Etude des mécanismes de transfert de structures 3D dans une couche inorganique pour l'optoélectronique
Les dispositifs optoélectroniques tels que les capteurs d’image à base de CMOS (aussi appelés imageurs) nécessitent la fabrication de structures 3D, des microlentilles convexes, afin de faire converger les photons vers les diodes photosensibles qui constituent les pixels. Ces éléments optiques sont indispensables pour le fonctionnement des dispositifs imageurs et leur forme ainsi que leur dimension sont critiques pour les performances. Dans le même ordre d’idée, les dispositifs basés sur l’optique diffractive ainsi que les capteurs hyper-spectraux sont en quête de structures multi-hauteurs complexes à réaliser. Enfin, les nouvelles technologies de micro-displays pour la réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR) requièrent des structures 3D difficiles à réaliser avec les techniques de micro-fabrication conventionnelles.
Le Leti est à la pointe de l’état de l’art mondial sur une méthode innovante de photolithographie, dite par niveau de gris ou Grayscale, qui permet de réaliser toute une gamme de structures 3D dans une résine photosensible. Des formes concaves, ellipsoïdales, pyramidales et asymétriques sont ainsi accessibles. Ces structures complexes pourraient être utilisées pour de nouveaux domaines applicatifs, comme la photonique et les technologies de micro-displays précédemment citées. Une fois ces structures 3D réalisées dans une résine photosensible, il est nécessaire de les transférer par gravure plasma dans une couche fonctionnelle adaptée. Les mécanismes de transfert de structures 3D micrométriques dans une couche de polymère ont été récemment étudiés au Leti. Pour adresser de nouveaux besoins applicatifs, on souhaite désormais transférer ce type de structures 3D dans des couches inorganiques à base de silicium. De plus, ces structures, de plusieurs micromètres jusqu’à présent, tendent désormais vers des dimensions largement inférieures au micromètre. Cet aspect devrait rendre d’autant plus complexe la fidélité de transfert de motifs 3D.
Bien que critique, le transfert de motifs grayscale submicronique dans des couches inorganiques par gravure plasma est très peu été décrit dans la littérature. Cette thématique est de ce fait innovante et a une réelle valeur ajoutée. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de comprendre les mécanismes de gravure de structures 3D submicroniques dans des couches inorganiques à base de silicium, telles que l’oxyde de silicium (SiO2) et le nitrure de silicium (SiN). Cela sera aussi l’occasion de répondre à certaines questions laissées en suspens lors des précédentes études. Le travail à réaliser est à très forte dominante expérimentale et se déroulera principalement dans la salle blanche 300mm du Leti. Vous aurez accès à des réacteurs de gravure plasma de dernière génération, ainsi qu’à de nombreux moyens de caractérisations. Cette thèse sera réalisée en étroite collaboration avec le service photolithographie du Leti et en interaction avec ses différentes équipes, telles que la plateforme silicium et les départements applicatifs.
Etude et évaluation de capacités en technologie silicium pour applications dans la bolométrie infrarouge
Les microbolomètres constituent aujourd'hui la technologie dominante pour la réalisation de détecteurs thermiques infrarouges non refroidis. Ces détecteurs sont couramment utilisés dans les domaines de la thermographie et de la surveillance. Il est néanmoins attendu, pour les prochaines années, une explosion du marché des microbolomètres, avec notamment l'implantation de ces derniers dans les automobiles et la multiplication des objets connectés. Le CEA Leti Li2T, acteur reconnu dans le domaine des détecteurs thermiques infrarouges, transfère depuis plus de 20 ans les technologies successives de microbolomètres à l'industriel Lynred. Afin de rester compétitif dans ce contexte d'accroissement du marché des microbolomètres, le laboratoire travaille à des microbolomètres de rupture comportant des composants CMOS comme élément sensible. Dans cette optique, le laboratoire a engagé des études se focalisant sur des capacités en technologie silicium qui varient avec la température, avec des premiers résultats prometteurs non rapportés dans la littérature. Le sujet de thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à démontrer l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques. Il portera ainsi sur la modélisation analytique de ces composants et des effets physiques associés, ainsi que sur la lecture d'un tel composant dans une approche imageur microbolomètre. Une réflexion autour de l'intégration technologique sera également menée. L'étudiant bénéficiera de plusieurs lots technologiques déjà réalisés afin de caractériser expérimentalement les effets physiques et de prendre en main le sujet. L’étudiant aura à sa disposition l’ensemble des moyens de test du laboratoire (testeur paramétrique de semiconducteur, analyseur de bruit, banc optique, etc.) ainsi que les outils d’analyse pour une compréhension des phénomènes (Matlab/Python, simulations TCAD, simulations SPICE, Comsol, etc.). À l'issue de la thèse, l'étudiant sera en mesure de répondre à la question de l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques.
