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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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8documents trouvés

16445
26/11/2016

Développement de nano-systèmes à base de nanofils pour l'interfaçage neuronal

A.CASANOVA

MPN, MEMS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Novembre 2016, 203p., Président: C.VILLARD, Rapporteurs: A.SOUIFI, C.PRINZ, Examinateurs: S.RENAUD, Directeurs de thèse: G.LARRIEU, L.NICU , N° 16445

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445826

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Abstract

Due to constant aging of world population, the struggle against neurodegenerative diseases is one of the major challenges in the near future and a better understanding of these pathologies goes through an improvement of basic mechanism knowledge involved in neuronal networks. In that scope, miniaturization of electronic components opens new perspectives for addressing such issues and holds great promise to improve the resolution levels. 1D-nanostructures such as NW-FET or NW-probes, offer real benefits thanks to their very small sections allowing to be less intrusive combined with their high surface-to-volume ratio leading to a higher affinity with cells. Here, we propose to co-integrate passive and active devices based on 1D nanostructures on the same platform (vertical NW probes and NW-FETs), to accurately compare advantages and drawbacks of each configuration regarding neuron electrical activity measurement. The two NW devices are fabricated with a large scale and cost effective top-down approach combining conventional lithography tools, plasma etching and sacrificial oxidation step to tune the nanostructure geometry. A core-shell-type device has been developed with a conductive part at the center, encapsulated by a conformal silicon oxide to insulate the probing nanostructures from liquid. In parallel, silicon NW-FETs are created with a planar NW channel (50 nm) connected by two highly doped low resistive regions. The device operation has been characterized in liquid environment (interface impedance of passive probes and pH sensing for transistors). Primary rat cortical neuronal cultures have been grown in-vitro with an unprecedented surface functionalization approach to precisely locate single neurons and guide the growth of their extensions. The approach allows the perfect location of somas on devices and the control of neurite growth at sub-micrometer scale. After 10 days-in-vitro, we detected for the first time spontaneous mammalian neuron action potentials using passive vertical NW-probes. Thereafter, several kinds of stimulation protocols have been implemented: (i) at the network level, with chemical stimulations such as KCl depolarization to mimic epileptic synchronization or with more refined stimulation (bicuculline). Local field potentials from few somas and action potentials from single neurons have been successfully recorded with a maximal signal-to-noise ratio of 10 for transistors compared to 40 for passive probes. (ii) At the cell level, where bi-directionality of passive probes have been used to locally trigger neuronal activity under electrical stimulation. Finally, multi-site recordings with vertical probes have been used to compare extra and intracellular probing.

Résumé

De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d’améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d’agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l’aide d’un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l’interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l’auto-alignement de molécules d’adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l’échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l’échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d’enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l’activité électrique au sein d’une culture neuronale. La chaîne d’acquisition nécessaire au transport de l’information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu’à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l’aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l’aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l’excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de l’interaction.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils; Biocapteurs; Nano-sondes; Transistors; In-vitro; Cellules primaires; Nanowires; Biosensors; Neurons; Nano-probes; Primary cells;

138416
16442
15/11/2016

Conception et réalisation d'une nouvelle génération de ano-capteurs de gaz à base de nanofils semiconducteurs

B.DURAND

MICA, MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Novembre 2016, 206p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: M.THCHERNYCHEVA, C.PIJOLAT, Examinateurs: Y.COOINIER, Directeurs de thèse: P.MENINI, G.LARRIEU , N° 16442

