Développement des procédés de gravure pour les nœuds avancés utilisant des techniques SADP
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
Sperm 3D - Outil de diagnostic de l'infertilité masculine utilisant l'holographie pour l'imagerie et le suivi en 3D
L'infertilité est un problème croissant dans tous les pays développés. Les méthodes standard de diagnostic de la stérilité masculine examinent la concentration, la mobilité et les anomalies morphologiques des spermatozoïdes individuels. Cependant, un cas d'infertilité masculine sur cinq reste inexpliqué avec les outils de diagnostic standard.
Dans cette thèse, nous explorerons la possibilité de déterminer les causes de l'infertilité masculine à partir de l'analyse détaillée des trajectoires 3D et de la morphologie des spermatozoïdes nageant librement dans un environnement imitant les conditions de l'appareil reproducteur féminin. Pour cette tâche difficile, nous développerons un microscope spécialisé basé sur l'holographie pour l'imagerie rapide et le suivi des spermatozoïdes individuels. Outre les méthodes numériques classiques, nous utiliserons des algorithmes d'intelligence artificielle modernes pour améliorer la qualité de l'imagerie et pour analyser les données multidimensionnelles.
Tout au long du projet, nous collaborerons étroitement avec un institut de recherche médicale (CHU/IAB) spécialisé dans les technologies de reproduction assistée (ART). Nous examinerons des échantillons de patients réels afin de développer un nouvel outil pour le diagnostic de l'infertilité masculine.
Etude de l’effet de l’activation plasma sur la fiabilité des intégrations hybrides Cu/SiO2
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.
Détection d'oeufs de parasites par imagerie sans lentilles grand champ assistée par intelligence artificielle
Dans la plupart des cycles parasitaires, la phase libre passe par un stade d'œuf, qui est libéré par l'hôte dans l'environnement via une matrice fécale complexe, qui présente des concentrations d'œufs très variables et souvent faibles. La méthode de détection classique repose sur l’observation microscopique de ces œufs, ce qui implique une préparation fastidieuse et longue de l'échantillon pour concentrer les œufs, avec des valeurs de sensibilité très variables. Cette détection est cruciale car une fois dispersés, les œufs contaminent l'environnement et les denrées alimentaires, entraînant des cas de zoonoses parasitaires chez l'homme.
La détection dans les matrices environnementales et alimentaires est encore plus complexe que pour les matières fécales en raison du très faible nombre d'œufs présents : 1 à 10 par échantillon dans la grande majorité des cas. La thèse vise à développer un système d'imagerie sans lentille grand champ, qui permettra de compter et d'identifier des œufs de parasites dans des matrices complexes, tout en augmentant la sensibilité. Cela permettra d'automatiser la détection, ouvrant ainsi des perspectives d'investigation sur un plus grand nombre d’échantillons, pour une meilleure veille sanitaire.
Dynamique de fracture dans des technologies de transfert de couches cristallines
Le Smart Cut™ est une technologie découverte au CEA et désormais utilisée industriellement pour la fabrication de substrats avancés pour l'électronique. Cependant, les phénomènes physiques mis en jeu dans sa mise en œuvre font encore l'objet de nombreuses études au CEA. Dans le Smart Cut™, une fine couche de matériau est transférée d'une plaquette à l'autre en utilisant une étape clé de recuit de fracture durant laquelle une fracture macroscopique s'initie et se propage à plusieurs km/s [i].
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L'amélioration de la technologie nécessite une solide compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l'étape de fracture. L'objectif de ce projet de doctorat est donc d'étudier les mécanismes impliqués dans l'initiation et la propagation des fractures, ainsi que les vibrations post-fracture.
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Sur le site du CEA-Grenoble, avec un intérêt industriel, l'étudiant utilisera et développera les dispositifs expérimentaux existants pour étudier le comportement de la fracture dans les matériaux fragiles, y compris les réflexions laser optiques [iv], l'imagerie synchrotron diffractante résolue dans le temps [iii], et l'imagerie directe ultra-rapide [ii].
En outre, des algorithmes d'analyse de données basés sur python seront développés pour extraire des informations quantitatives des différents ensembles de données. Cela permettra à l'étudiant de déterminer les mécanismes impliqués et d'évaluer l'influence des paramètres de traitement des plaquettes sur le comportement de la fracture, et donc de proposer des méthodes d'amélioration.
