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.
Métrologie quasi in situ de couches fines et d’interfaces par photoémission X multi-énergies
Les dispositifs de nanoélectronique avancée et les technologies quantiques reposent sur des oxydes ultraminces et des interfaces spécifiques dont la composition chimique, la stœchiométrie et l’épaisseur doivent être maîtrisées avec une grande précision. Dans ce contexte, le LETI a fait l'acquisition du premier équipement de photoémission X (XPS–HAXPES)dédiés à la mesure en ligne de plaquettes 300 mm. Les caractéristiques uniques de cet équipement (analyse multi-énergie et résolu angulairement) ouvrent la voie à une métrologie chimique quasi in situ au plus proche des étapes procédés.
Cette thèse vise à développer des méthodologies XPS/HAXPES quantitatives, multi-énergie et en résolues en angle, appliquées à l’étude d’oxydes et d’oxynitrures ultraminces. Les travaux porteront sur la validation de la précision métrologique, la quantification des paramètres structuraux et chimiques, ainsi que sur l’élaboration de protocoles robustes permettant le transfert quasi in situ de couches sensibles entre équipements précédés (dépôt, gravure, …) et de caractérisation.
Les méthodologies développées seront appliquées à des cas d’intérêt industriel et scientifique majeur, notamment les empilements CMOS avancés et les jonctions Josephson pour dispositifs quantiques, où des barrières AlOx d’épaisseur inférieure à 2 nm jouent un rôle déterminant dans les performances des composants.
Ce projet de doctorat contribue directement au développement des technologies quantiques de nouvelle génération, de la photonique avancée et de la microélectronique à faible consommation énergétique, en améliorant la fiabilité, la stabilité et la maîtrise des matériaux à l’échelle nanométrique. La thèse sera réalisée dans un environnement scientifique de haut niveau, au sein d’un cadre collaboratif multi-partenaires.
Vers un compromis entre effet de charge et endommagement du matériau lors de la gravure plasma des semiconducteurs III-V
La demande croissante pour les semi-conducteurs III-V dans les applications photovoltaïques haute efficacité, la photonique quantique et les technologies d'imagerie avancées nécessite le développement de méthodes de fabrication innovantes et économiquement viables. Ce projet de thèse vise à développer des procédés de gravure plasma pour les semi-conducteurs III-V à base d'In afin de produire des structures à haut rapport d'aspect (HAR) sur des plaquettes de grandes dimensions (100-300 mm). La recherche aborde deux défis majeurs : comprendre comment les fenêtres de procédé de gravure évoluent avec la quantité de matériau et les conditions de procédé (dominance physique vs chimique), et minimiser la dégradation électrique induite par la gravure HAR, cruciale pour les performances des dispositifs.
Ces défis sont fondamentalement liés à la faible volatilité des sous-produits de gravure à base d'In, à la nécessité d'équilibrer les apports d'énergie cinétique et thermique pour améliorer la sélectivité de gravure, et à la gestion des effets de chargement pour la production à grande échelle. L'approche expérimentale s'appuiera sur les installations de pointe du CEA-Leti, incluant la plateforme Photonique pour le traitement de plaquettes de 2-4 pouces, permettant le développement de stratégies de masquage (dépôt de masque dur, photolithographie) et la gravure à basse température (150°C).
La caractérisation fera appel au MEB pour l'analyse des profils de gravure, à l‘XPS pour la composition de surface et à la TEM-EDX pour l'évaluation de la qualité des flancs. L'évaluation des dommages sera réalisée par la mesure de la décroissance de photoluminescence dans le proche infrarouge pour déterminer la durée de vie des porteurs minoritaires et identifier les centres de recombinaison. Le travail vise à développer des procédés de gravure HAR optimisés (rapports d'aspect >10, dimensions critiques <1 µm) pour les matériaux III-V à base d'In, à étudier les techniques de plasma pulsé pour réduire les dommages induits par la gravure, et à approfondir la compréhension des mécanismes de formation des défauts pour guider l'optimisation des procédés à l'échelle industrielle.
Introduction de matériaux innovants pour la réalisation de contacts pour les nœuds avancés
Les développements du module contact dans le cadre de FAMES mettent en évidences les limites atteintes par les dimensionnels adressés. Pour les nœuds sub 10nm, une approche en rupture est nécessaire pour pallier aux problèmes de sélectivité, auto alignement, capa parasite… Cette thèse se positionne sur le développement de nouveaux matériaux à gradient résolvant ces problèmes.
Caractérisation avancée des défauts générés par les procédés technologiques pour l’imagerie infrarouge haute-performance
Cette thèse s’inscrit dans le domaine des détecteurs infrarouges refroidis. Le Laboratoire Infrarouge du CEA-LETI-MINATEC est spécialisé dans la conception et la fabrication de prototypes de caméras infrarouges, utilisées en défense, astronomie, surveillance environnementale et météorologie satellitaire.
Dans ce contexte d’imagerie haute-performance, il est crucial d’assurer une qualité optimale des détecteurs. Or, les procédés technologiques de fabrication peuvent introduire des défauts susceptibles de dégrader les performances des capteurs. La compréhension et la maîtrise de ces défauts sont essentielles pour accroître la fiabilité et optimiser les procédés.
L’objectif de la thèse est d’identifier et de caractériser précisément ces défauts à l’aide de techniques de pointe, rarement combinées, telles que la micro-diffraction de Laue et la nano-tomographie FIB-SEM, permettant une analyse structurelle à différentes échelles. En mettant en relation la nature et l’origine des défauts avec les procédés de fabrication et en quantifiant leur impact sur les performances, le ou la doctorant(e) contribuera directement à l’amélioration de la fiabilité et de l’efficacité des capteurs infrarouges de nouvelle génération.