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417316

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Abstract

In recent years, efforts of research and development for gas sensors converged to use nanomaterials to optimize performance. This new generation promises many advantages especially in miniaturization and reduction of energy consumption. Furthermore, the gas detection parameters (sensitivity, detection limit, response time ...) are improved due to the high surface/volume ratio of the sensitive part. Thus, this sensors can be integrated in ultrasensitive detection systems, autonomous, compact and transportable. In this thesis, we propose to use 3D semiconductor nanowires networks to create highly sensitive and selective gas sensors. The objective of this work is to provide a highly sensitive sensor, featuring a low detection limit (in the ppb range) and embeddable in CMOS devices. In addition process is generic and adaptable to many types of materials to discriminate several gas and converge to electronic nose. The first part of the dissertation is based on development of a large scale, reproducible, compatible with Si processing industry and conventional tools (CMOS), to obtain a sensor based on a 3D nanowire architecture. The device is composed by two symmetrical aluminum contacts at each extremity of the nanowires, including a top contact done by air bridge approach. The second part of this work presents the gas performances of components and working mechanisms associated. A very high response (30%) is obtained at 50 ppb of NO2, compare to the state of the art, 25% reached for 200 ppb. This approach can measure selectively very low concentrations of gas (<1 ppb) in real working conditions: moisture (tested up to 70% moisture) and mixing with other more concentrated gas (interfering gas). In addition, the reversibility of the sensor is natural and occurs at room temperature without requiring specific conditions.

Résumé

Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l’intégration de nanomatériaux afin d’améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, …) s’en retrouve améliorée à cause de l’augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l’ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d’un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l’industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l’un est obtenu par l’approche dite du « pont à air », permettant la définition d’un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d’azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l’état de l’art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (< 1 ppb) de manière sélective, dans des conditions proches des conditions réelles : humidité (testé jusqu’à 70% d’humidité) et mélange avec d’autres gaz plus concentrés et la réversibilité du capteur est naturelle et se fait à température ambiante sans nécessité des conditions particulières.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils semiconducteurs; Capteur de gaz; Architecture 3D; CMOS; Détection de faibles concentrations (ppb); Dioxyde d’azote (NO2); Semiconductor nanowires; Gas sensors; 3D architecture; Low concentration detection (ppb); Nitrogen dioxide (NO2); Schottky contact;

138395
16062
11/02/2016

De l’ingénierie de contacts métalliques aux transistors 3D à grille entourante : Architectures alternatives pour MOS nanométriques

G.LARRIEU

MPN

Habilitation à diriger des recherches : 11 Février 2016, 128p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: T.ERNST, C.MANEUX, D.TSOUKALAS, Examinateurs: A.IONESCU, S.MONFRAY, Directeur: F.CRISTIANO , N° 16062

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01292061

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Résumé

Lors des 40 dernières années, la technologie CMOS a permis une véritable révolution dans le traitement de l’information, sans cesse amélioré grâce à la diminution continue des dimensions des composants. L’évolution récente a conduit à la réduction des dimensions critiques des transistors tendant vers des points de blocage (rapidité, mécanismes physiques régis par des effets de surface, perte de contrôle électrostatique…) imposant des efforts accrus pour faire émerger des solutions technologiques alternatives. Dans ce contexte, deux architectures particulières seront présentés : (i) transistors MOS à contacts source/drain métalliques permettant un fonctionnement limitant les chutes de tension au niveau des zones d’accès et (ii) des transistors à nanofils à une grille enrobante offrant un contrôle électrostatique du canal optimal tout en minimisant l’encombrement. Dans un deuxième temps, des perspectives de recherche seront déclinées sous deux axes : (i) transistors 3D à nanofils III-V pour des applications faiblement énergivores pour les noeuds technologiques sub-7nm et (ii) dispositifs à nanofils pour les applications de détection biochimiques.

136382
15615
10/12/2015

Réalisation et caractérisation de transistors MOS à base de nanofils verticaux en silicium

Y.GUERFI

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Décembre 2015, 165p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: S.BOLLAERT, L.PICHON, Examinateurs: B.SALEM, Directeurs de thèse: F.CRISTIANO, G.LARRIEU , N° 15615