Références :
[i] https://pubs.aip.org/aip/apl/article/107/9/092102/594044
[ii] https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.024068
[ii] https://journals.iucr.org/j/issues/2022/04/00/vb5040/index.html
[iv] https://pubs.aip.org/aip/jap/article/129/18/185103/158396
Détection micro-onde champ proche en milieux hétérogènes
Cette thèse porte sur le développement de techniques de détection en champ proche par micro-ondes pour des applications en biomédecine, agronomie et géophysique. L'objectif principal est de concevoir des algorithmes peu complexes qui résolvent efficacement des problèmes inverses liés à la caractérisation et à la détection des propriétés diélectriques avec diverses distributions géométriques dans des milieux hétérogènes.
Le candidat commencera par effectuer une revue complète des méthodes existantes de détection radar et de traitement du signal avancé. Un modèle physique précis de la propagation des micro-ondes en champ proche sera élaboré, servant de base à de nouvelles méthodes de détection basées sur le concept de tomographie itérative pilotée par la physique. L'objectif final est de formuler des algorithmes efficaces, adaptés aux applications en temps réel, et de les valider par une mise en œuvre expérimentale. À cette fin, un prototype évolutif sera développé, passant de milieux 2D à des scénarios 3D plus complexes.
Ce projet interdisciplinaire combine la modélisation physique, le développement d'algorithmes et l'expérimentation pratique. Il offre l'opportunité de faire progresser le domaine de l'imagerie par micro-ondes, avec des implications majeures pour les applications biomédicales et environnementales.
Alimentation à haut niveau d'isolement
Avec l’évolution rapide des technologies et les défis croissants en matière de miniaturisation et de gestion des ressources, les convertisseurs de puissance doivent faire face à des exigences de performance de plus en plus strictes. Pour répondre à ces besoins, l’utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium), devient de plus en plus courante. Ces matériaux permettent d’augmenter significativement la vitesse de commutation des convertisseurs, réduisant ainsi les pertes et améliorant leur efficacité.
Cependant, cette rapidité de commutation engendre des défis supplémentaires : la raideur des fronts de commutation peut provoquer des courants parasites qui perturbent les commandes des interrupteurs. Pour contrer ces effets indésirables, il est nécessaire d'utiliser des drivers d’interrupteurs offrant un niveau d’isolation élevé. La solution traditionnelle repose sur des transformateurs magnétiques hautes fréquences, mais ces dispositifs présentent un coût élevé, un encombrement significatif et une isolation limitée.
L’objectif de cette thèse est de concevoir une nouvelle solution pour l’alimentation des drivers de composants grand-gap, en remplaçant les transformateurs magnétiques par des transformateurs piézoélectriques. Cette approche innovante vise à réduire les coûts, l’encombrement et améliorer l’efficacité globale des systèmes de conversion de puissance.
Encadrement et Ressources : le candidat sélectionné travaillera au sein d'une équipe de recherche de pointe, reconnue pour son expertise dans le domaine de la conversion de puissance par résonateurs piézoélectriques. L'équipe dispose des ressources et du savoir-faire nécessaires pour soutenir le développement et la validation de cette technologie novatrice.
Identification versus anonymisation depuis un client embarqué opérant sur une blockchain
Le premier déploiement d’une blockchain à l’échelle de la planète date de 2010 avec Bitcoin, qui introduit un système monétaire complètement numérique et une crypto-monnaie, le bitcoin. Au sein de Bitcoin, toutes les transactions sont publiquement accessibles et traçables, ce qui devrait générer de la confiance entre les acteurs. Mais la traçabilité des transactions, in fine de la crypto-monnaie, n’implique pas la traçabilité des utilisateurs authentifiés par une adresse de compte, ou plus exactement par un ensemble d’adresses de compte indépendantes les unes des autres. Dans ce contexte, il peut s’avérer complexe de remonter aux personnes physiques ou morales détentrices de crypto-monnaie.
La crypto-monnaie n’est pas le seul cas d’usage supporté par la technologie blockchain. Le déploiement d’Ethereum en 2014, s’appuyant sur l’usage de smart contracts, a ouvert à beaucoup d’autres usages, en particulier la protection des données identifiantes. Dans ce domaine, les besoins de traçabilité, versus de furtivité, peuvent être très différents d’un cas d’usage à un autre. Par exemple, sur une blockchain qui enregistre l’accès d’un travailleur munis d’un certificat de travail, à un site industriel, aucune information permettant d’identifier le travailleur ou de tracer son activité ne devra figurer. En revanche, dans le cas de données collectées par des capteurs IoT et traitées par des dispositifs Edge distants, la traçabilité des données et des traitements est souhaitable.
