Extraction de la rugosité de flans de lignes avec une résolution sub-nanométrique

Dans le cadre du Chips Act européen, le CEA-Leti s’engage à accompagner la miniaturisation des composants de la microélectronique demandée pour les futurs nœuds technologiques. L’étude de la rugosité est devenue cruciale car des variations ‘négligeables par le passé’ de quelques Angströms devienne critique (quelques % d’erreur) sur des objets de taille inférieures à 7 nm.
Le doctorat s’axera principalement sur l’utilisation de la diffusion centrale de rayons X (CD-SAXS) pour définir la sensibilité de l’approche. Elle sera divisée en deux parties complémentaires: premièrement via des simulations à partir d’outils en cours de développement pour identifier l’impact de cette rugosité sur le signal expérimental et deuxièmement par la conduite de mesures expérimentales sur des échantillons spécialement au CEA-LETI avec des rugosités contrôlées. Les mesures de CD-SAXS seront effectuées sur l’équipement de laboratoire de la PFNC ainsi qu’aux synchrotrons (ESRF et NSLS-II). Ces résultats seront comparés avec ceux obtenus sur les équipements de métrologie en salle blanche du CEA-LETI, telles que les microscopies AFM-3D et CD-SEM.
Cette thèse se déroulera en partie sur la Plateforme de Nanocaractérisation du LETI qui offre l’un des plus grands ensembles de techniques d’analyse et de compétences en caractérisation physique et en partie avec les équipes de caractérisation salle blanche du CEA Grenoble.

Quantification des composés binaires stratégiques par photoémission haute-énergie (HAXPES) et analyse de surface combinée

La thèse a pour principal objectif d’apporter un support fiable aux étapes de qualification des procédés en salle blanche pour l’élaboration des matériaux Front-End destinés aux technologies FD-SOI avancées. Pour ce faire, des méthodologies de quantification élémentaire centrées sur l’utilisation de la spectroscopie de photoélectrons par rayons X durs (HAXPES) seront développées et fiabilisées grâce à un contexte collaboratif à multiples niveaux, interne et industriel.
Ces collaborations permettront de mutualiser un travail en amont visant à une meilleure compréhension de la quantification en HAXPES à tous les niveaux (mesure de l’intensité, types de facteur de sensibilité utilisés, reproductibilité des mesures).
Dans une seconde étape, les protocoles seront appliqués aux matériaux technologiques visés, puis optimisés. Les matériaux ciblés sont prioritairement les composés du silicium et du germanium participant à l’optimisation du canal des transistors FD-SOI avancés, tels que Si:P, SiGe et leurs dérivés (GeSn, SiGe:B). Une approche analytique combinée faisant appel à d’autres techniques de nanocaractérisation sera consolidée en identifiant les techniques les plus adéquates pour produire des données de référence (ToF-SIMS, RBS, …).
Dans un troisième temps, les aspects multi-échelle seront développés. Notamment, ils viseront à étudier dans quelle mesure la composition mesurée par HAXPES sur un matériau élaboré en amont des étapes d’intégration des transistors (pour l’optimisation des procédés de dépôt) se compare à celle déterminée par d’autre techniques (sonde atomique tomographique, TEM-EDX, TEM-EELS) en fin d’intégration de dispositifs nanométriques.

Impact et cohabitation du Lithium sur une plateforme de microélectronique

Contexte : les matériaux à base de Lithium, qu’ils soient en couches minces ou sous forme de matériaux massifs, présentent un fort intérêt avec des applications variées (batteries, composants RF...). Cependant, la cohabitation du Lithium avec les matériaux dits « standards » de la microélectronique requiert une attention particulière quant à une dissémination en salle blanche et son impact éventuelle sur les performances électriques des dispositifs. En effet, par principe de précaution, ces matériaux sont « confinés » sur des lignes de fabrication dédiées, sans complètement connaitre leur effet sur les dispositifs fabriqués. L’ambition de ce travail est de comprendre les phénomènes de dissémination du Lithium, proposer des solutions permettant de la contrôler et de tirer profit d’éventuels effets bénéfiques.
Mission : au cours de cette thèse vous travaillerez en étroite collaboration avec une équipe pluridisciplinaire d’experts du CEA et leurs partenaires. Il s’agira de mettre en évidence les vecteurs possibles de dissémination du Lithium dans des espaces communs situés en salle blanche. Par ailleurs, vous définirez une méthodologie d’identification et de quantification du lithium dans différents matériaux et aux interfaces de ceux-ci à l’aide d’outils de caractérisation physico-chimique disponibles dans les équipes « contamination métallique opérationnelle » (CMO, en salle blanche) et « faisceaux d’ions » (FI, au sein de la plateforme de nano-caractérisation (PFNC) ) du Laboratoire d’Analyse de Surfaces & Interfaces (LASI). Une importante part du travail reposera sur des méthodes d’analyse par faisceau d’ions telle que la spectrométrie de masse des ions secondaires. Cette mise en place permettra d’étudier les mécanismes et cinétique de diffusion du lithium ainsi que d’évaluer son impact sur les performances de dispositifs de type « microélectronique ».
Profil : Chimiste, physicien(ne), ingénieur(e) …, vous avez des connaissances en chimie / physique des matériaux ou semi-conducteurs. Titulaire d’un Bac+5, vous êtes curieux/se, rigoureux/se, créatif/ve et souhaitez participer à un projet de recherche de 3 ans en support à la microélectronique.