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261513

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Abstract

In order to further downscaling of the MOS transistors, the semiconductor industry has anticipated the limitations of miniaturization by the introduction of new materials and new architectures. The advent of triple gate structures (FinFET) allowed mastering the short channel effects and further miniaturization efforts (14 nm technology node in 2014). The ultimate case to the electrostatic control of the gate on the channel is given by a gate completely surrounding the device channel. For this purpose, Gate All Around (GAA) nanowire transistor is considered as the most suitable structure for technology nodes below 7 nm. In this thesis, a large scale process for the realization of miniaturized MOSFETs based on vertical silicon nanowires has been developed. Firstly, the vertical nanowires were made by a top down approach by the transfer by etching of hard mask made of Hydrogen silsesquioxane (HSQ) resist created at low voltage electron beam lithography. An original design strategy called "star" was developed to define perfectly circular nanowires. Si nanowires are obtained by plasma etching then thinned by sacrificial wet oxidation. This method allows obtaining vertical Si nanowires with perfectly anisotropic walls, a perfect reproducibility and a maximum yield. The implementation of the MOSFETs on the nanowire network was done by successive engineering of nanoscale thin films (conductive and dielectric). In this context, an innovative process for producing insulation layers in HSQ by controlled chemical etching showed excellent flatness associated with surface roughness of less than 2 nm. Finally, a method using conventional UV photolithography has been developed to achieve the nanometer gate length transistor. These devices have demonstrated excellent electrical performances with conduction currents superior than 600 μA/μm and excellent control of short channel effects (subthreshold slope of 95 mV/dec and DIBL of 25 mV/V) despite extreme miniaturization of the gate length (15 nm). Finally, we present a first proof of concept of a CMOS inverter based on vertical nanowires technology.

Résumé

Afin de poursuivre la réduction d’échelle des transistors MOS, l’industrie des semiconducteurs a su anticiper les limitations de la miniaturisation par l’introduction de nouveaux matériaux ou de nouvelles architectures. L’avènement des structures à triples grilles (FinFET) a permis de maitriser les effets canaux courts et poursuivre les efforts de miniaturisation (noeud technologique 14 nm en 2014). Le cas ultime pour le contrôle électrostatique de la grille sur le canal est donné par une grille entourant totalement le canal du dispositif. A cet effet, un transistor à nanofil à grille entourante est considéré comme la structure la plus adaptée pour les noeuds technologiques en dessous de 7 nm. Au cours de cette thèse, un procédé de réalisation large échelle de transistors MOSFET miniaturisés à base de nanofils verticaux en silicium a été développé. Tout d’abord, les nanofils verticaux ont été réalisés par une approche descendante via le transfert par gravure d’un masque de résine en Hydrogène Silsesquioxane (HSQ), réalisé par lithographie électronique à basse tension d’accélération. Une stratégie de dessin inédite dite «en étoile » a été développée pour définir des nanofils parfaitement circulaires. Les nanofils en Si sont obtenus par gravure plasma puis amincis par oxydation humide sacrificielle. Ce procédé permet d’obtenir des nanofils verticaux en Si avec des parois parfaitement anisotropes, une parfaite reproductibilité et un rendement maximal. L’implémentation des MOSFETs sur les réseaux nanofils a été effectuée par l’ingénierie successive de couches minces nanométriques (conductrices et diélectriques). Dans ce cadre, un procédé innovant de réalisation de couches d’isolations en HSQ par gravure chimique contrôlée a démontré une excellente planéité associée à une rugosité de surface inférieure à 2 nm. Enfin, un procédé utilisant la photolithographie UV conventionnelle a été développé pour réaliser le transistor de longueur de grille nanométrique. Ces dispositifs ont démontré d’excellentes performances électriques avec des courants de conduction supérieurs à 600 μA/μm et une excellente maîtrise des effets de canaux courts (pente sous le seuil de 95 mV/dec et DIBL à 25 mV/V) malgré l’extrême miniaturisation de la longueur de grille (15 nm). Enfin, nous présentons une première preuve de concept d’un inverseur CMOS à base de cette technologie à nanofils verticaux.

Mots-Clés / Keywords
MOSFET; Nanoélectronique; Nanofabrication; Nanofils; Silicium; Nanoelectronics; Nanowires; Silicon;

136008
15635
19/07/2015

Nanofios magnéticos e semicondutores: alinhamento, caracterizações elétricas e magnéticas e Aplicações. Nanofils magnétiques et semiconducteurs: adressage, caractérisation electriques et magnétiques et applications

N.KLEIN

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier en co-tutelle avec Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, 9 Juillet 2015, 187p., Président: R.SARTHOUR, Rapporteurs: M.A.NOVAK, A.AVELINO PASA, Examinateurs: A.MELLO, A.CAZARRE, T.LEICHLE, Directeurs de thèse: G.LARRIEU, L.C.SAMPAIO LIMA , N° 15635

