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The world of memories has evolved enormously in recent years, both in terms of performance and storage capacity, and in terms of application areas. One of the latest innovations was phase change memory, also called PCM memory for Phase Change Memory. This new type of memory is based on the use of a material, GeSbTe, well known since it was previously used in CDs, DVDs and Blu-rays for its optical properties. In the case of PCM memories, it is thanks to its electrical properties that we manage to encode the information. This material can pass from the amorphous state to the crystalline state in a reversible way, and the electrical resistivity contrast between the two states makes it possible to encode the information bit. These electrical properties are closely linked to its chemical composition, and any alteration of the latter would have a direct impact on the behavior and performance of the memory. Therefore it is critical to be able to understand and protect it against all the possible alterations that this material could undergo during its integration as a PCM memory. STMicroelectronics has chosen to use a GeSbTe enriched in germanium and doped with nitrogen, called Ge-rich GST doped N, to be able to be integrated in its memories intended for the automotive market, because this material presents the best performances for this type of application. The objective of this thesis is to understand the surface interactions between the Ge rich GST and its environment, in particular its oxidation in the atmosphere which greatly degrades its initial performance, in order to be able to propose suitable solutions to avoid it. Thanks to complementary characterization techniques such as pARXPS, TEM-EDX, nano-diffraction, XRD and XRR, as well as FTIR, used throughout this thesis, new observations have been made concerning the oxidation of Ge-rich GST. A double kinetics of oxidation, never observed before, has been brought to light, and a physical explanation associated with a new mathematical model made it possible to describe this double kinetics. Studies on the amorphous and crystalline state have been carried out to determine its influence on oxidation, as well as the influence of the annealing temperature and the nitrogen doping rate on this oxidation kinetics. The results obtained made it possible to better understand how the oxidation of the Ge-rich GST takes place and made it possible to propose avenues for improvement to avoid or reduce this oxidation in order not to degrade the performance of the memories manufactured. A last part of this work was dedicated to the study and improvement of two critical steps in the manufacture of memory chips which are the Ge-rich GST etching step, and the step of its protection called capping, also impacted by the oxidation of the material. This last study is confidential due to the presence of detailed information necessary for a good understanding of the study. It shows the results obtained concerning the influence of each step on the oxidation, and the tracks as well as the prospects proposed to overcome the oxidation and improve the integration of memory chips in order to maintain the performance necessary for their use in the automobile industry.; Le monde des mémoires à énormément évolué au cours de ces dernières années, autant sur le plan des performances et capacités de stockage, que sur les domaines d’applications. Une des dernières innovations a été la mémoire à changement de phase, également appelée mémoire PCM pour Phase Change Memory. Ce nouveau type de mémoire repose sur l’utilisation d’un matériau, le GeSbTe, bien connu puisqu’auparavant utilisé dans les CD, DVD et Blu-ray pour ses propriétés optiques. Dans le cas des mémoires PCM, c’est grâce à ses propriétés électrique que l’on parvient à encoder l’information. Ce matériau peut passer de l’état amorphe à l’état cristallin de manière réversible, et le contraste de résistivité électrique entre les deux états permet de coder le bit d’information. Ces propriétés électriques sont intimement liées à sa composition chimique, et une quelconque altération de celle-ci se répercuterait directement sur le comportement et les performances de la mémoire. C’est pourquoi il est critique de pouvoir comprendre et se protéger de toutes les altérations possibles que ce matériau pourrait subir au cours de son intégration en tant que mémoire PCM. STMicroelectronics a fait le choix d’utiliser un GeSbTe enrichi en germanium et dopé à l’azote, appelé Ge-rich GST dopé N, pour pouvoir être intégrée dans ses mémoires destinées au marché de l’automobile, car ce matériau présente les meilleures performances pour ce type d’application.L’objectif de cette thèse est de comprendre les interactions de surface entre le Ge rich GST et son environnement, notamment son oxydation à l’atmosphère qui dégrade grandement ses performances initiales, afin de pouvoir proposer des solutions adaptés pour l’éviter. Grâce à des techniques de caractérisations complémentaires telles que le pARXPS, le TEM-EDX, la nano-diffraction, l’XRD et l’XRR, ainsi que le FTIR, utilisées tout au long de cette thèse, de nouvelles observations ont pu être effectuées concernant l’oxydation du Ge-rich GST. Une double cinétique d’oxydation, jamais observée auparavant, a pu être mis en lumière, et une explication physique associée à un nouveau modèle mathématique a permis de décrire cette double cinétique. Des études sur l’état amorphe et cristallin ont été menées pour déterminer l’influence de celui-ci sur l’oxydation, ainsi que l’influence de la température de recuit et le taux de dopage azote sur cette cinétique d’oxydation. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre comment l’oxydation du Ge-rich GST a lieu et ont permis de proposer des pistes d’améliorations pour éviter ou réduire cette oxydation afin de ne pas dégrader les performances des mémoires fabriquées. Une dernière partie de ce travail a été dédié à l’étude et l’amélioration de deux étapes critiques dans la fabrication des puces mémoires qui sont l’étape de gravure du Ge-rich GST, et l’étape de sa protection appelé capping, également impactés par l’oxydation du matériau. Cette dernière étude est confidentielle due à la présence d’informations détaillées nécessaire pour la bonne compréhension de l’étude. Elle présente les résultats obtenues concernant l’influence de chaque étape sur l’oxydation, et les pistes ainsi que les perspectives proposées pour palier à l’oxydation et améliorer l’intégration des puces mémoires afin de conserver les performances nécessaires à leurs utilisations dans l’industrie automobile.

Advances in microelectronics pose increasingly complex challenges to plasma etching. The emergence of new 3D architectures and shrinking dimensions create requirements for etch selectivity between materials that conventional methods are not always able to meet. In particular, the spacer etching process requires the ability to etch horizontal surfaces of materials selectively to vertical surfaces without damaging the underlying layers. This is referred to as selective anisotropic etching. Remote plasmas, where the etching involves only reactive neutrals, offer a potential solution. Although the etch is fundamentally isotropic due to the absence of ions, anisotropic etching can be achieved by cycling a step of selective functionalization of horizontal surfaces versus vertical surfaces using directional ions, and a step of selective etching of the functionalized surfaces by exposure to a remote plasma. This process decouples the action of ions and neutrals to achieve anisotropic and selective etching of horizontal surfaces with respect to vertical surfaces. NF3/NH3 based post-discharges are used to etch silicon nitride (SiN) and silicon oxide (SiO2) selectively. However, etching mechanisms are still poorly understood. The objective of this work is to provide an understanding of the etching and selectivity mechanisms of silicon-based materials by NF3/NH3 and NF3/NH3 post-discharges, by coupling analysis of the post-discharge composition obtained by VUV (vacuum ultraviolet) absorption spectroscopy with the etching kinetics of the materials obtained by in situ real-time ellipsometry. Two etching regimes have been highlighted according to the NF3/H2 or NF3/NH3 ratio. In the first regime, for ratios lower than 1, the major species driving the etching are atomic fluorine and HF formed from a reaction between the dissociated species of NF3 and the introduced H2 or NH3. Etching is thermally activated, SiN etching is driven by the vibrational HF created and the atomic fluorine present whereas silicon etching is entirely dependent on the amount of free fluorine in the downstream. In most of the studied conditions, the atomic fluorine fluxes are too low to etch SiO2 which results in high SiN/SiO2 selectivity. In the second regime, for NH3/NF3 remote plasmas and for ratios greater than 1, the studies indicate that HF and NH3 are consumed to form a new species hypothesized to be the solid NH4F. Etching in this regime is characterized by the formation of fluorinated salts (NH4)2SiF6 from the consumption of SiO2 or SiN. This etching is sensitive to adsorption and desorption phenomena of the reactive species on the surface and starts only after an incubation time dependent of the surface condition. The Fluorinated salts are formed only in an NH3/NF3 remote plasmas, which underlines the