Le/la doctorant(e) intègrera une équipe couvrant l’ensemble de la chaîne de fabrication des détecteurs et participera activement à l’élaboration (salle blanche LETI) et la caractérisation structurale (plateforme CEA-Grenoble, techniques avancées) des échantillons. Il/elle interviendra également dans la caractérisation électro-optique en partenariat avec le Laboratoire Imagerie infrarouge Refroidie (LIR), spécialisé dans l’analyse fine du matériau actif à des températures cryogéniques.
Matériaux d'électrode avancées par ALD pour les composants ioniques
L’objectif principal des travaux de thèse est de développer des couches conductrices par la technique ALD (Atomic Layer Deposition) à très faible épaisseur (<10nm) avec des fonctionnalités d’électrodes (très faible résistivité 100). L’autre challenge vise à réduire l’épaisseur des couches à moins de 5nm tout en préservant les propriétés électriques très avancées (résistivité de quelques mOhm). Le travail de thèse comporte plusieurs aspects incluant le procédé et les précurseurs ALD, la caractérisation des couches intrinsèques (physico-chimiques, électrochimique et morphologique) ainsi que l’intégration en dispositif 3D.
Contacts en siliciures supraconducteurs sur substrats ultra dopés par recuit laser nanoseconde
Dans la course à la construction d'un ordinateur quantique, la fabrication de dispositifs basés sur la technologie FD-SOI au silicium, robuste et évolutive, suscite un vif intérêt. Le transistor à effet de champ Josephson (JoFET) en est un exemple, dont le fonctionnement repose sur la grande transparence de l'interface entre les régions source/drain supraconductrices et le canal semi-conducteur. Cette transparence pourrait être améliorée en dopant les régions source/drain, ce qui permettrait de réduire la hauteur de la barrière de Schottky aux interfaces supraconducteur/semi-conducteur.
Ce doctorat vise à développer des contacts siliciures supraconducteurs hautement transparents sur une ligne de production de 300 mm à l'aide du recuit par laser pulsé nanoseconde (NPLA). Le NPLA jouera un rôle clé pour atteindre des concentrations de dopage extrêmement élevées dans le silicium [1,2], puis pour former les siliciures supraconducteurs (CoSi2, V3Si) avec un budget thermique minimal et une désactivation minimale des dopants. Une attention particulière sera accordée aux contraintes pendant la formation des siliciures et à leur impact sur la température critique supraconductrice. De plus, la distribution des dopants sera évaluée par tomographie atomique (APT), une technique d'imagerie 3D avancée capable d'imager la distribution des dopants à l'échelle atomique [3]. Enfin, des mesures électriques sur les jonctions et les transistors fabriqués seront effectuées à basse température (< 1 K) afin d'évaluer la transparence des contacts supraconducteurs.
Intelligence Artificielle pour la Modélisation et l'Analyse Topographique des Puces Électroniques
L’inspection des surfaces de wafers est cruciale en microélectronique pour détecter les défauts affectant la qualité des puces. Les méthodes traditionnelles, basées sur des modèles physiques, sont limitées en précision et en temps de calcul. Cette thèse propose d’utiliser l’intelligence artificielle (IA) pour caractériser et modéliser la topographie des wafers, en exploitant des techniques d’interférométrie optique et des modèles avancés.
L’objectif est de développer des algorithmes d’IA capables de prédire les défauts topographiques (érosion, dishing) avec une haute précision, en s’appuyant sur des architectures comme les réseaux de neurones convolutifs (CNN), les modèles génératifs ou les approches hybrides. Les travaux incluront l’optimisation des modèles pour une inférence rapide et une généralisation robuste, tout en réduisant les coûts de fabrication.
Ce projet s’inscrit dans une démarche d’amélioration des procédés de microfabrication, avec des applications potentielles dans l’industrie des semi-conducteurs. Les résultats attendus contribueront à une meilleure compréhension des défauts de surface et à l’optimisation des processus de production.
Développement du 4D-STEM à inclinaisons variables
Le développement du 4D-STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) a profondément renouvelé la microscopie électronique en transmission (TEM), en permettant l’enregistrement simultané d’informations spatiales (2D) et de diffraction (2D) à chaque position du faisceau. Ces jeux de données dits « 4D » offrent la possibilité d’extraire une grande variété de contrastes virtuels (imagerie en champ clair, champ sombre annulaire, ptychographie, cartographies de déformation ou d’orientation) avec une résolution spatiale nanométrique.
Dans ce contexte, le 4D-STEM à inclinaisons variables (4D-STEMiv) constitue une approche émergente, qui consiste à acquérir séquentiellement des motifs de diffraction électronique pour différentes inclinaisons du faisceau incident. Conceptuellement proche de la microscopie à précession électronique (PED), cette méthode offre une flexibilité accrue et ouvre de nouvelles perspectives : amélioration du rapport signal/bruit, possibilité d’obtenir une imagerie bidimensionnelle rapide à plus haute résolution spatiale, accès à une information tridimensionnelle (orientation, déformation, phase) et optimisation du couplage avec les analyses spectroscopiques (EELS, EDX). Le développement du 4D-STEMiv représente ainsi un enjeu méthodologique majeur pour la caractérisation structurale et chimique de matériaux avancés, notamment dans le domaine des nanostructures, des matériaux bidimensionnels et des systèmes ferroélectriques.