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01285398

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A nanotecnologia vem tomando papel fundamental no desenvolvimento tecnológico atual de forma extremamente crescente e interdisciplinar. A utilização de nanofios na construção de estruturas/dispositivos mais complexos é possível devido a sua versatilidade. Entender a fabricação dos nanofios e ser capaz de caracterizá-los se torna extremamente importante para esse desenvolvimento. Dispositivos baseados em nanofios semicondutores e ferromagnéticos foram estudados nesta tese, abordando técnicas de crescimento e endereçamento, tanto para caracterizações eletrônicas e estruturais, quanto para aplicações em uso industrial de larga escala. Nanofios de cobalto foram eletrodepositados em diferentes pHs permitindo associar o pH da solução com a caracterização da estrutura cristalina. Nanofios semicondutores foram crescidos por CVD. O alinhamento e endereçamento dos nanofios foi feito através da técnica de dieletroforese acoplada à montagem capilar. Para a caracterização dos nanofios foram utilizadas técnicas de litografia óptica e eletrônica para a fabricação dos contatos. Um estudo da interface material semicondutor/silicidação foi realizado, verificando-se diferentes valores de barreira Schottky entre nanofios de silício e materiais massivos. No caso de nanofios de InAs um valor de barreira imperceptível foi encontrado e foi constatado que o fio de ZnO era do tipo p. Como aplicações foram fabricados diferentes dispositivos, como: transistores, válvulas de spin laterais, sensores de gás, humidade e luminosidade. Dentro do contexto de válvulas de spin foi estudada a caracterização da interface semicondutor/ferromagnético de forma a associar o valor da altura da barreira Schottky à espessura de SiO2, o qual age como barreira túnel. Através das medidas de transistor de efeito de campo (FET) a base de nanofios semicondures foi possível verificar o tipo de portadores de carga para cada material, extrair sua mobilidade, voltagem de threshold, entre outros. Os sensores fabricados foram feitos de nanofios de Si, InAs e ZnO, com o intuito de serem usados como sensores de luminosidade, humidade e gases. Foi verificada a sensibilidade do nanofio de ZnO para intensidade luminosa, nanofios de Si e InAs tanto à humidade quanto à detecção de gases poluentes, a exemplo, NO2. Esta tese é um avanço em relação ao cenário atual tecnológico de endereçamento de nanoestruturas e a utilização de propriedades da escala nano para dispositivos mais eficientes e de larga aplicabilidade, servindo de base para estudos futuros e implementações práticas em nanociência e nanotecnologia."

Résumé

La nanotechnologie a pris un rôle clé dans le développement technologique actuel de façon extrêmement grande et interdisciplinaire. L'utilisation de nanofils dans la construction de structures/dispositifs plus complexe peut être entrevue en raison de sa polyvalence. Comprendre la fabrication de nanofils et être capable de les caractériser est extrêmement important pour ce développement. Des dispositifs à base de nanofils semi-conducteurs et ferromagnétiques ont été étudiés dans cette thèse, abordant les techniques de croissance et d'adressage pour des caractérisations électroniques et structurelles, et pour des développements à grande échelle pour des applications industrielles. Les nanofils de cobalt ont été électro déposés à différents pH permettant d’associer le pH de la solution à la caractérisation de la structure cristalline. Les nanofils de semiconducteurs ont été crus par CVD. L'adressage et l'alignement des nanofils ont été faits par diélectrophorèse couplé avec l’assemblage capillaire. Pour caractériser les nanofils, des techniques de lithographie optique et électronique ont été utilisés pour la fabrication des contacts. Une étude d'interface matériaux semiconducteurs/siliciure a été réalisée démontrant que les valeurs de barrière Schottky sont différentes entre des nanofils de silicium et des matériaux massifs. Dans le cas de nanofils InAs la barrière est imperceptible et il a été constaté que le fil de ZnO était de type p. Les applications ont démontrées différents dispositifs, tels que les transistors, les vannes de spin, capteurs de gaz, de l'humidité et de la lumière. Dans le cadre de vannes de spin, la caractérisation de l'interface semiconducteur/ferromagnétique a permis d’associer la valeur de la hauteur de barrière de Schottky à l'épaisseur de SiO2, qui agit comme une barrière à effet tunnel. Grâce aux mesures de transistors à effet de champ (FET) , nous avons pu identifier le type de porteurs de charge pour chaque matériau, extraire leur mobilité, la tension de seuil... Les capteurs ont été fabriqués à base de nanofils en Si, InAs, et ZnO, afin d'être utilisés comme capteurs de lumière, l'humidité et les gaz. Cette thèse propose une amélioration des technologiques actuelles d'adressage de nanostructures et l'utilisation des propriétés à l'échelle nanométrique pour des dispositifs plus efficaces et une large applicabilité, fournissant la base pour de futures études et les réalisations pratiques des nanosciences et des nanotechnologies.