Evaluation des performances et fiabilité des mémoires ferroélectriques à base d'oxyde d'hafnium pour une intégration vers les nœuds avancés

Une explosion de la production mondiale de données est observée aujourd’hui. Elle est attribuée en grande partie à l'émergence de la 5G et de l'internet des objets. Face aux défis de la gestion de grandes quantités de données et pour éviter une augmentation significative de la consommation d'électricité mondiale due au stockage de ces données, il est nécessaire de développer des technologies mémoires non volatiles performantes, économes en énergie et denses.

La découverte de la ferroélectricité dans l'oxyde d'hafnium (HfO2) en 2010 a suscité un intérêt marqué tant au niveau scientifique qu'industriel pour les mémoires ferroélectriques. Ces dispositifs offrent des avantages significatifs, notamment une consommation d'énergie réduite, une bonne scalabilité aux nœuds technologiques avancés, une endurance élevée et des vitesses d'écriture/lecture rapides.

Cette thèse propose d'évaluer les performances électriques et la fiabilité des composants mémoires ferroélectriques non volatiles à base d'HfO2 fabriqués au CEA-Leti. L'objectif global est d'intégrer ces mémoires vers des nœuds technologiques avancés pour augmenter la densité tout en réduisant la consommation d'énergie et les tensions d'opération. Une compréhension des mécanismes physiques responsables de la dégradation des propriétés des matériaux ferroélectriques sera à mener. Pour cela différents types de composants mémoires allant de cellules unitaires à des matrices de plusieurs dizaines/centaines de kilobits seront disponibles pour mener à bien ce travail. Une partie de la thèse consistera également à identifier les obstacles pour l'intégration de ces matériaux dans des nœuds technologiques avancés.

Cartographie chimique 3D de dispositifs CMOS avancés pour le noeud technologique 10 nm

La mise en place de la technologie FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) 10 nm fait apparaître des nouvelles contraintes sur l’architecture des transistors. En particulier, les largeurs des grilles (10 nm) demandent l’adaptation de l’intégration de la grille qui contrôle la tension seuil. La variabilité de cette tension seuil dépend de la concentration, distribution spatiale et nature des dopants des régions source et drain. Il est donc nécessaire de comprendre l’impact des conditions de dépôt de la grille, source et drain ainsi que des recuits activant électriquement les dopants sur la distribution et compositions des espèces chimiques. En conséquence, la cartographie et la quantification des espèces chimiques à l’échelle nanométrique est un des paramètres essentiels pour contrôler la recherche et le développement de dispositifs issus de nœuds technologiques avancés.
L’objectif de ce travail de thèse sera de (i) : développer des méthodologies de caractérisation 3D (distribution et compositions des espèces dans la grille et régions source-drain) de transistors, (ii) d’étudier l’impact des conditions de dépôts, de recuit d’activation et dose d’implantation sur le comportement physique des transistors. La technique centrale de caractérisation chimique sera la sonde atomique tomographique permettant d’accéder à une cartographie chimique et quantitative en trois dimensions des éléments d’un échantillon à l’échelle nanométrique.
Il est attendu de cette thèse qu’elle apporte la compréhension des mécanismes chimiques et physiques mis en jeu par les matériaux de grille ; en proposant des mécanismes d’incorporation et de diffusion de dopants dans les régions source et drain.

Développement d’une méthode de caractérisation large échelle de motifs photoniques courbes pour la préparation de données de masques avancées.

La photonique intégrée sur silicium, qui consiste à utiliser les procédés de fabrication de l’industrie microélectronique pour réaliser des composants photoniques, est considérée comme une technologie d’avenir critique pour les applications de communications et de calcul à très haute vitesse.