importance of NH3 as a reactant to form NH4F and ultimately fluorinated salts. This understanding of the downstream etching mechanisms has been used to selectively and isotropically etch SiN versus SiO2 for the removal of SMT (stress management technique) nitride used in some STMicroelectronics technologies, as well as to perform selective and anisotropic etching of SiN PECVD spacer with encouraging results. The etching through remote plasma, although complex, is interesting because of the possibility to obtain isotropic or anisotropic etching with high selectivity.; Les avancées de la microélectronique posent des défis toujours plus complexes à la gravure par plasma. L’apparition de nouvelles architectures 3D et la diminution des dimensions créent des besoins en sélectivité de gravure entre les matériaux, que les méthodes conventionnelles ne sont pas toujours capables de relever. Notamment, le procédé de gravure d’espaceur nécessite d’être capable de graver des surfaces horizontales de matériaux sélectivement à des surfaces verticales sans endommager les couches sous-jacentes. On parle alors de gravure sélective anisotrope. Les plasmas délocalisés, où la gravure ne fait intervenir que les neutres réactifs, peuvent présenter une solution. Bien qu’il s’agisse d’une gravure fondamentalement isotrope du fait de l’absence d’ions, il est possible de parvenir à une gravure anisotrope en cyclant une étape de fonctionnalisation sélective des surfaces horizontales par rapport aux surfaces verticales en utilisant des ions directionnels, et une étape de gravure sélective des surfaces fonctionnalisées par l’exposition à un plasma post-décharge. Ce procédé permet de découpler l’action des ions et des neutres afin d’obtenir une gravure anisotrope et sélective des surfaces horizontales par rapport aux surfaces verticales. Les post-décharges à base de NF3/NH3 sont utilisées pour graver le nitrure de silicium (SiN) et l’oxyde de silicium (SiO2) de manière sélective. Cependant, les mécanismes de gravure sont encore mal compris. L’objectif de cette thèse est d’apporter une compréhension des mécanismes de gravure et de sélectivité des matériaux à base de silicium par des post-décharges NF3/NH3 et NF3/H2, en couplant des analyses de la composition de la post-décharge obtenues par spectroscopie d’absorption VUV (vacuum ultraviolet) avec des suivis de cinétiques de gravure des matériaux par de l’ellipsométrie in situ en temps réel. Deux régimes de gravure ont été mis en évidence en fonction du ratio NF3/H2 ou NF3/NH3. Dans le premier régime, pour des ratios inférieurs à 1, les espèces majoritaires qui pilotent la gravure sont le fluor atomique et le HF formé à partir d’une réaction entre les espèces dissociées du NF3 et le H2 ou NH3 introduit. La gravure est activée thermiquement, la gravure du SiN est pilotée par le flux de HF vibrationnel créé et le fluor atomique présent tandis que la gravure du silicium est entièrement dépendante de la quantité de fluor libre dans la post-décharge. Dans la plupart des conditions étudiées, les flux de fluor atomique sont trop faibles pour graver le SiO2 ce qui permet d’obtenir une très bonne sélectivité SiN/SiO2. Dans le deuxième régime, pour la post-décharge NH3/NF3 et des ratios supérieurs à 1, les études indiquent que le HF et le NH3 sont consommés pour former une nouvelle espèce supputée être le solide NH4F. La gravure dans ce régime se caractérise par la formation de sels fluorés (NH4)2SiF6 issus de la consommation du SiO2 ou du SiN. Cette gravure est sensible à des phénomènes d’adsorption et désorption des espèces réactives à la surface et ne démarre qu’après un temps d’incubation dépendant de l’état de surface. Les sels fluorés ne se forment que dans une post-décharge de type NH3/NF3 ce qui souligne l’importance de NH3 comme réactant pour former du NH4F et ultimement les sels fluorés. Cette compréhension des mécanismes de gravure par post-décharge a été mise à profit pour graver de façon sélective et isotrope le SiN par rapport au SiO2 pour le retrait du nitrure SMT (stress management technique) utilisé dans certaines technologies de STMicroelectronics, et également pour réaliser une gravure sélective et anisotrope d’espaceur SiN PECVD avec des résultats encourageants. Les gravures par post-décharge, bien que complexes, se révèlent donc intéressantes par la possibilité d’obtenir des gravures isotropes ou anisotropes ultra sélectives.

Classiquement développés comme des systèmes d'alertes produisant automatiquement des thérapeutiques centrées patient, les systèmes d'aide à la décision médicale sont appréciés par les médecins utilisateurs de façon variable selon les études. Nous pensons que ce mode d'interaction n'est pertinent que dans les cas simples où le médecin pense a priori qu'il n'a pas besoin d'être aidé. Une approche " à la demande " nous semble, par ailleurs, adaptée dans les cas plus compliqués. Nous avons testé cette hypothèse avec le système ASTI développé de façon à proposer deux modes d'interaction. Dédié aux cas simples, le mode " critique ", entièrement automatique, produit des alertes lorsque la prescription médicamenteuse du médecin n'est pas conforme aux recommandations. Au contraire, le mode " guidé " est utilisé de façon volontaire par le médecin qui, au cours d'une navigation active au sein d'une base de connaissances, accède dans les cas complexes aux recommandations thérapeutiques. Un score de complexité des cas cliniques a été proposé. Une étude préliminaire a été conduite sur 15 cas cliniques et 10 généralistes qui valide notre hypothèse de travail.

With the onset of advanced technological nodes, floating gate MOSFETs, which acts as a basic building block for flash memories, are gradually reaching their limits, becoming always more sensitive to tunneling effects, which in turn induces loss of charges and significant leakage currents. To address this issue, new concepts of non-volatiles memories are being developed, with special attention dedicated to HfO2 FeRAM triggered by the discovery of ferroelectric properties in hafnium oxide thin films in 2007. In addition to its CMOS compatibility, this HfO2 material also exhibits a remanent polarization in thin film with thicknesses below 10 nm, making it fully compatible with miniaturization processes at advanced technological nodes. However, some challenges still need to be addressed before such FeRAM devices can be transferred to high volume manufacturing in an industrial environment, in particular the reduction of wake-up (increase of remanent polarization value during the first cycles) and fatigue phenomena (gradual decrease in remnant polarization potentially indicating hard breakdown of the material). Moreover, to this day, the endurance is limited to 1011 cycles, whereas a minimum endurance of 1016 cycle is required before a large scale integration of such devices can be considered. These phenomena are commonly attributed to undesired impurities within the ferroelectric materials of FeRAM MIM structures, which pin ferroelectric domains and hinders their motion and/or diffusion in hafnium oxide, thereby inducing irreversible damages in the material. The objective of the present study is to overcome some of these challenges by accurately tuning the materials properties of the involved MIM structured thin films. For this purpose, TiN and HfO2 thin films have been deposited by PEALD to elaborate TiN/Gd :HfO2/TiN ferroelectric MIM stacks. The FleXAL PEALD reactor from Oxford Instruments used in this study is equipped with a polarization kit positionned on the backside of the chuck and generating a negative bias voltage in the vicinity of the substrate by the application of a RF bias power. It thus allows extraction of plasma ion with a tunable incident kinetic energy.TiN and HfO2 thin films have been elaborated using various RF bias power values. Growth has been monitored using in-situ ellipsometry and XPS analysis has been carried-out in order to understand the impact of ion energy modulation on the early growth mechanisms. These results have lead to an improved comprehension of nucleation mechanisms and growth kinetics. In the light of XRR, XRD and XPS analyses, we have established that a precise modulation of the ion energy during the PEALD growth process enables tunable thin films physical and chemical properties, making ionic assistance during PEALD a promising pathway for the elaboration of ferroelectric capacitors.To this end, we have elaborated a reference TiN/Gd :HfO2/TiN ferroelectric capacitor. The ferroelectric properties of the capacitor have been carefully optimized in terms of Gd content and annealing conditions . We have established that a maximum remanent polarization value can be obtained by the introduction of 1.8 atomic % Gd into hafnium oxide combined with a N2 annealing at 650°C for 10 minutes. PUND electrical measurements have shown a double remanent polarization of 30 µC.cm and an endurance larger than 7.109 cycles, which exceeds by far reported values in similar Gd:HfO2 studies. The application of a bias power during the plasma oxidation step of the Gd precursor has shown a drastic reduction of the wake-up behavior., Avec l’arrivée des nœuds technologiques avancés, les transistors MOSFET à grille flottante, à la base des mémoires flash, montrent leur limite car ils deviennent de plus en plus sensibles à l’effet tunnel occasionnant des pertes de charges et des courant de fuite importants. Pour pallier ce problème, de