136072
13687
19/12/2013

Manipulation et adressage grande échelle de nanofils semiconducteurs pour la réalisation de nanosystèmes Innovants

M.COLLET

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 19 Décembre 2013, 154p., Président: V.PAILLARD, Rapporteurs: T.BARON, J.C.HARMAND, Examinateurs: N.CLEMENT, Directeurs de thèse: F.CRISTIANO, G.LARRIEU , N° 13687

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00956661

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Résumé

Le domaine de la microélectronique connaît aujourd’hui un tournant technologique majeur avec l’essor de structures nanométriques, les nanofils semiconducteurs. Ces nanofils peuvent être synthétisés "atome par atome" par une approche dite ascendante (ou Bottom-Up) qui présente un fort potentiel industriel grâce notamment à sa simplicité de mise en oeuvre et au faible coût engendré si l’on compare à des procédés standards de structuration de la matière par voie descendante (ou Top-Down). Dans cette optique, une question d’importance se pose : comment manipuler ces nanostructures et les arranger de façon à créer un dispositif fonctionnel ? Nous avons développé dans ces travaux de thèse un procédé inédit d’adressage à grande échelle couplant le phénomène d’attraction dû à la diélectrophorèse et l’assemblage capillaire. Les nanofils vont en effet pouvoir se polariser s’ils sont soumis à un champ électrique, être attirés dans les zones de champ fort prédéfinies, et enfin l’assemblage capillaire nous assure un alignement supplémentaire ainsi qu’un contrôle précis du séchage du liquide dans lequel sont suspendus les nanofils. Cette approche est d’autant plus intéressante qu’elle s’adapte à différents matériaux, comme le silicium ou l’arséniure d’indium, candidats prometteurs pour l’électronique de demain. Enfin, nous mettrons à profit la méthode d’alignement développée pour intégrer des nanofils dans des dispositifs fonctionnels. Nous analysons dans un premier temps le problème de l’adressage électrique des nanofils qui diffère de celui du matériau massif. Nous présentons une méthode permettant de différencier l’influence de la résistance de contact de celle du nanofil lui- même. Ces études matériaux sont capitales pour permettre l’intégration à grande échelle des nanofils dans des dispositifs microélectroniques. S’ensuit la première démonstration de l’implémentation de transistors à nanofils. La dernière application démontrée exploite le grand rapport surface sur volume des nanofils pour mettre en oeuvre des capteurs, tout d’abord de luminosité, puis d’humidité et enfin de gaz. Les nanofils semiconducteurs présentent en effet la potentialité d’une forte sensibilité en détection, car la déplétion ou l’accumulation des porteurs de charge causées par les changements d’états de surface peut affecter les propriétés électroniques de ces nanofils. Ces protoypes de dispositifs fonctionnels sont une synthèse des travaux menés au cours de ces travaux de thèse et illustrent toutes les possibilités offertes par cette méthode d’intégration de nanofils semiconducteurs.