La réalisation de dispositifs Photonique sur silicium nécessite la manipulation de designs intégralement courbes (dits non-Manhattan). Ceci donne lieu à de nombreux challenges lors de leur fabrication, et tout particulièrement lors de l'étape de conception des masques avancés de photolithographie. Afin de déterminer les masques optimaux, des algorithmes de compensation d'effets optiques (OPC) sont systématiquement appliqués. Ces derniers sont particulièrement délicats à mettre en œuvre dans le cas particulier de motifs curvilinéaires.

La précision avec laquelle les modèles OPC sont capables d'anticiper les performances d'impression des motifs peut être évaluée à l'aide de CD-SEM sur des structures spécifiques simples, de taille réduite, selon une unique orientation. Or, les dispositifs Photoniques (par exemple, les guides d'ondes) sont continus, faisant jusqu'à quelques millimètres de long, et couvrent toutes les orientations de l'espace. Une métrologie élargie et précise de tels objets n'existe pas, rendant impossible pour les ingénieurs OPC le diagnostic sur produit de la qualité de réalisation des dispositifs.

L'objectif de la thèse est de mettre au point une méthode de mesure dimensionnelle précise, à large échelle, des structures Photonique. On cherchera notamment à mettre en œuvre des solutions d'aboutement (stitching) d'images SEM, d'extraction de contours, avec le développement de métriques dédiées. La thèse propose notamment :

- l'étude de solutions métrologiques et scriptées pour permettre la caractérisation par CD-SEM à large échelle, typiquement en combinant plusieurs images.

- la mise en place d'extraction de contours de motifs courbes sur des images recombinées.

- le développement et la mise en place de métriques 2D innovantes pour permettre la mesure d'objets courbes, puis leur comparaison entre eux (ou avec une référence).

- l'inclusion des contours réels large échelle dans les logiciels de simulations optiques (Lumerical, FDTD) pour caractériser les performances réelles des dispositifs.

La thèse se déroulera pour 3 ans entre le site de STMicroelectronics (Crolles) et celui du CEA-LETI (Grenoble), dans un contexte de forte collaboration entre les équipes des deux organismes.

Le doctorant aura accès aux salles blanches et à des équipements industriels et/ou de recherche à l'état de l'art mondial, ainsi qu'à des logiciels commerciaux de référence. Vous bénéficierez de toute l'expertise technique des équipes encadrantes à STMicroelectronics et au CEA-LETI à propos de la photolithographie, de la métrologie, du traitement d'images et du développement informatique appliqué (Python).

Visualisation des mécanismes d'incorporation de dopants dans des semi-conducteurs fortement dopés à l'aide de combinaisons de techniques (S)TEM haute résolution

Contexte : Il existe un besoin en spécimens semi-conducteurs très fortement dopés pour le développement continu de dispositifs CMOS Si/Ge et pour le dopage de matériaux III-V où l'énergie d'ionisation conduit à une faible concentration de porteurs. Afin de fournir ces spécimens hautement dopés, de nouvelles méthodes de croissance et d’implantation sont nécessaires. Ceux-ci doivent être mieux compris et caractérisés avec une résolution à l’échelle nm.
Sujet proposé : Nous combinerons diverses techniques de microscope électronique à transmission (S)TEM (à balayage), telles que l'holographie électronique, la diffraction électronique à précession, la spectroscopie et l'imagerie haute résolution sur le même spécimen. Des techniques avancées de traitement des données seront développées afin de combiner les différentes cartes pour fournir des informations sur la concentration totale de dopants, la quantité de dopants sur les sites de substitution et les concentrations de dopants actifs. Ce travail fournira une méthodologie pour évaluer l'efficacité des différents processus utilisés pour le dopage dans la recherche avancée sur les CMOS. Cela inclut le FD-SOI 10 nm et moins, la source et les drains surélevés et intégrés, Si:P, SiGe:B, basse température/Coolcube.

Mesures du désalignement Multi-échelles

Dans l’industrie de la microélectronique, le contrôle de l’étape de lithographie est assuré par les techniques de mesure par imagerie (IBO, Image Based Overlay) ou par diffraction (DBO, Diffraction Based Overlay). Ces techniques sont relativement simples à mettre en œuvre, rapide et leurs spécifications répondent bien au besoin des technologies matures (CMOS20nm et précédents). Pour exploiter ces techniques, des structures de métrologie dédiées doivent être intégrées dans des zones spécifiques. Ces structures ont un design particulier et différent du produit fabriqué. Se pose alors la question de représentativité de la mesure overlay issue de ces techniques de métrologie par rapport à l’overlay dans le produit. De nouvelles méthodes comme les techniques électroniques à balayage (SEM) sont en cours de développement, l’intérêt majeur est leur capabilité à mesurer à n’importe quel endroit dans le produit et de manière répétable. Cependant cette technique détériore certains matériaux. Des études complémentaires doivent donc être menée pour trouver les meilleurs conditions d’utilisations de cette technique afin de faire le lien entre un désalignement dans le produit et comparer aux mesure via les techniques classiques (IBO et DBO). D’autres techniques, comme les techniques par Rayons X ou d’autres méthodologies seront investiguées (méthode par analyse de défaut, apprentissage machine, …). Ces travaux permettront d’adresser plus efficacement les nouveaux nœuds technologiques actuellement en cours de développement au LETI.