nouveaux concepts de mémoires non volatiles ont été développés. Parmi elles, les FeRAM dont l’intérêt a été relancé par la découverte du caractère ferroélectrique de l’oxyde d’hafnium en 2007. En plus d’être compatible CMOS, ce matériau présente une polarisation rémanente pour des épaisseurs inférieures à 10 nm, ce qui permettrait de suivre les nœuds technologiques avancés. Cependant, certains challenges restent à surmonter avant de pouvoir intégrer les FeRAM en industrie, notamment la réduction des phénomènes de wake-up (augmentation de la valeur de polarisation rémanente dans les premiers cycles) ; et celui de fatigue (diminution progressive de cette valeur, avant rupture éventuelle du matériau). De plus, l’endurance de ces FeRAM est aujourd’hui limitée à 1011 cycles, alors qu’une endurance d’au moins 1016 cycles est nécessaire afin d’envisager une intégration en industrie. Ces phénomènes s’expliquent en partie par la présence d’impuretés non désirées au sein des matériaux constitutifs des capacités mémoires, qui « épinglent » les domaines ferroélectriques et empêchent leur mouvement et/ou diffusent dans l’oxyde d’hafnium et se multiplient détériorant de manière irréversible le matériau. Dans ce manuscrit nous présentons une étude visant à surmonter ces challenges par la modulation des propriétés des couches constitutives des capacités ferroélectriques. Pour cela, des couches de TiN et de HfO2 ont été élaborées en PEALD en vue de réaliser des empilements TiN/Gd :HfO2/TiN ferroélectriques. Le réacteur PEALD FleXAL de Oxford instruments utilisé est équipé d’un kit de polarisation en face arrière du substrat, ce qui permet par l’application d’une puissance RF bias de générer une tension de polarisation négative au voisinage du substrat et ainsi moduler l’énergie des ions du plasma.L’élaboration des couches de TiN et de HfO2 a été réalisée pour différentes valeurs de puissances RF bias. Le suivi de la croissance par ellipsométrie in-situ couplé à des analyses XPS ont été menées afin de comprendre l’influence de la modulation de l’énergie des ions du plasma sur les mécanismes de surface dans les premiers cycles PEALD. Ces résultats nous ont permis de comprendre les modifications des cinétiques de croissance. Des mesures en XRR, XRD et XPS nous ont permis d’observer qu’une modulation précise de l’énergie des ions pendant l’étape de plasma du procédé PEALD permet de moduler les propriétés physico-chimiques des couches élaborées, permettant d’envisager une application dans le cadre de l’élaboration de capacités ferroélectriques.Pour cela, nous avons élaboré des capacités ferroélectriques TiN/Gd :HfO2/TiN de référence. Le taux de Gd introduit ainsi que les conditions de recuits ont été modulées afin d’optimiser les propriétés ferroélectriques de la capacité. Des analyses XPS nous ont permis d’établir qu’un taux de Gd de 1,8 % permet de maximiser la valeur de polarisation rémanente ainsi qu’un recuit à 650 °C pendant 10 minutes sous N2. Les mesures électriques effectuées en PUND montrent que dans ces conditions, une double polarisation rémanente de 30 µC.cm est obtenue et que l’endurance des capacités est supérieure à 7.109 cycles, ce qui est supérieur à ce qui a été rapporté pour d’autres capacités ferroélectriques à base de Gd:HfO2. L’application d’une puissance RF bias pendant l’étape d’oxydation du précurseur Gd montre une réduction drastique du nombre de cycles de wake-up, ce qui est en cohérence avec les résultats obtenus dans les études menées au cours de la thèse.

Piezoelectric nanogenerators arouse a particular interest for the supply of low power microsystems due to their great miniaturization capacity and high autonomy. The development of efficient devices from abundant and non-toxic materials and through low-cost processes represents however a prerequisite needed for their large-scale implementation, and remains a major technological challenge. In this context, the use of arrays of ZnO nanowires grown by chemical bath deposition within vertically integrated architectures is highly promising. To obtain efficient piezoelectric nanogenerators, a precise control of the morphological and electrical properties of these nanowires is required, while the use of metallic seed layers is favored for the nucleation of ZnO nanowires. Therefore, the main goal of this thesis is to address these issues through several complementary strategies.First, a particular effort was carried out to elucidate the nucleation mechanisms of the nanowires from gold seed layers. Two populations of nanowires with characteristic orientations were identified, each of them revealing a distinct nucleation mechanism. Furthermore, the influence of the microstructure of the gold seed layer and the properties of the chemical bath on the morphology of ZnO nanowires was thoroughly examined. A theoretical model describing predictively the elongation of ZnO nanowires in dynamic conditions was then established from Fick’s laws of diffusion, where two scenarios were taken into account depending on whether the growth reactor is considered of semi-infinite or of finite height. By comparing this model to experimental data, an activation energy for the crystallization of ZnO of 198 ± 24 kJ/mol was deduced, revealing the high interest of this model both for fundamental and applied researches. Copper was then considered as a doping element to enhance the electrical resistivity of ZnO nanowires by compensatory doping. In this purpose, the effects of the addition of Cu(NO3)2 during the growth of ZnO nanowires were studied at different pH values of the chemical bath. Complex incorporation mechanisms of copper into the ZnO lattice were revealed, which can be explained beyond the only considerations of electrostatic forces. Finally, the integration of these arrays of ZnO nanowires into piezoelectric nanogenerators was considered, where an analytical approach was developed to assess the electrical potential generated by a compressed nanowire. The possibility to strengthen the morphological control of ZnO nanowires through the realization of localized growth assisted by advanced lithography techniques was furthermore considered. Piezoelectric nanogenerators were eventually produced and characterized through the optimization of the fabrication process and the assembling of a whole piezoelectric measurement bench.; Les nanogénérateurs piézoélectriques suscitent un intérêt particulier pour l’alimentation de microsystèmes de faibles puissances en raison de leur forte capacité de miniaturisation et de leur autonomie importante. Le développement de dispositifs efficaces à partir de matériaux abondants et non toxiques et au travers de procédés bas coûts constitue toutefois un prérequis nécessaire à leur déploiement à grande échelle, et reste à l’heure actuelle un défi technologique majeur. Dans ce contexte, l’utilisation de réseaux de nanofils de ZnO élaborés par dépôt en bain chimique dans des architectures intégrées verticalement est extrêmement prometteur. Afin d’obtenir des nanogénérateurs piézoélectriques efficaces, un contrôle précis des propriétés morphologiques et électriques de ces nanofils est nécessaire, tandis que l’utilisation de couches d’amorce métalliques est privilégiée pour la nucléation des nanofils de ZnO. Ainsi, l’objectif principal de cette thèse est de répondre à ces problématiques en adoptant plusieurs stratégies complémentaires.Tout d’abord, un effort particulier a été réalisé pour élucider les mécanismes de nucléation des nanofils à partir de couches d’amorce en or. Deux populations de nanofils aux orientations propres ont notamment été identifiées, chacune mettant en évidence un mécanisme de nucléation distinct. L’influence de la microstructure de la couche d’amorce en or et des propriétés du bain chimique sur la morphologie des nanofils de ZnO a de plus été examinée en détail. Un modèle théorique décrivant de manière prédictive l’allongement des nanofils de ZnO en conditions dynamiques a ensuite été établi à partir des lois de Fick, où deux cas de figures ont été envisagés suivant si le réacteur de croissance est considéré de hauteur semi-infinie ou finie. En comparant ce modèle à des données expérimentales, une énergie d’activation pour la cristallisation du ZnO de 198 ± 24 kJ/mol a été déduite, montrant le fort intérêt de ce modèle à la fois en recherches fondamentale et appliquée. Le cuivre a ensuite été considéré comme élément dopant afin d’augmenter la résistivité électrique des nanofils de ZnO par dopage compensatoire. Pour cela, les effets de l’ajout de Cu(NO3)2 lors de la croissance des nanofils de ZnO ont été étudiés en fonction du pH du bain chimique. Des mécanismes complexes d’incorporation du cuivre au sein du ZnO ont été révélés, pouvant être expliqués au-delà des simples considérations des forces électrostatiques. Enfin, l’intégration de ces réseaux de nanofils de ZnO dans des nanogénérateurs piézoélectriques a été envisagée. Pour cela, une approche analytique a été développée afin d’estimer le potentiel électrique généré par un nanofil en compression. La possibilité de renforcer le contrôle morphologique des nanofils de ZnO par la réalisation de croissances localisées assistées par des techniques de lithographie avancées a de plus été évaluée. Finalement, des nanogénérateurs piézoélectriques fonctionnels ont pu être élaborés et caractérisés à travers l’optimisation du procédé de fabrication et le montage d’un banc de mesure piézoélectrique complet.