Abstract

Nanowires constitute the potential building blocks for the emergence of new architectures in nanoelectronics and sensors applications as they exhibit different material properties from their corresponding bulk structures. Manipulating nanowires to locate them at a desired position is therefore a crucial issue in view of developing large scale nanosystems. The technique reported in this thesis combines dielectrophoresis phenomenon and capillary assembly to successfully align hundreds of single nanowires at specific locations on a wafer in a more straightforward and affordable procedure than what’s proposed at the state of the art. A non-uniform electric-field applied between interdigitated electrodes induces a polarization on dielectric particles such as nanowires. The resulting force (DEP force) makes the nanowires able to move in the solution while the capillary assembly ensures both a convective flux of nanowires towards the alignment sites and the final orientation of the nanowires in the axis of the electrodes as the solvent dries. This protocol has been designed on a 6-inches wafer and thus is scalable very easily. It is efficient for single-level alignment but also for creating dense parallel arrays of nanowires if required. High-level level integration can be achieved by combining two steps of alignment with two different materials as silicon and InAs. This assembly technique is versatile as DEP electrodes can be implemented on various substrates such as flexible substrates or directly integrated in the back-end of circuits. It also offers independent post-processing processes which are completely uncorrelated from the alignment step as the underneath DEP electrodes are isolated from the surface by a planarized dielectric layer. Once the nanostructures are aligned, specific contact studies and electrical characterization can be performed as the previous steps for innovative devices. The electrical contact on a nanowire is examined in order to distinguish the contact resistance from the nanowire resistance. Finally, as a proof of concept, we developed 2 applications based on semiconducting nanowires : transistors and gaz sensing devices. This work appears as a real step towards nanowires integration and opens new outlooks to promising applications.

Mots-Clés / Keywords
Diélectophorèse; Manipulation; Nanofils; Nanosystèmes;

131482
13759
25/11/2013

Physical modelling of impurity diffusion and clustering phenomena in CMOS based image sensors

Z.ESSA

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 25 Novembre 2013, 130p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: G.GHIBAUDO, D.ALQUIER, Examinateurs: P.MAGNAN, E.NAPOLITANI, C.TAVERNIER, Directeurs de thèse: F.CRISTIANO, P.BOULENC , N° 13759

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01020497

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Résumé

L’essor de l’industrie micro-électronique au cours des dernières années n’aurait pas été possible sans les innovations en termes de procédés de fabrication de la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) induisant une amélioration continue des performances des composants. Ces innovations doivent relever les défis technologiques inhérents à la fois à la miniaturisation ainsi qu’à la diversification croissante des composants. En réponse à ces défis, des approches de modélisation de type TCAD (Technology Computer Aided Design), permettent de réduire nettement le temps et le coût de développement de ces nouvelles technologies. Dans ce cadre, cette thèse s’intéresse à l’élaboration de modèles TCAD permettant la prise en compte des différents mécanismes physiques ayant lieu lors de l’utilisation des procédés de fabrication avancés. Dans une première partie, les mécanismes de diffusion et d’activation pour des fortes doses d’implantation ont pu être étudiés notamment dans le cas de l’implantation plasma, technique très prometteuse pour des applications de dopage conforme dans les capteurs d’image ou transistors TriGates. La mise en évidence et la modélisation d’agrégats de bore-interstitiel de grande taille ont ainsi pu être menées pour des conditions de fort dopage. Dans une deuxième partie, la diffusion et le transfert d’espèces chimiques entre différents matériaux ont été évalués. Ainsi, la perte de dose de bore dans le silicium dans les empilements « espaceurs » ainsi que la diffusion de bore correspondante dans l’oxyde ont été étudiés. De même, l’évaluation de la diffusion du lanthane pendant un recuit thermique dans les empilements de grille avec oxyde à forte permittivité diélectrique (high-k) a pu être menée. En dernière partie, l’impact de ces différents mécanismes sur le comportement électrique des composants CMOS a ainsi pu être évalué, et une amélioration de la prédictibilité des modèles TCAD a été obtenue sur les dispositifs transistors MOS ainsi que les capteurs d’image CMOS FSI (Front Side Illumination) et BSI (Back Side Illumination).

