La thèse vise à mesurer expérimentalement sur des couches minces de chalcogénures les effets induits par le champ électrique intense sur la structure atomique et les propriétés électroniques du matériau avec une résolution temporelle femtoseconde (fs). Les conditions « in-operando » des dispositifs seront reproduites en utilisant une impulsion THz fs permettant de générer des champs électriques de l'ordre de quelques MV/cm. Les modifications induites seront alors sondées via différents méthodes de diagnostique in situ (spectroscopie optique ou diffraction x et/ou ARPES). Les résultats seront comparés à des simulations ab initio suivant une méthode à l’état de l’art développée avec l’Université de Liège. Au final la possibilité de prévoir la réponse des différents alliages chalcogénures aux échelles de temps fs sous champ extrême permettra d’optimiser la composition et les performances des matériaux (effet de switch e-, électromigration des espèces sous champ, etc …) tout en apportant une compréhension des mécanismes fondamentaux sous-jacents liant excitation électronique, évolution des propriétés sous champ et structure atomique de ces alliages.
Epitaxie « à distance » de Cd(Hg)Te
Une nouvelle façon d’envisager l’épitaxie est apparue récemment grâce au développement des matériaux 2D. Alors que l’épitaxie conventionnelle impliquant des liaisons covalentes est limitée notamment à l’accord de paramètre de maille entre le matériau substrat et la membrane épitaxiée, il apparait que cette contrainte peut être significativement relâchée si la croissance épitaxiale se fait par des interactions de van der Waals. Les matériaux 2D sont les candidatés idéaux pour ce type de croissance étant donné que leur surface ne présente pas de liaisons pendantes.
La « remote epitaxy » ou « épitaxie à distance » est une approche novatrice et originale récente qui consiste à couper l’épitaxie covalente classique par insertion d’un feuillet de matériau 2D suffisamment fin pour permettre la transmission du champ cristallin entre le substrat et la couche épitaxiée. Il est alors possible de réduire notablement les contraintes dans les premières couches épitaxiées avec la possibilité de détacher aisément (grâce à l’interface de faible énergie) la membrane épitaxiée de son substrat.
Cette approche a été abordée avec succès dans le cas des matériaux III-V avec un feuillet de graphène intercalé. Nous proposons dans ce sujet de thèse l’étude de la « remote epitaxy » des semiconducteurs II-VI, CdTe et HgCdTe qui sont au cœur de nombreux domaines d’application comme la détection infrarouge et l’imagerie, la détection X et les applications médicales ou bien encore le photovoltaïque.
Plusieurs matériaux 2D seront étudiés ; soit reportés soit directement épitaxiés si possible en surface du substrat. Le graphène sera transféré par voie sèche pour générer des interfaces de la meilleure qualité possible. De façon préférée, le matériau 2D sera directement épitaxié en surface du substrat. Cette étude se fera en collaboration avec l’équipe 2D de SPINTEC.
Anisotropies et déformations induites par dopage dans les photodiodes infrarouges de dernière génération
Cette thèse concerne le domaine des détecteurs infrarouges CdHgTe utilisés pour les thématiques astrophysiques pour lequel le Laboratoire Infrarouge du CEA-Leti est un des leaders mondiaux.
Le/a candidat/e intégrera le laboratoire infrarouge qui comprend la totalité de la filière de réalisation des détecteurs. Partie prenante de toutes les discussions sur l’élaboration des échantillons de CdHgTe, il/elle réalisera ceux-ci grâce aux moyens technologiques disponibles au sein de la salle blanche du LETI, en collaboration avec les experts de la filière.
Ces échantillons seront alors caractérisés grâce à notre accès au rayonnement synchrotron de l’ESRF ainsi qu’à la plateforme de nano-caractérisation du CEA-Grenoble dotée d’un ensemble de techniques de caractérisation à l’état de l’art.
En étudiant les changements induits par les variations de procédé d’élaboration des échantillons à l’aide de la micro-diffraction de Laue et du SEM-EDX, on accédera à une cartographie simultanée en 2D et à une échelle submicronique, de la contrainte locale et de la composition chimique. L’enjeu de cette thèse sera d’analyser les corrélations entre la composition chimique et la contrainte locale, en lien avec les spécificités du procédé d’élaboration. L’objectif sera d’étudier les mécanismes à l’origine du comportement anisotrope dans les structures d’intérêt.
Etude des mécanismes mis en jeu dans le collage direct de l’InP et de l’AsGa.
Le collage direct consiste en la mise en contact de surfaces suffisamment lisses et propres, afin de créer une adhésion entre elles sans apport de matière extérieure. Cette technologie présente de nombreux intérêts pour la réalisation de structures empilées pour la microélectronique et les micro-technologies et a donné lieu à de nombreuses innovations (fabrication du SOI par SmartCut TM, fabrication du SmartSiC TM, réalisation de MEMS, wafer level packaging, intégration 3D…). Aujourd’hui la montée en puissance des technologies photoniques et le développement du collage direct puce à plaque ouvrent la voie à l’intégration de matériaux comme l’InP et l’AsGa dans le monde du silicium. Afin de pousser ces développements nous souhaitons étudier les mécanismes de collage de ces matériaux qui n’ont pas encore été établis dans la littérature.
La thèse consistera à étudier les mécanismes de collage direct de l’InP et de l’AsGa :
Une première partie de l’étude consistera à caractériser finement la surface de ces matériaux lors des préparations avant collage (type de liaisons créées, type d’oxyde, quantité d’eau adsorbée…).
Puis l’impact de l’eau dans la mise en place de l’adhérence sera tout particulièrement étudié en regard avec les mécanismes établis pour le silicium et son oxyde. La sensibilité à la corrosion sous contrainte des oxydes de surface d’InP et d’AsGa sera évaluée. Des études par spectroscopie infrarouge et réflectivité de rayons-X au synchrotron étayeront les conclusions.