Concentrated photovoltaics consist in converting the solar irradiance, concentrated with lenses or mirrors, into electricity with highly efficient solar cells. Over the past years, there has been some improvements in the solar cell conversion efficiency for concentrated photovoltaics. However, some limitations prevent reaching higher efficiencies at high concentration. Resistive losses due to the high current density and excessive shading caused by the metallization on the front side prevent the possibility of reaching higher efficiency and the power yield per wafer. Through cell via contacts multijunction solar cells could provide a solution to those two limitations. The concept consists in transfering the front side contact towards the back side of the device by using isolated and metallized vias.The proposed project consists in the conception, the fabrication and the characterisation of through cell via contacts multijunction solar cells.; Le photovoltaïque à concentration consiste à convertir l'irradiance solaire, concentrée avec des lentilles ou des miroirs, en électricité grâce à des cellules photovoltaïques ayant une grande efficacité. Au cours des dernières années, il y a eu une amélioration substantielle de l'efficacité de conversion des cellules photovoltaïques multijonctions. Certaines limitations empêchent toutefois d'obtenir une meilleure efficacité à hautes concentrations. Des pertes par effet Joule causées par les grandes densités de courant et un ombrage excessif causé par la métallisation en face avant du dispositif limitent la possibilité d'obtenir une meilleure efficacité à haute concentration et limite le rendement en puissance par gaufre. Des cellules photovoltaïques multijonctions à contacts en vias traversant pourraient apporter une solution à ces deux limitations. La stratégie consiste à transférer le contact face avant en face arrière grâce à vias isolés et métallisés. La thèse présentée dans ce document porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de cellules photovoltaïques multijonctions à contacts en vias traversant.

This PhD thesis focuses on the technological challenges related to the plasma etching of Flash memories’ ONO stack, an inter-polysilicon dielectric consisting of three ultrathin layers (SiO2/Si3N4/SiO2, each approximatively 4 nm-thick), which needs to be etched with a nanoscale precision without damaging the underlayers. More precisely, this work explores the etching of these materials by an alternative approach, called Smart-Etch thereafter, based on light ion implantation and composed of two steps. First, the material to be etched is modified by exposure to a hydrogen (H2) or helium (He) ICP or CCP plasma; in a second step, the modified layer is selectively removed using wet etching or gaseous reactants only. To understand the fundamental mechanisms involved in the first step and assist the development of such a process, molecular dynamics simulations coupled with experiments were performed to study the interaction between hydrogen/helium plasmas and SiO2/ONO materials. This work shows that SiO2 implantation by low energy (15-150 eV) He+ and Hx+ (x= 1-3) ions is driven by a two-step auto-limited phenomenon: a rapid volume modification (with almost no etching) followed by a slow saturation and the formation of a stable implanted layer at steady state. The influence of ion energy and ion composition on the structural/chemical modification and the etching of the substrate is studied, allowing a comparison of our results obtained on SiO2 with those reported on Si3N4 in the literature. In agreement with experiments, our numerical predictions allow to propose a range of ion energies to implant each ONO layer with the nanoscale precision required: 58 eV / 78 eV / 71 eV for a helium plasma and 32 eV / 35 eV (x2) / 44 eV for a hydrogen plasma mostly composed of H3+ ions. The study of He+ and H+ impacts at grazing incidence on the sidewalls of SiO2 patterned structures leads to the reassuring conclusion that reflected ions and etched products should not cause of micro-trenching phenomena during the implantation. To finish, simulations of the full ONO stack layer implantation allow to validate the feasibility of the process in one single implantation/removing step (rather than layer by layer) and to give an estimate of ionic energies required to perform it., Utilisée dans les étapes de fabrication des mémoires Flash, la gravure plasma de l’ONO, diélectrique inter-polysilicium constitué de trois couches ultrafines (SiO2/Si3N4/SiO2, chacune d’une épaisseur d’environ 4 nm), requiert de graver cet empilement avec une précision nanométrique sans endommager les couches sous-jacentes. Ce travail de thèse explore la modélisation et la simulation de la gravure de ces matériaux par une approche alternative, appelée Smart-Etch, basée sur l’implantation d’ions légers. Composé de deux étapes, ce procédé consiste à exposer le matériau à graver à un plasma ICP ou CCP d’hydrogène (H2) ou d’hélium (He) puis à retirer sélectivement la couche modifiée par gravure humide ou par exposition à des réactifs gazeux. Afin de comprendre les mécanismes fondamentaux de la première étape et étudier la faisabilité d’un tel procédé, des simulations de dynamique moléculaire (DM) et des mesures expérimentales ont été réalisées pour analyser l'interaction des plasmas d’hydrogène/hélium avec le SiO2 et l’empilement ONO. Ce travail montre que l’implantation du SiO2 par des ions He+ et Hx+ (x = 1-3) de faible énergie (15-150 eV) s’effectue de manière auto-limitée et en deux étapes : une rapide modification en volume (sans gravure importante) suivie d'une saturation lente et de la formation d'une couche implantée stable à l’état stationnaire. L’influence de l’énergie et de la nature ionique sur la modification structurelle/chimique et sur la gravure du substrat est étudiée, permettant une comparaison des résultats obtenus sur le SiO2 avec ceux rapportés sur le Si3N4 dans la littérature. En accord avec l’expérience, les prévisions numériques permettent de proposer une gamme de d’énergies ioniques afin d’implanter chaque couche de l’empilement ONO avec la précision nanométrique requise : 58 eV / 78 eV / 71 eV dans le cas d’un plasma d’hélium et 32 eV / 35 eV (x2) / 44 eV dans le cas d’un plasma d’hydrogène majoritairement composé d’ions H3+. L’étude d’impacts He+ et H+ à incidence rasante sur des flancs de structures SiO2 patternées conclut de manière rassurante sur la faible probabilité des ions réfléchis ou des espèces gravées à venir provoquer un phénomène de micro-trenching au pied des motifs durant l’implantation. Enfin, des simulations de l’implantation de l’empilement complet ONO permettent de valider la faisabilité d’un procédé d’implantation/retrait en une seule étape (et non plus couche par couche) et de donner un ordre de grandeur des énergies à utiliser dans ce cas .

