Les matériaux ferroélectriques à température ambiante sont l’élément clé des mémoires non-volatiles haute densité et basse consommation. Cependant, avec la miniaturisation accrue des dispositifs électroniques, les ferroélectriques conventionnels sont limités à une épaisseur critique en dessous de laquelle la ferroélectricité est instable. Les matériaux bidimensionnels (2D) grâce à leur chimie de surface saturée et leurs faibles interactions inter-couches présentent l’avantage d’être stables à la limite de la monocouche atomique et sont donc prometteurs pour explorer la ferroélectricité dans des épaisseurs nanométriques et sub-nanométriques. Jusqu’à présent, les preuves de concept démontrant la ferroélectricité 2D ont principalement utilisé des cristaux de quelques µm2 exfoliés mécaniquement à partir d’un cristal massif. En particulier, les phases ? et ? du semiconducteur lamellaire In2Se3 préservent un caractère ferroélectrique à la limite de la monocouche atomique.
Compte tenu de l’impératif des applications « wafer-scale » de la microélectronique, il y a aujourd’hui un besoin urgent de croissance de matériaux 2D de haute qualité cristalline sur des substrats de grande dimension. L’objectif de la thèse est de développer la croissance du matériau lamellaire In2Se3 dans ses phases non centro-symmétriques ? ou ? par épitaxie en phase vapeur par procédé chimique (MOCVD) sur des substrats de silicium de grande dimension (200 mm). A notre connaissance, seulement trois articles de la littérature démontrent la croissance MOCVD du composé In2Se3. Un seul met en évidence l’obtention de la phase ? (article de 2024). Le défi est donc difficile mais possible. La preuve de concept d’une cellule mémoire ferroélectrique sera réalisée si possible in fine en déposant directement une électrode métallique en surface du matériau ferroélectrique 2D sans endommager ce-dernier

La miniaturisation des composants électroniques impose le développement de nouveaux procédés, car la lithographie immersion 193nm seule ne permet plus d’atteindre les dimensions demandées pour les nœuds technologiques les plus avancés (sub-10nm). Depuis des années, des stratégies complémentaires à la lithographie se sont développées. Ici, nous étudierons la technique de « Self-Aligned Double Patterning » (SADP), qui divise par deux le pas du réseau des motifs lithographiés initialement. Cette technique repose sur un dépôt conforme de diélectrique (espaceur) de part et d’autre des motifs initiaux (mandrel). Ces espaceurs serviront ensuite de masque de gravure pour l'obtention des motifs finaux. Les faibles dimensions recherchées imposent un contrôle parfait des procédés de gravure. Or cette étape altère les matériaux déposés conduisant à une perte des dimensions. Un des grands enjeux sera de maîtriser la gravure et donc la modification des matériaux utilisés pour satisfaire les spécifications recherchées (largeur des motifs, profil de gravure, consommation des couches d’arrêt, uniformité, vitesse de gravure…). Un des objectifs sera aussi de proposer des approches SADP alternatives permettant de générer différents types de motifs sur la plaque pour réaliser des transistors planaires FDSOI, ce qui est peu répandu actuellement dans la littérature.

Les défis de cette thèse ?
Développer des procédés innovants de gravure
Explorer de nouveaux couples de matériaux (espaceur/mandrel) et proposer in-fine une solution d’intégration industrielle qui pourra être validée électriquement.
Identifier les possibles verrous technologiques et proposer des solutions pour les contourner
Mettre en place un protocole de caractérisation fiable détectant les modifications physico-chimiques des matériaux en présence et la dimension des motifs finaux

Au cours des dernières années, le CEA-LETI s’est imposé comme un des principaux leaders mondiaux dans le développement de procédés pour l’industrie microélectronique avancée. En particulier, les procédés de collage hybride (HB) direct Cu/SiO2 plaque à plaque, une technologie de plus en plus utilisée pour la fabrication de dispositifs compacts, performants et multifonctionnels. Chaque plaque contient des circuits intégrés enterrés sous une couche contenant des plots électriques en Cu dans une matrice de SiO2. L’assemblage des plaques par collage directe consiste en la mise en contact de surfaces très propres. L’adhésion est assurée par la création spontanée de liaisons atomiques à l’interface de collage. Afin d’assurer une bonne tenue mécanique de la structure, il est indispensable d’activer la surface avant collage. Plusieurs approches ont été développées mais l’activation par plasma N2 reste la plus utilisée dans l’industrie. Cependant, l’utilisation de ce procédé reste controversée à cause des effets indésirables qu’il peut induire : 1/ la formation de nodules de Cu à l’interface de collage entre les plots métalliques et 2/ le dépôt d’espèces chimiques au niveau de l’interface Cu-Cu. Ces effets peuvent être préjudiciables aux propriétés électriques et à la fiabilité des dispositifs (claquage diélectrique en particulier). En collaboration avec STMicroelectronics et IM2NP, nous souhaitons étudier les différents mécanismes mis en jeu afin de pouvoir proposer un procédé d’activation assurant à la fois tenue mécanique et fiabilité de nos intégrations.

L'évolution rapide des nouvelles technologies, telles que les voitures autonomes ou les énergies renouvelables, nécessite la réalisation de structures de plus en plus complexes. Pour cela, il existe aujourd’hui de nombreuses techniques de structuration de surface. En microélectronique, la lithographie optique est la méthode de référence permettant d’obtenir des motifs micro- et nanométriques. Cependant, elle reste limitée dans la diversité des formes réalisables.
Au cours des dernières années, une approche prometteuse a été développée au sein des laboratoires du CBS (INSERM à Montpellier) et CEA Leti (Grenoble) : l’assemblage des origamis d'ADN. Cette technologie exploite les propriétés d'auto-assemblage de cette chaine de polymères qu’est l’origami ADN. L’organisation des origamis d’ADN de taille nanométrique permet de former in fine des structures d’une dimension micrométrique. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles perspectives en combinant des origamis 2D et 3D pour créer des structures inédites. Ces motifs pouvant présenter un grand intérêt pour des applications dans les domaines tel que l’optique ou encore l’énergie.