Un dernier axe concernera les propriétés mécaniques de ces matériaux pour mieux comprendre leur intégration au sein d’hétérostructures. Leur transition ductile-fragile sera caractérisée à l’aide de collages sur du silicium ou d’autres substrats (silice, saphir…).
Le candidat sera formé à l’ensemble des outils technologiques de salle blanche permettant la réalisation de collages directs (nettoyages chimiques, polissage CMP, collage, recuits thermiques) et leur caractérisation (spectroscopie infrarouge, microscopie acoustique, mesure d’énergie de collage anhydre, réflectivité des rayons X, spectrométrie de masse...).
Vers une électronique durable : impact et compréhension du remplacement des gaz à fort GWP sur les procédés de gravure plasma
Afin de répondre aux préoccupations environnementales dans l’industrie de la micro-électronique, le CEA-LETI s’engage dans une démarche d’éco-innovation [1]. Dans ce sens, le développement de procédés éco-responsables permettant de réduire les émissions en PerFluoro-Carbone (PFC) est crucial [2]. Les procédés de gravure plasma constituent un émetteur majoritaire de PFC car ils utilisent traditionnellement des gaz à fort GWP. L’objectif de cette thèse portera sur le développement de procédés de gravure plasma sur des substrats 300mm en remplaçant les gaz fluorés tels que le NF3, le SF6 et le CF4 à fort GWP par le F2 (GWP ~0). Ces travaux passeront par la compréhension des modifications induites sur les procédés de gravure de dispositifs avancés. Le double enjeu est de réduire l’impact environnemental tout en garantissant les hautes performances de ces dispositifs.
Pour atteindre cet objectif, vous mettrez en œuvre de nouveaux mélanges à base de F2 sur des applications ciblées de gravure de matériaux et nettoyage de réacteur. Vous apporterez des éléments comparatifs des performances de ces nouveaux procédés à ceux de référence en terme de résultats de gravure et du niveau d’abattement des sous-produits de réaction.
Vous serez basé au Laboratoire de Gravure du CEA-LETI. Le travail, à dominante expérimental sur la plateforme 300mm du CEA-Leti (aperçu ici : https://www.youtube.com/watch?v=on1NH08AZfE), bénéficiera des équipements de procédés à l’état de l’art ainsi que des moyens de caractérisation de la plateforme de Nanotechnologies. L’intérêt scientifique et industriel du sujet vous garantit une valorisation de vos travaux lors de communications internationales. Vous souhaitez que vos recherches aient un impact sur la société, postulez dès maintenant !
* (Global Warning Potential – kg-CO2 équivalent)
[1] DAUVE Sébastien, DI CIOCCIO Léa, « Comment réduire l’impact environnemental de la microélectronique dans un domaine du semi-conducteur en pleine évolution ? », Annales des Mines - Responsabilité et environnement, 2023/2 (N° 110), p. 95-101.
[2] M. Renaud et.al., « Life Cycle Assessment of etching processes for FDSOI transistors technologies”, submitted to SPIE Adv. Litho. 2024
IA pour la métrologie SEM : génération d'images et reconstruction 3D d'objects microélectroniques
L’imagerie par microscope électronique (SEM) est aujourd’hui la méthode de référence pour contrôler la qualité des produits en microélectronique, du fait des tailles des objets à imager et du rendement nécessaire quand ces outils sont utilisés sur des chaines de production. Afin d’améliorer nos connaissances sur les mécanismes en jeu lors des prises d’images et de développer des outils de post-traitement plus performants, il est nécessaire de produire numériquement des images synthétiques, représentatives des images obtenues en salle blanche. Au sein du laboratoire et à l’état de l’art, divers modèles sont disponibles pour générer des images synthétiques (modèles Monte Carlo ou mathématiques) mais ces modèles présentent des limitations en terme de temps de calcul ou de modélisation des défauts inhérents à l’imagerie. Une solution développée dans d’autres domaines d’application afin de produire rapidement des images aux caractéristiques proches de la réalité est la génération d’images par réseau de neurones en apprentissage profond.
L’objectif de cette thèse est de développer un ou plusieurs modèles d’apprentissage profond capable de produire une image SEM réaliste à partir d’un dessin de puce. La qualité des images produites par ce modèle sera évaluée en fonction des paramètres du modèle, ainsi que la pertinence des données d’apprentissage. Ce modèle sera utilisé pour reconstituer un dessin de puce à partir d’une image réelle et/ou de reconstituer la structure 3D des objets à partir d’une image vue de dessus. Cette thèse doit répondre à la question suivante : quelle est la capacité d’un modèle de réseau de neurone à extraire des informations de métrologie avancée sur des images SEM et quelles sont les conditions optimales pour y parvenir ?
Cette thèse se déroulera au sein du laboratoire de Patterning Computationel du CEA-Leti, spécialisé dans le développement de méthodes numériques pour l’optimisation des procédés d’impression de motifs en salle blanche. L’équipe encadrante du CEA est spécialisée en modélisation numérique et procédés de lithographie, et s’appuie sur l’expertise du Gipsa lab en matière de réseau de neurones. Ce travail vient faire suite à des réflexions menées autour de l’IA au sein du laboratoire depuis 2018. La thèse de déroulera en trois ans, avec une rémunération brute mensuelle de 2043,54€ les deux premières années et de 2104,62€ la dernière. La/le doctorant.e sera invité.e à participer à des publications scientifiques et des conférences internationales. Les compétences développées au cours de cette thèse pourront être valorisées dans de nombreux secteurs technologiques pour la suite de votre parcours professionnel, en particulier dans le contexte actuel de diffusion de l’intelligence artificielle.