III-V semiconductors (GaAs, InAs, InP ...) have remarkable intrinsic properties. They exhibit a high electron mobility and, most often, a direct band gap allowing the emission of light in a wide spectral range (from UV to infrared) with a high quantum efficiency. They are thus materials of choice for producing light sources such as light emitting diodes and laser diodes. Their integration on a silicon CMOS platform would open wide perspectives in the field of silicon photonics and optical interconnections.We will report on the realization of As-based heterostructures allowing the fabrication of light sources emitting at around 1.3 μm. However, the hetero-epitaxy of As-based semiconductors on a silicon substrate remains a major challenge mainly due to the difference of lattice parameter and polarity of the materials. That is why, in the context of this work, to minimize the impact of structural defects on the emission properties of III-V materials, we have investigated the growth of InAs/GaAs quantum dots (QDs) on nominal Ge/Si (100) substrates by MOCVD in a 300 mm industrial type reactor. The optimization of the growth parameters leads to a high QD density (~109 cm-2) and a photoluminescence (PL) emission around 1.3 µm. Further PL investigations have been performed to probe the emission quality of these QDs grown on Ge/Si (100) substrates and compare them with QDs grown on GaAs substrates.As an application, we will report on InAs/GaAs QD photodetectors (PDs) grown on GaAs as well as on Ge/Si 300 mm (001) substrate operating around 1.3 µm at 300K. We studied the optical absorption mechanism using photocurrent technique. The comparison between the absorption thresholds and the photoluminescence peaks will also be presented.Keywords: InAs/GaAs quantum dots, III-V materials, MOCVD, silicon., Durant cette thèse nous reporterons la réalisation d'hétérostructures à base d'As permettant la fabrication de sources lumineuses émettant à environ 1.3 μm. Cependant, l'hétéro-épitaxie des semi-conducteurs a base dAs sur un substrat de silicium restent un défi majeur principalement en raison de la différence du paramètre de maille et de la polarité des matériaux. C'est pourquoi, dans le cadre de ce travail, pour minimiser l'impact des défauts structurels sur les propriétés d'émission des matériaux III-V, nous avons étudié la croissance des boîtes quantiques (BQs) InAs / GaAs sur substrat GaAs ainsi que sur substrat Ge / Si nominal (100) dans un réacteur MOCVD de type industriel de 300 mm. L'optimisation de la croissance des paramètres conduit à une densité élevée de BQs (~ 109 cm -2) et une émission de photoluminescence (PL) d'environ 1,3 µm. D'autres Des études de Photoluminescences ont été effectuées pour juger la qualité des émissions de ces BQs épitaxiées sur des substrats Ge / Si (100) et les comparer aux QD épitaxiés sur GaAs substrats. En tant qu'application, nous nous interesserons aux photodétecteurs (PD) a base de BQs InAs / GaAs sur GaAs ainsi que sur des substrats Ge / Si 300 mm (001) fonctionnant autour de 1,3 µm à 300K. Nous étudierons également le mécanisme d'absorption optique utilisant la technique du photocourant. La comparaison entre le les seuils d'absorption et les pics de photoluminescence seront également présentés.Mots clés : Boites quantiques InAs/GaAs, matériaux III-V, silicium, MOCVD

Since the 1960's, technological development has been mainly driven by the miniaturization of components and follows the famous Moore's law. Indeed, miniaturization brought many advantages at the start. Lower switching time, more compact systems, lower supply voltage, and therefore, transistors consuming less, etc. However, this approach has started to falter in recent years. Indeed, the limits of miniaturization began to appear and the overall power consumption of the circuits began to increase which limits the realization of the systems. It then becomes necessary to develop low-consumption components, such as tunnel effect transistors. These transistors have, to date, a major defect which is their currents in the on state, much weaker than the MOSFETs. This current depends mainly on the architecture of the transistor as well as on the gap width of the source material.In this thesis, we propose to develop and study nanowires and heterostructures based on the germanium-tin alloy. The $ Ge_{1-x}Sn_x $ is an alloy of column IV which has a very small gap, less than 0.66 eV with the particularity of passing from an indirect gap to a direct gap from a concentration 10% of tin, which is favorable to tunnel effect transistors. Nanowires were developed by chemical vapor deposition using the vapor-liquid-solid mechanism and physicochemical analyzes such as X-ray spectroscopy and nano-Auger spectroscopy were used to characterize them. Hypotheses have been put forward in order to understand the mechanisms involved in the growth of GeSn nanowires and to better control their development. Axial heterostructures which will serve as basic materials for the realization of tunnel effect transistors are presented and detailed. We then present the study of the GeSn/dielectric interface in order to improve the performance of MOS capacities on GeSn, and therefore, to improve nanoelectronic devices. Chemical treatments were applied to the GeSn surface, and XPS and pAR-XPS analyzes were conducted to determine the effectiveness of the treatments. In order to improve the performance of the MOS capacities, we deposited a stack formed of an interfacial layer followed by a dielectric with high permittivity, such as $ HfO_2$, in order to obtain a low interface trap density. Finally, the integration and study of tunnel effect transistors based on heterostructures are presented. We first present the technological development stages developed in order to produce nanoelectronic devices. The doping levels of the heterostructures were evaluated by means of resistivity measurements. The performances of tunnel effect transistors were evaluated using electrical measurements and were compared with the current state of the art., Depuis les années 60, le développement technologique est principalement porté par la miniaturisation des composants et suit la fameuse conjoncture de Moore. En effet, la miniaturisation apportait, au début, de nombreux avantages. Temps de commutation plus faible, systèmes plus compacts, tension d'alimentation plus faible, et donc, transistors consommant moins, etc. Seulement, cette approche a commencé à s'essouffler ces dernières années. En effet , les limites de la miniaturisation ont commencés à apparaitre et la puissance consommée globale des circuits a commencé à augmenter ce qui limite la réalisation des systèmes. Il devient alors nécessaire de développer des composants basse consommation, tels que les transistors à effet tunnel. Ces transistors ont, à ce jour, un défaut majeur qui est leurs courants à l'état passant, bien plus faible que les MOSFET. Ce courant dépend majoritairement de l'architecture du transistor ainsi que de la largeur de la bande interdite du matériau de l'électrode "source".Nous proposons dans cette thèse d'élaborer et d'étudier des nanofils et des hétérostructures à base de l'alliage germanium-étain. Le $Ge_{1-x}Sn_x$ est un alliage de la colonne IV qui possède un gap très faible, inférieur à 0,66 eV avec la particularité de passer d'un gap indirect à un gap direct à partir d'une concentration de 10% d'étain, ce qui est favorable aux transistors à effet tunnel. Les nanofils ont été élaborés par dépôt chimique en phase vapeur en utilisant le mécanisme vapeur-liquide-solide et des analyses physico-chimiques telles la spectroscopie à rayon X et la spectroscopie par nano-Auger ont été mises en œuvre pour les caractériser. Des hypothèses ont été émises afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la croissance de nanofils GeSn et d'en maitriser au mieux l'élaboration. Des hétérostructures axiales qui serviront comme matériaux de base pour la réalisation de transistors à effet tunnel sont présentées et détaillées. Nous présentons par la suite l'étude de l'interface GeSn/diélectrique dans le but d'améliorer les performances des capacités MOS sur GeSn, et donc d'améliorer les dispositifs nanoélectroniques. Des traitements chimiques ont été appliqués sur la surface du GeSn, et des analyses XPS et pAR-XPS ont été menées afin de déterminer l'efficacité des traitements. Afin d'améliorer les performances des capacités MOS, nous avons déposé un empilement formée d'une couche interfaciale suivie d'un diélectrique à forte permittivité, tel que le $HfO_2$, dans le but d'obtenir une densité d'états d'interface la plus faible possible. Enfin, l'intégration et l'étude de transistors à effet tunnel à base d'hétérostructures sont présentées. Nous présentons dans un premiers temps les étapes de développement technologiques développées afin de réaliser les dispositifs nanoélectroniques. Les niveaux de dopage des hétérostructures ont été évalués par le biais de mesures de résistivités. Les performances des transistors à effet tunnel ont été évaluées à l'aide de mesures électriques et ont été confrontées à l'état de l'art actuel.