(Nano)composites à (nano)charges cœur-coquille thermoconductrices et isolantes électriques orientables sous champ magnétique
Les avancées dans l'électronique de puissance, les moteurs électrique et les batteries par exemple engendrent une hausse significative de la production de chaleur pendant le fonctionnement. Cette augmentation de la densité de puissance associée à des surfaces d'échange thermique réduites amplifie les défis liés à l'évacuation de la chaleur. L'absence d'une dissipation adéquate entraîne une surchauffe des composants électroniques, impactant leurs performances, durabilité et fiabilité. Ainsi, il est impératif de développer une nouvelle génération de matériaux dissipateurs thermiques intégrant une structure dédiée à cet effet.
L’objectif et l’innovation des travaux du thésard résidera dans l’utilisation de (nano)charges très conductrices thermiquement qui seront orientables dans une résine époxy sous champ magnétique. Ainsi le premier axe de travail sera d’isoler électriquement les (nano)charges thermo-conductrices à fort facteur de forme (1D et 2D). L’isolation électrique de ces charges d’intérêt sera réalisée par voie sol-gel. La synthèse sera contrôlée et optimisée en vue de corréler l’homogénéité et l’épaisseur du revêtement aux performances diélectriques et thermique du (nano)composite. Le second volet portera sur le greffage de nanoparticules magnétiques (NPM) sur les (nano)charges thermo-conductrices. Des NPM commerciales seront évaluées ainsi que des nuances synthétisées en laboratoire. Les (nano)composites devront posséder une rhéologie compatible avec le procédé d'infusion de résine.
Développement d’un flow de data préparation de lithographique 3D pour le dessin du masque freeform
Avec l’avancement des technologies optoélectroniques, notamment des imageurs et AR/VR, des géométries 3D de dimensions sub-micrométriques sont plus en plus demandées par les clients industriels. Pour fabriquer ces structures 3D, la lithographie « grayscale » avec UV profond (248nm ou 193nm) est une technologie prometteuse compatible avec la production industrielle. Par contre, la maîtrise de cette technologie est complexe et nécessite un modèle de lithographie (optique + résine) avancée pour prédire le dessin du masque optique utilisé. La thèse permettra d’améliorer notre compréhension de nos model lithographie grayscale et ses limite, ayant pour d’améliorer et d’optimiser la model et la flow de data préparation ou masque design pour diminuer l’ecart entre simulation et pattern fabriquée. Masque freeform poussera les limites de lithographie grayscale pour attendre de pitch plus agressive souhaiter pour l’application optique et optoélectronique.
Contrôle magnéto-ionique de jonctions tunnel magnétiques pour des applications neuromorphiques
La magnéto-ionique est un domaine émergent qui offre un grand potentiel de réduction de la consommation d'énergie dans les applications de mémoire spintronique grâce au contrôle non-volatile des propriétés magnétiques par l'intermédiaire de tension de grille. En combinant le concept de mouvement ionique contrôlé par tension des technologies memristor, typiquement utilisées dans les applications neuromorphiques, avec la spintronique, ce domaine offre une opportunité unique de créer une nouvelle génération de fonctionnalités neuromorphiques basées sur des dispositifs spintroniques.