Abstract

Over the last years, microelectronics growth was made possible thanks to the innovations occurring in CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology, leading to a constant improvement of device performances. These innovations have to answer the technological challenges related to devices miniaturization, as well as to their continuous diversification. In response to these challenges, modelling approaches such as TCAD (Technology Computer Aided Design) drastically reduce the technologies development time and cost. In this context, the thesis deals with TCAD models development of several physical mechanisms taking place within advanced process steps. In the first part, diffusion and activation mechanisms following high-dose dopant implantation were studied, mainly in the case of plasma implantation, a promising technique for conformal doping in image sensors and Tri- Gates transistors. In high doping conditions, the observation and modelling of large boron interstitial clusters (BICs) were carried out. In the second part, the evaluation of chemical species diffusion and transfer between materials was considered. In particular, Boron dose loss from silicon in spacer stacks and corresponding diffusion in oxide were studied. In addition, lanthanum diffusion evaluation during thermal annealing in gate stacks with high-k oxides was investigated. In the last part, the impact of the different investigated mechanisms on CMOS devices electrical behaviour was finally evaluated, resulting in the improvement of TCAD models predictability on MOS transistors performances, as well as FSI (Front Side Illumination) and BSI (Back Side Illumination) CMOS-based image sensors.

Mots-Clés / Keywords
Capteur d'image; CMOS; Diffusion ; Modélisation; MOS;

132298
13526
01/03/2013

Ion implantation induced extended defects : structural investigations and impact on ultra shallow junction properties

F.CRISTIANO

MPN

Habilitation à diriger des recherches : 14 Mars 2013, 126p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: D.BENSAHEL, A.MESLI, D.TSOUKALAS, Examinateurs: R.DUFFY, E.LAMPIN, Directeurs: A.CLAVERIE , N° 13526

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00919958

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Abstract

This dissertation summarises my research activities in the field of Ion Implantation-Induced extended defects and of their impact on the properties of Ultra-Shallow source/drain junctions (USJs) in miniaturized MOS transistors. The most common method for the fabrication of source/drain regions consists in the localized doping of the substrate material by ion implantation, followed by thermal annealing to achieve electrical activation. The major problem related to the use of ion implantation is the formation of various defect types resulting from the precipitation of the large amounts of interstitials and vacancies generated during the implantation process and their interaction with dopant atoms during annealing. The various complex interactions between the defects and the implanted dopants are at the origin of the diffusion and activation anomalies that represent the major obstacles to the fabrication of USJs satisfying the ITRS requirements. The main results of my work will be presented in three parts. The first part is dedicated to the fundamental studies on the formation and evolution of implant-induced defects and on their impact on transient enhanced diffusion (TED). These studies contributed (i) to provide a unified description of implantation-induced defect evolution, explaining why, depending on the implant and annealing conditions, a given defect type is formed, dissolves during annealing or transforms into a larger defect with different crystallographic characteristics and (ii) to improve the existing models by extending them to all defect families, including a correct TED dependence on the defects’ size distributions. In the second part, I will focus on the defect-dopant interactions causing dopant activation anomalies, due to their impact on the active dose and is some cases, also on the carrier mobility. In the case of p+-n junctions formed by Boron implantation, these anomalies are due to the formation of small Boron-Interstitial Clusters (BICs), which will be at the centre of all the studies presented in this part. Other investigated defect-dopant interactions include the formation of Fluorine-related Si interstitial traps, used to reduce both B Transient Enhanced Diffusion and dopant deactivation, and the dopant trapping by implantation-induced defects. The progressive introduction of advanced processes and materials in the semiconductor industry during the last decade raised some specific questions related to the fabrication of USJs, including the formation of implant-induced defects during ultra-fast annealing, their evolution in the presence of the buried Si-SIO2 interface in SOI materials or the Boron activation stability in Germanium. We will address these issues in the third part of this presentation. Due to the increased difficulties to maintain the MOS miniaturization pace (as well as to the approaching of its physical limits), the general context of the MOS-related research domain has largely evolved over the last years. On the one hand, the continuous optimisation of advanced doping and annealing schemes for the fabrication of USJs will therefore have to deal with the increasingly important requirement of reducing power consumption in future device generations. On the other hand, the years 2000s have seen the emergence of the so-called "More-than-More" domain, consisting in the addition of novel functionalities to electronic devices based on (or derived from) Silicon MOS technology. The perspectives of my research activity within this “extended-CMOS” context will finally be presented at the end of the presentation.

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