This thesis focuses on the integration of III-V semiconductors on silicon. The objective is to process multi-wavelength laser sources emitting in the C-band for optical telecommunications. The process is based on the regrowth of a thick III-V structure on a thin InP layer bonded onto an oxidized silicon wafer (InP-SiO2/Si = InPoSi).In order to study the bonding process compatibility with high temperature annealing, around 600°C, required for MOVPE growth, a study of the thermal stability behavior of InPoSi substrate was carried out. The latter showed InPoSi delamination with "bubble" appearance due to the debonding of the InP layer caused by hydrogen desorption at 400°C. A study of the hydrogen lateral diffusion along the bonding interface enabled the assessment of a diffusion length of 100 µm. The development of outgassing trenches spaced 200 µm apart has permitted to obtain III-V material of high-quality regrown onto InPoSi without emergence of any void defect between the trenches.Then, the constant improvement of the preparation steps of the surfaces to be bonded enabled to obtain optimal material quality of InPoSi for regrowth at high temperature without the use of any outgassing method. The study of an active structure composed of AlGaInAs-based multi-quantum wells (MQWs) was carried out during growth on InPoSi. A thermal strain of 390 ppm was assessed at growth temperature thanks to real-time curvature measurement. The latter is due to the difference of thermal coefficients between InP and Si. Despite this thermal strain, the regrowth of a 3 µm-thick laser structure of high crystal quality was successfully obtained on InPoSi. Based on this structure, broad-area lasers were processed and their performance was compared to the ones obtained with the same component made on InP substrate as a reference. Threshold current densities as low as 0.4 kA/cm² at 20°C in pulse regime were obtained on InPoSi. The laser comparison on InPoSi and InP showed that threshold currents, laser efficiency and characteristic temperatures were similar. This result demonstrates that the thick structure grown on InPoSi does not suffer from material degradation.Finally, a new selective area growth (SAG) process was specifically developed on InPoSi. To do so, the silica from InPoSi was locally digged out by the etching of the InP layer in order to open the variable-sized dielectric surfaces for the SAG process. The thickness variation of the quantum wells obtained by SAG with the masks’ dimensions has enabled to obtain a very large photoluminescence wavelength extension, from 1490 to 1650 nm. Shallow-ridge Fabry-Pérot laser arrays were processed using SAG, and laser emissions covering a 155 nm-wide spectral range were successfully obtained. Threshold currents below 30 mA were obtained at 20°C under continuous-wave operation for 500 µm-long bars. At 70°C, threshold currents remain below 60 mA, which shows the high thermal stability of the lasers. Altogether, these results validate the III-V integration process on silicon., Ce travail présente une approche d’intégration de semiconducteurs III-V sur silicium. L’objectif est de réaliser des sources laser multi-longueur d’onde émettant en bande C pour les télécommunications optiques à partir d’une croissance épaisse de matériaux III-V sur fine couche d’InP collée sur silicium oxydé (InP-SiO2/Si = InPoSi).Afin d’étudier la compatibilité du procédé de collage avec l’élévation en température nécessaire à l’étape de recroissance, de l’ordre de 600°C par MOVPE, une étude de la stabilité en température des substrats InPoSi a été menée. Cette dernière a mis en évidence le délaminage de l'InPoSi avec apparition de "bulles" liée au décollement de la couche d’InP provoqué par la désorption d’hydrogène à 400°C. Une étude de la diffusion latérale de l’hydrogène le long de l’interface de collage a permis de mesurer une longueur de diffusion de l’ordre de 100 µm dans nos conditions expérimentales. Le développement de tranchées de dégazage espacées de 200 µm a ainsi permis d’effectuer la recroissance de matériaux III-V de haute qualité sur InPoSi sans apparition de défectivité de type "bulles" entre ces tranchées.Par la suite, l'amélioration constante des étapes de préparation des surfaces à coller a permis d'obtenir une qualité de matériau InPoSi optimale pour la recroissance à haute température sans faire appel à des procédés de dégazage. L’étude d’une structure active composée de multipuits quantiques (MQWs) à base de matériaux AlGaInAs a été menée par caractérisation in-situ pendant la croissance sur InPoSi. Par la mesure en temps réel de la courbure du substrat InPoSi à température d’épitaxie, une contrainte thermique de 390 ppm a été quantifiée. Cette dernière est créée par la différence de coefficients d’expansion thermique entre InP et Si. Malgré cette contrainte thermique, la recroissance d’une structure diode laser de 3 µm d’épaisseur de grande qualité cristalline a été démontrée sur InPoSi. Des lasers à contact large basée sur cette structure ont été fabriqués et les performances ont été comparées à celles obtenues pour le même composant fabriqué sur substrat InP pour référence. Des courants de seuil de 0,4 kA/cm² à 20°C en régime pulsé ont été obtenus sur InPoSi. La comparaison des lasers sur InPoSi et InP a montré des courants de seuil, des rendements et une température caractéristique similaires. Ce résultat démontre que la structure épaisse épitaxiée sur InPoSi ne subit pas de dégradation matériau.Enfin, un nouveau procédé de croissance sélective (SAG : Selective Area Growth) a été développé spécifiquement sur InPoSi. Pour cela, la silice de l'InPoSi est déterrée localement par gravure de la couche d'InP afin d'offrir des surfaces diélectriques de tailles variables pour le procédé SAG. La variation des épaisseurs des puits quantiques obtenus par épitaxie sélective en fonction de la surface des masques permet d'atteindre une très large extension en longueur d’onde de photoluminescence, de 1490 à 1650 nm. En utilisant la SAG, des lasers Fabry-Pérot ont été fabriqués en structure shallow-ridge et des émissions laser couvrant 155 nm d’extension spectrale ont été obtenues. Pour une barrette de 500 µm de long, des courants de seuil en dessous de 30 mA à 20°C ont été obtenus en régime continu pour les lasers en bande C. A 70°C, les courants de seuil demeurent en dessous de 60 mA, ce qui traduit une très bonne tenue en température des lasers. L'ensemble de ces résultats valide la méthode d'intégration de III-V sur silicium.

With the advancement of microelectronics technologies, the architecture of electronic components is becoming increasingly complicated. However, knowledge of the dimensional characteristics of the structures is important in order to be able to understand and optimize the behavior of these components. This is why there is a need to develop rapid, non-destructive three-dimensional measurement methods.The scanning electron microscope (SEM) is widely used to carry out dimensional measurements because it responds to the problems of speed and non-destructivity. However, obtaining quantitative and precise three-dimensional information is a challenge.Thanks to an electron microscope whose electron beam can be tilted, it is possible to obtain images at different viewing angles. From the analysis of these images, the height and the sidewall angles of the observed pattern can be determined geometrically.However, since electronic imaging is the result of electron-matter interactions, it is important to understand the origin of the formation of SEM images, in order to be able to analyze them correctly. This is why a study was carried out using physical simulation software to observe and understand the impact of the topography of a pattern on the resulting SEM image.From these observations, metrics were created on the SEM images to analyze them quantitatively.A linear model was then created using physical simulations to estimate the topographic quantities from these metrics. It was then calibrated on real SEM measurements, by comparing them to three-dimensional reference measurements by atomic force microscopy (AFM). This model was created for the reconstruction of “line” type patterns in etched silicon. Thanks to this model, reconstructions of real patterns were made. Finally, work was started on the creation of a model for "trench" and "dense" type patterns in etched silicon., Avec l’avancée des technologies de la microélectronique, l’architecture des composants électroniques devient de plus en plus compliquée. Or, la connaissance des caractéristiques dimensionnelles des structures réalisées est importante pour pouvoir comprendre et optimiser le comportement de ces composants. C’est pourquoi il existe un besoin de développer des méthodes de mesure tridimensionnelles rapides et non destructives.Le microscope électronique à balayage (SEM) est largement utilisé pour réaliser des mesures dimensionnelles car il répond aux problématiques de rapidité et de non-destructivité. Cependant l’obtention d’informations tridimensionnelles quantitatives et précises est un challenge.Grâce à un microscope électronique dont le faisceau électronique peut être incliné, il est possible d’obtenir des images à différents angles de vue. A partir de l’analyse de ces images, la hauteur et l’angle des flancs du motif observé peuvent être déterminés géométriquement.Cependant, l’imagerie électronique étant le résultat des interactions électrons-matière, il est important de comprendre l’origine de la formation des images SEM, pour pouvoir les analyser correctement. C’est pourquoi une étude a été menée grâce à un logiciel de simulation physique pour observer et comprendre l’impact de la topographie d’un motif sur l’image SEM résultante.A partir de ces observations, des métriques ont été créées sur les images SEM pour les analyser quantitativement. Un modèle linéaire a ensuite été créé grâce aux simulations physiques pour estimer les grandeurs topographiques à partir de ces métriques. Il a ensuite été calibré sur des mesures SEM réelles, en les comparant à des mesures tridimensionnelles de référence par microscopie à force atomique (AFM). Ce modèle a été créé pour la reconstruction de motifs de type "ligne" en silicium gravé. Grâce à ce modèle, des reconstructions de motifs réelles ont été réalisées. Enfin un travail sur la création d’un modèle pour les motifs de type "tranchée" et "dense" en silicium gravé a été initié.