La thèse propose d’étudier différentes techniques de traçabilité des avoirs numériques sur une blockchain, de furtivité de leurs possesseurs, ainsi que de la possibilité d’audit et d’identification par un organisme habilité. La finalité est de construire des dispositifs embarqués, Edge ou personnels embarquant possiblement une intelligence artificielle, sécurisés par des composants matériels, intégrant différentes solutions cryptographiques et structures de wallet pour répondre aux besoins de différents cas d’usage envisagés.
Developpement de matériaux de barrière auto-formants pour interconnexions BEOL avancées
Contexte : Avec la miniaturisation des dispositifs électroniques et l'introduction de nœuds technologiques avancés inférieurs à 10 nm, la fiabilité des interconnexions en cuivre (Cu) devient un enjeu central pour maintenir les performances des dispositifs microélectroniques. Ces interconnexions doivent non seulement garantir une conductivité optimale, mais aussi résister à la diffusion et à la délamination. Traditionnellement, des barrières de diffusion à base de tantale (Ta/TaN) sont utilisées pour empêcher la diffusion du cuivre dans le diélectrique. Cependant, à mesure que les dimensions des dispositifs diminuent, l'incorporation de ces barrières devient de plus en plus complexe, même avec des techniques avancées comme le dépôt de couches atomiques (ALD), car l'épaisseur de la barrière doit être réduite à quelques nanomètres. Pour relever ce défi, une alternative prometteuse émerge avec les barrières auto-formantes (Self-Forming Barriers, SFB). Ce procédé utilise des alliages de cuivre enrichis en éléments tels que le manganèse (Mn), le titane (Ti), l'aluminium (Al) ou le zinc (Zn), qui migrent à l'interface Cu-dielectrique pour former une barrière ultra-fine. Cette solution simplifie le processus de fabrication tout en minimisant la résistance électrique des interconnexions.
Projet de thèse : Le candidat au doctorat rejoindra une équipe de recherche multidisciplinaire pour explorer et optimiser les matériaux pour la réalisation de SFBs en utilisant des alliages de Cu. Les axes principaux incluent :
• Sélection et caractérisation des matériaux : Développer et analyser des films minces d'alliages de Cu par des méthodes électrochimiques et/ou PVD pour étudier leur microstructure et leur morphology.
• Formation de barrière : Contrôler la migration des alliages à l'interface Cu/dielectrique lors de l'annealing thermique et évaluer l'efficacité de la barrière.
• Propriétés électriques et mécaniques : Évaluer l'impact des SFB sur la résistance électrique, l'électromigration et la délamination, en particulier lors de tests accélérés.
Compétences requises : Diplôme de Master en électrochimie ou en science des matériaux avec un fort intérêt pour la recherche appliquée. Un intérêt prononcé pour le travail expérimental, des compétences en dépôt de films minces, électrochimie et caractérisation des matériaux (AFM, SEM, XPS, XRD, SIMS). Vous devez être capable de mener des recherches bibliographiques et d'organiser votre travail de manière efficace.
Environnement de travail : Le candidat travaillera au sein d'une équipe pluridisciplinaire et aura accès à des installations de pointe de 200/300 mm, il participera au projet NextGen du CEA sur des interconnexions avancées pour des applications à haute fiabilité.
Fonctions avancées de monitoring des transistors de puissance (vers la fiabilisation et augmentation de la durée de vie des convertisseurs de puissance pour l’énergie)
Afin d’augmenter la puissance des systèmes électroniques, une approche courante est de paralléliser des composants au sein de modules. Cependant, cette parallélisation est compliquée par la dispersion des paramètres des transistors, tant initiaux que post-vieillissement. Les commutations rapides des composants WBG (semi-conducteurs à large bande interdite) nécessitent souvent des ralentissements pour éviter des suroscillations et des destructions.
Un schéma de pilotage intelligent, incluant une commande ajustée, un contrôle des paramètres internes des circuits et des dispositifs, ainsi qu'une boucle de rétroaction, pourrait améliorer la fiabilité, la durée de vie et réduire les risques de casse.
Les objectifs de la thèse seront de développer, étudier et analyser les performances de fonction de contrôle et pilotage de composants de puissance, tels le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), qui pourraient à terme être implémenté dans un circuit intégré dédié (type ASIC).
Ce sujet de thèse vise à résoudre des problèmes critiques dans la parallélisation de composants de puissance, contribuant ainsi à l'éco-innovation en augmentant la durée de vie des modules de puissance.