Le doctorat sera un projet de recherche expérimentale axé sur la mise en œuvre du contrôle par tension de grille d’effets magnéto-ioniques dans les dispositifs spintroniques à jonction tunnel magnétique. Le but ultime du projet est d'obtenir un contrôle fiable et non volatile de la commutation de l'aimantation dans les jonctions tunnel magnétiques à trois terminaux.
Un défi majeur reste à relever pour l'utilisation de la magnéto-ionique dans des applications pratiques, à savoir son intégration dans les jonctions tunnel magnétiques (MTJ), qui sont les éléments constitutifs des architectures de mémoire magnétique. Cela permettra non seulement de débloquer le contrôle dynamique des champs/courants de commutation dans les jonctions tunnel magnétiques afin de réduire la consommation d'énergie, mais aussi de contrôler la stochasticité, ce qui a des implications importantes dans l'informatique probabiliste.
Conception et fabrication de circuits neuromorphiques basés sur des dispositifs ioniques
Les réseaux de neurones (NN) sont inspirés des processus de calcul et de communication du cerveau afin de résoudre efficacement des tâches telles que l'analyse de données, le traitement adaptatif de signaux en temps réel, et la modélisation de systèmes biologiques. Cependant, les limitations matérielles constituent actuellement le principal obstacle à une adoption à grande échelle. Pour y remédier, un nouveau type d'architecture de circuit appelé "circuit neuromorphique" est en train d’émerger. Ces circuits imitent le comportement des neurones en intégrant un haut degré de parallélisme, une connectivité adaptable et un calcul en mémoire. Les transistors à base d'ions ont été récemment étudiés pour leur potentiel à fonctionner comme neurones et synapses artificiels. Bien que ces dispositifs émergents présentent d’excellentes propriétés en raison de leur très faible consommation d'énergie et de leurs capacités de commutation analogique, ils nécessitent encore une validation à l’échelle de systèmes plus larges.
Dans l'un des laboratoires du CEA-Leti, nous développons de nouveaux transistors à base de lithium en tant que brique de base pour déployer des réseaux de neurones artificiels à faible consommation d'énergie. Ces dispositifs doivent désormais être intégrés dans un système réel pour évaluer leur performance et leur potentiel. En particulier, des circuits bio-inspirés et des architectures en barre croisée pour le calcul accéléré seront ciblés.
Au cours de cette thèse, votre objectif principal sera de concevoir, implémenter et tester des réseaux de neurones basés sur des matrices de transistors à base de lithium (~20x20) et des circuits neuromorphiques, ainsi que la logique CMOS de lecture et d’écriture pour les contrôler. Les réseaux pourront être implémentés en utilisant différents algorithmes et architectures, y compris les réseaux de neurones artificiels, les réseaux de neurones impulsionnels et les réseaux de neurones récurrents, qui seront testés pour résoudre des problèmes de reconnaissance de motifs spatiaux et/ou temporels et pour reproduire des fonctions biologiques telles que le conditionnement pavlovien.
Epitaxie sélective basse température du SiGe(:B) pour les transistors pMOS FD-SOI
Dans le cadre de l’évolution des technologies silicium pour la microélectronique, les procédés mis en jeu dans la fabrication des dispositifs se doivent d'être optimisés. Plus précisément, l'épitaxie, technique de croissance cristalline, est utilisée pour fabriquer des transistors FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) au nœud technologique 10 nm dans le cadre du projet NextGen au CEA-Leti. Une épitaxie de semi-conducteurs de type Si et SiGe dopée ou non est développée afin d’améliorer les performances électriques des dispositifs. Le travail de thèse portera sur les épitaxies sélectives du SiGe(:B) pour les canaux et les sources/drains des transistors pMOS. Une comparaison des cinétiques de croissances du SiGe et du SiGe:B sera faite entre les croissances sous gaz porteur H2, couramment employé et le gaz porteur N2. Des stratégies innovantes de dépôt/gravure cyclées (CDE) seront également évaluées, l’objectif étant d’abaisser la température du procédé.