For the past ten years, the semiconductor industry has faced an unprecedented challenge: to pattern materials presenting nanometric dimensions and high aspect ratio with an atomic precision. Un-fortunately, conventional plasma technologies based on the use of low-pressure plasma reactor with inductive (ICP) or capacitive source (CCP) no longer meet the requirements of the miniaturization of advanced microelectronics devices. In 2013, Leti / CEA and LTM proposed a new etching concept with interesting results for selective anisotropic etching of Si3N4 spacers. This process is based on two steps: an implantation step with light ions that modifies the material over a few nanometers followed by a selective removal step using a wet etching or a NH3/NF3 remote plasma. Initially, this concept required at least the use of two different and separated equipment but in 2016, the LTM acquired a prototype of reactor that allows to do these two steps in the same reactor. The reactor has the capability to produce both a capacitive discharge that is used for the implantation step and a remote plasma discharge in which only neutral species are involved adapted the selective removal step. In this context, the objective of this thesis work was to demonstrate the potential of this prototype reactor to perform selective anisotropic etching and to apply it to the Si3N4 spacer processes. To achieve this goal, it was necessary to unders- tand the mechanisms involved in the two steps of the process. The study of the modifications induced in a Si3N4 film by He or H2 implantation has shown that the modification depth is controlled by the ion dose and energy. Moreover, if the He plasma essentially leads to the breaking of Si-N bonds in the material, the hydrogen induces the creation of Si-H and N-H bonds. The study of the etching kinetics with in situ kinetic ellipsometry of Si3N4 and SiO2 in NH3/NF3 remote plasma has shown that the etching of these materials proceeds with the formation of (NH4)2SiF6 salt on the surface and that an incubation time exists before the reaction starts. The film is consumed during the formation of (NH4)2SiF6 and the reactive species diffuse through the layer of fluorinated salt causing a decrease of the etch rate with increasing time. Studies of the etching kinetics with substrate temperature and gas ratios have shown that the incubation time is due to a competition between the mechanisms of chemisorption of physisorbed reactive species and their desorption from the surface of the material both phenomena driven by the effect of the temperature. An increase in temperature promotes desorption of the etching reactants rather than their chemisorption, leading to an increases of the incubation times and a decrease of the etching kinetics. By modifying the surface state with He or H2 implantation, we have shown that it is possible to reduce the incubation times compared to a non-implanted film by promoting adsorption thanks to OH surface groups. This reduction of the incubation time provides a process window in which the selectivity of the implanted film is infinite prior to a non-implanted film. This result is very interesting for the Si3N4 spacer etching process in which the selectivity between horizontal (implanted) and vertical surfaces (non implanted) is capital. Based on this understanding, we have developed a process cycling an implantation step followed by a remote plasma removal step whose time has been adjusted to be within the process window. The results are promising since it is possible to achieve a very good selectivity between the top and bottom of the spacers over both the non-implanted sidewalls and underlying silicon substrate., Depuis une dizaine d’années, l’industrie du semi-conducteur fait face à un défi sans précédent : structurer la matière dans des gammes de dimensions nanométriques avec des facteurs d’aspect toujours plus grands et avec une précision atomique. Or, les technologies plasmas conventionnelles reposant sur l’utilisation de réacteur plasma basse pression à source inductive (ICP) ou capacitive (CCP) ne répondent plus aux exigences de la miniaturisation des dispositifs avancés de la microélectronique. En 2013, le Leti/CEA et le LTM proposèrent un nouveau concept de gravure aux résultats intéressants pour faire de la gravure sélective anisotrope d’espaceurs Si3N4. Ce procédé repose sur deux étapes : une étape d’implantation d’ions légers qui modifie le matériau sur quelques nanomètres suivie d’une étape de retrait sélectif par gravure humide ou par plasma délocalisé en NH3/NF3. Initialement, ce concept nécessitait deux équipements pour réaliser le procédé. Or en 2016, le LTM a acquis un prototype de réacteur permettant de réaliser ces deux étapes au sein d’une même enceinte grâce à un mode de fonctionnement standard CCP (pour l’implant), et un mode en plasma délocalisé permettant une gravure sélective à partir d’espèces neutres uniquement. Dans ce contexte, l’objectif de ces travaux de thèse est de démontrer le potentiel de ce prototype de réacteur pour faire de la gravure anisotrope sélective et de l’appliquer aux procédés d’espaceurs Si3N4. Pour atteindre cet objectif, il a fallu comprendre les mécanismes impliqués dans les deux étapes du procédé. L’étude des implantations à base de plasma d’He ou d’H2 a montré que la profondeur de modification est contrôlée par le flux et l’énergie des ions. De plus, si le plasma d’He conduit essentiellement à la rupture de liaisons Si-N dans le matériau, l’hydrogène induit, lui, la création de liaisons Si-H et N-H. L’étude des cinétiques de gravure par ellipsométrie cinétique de Si3N4 et SiO2 en plasma délocalisé de NH3/NF3 a montré que la gravure de ces films se fait via la formation d’une couche de sels (NH4)2SiF6 et d’un temps d’incubation avant le début de la réaction. Le film est consommé lors de la formation de la couche de (NH4)2SiF6 et les espèces réactives diffusent au travers de la couche de sel fluoré causant un ralentissement de la vitesse de gravure. Des études des cinétiques de gravure en fonction de la température du substrat et des ratios de gaz ont montré que le temps d’incubation est dû à une compétition entre les mécanismes de chimisorption des espèces réactives physisorbées à la surface du film et de désorption de ces dernières sous l’effet de la température du substrat. Une augmentation de la température favorise la désorption des réactifs plutôt que la chimisorption, entrainant une augmentation du temps d’incubation et un ralentissement des cinétiques de gravure. En modifiant l’état de surface par une implantation He ou H2, nous avons montré qu’il est possible de réduire les temps d’incubation par rapport à un film non implanté en favorisant l’adsorption grâce à des terminaisons OH en surface. Cette réduction du temps d’incubation offre une fenêtre de procédé où le film implanté se grave avec une sélectivité infinie par rapport au film non implanté. Ce résultat est extrêmement intéressant pour le procédé de gravure d’espaceurs Si3N4 dans lequel la sélectivité des surfaces horizontales (implantées) par rapport aux surfaces verticales (non implantées) est capitale. Basé sur cette compréhension, nous avons développé un procédé cyclant une étape d’implantation suivie d’une étape de retrait par plasma délocalisé dont le temps a été ajusté pour être dans la fenêtre de procédé. Les résultats sont prometteurs puisque qu’il est possible d’atteindre une très bonne sélectivité par rapport au flanc des espaceurs non implantés et du substrat en silicium sous-jacent.

In a eukaryotic cell, each membrane compartment has a specific lipid composition, regulated according to physiological and environmental conditions. This lipid homeostasis results from coordination of lipid synthesis, conversion, degradation and trafficking. Whereas most enzymes involved in lipid metabolism are now identified, most steps of lipid transport remain to be characterized. We focus on the chloroplast lipid homeostasis, particularly on galactolipid homeostasis, essential lipids of photosynthetic membranes. This lipids are synthetized within the chloroplast's envelope. However, a majority of galactolipids derived from phosphatidylcholine which is synthetized in the endoplasmic reticulum. The delocalization of this synthesis pathway underline the importance of the associated lipid trafficking.Transcriptomic studies have highlighted that ALA10 is overexpressed in condition modifying the galactolipids synthesis such as the chemical inhibition of MGDG synthesis by the galvestine-1, or during phosphate starvation.The aim of this thesis is to characterize ALA10, analyzing its role concerning this lipid trafficking and the chloroplastic galactolipid homeostasis.To understand ALA10's role, we firstly have used GFP fusion to determine its subcellular localization and analyzed lipid composition of different plant lines expressing ALA10 at different levels. Lipid analysis show that ALA10 boosts galactolipid synthesis and limits endoplasmic reticulum located phosphatidylcholine desaturation. We searched ALA10's potential partners in order to explain this effects and studied their interaction using a bimolecular fluorescence complementation approach. We determined that ALA10 interacts with ALIS1 and ALIS5, two beta subunit potentially necessary for ALA10's localization and function, and confirmed the colocalization of these proteins with ALA10 using GFP/CFP fusions. ALA10 with ALIS5 can localize within the endoplasmic reticulum in close proximity to chloroplast, or near the plasma membrane with ALIS1. We have also determined that ALA10 interacts with a fatty acid desaturase, FAD2 and with an E3-ubiquitine ligase PUB11. FAD2 interaction confirms the link between ALA10 and phosphatidylcholine desaturation.Then we have studied the ALIS1 and ALIS5 effect on ALA10 function using KO lines for these proteins or overexpressor lines in conjunction with ALA10 overexpression. Electron microscopy observation revealed that the chloroplast morphology and their relations with endomembrane system are modified depending of the ALIS expressed with ALA10. Lipid analysis on KO lines confirms an impact of ALA10 on galactolipids homeostasis as well as in phosphatidylcholine desaturation. This effect appears to be variable depending of the