Etude des matériaux NMC pour accumulateurs lithium-ions par spectroscopie de photoémission à rayonnement X mous et durs expérimentale et théorique

La spectroscopie par photoémission (par rayons X, XPS, ou dans l'ultraviolet, UPS) est le reflet direct de la structure électronique des matériaux, qui est au coeur des processus redox en jeu dans les batteries à l’échelle atomique. Elle est cependant limitée par l'extrême sensibilité à la surface du matériau, avec une longueur typique de parcours du photoélectron de quelques nanomètres aux énergies usuellement accessibles en laboratoire. De plus, l’interprétation des spectres nécessite d’être capable de modéliser cette structure électronique avec précision, ce qui est particulièrement délicat dans le cas des matériaux de cathode qui contiennent des métaux de transition et sont utilisés dans une large plage de composition en Lithium. En effet, la structure électronique de ces matériaux présente des effets de corrélations électroniques dont le caractère dépend notamment du remplissage des orbitales « d ».
Dans cette thèse, nous proposons de lever ces limitations et de les utiliser à notre avantage pour explorer la structure électronique de surface comprenant l’interphase électrolyte solide (SEI), et celle du coeur de la particule active de cathode à base d’oxydes lamellaires Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (NMC). .
Pour ce faire, nous tirerons avantage des apports de la spectroscopie de photoélectron à haute énergies de rayon X (HAXPES), installé à la PlateForme NanoCaractérisation (PFNC), et permettra de sonder les matériaux jusqu'à une vingtaine de nanomètres. La comparaison entre les spectres XPS et HAXPES, durant le fonctionnement des batteries (operando) et sur la même zone, permettra de découpler les spectres de surface et de coeur pour différentes compositions chimiques et à différents stades du cycle de vie de la batterie. L'interprétation des spectres de photoémission sera faite par comparaison directe avec des calculs ab initio combinant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Ce couplage permettra à la fois d'aller au-delà des techniques usuelles basées sur des modèles de cluster, qui ne prennent pas en compte l'écrantage métallique, et de valider la qualité des prédictions théoriques sur les effets de corrélations électroniques (masse effective, potentiel transfert de poids spectral vers les bandes de Hubbard).
La thèse comportera une partie de développement instrumental (en particulier, calibration des surfaces efficaces sur des systèmes modèles) et théorique (prédiction des spectres de photoémission de coeur sur la base de calculs DFT+DMFT), puis s'attachera à comparer la performance et le vieillissement de différents matériaux de cathode (NMC de différentes compositions) en combinaison avec des électrolytes liquides et solides et une anode Li métal.
Le candidat sera accueilli dans les laboratoires L2N du DTNM et LMP du DEHT pour mener ses travaux.

Capteurs MEMS en régime chaotique pour amplification de la résolution

L'amélioration de la résolution des capteurs MEMS s'obtient toujours par une augmentation du cout du composant (surface) ou de son électronique (complexité et conso). Au vu des enjeux actuels de sobriété énergétique, il est essentiel d'explorer de nouvelles voies disruptives permettant de réduire les impacts liés à la haute performance des capteurs.
Le chaos est un phénomène déterministe exponentiellement sensible aux faibles variations. Peu étudié jusqu’à récemment, il peut s’implémenter de façon simple dans la dynamique des capteurs MEMS, afin d'amplifier les faibles signaux et d'augmenter la résolution. Il s’agit in fine d’une méthode de "in-sensor computing", permettant de s’affranchir d’une partie de l’électronique de mesure.
L’objectif de la thèse sera de créer le premier démonstrateur MEMS de "in-sensor computing" en régime chaotique. Pour ce faire, nous proposons d’étudier, par un travail approfondi de caractérisation/modélisation, ce nouveau régime de fonctionnement des capteurs MEMS déjà disponibles au DCOS/LICA (poutres M&NEMS et MUT). Ces premiers pas dans la compréhension du lien entre mesurande et réponse d'un MEMS en régime chaotique permettront de se projeter ensuite sur d’autres applications, notamment dans le domaine de la cryptographie.

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