Analyse de surface avancée des materiaux ferroélectriques pour des applications mémoire
Le CEA-Leti possède un solide historique en matière de technologie de la mémoire. Ce projet de doctorat contribuera au développement de dispositifs ferroélectriques à base de HfO2. L'un des principaux défis consiste à stabiliser la phase orthorhombique tout en réduisant l'épaisseur du film et le budget thermique. Pour comprendre les mécanismes en jeu, une nouvelle méthode de préparation d'échantillons sera adaptée d'un projet de doctorat précédent et développée pour être utilisée sur des mémoires ferroélectriques. Cette méthode consiste à créer une coupe en biseau qui expose toute l'épaisseur du film, le rendant accessible par plusieurs techniques (XPS, TOF-SIMS, SPM) sur la même zone. Cela permettra de corréler les mesures compositionnelles et chimiques avec les propriétés électriques. Le chauffage et la polarisation à l'intérieur d'instruments de caractérisation de surface avancés (TOF-SIMS, XPS) fourniront des informations sur la manière dont les performances des dispositifs sont affectées par les changements compositionnels et chimiques.
Vous avez de bonnes compétences expérimentales et êtes intéressé par les instruments d'analyse de surface de pointe. Vous aimez travailler en équipe et aurez la possibilité d'interagir avec des experts dans un large éventail de techniques sur la plateforme de nanocaractérisation, y compris le traitement avancé des données numériques. Des compétences en programmation avec Python ou un langage similaire sont un atout.
Matériaux ALD pour les capacitances ferroélectriques FE et antiferroelectriques AFE
Les matériaux HfO2 ultrafins sont des candidats prometteurs pour les mémoires non volatiles embarquées (eNVM) et les dispositifs logiques. Le CEA-LETI occupe une position de leader dans le domaine des mémoires BEOL-FeRAM ultra-basse consommation (<100fj/bit) à basse tension (<1V). Les développements envisagés dans cette thèse visent à évaluer l'impact des couches ferroélectriques FE et antiferroélectriques AFE à base de HfO2 (10 à 4 nm fabriquées par dépôt de couches atomiques ALD) sur les propriétés et les performances des FeRAM.
En particulier, le sujet se propose d’apporter une compréhension approfondie des phases cristallographiques régissant les propriétés FE/AFE en utilisant des techniques de mesures avancées offertes par la plateforme de nano-caractérisation du CEA-LETI (analyses physico-chimiques, structurales et microscopiques, mesures électriques). Plusieurs solutions d'intégration pour les capacités ferroélectriques FeCAPs utilisant des couches ALD FE/AFE seront étudiées, notamment le dopage, les couches d'interface, la fabrication séquentielle avec ou sans air break…
Les capacitances FeCAPs, dont l’empilement de base est exclusivement fabriqué par ALD, seront exploitées pour explorer les points suivants :
1-Incorporation de dopage dans les couches FE/AFE (La, Y…)
2-Ingénierie de l'interface entre les couches FE/AFE et l'électrode supérieure/inférieure
3-Traitement plasma in situ de la surface de l'électrode inférieure
4-Dépôt séquentiel avec et sans air break
[1] S. Martin et al. – IEDM 2024
[2] Appl. Phys. Lett. 124, 243508 (2024)
Dispositifs supraconducteurs en Silicium
The project focuses on the study of superconducting devices with silicon as a semiconductor. Those include standard silicon transistors with superconducting source and drain contacts and superconducting resonators. The common properties is the superconducting material which is elaborated with the constrain of being compatible with the silicon CMOS technology.
In the actual situation of the project, devices with CoSi2, PtSi and Si:B superconducting contacts have been fabricated using the 300 mm clean room facility at the LETI and in collaboration with our partners at Uppsala university and C2N Paris Saclay. The main issue is now to characterize the electronic transport properties at very low temperature.