photoperiod or the circadian rhythm indicating a post traductional regulation of ALA10. The role of PUB11 in this regulation have been studied.Finally this study reveal that, in chlorophyll cells, the endoplasmic reticulum phospholipid flippase ALA10 is involved in the desaturation process of phosphatidylcholine. Its activity stimulates galactolipid synthesis and activates biogenesis of photosynthetic membranes, probably by promoting lipids exchange between chloroplasts and endoplasmic reticulum., Dans les cellules eucaryotes, chaque membrane a une composition lipidique qui lui est propre. La composition des membranes est finement régulée en fonction des conditions environnementales et physiologiques de la plante. Cette homéostasie lipidique est le résultat des processus de synthèse, conversion, dégradation et de trafic des lipides. Si la majorité des enzymes impliqués dans le métabolisme des lipides est identifiée, la majorité des mécanismes de transferts intermembranaires des lipides reste à caractériser. Nous nous concentrons sur l'homéostasie lipidique des chloroplastes et plus particulièrement celle des galactolipides, lipides essentiels des membranes photosynthétiques. Les galactolipides sont synthétisés au niveau de l'enveloppe des chloroplastes. Cependant, une grande partie des galactolipides proviennent de la phosphatidylcholine, elle-même synthétisée dans le réticulum endoplasmique. Cette délocalisation de la voie de synthèse sur deux compartiments souligne l'importance de l’étape de transfert lipidique associé.Des études transcriptomiques ont montré qu'ALA10, une ATPase de type P4, flippase de phospholipides, est surexprimée dans des conditions faisant varier la synthèse des galactolipides, telles que l'inhibition chimique des MGDG synthases par la galvestine-1 ou la carence de phosphate.Le but de cette thèse est de caractériser ALA10 et d'analyser son rôle dans ce trafic lipidique et dans l’homéostasie des galactolipides chloroplastiques.Pour comprendre le rôle d'ALA10, nous avons d'abord étudié sa localisation subcellulaire à l'aide d'une fusion traductionnelle avec la GFP et effectué des analyses lipidiques de différentes lignées exprimant ALA10 à différents niveaux. L’analyse de la composition lipidique indique qu'ALA10 stimule la synthèse des galactolipides et limite la désaturation de la phosphatidylcholine dans le réticulum endoplasmique. Nous avons recherché les partenaires protéiques potentiels d'ALA10 permettant d'expliquer ces effets et utilisé une approche de complémentation de fluorescence bimoléculaire afin d'étudier ces interactions. Nous avons pu déterminer qu'ALA10 interagit avec ALIS1 et ALIS5, deux sous-unités beta potentiellement nécessaires à la localisation et à la fonction d'ALA10, et confirmer leurs colocalisation avec ALA10 à l'aide de fusions GFP/CFP. ALA10 peut être localisée dans le réticulum endoplasmique à proximité des chloroplastes avec ALIS5 ou au niveau de la membrane plasmique avec ALIS1. Nous avons aussi pu déterminer qu'ALA10 interagit avec l’acide gras désaturase, FAD2, et une E3-ubiquitine ligase, PUB11. L''interaction avec FAD2 confirme un lien entre ALA10 et la désaturation de la phosphatidylcholine.Nous avons ensuite étudié l'effet d'ALIS1 et d'ALIS5 sur la fonction d'ALA10 en utilisant des lignées n’exprimant pas ces protéines ou les surexprimant avec ALA10. L'observation en microscopie électronique a révélé que la forme des chloroplastes et leurs relations avec le système endomembranaire sont modifiées en fonction de l'ALIS coexprimée avec ALA10. Les analyses lipidiques effectuées sur les plantes mutantes confirment un effet d’ALA10 sur l’homéostasie des galactolipides et la désaturation de la phosphatidylcholine. Les résultats suggèrent plusieurs fonctions d'ALA10, dépendantes de l’ALIS. Cet effet apparait variable en fonction de la photopériode ou du rythme circadien et indiquent une régulation post traductionnelle d'ALA10. Le rôle de PUB11 dans cette régulation a été exploré.Au final, cette étude révèle que, dans les cellules chlorophylliennes, ALA10, une flippase de phospholipides du réticulum endoplasmique, est impliquée dans la dynamique de désaturation de la phosphatidylcholine. Son activité stimule la synthèse des galactolipides et active la biogénèse des membranes photosynthétiques, probablement, en favorisant les échanges de lipides entre le chloroplaste et le réticulum endoplasmique.

The immune system is a set of mechanisms involving many different cell types which communicate through downstream signals mediated principally by soluble factors (i.e. cytokines) to protect the host against invading organisms and to control adequate immune responses. The identification and characterization at the cellular level of cytokine production has a huge interest for both fundamental research and clinical studies. However, the majority of techniques currently available (ELISpot, flow cytometry, microarrays, etc.) have several shortcomings including notably the assessment of multiple cytokines in relation to secreting cell phenotypic classification and/or label-free and real-time analysis of cytokine secretions at individual cell level. Hence, in this study, we developed a « cell biochip » to analyze the secretion of cytokines by individual cells (T lymphocytes) activated and cultured in vitro. The biochip is functionalized by electrochemically grafting patterns of pyrrole-conjugated cell membrane-specific and cytokine-specific antibodies and treated with Poly(ethylene glycol)thiol (Thiol-PEG) self-assembled monolayers (SAMs) to stably avoid non-specific binding of cells on the surface. A polydimethyllsiloxane (PDMS)-based microfluidic device maintained at 37°C was also developed in order to integrate all the detection assay operations in a single system. The biochip developed here allows specific and stable capture of viable and bioactive individual T cells and subsequent detection of secreted cytokines in the close vicinity of each individual cell. In this work, the detection of secreted cytokines (IL-2 and IFN-γ) was performed by fluorescence in an immunosandwich assay format. This « cell biochip » is also compatible with surface plasmon resonance imaging (SPRi), which could therefore allow expanding its functionality to enable real-time and label-free detection of multiple cytokines from individual cells. Such technique provides a very promising tool for the analysis of biomarkers and cell activity and the monitoring of immune responses.; Le système immunitaire est un ensemble de mécanismes impliquant différents types de cellules qui produisent des facteurs solubles (cytokines, chimiokines ou molécules cytotoxiques) qui contribuent à la régulation et aux réponses immunitaires. La caractérisation à l'échelle cellulaire de la production de ces facteurs solubles présente un grand intérêt d'une part sur le plan fondamental pour comprendre les cascades d'événements des régulations cellulaires, et d'autre part dans le suivi de la réponse immunitaire (infections, cancers, auto-immunités, greffes, vaccins, etc.). Cependant, la plupart des techniques actuellement disponibles (ELISpot, cytométrie en flux, microarrays, etc.) ne permettent pas d'étudier plusieurs cytokines en rapport avec le phénotype des cellules sécrétrices et/ou sans marquage et d'analyser les secrétions de cytokines en temps réel par des cellules individuelles. Dans cette étude, une « biopuce à cellules » a été développée pour analyser les secrétions de cytokines par les cellules individuelles (lymphocytes T) in vitro. La biopuce est fonctionnalisée par greffage électrochimique des motifs d'anticorps spécifiques aux protéines membranaires de cellules et/ou d'anticorps spécifiques aux cytokines, tous couplés au pyrrole. Ensuite, un traitement de surface est effectué avec du poly (éthylène glycol) thiol (Thiol-PEG) pour empêcher la fixation non spécifique de cellules sur la surface de la biopuce. Un dispositif microfluidique en polydimethyllsiloxane (PDMS) et maintenu à 37°C a aussi été développé afin d'intégrer toutes les opérations d'analyse et de détection dans un seul système. La biopuce développée dans cette étude permet la capture spécifique et stable de lymphocytes T individuels viables et la détection ultérieure de cytokines sécrétées par chaque cellule individuelle. Dans ce travail, la détection des cytokines sécrétées (IL-2 et IFN-γ) a été effectuée par fluorescence dans un format en sandwich. Cette «biopuce à cellules» est également compatible avec l'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), ce qui pourrait permettre de réaliser des analyses en temps réel et la détection sans marquage de plusieurs cytokines sécrétées par des cellules individuelles. Cette technique fournit un outil très prometteur pour l'analyse de marqueurs biologiques et de l'activité de cellules et l'étude des réponses immunitaires.

Depuis mon entrée au CNRS en 1992, mon travail de recherche a porté sur les études de protéines par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Au sein du Laboratoire de Résonance Magnétique Nucléaire (LRMN) de l’Institut de Biologie Structurale à Grenoble, mon rôle se situe à l’interfaceentre la biologie et la RMN. Ainsi, il a été possible d’établir des étroites collaborations entre des chercheurs biochimistes et notre équipe de RMN. Les informations structurales qui ont été obtenues à partir des données RMN fournissent des informations précieuses complétant souvent les étudesfonctionnelles établies dans les laboratoires de mes collaborateurs. Ma motivation principale consiste donc en l’établissement des liens forts entre la biochimie et la biologie structurale.Avec la cristallographie à rayons X, la RMN est une méthode puissante pour l’obtention de l’information structurale à haute résolution des macromolécules biologiques (protéines, ADN, glucides …). De plus, la RMN est souvent la technique de choix pour accéder à des informations précises sur la dynamique des biomolécules ainsi sur des interactions intermoléculaires.Pendant les dernières quinze années, la RMN a connu des avancées importantes, permettant aujourd’hui l’étude de macromolécules des tailles de plus en plus élevées, approchant les poids moléculaires de 80 kDa. Plusieurs facteurs ont contribué à cette évolution!:L’instrumentation!: l’intensité des champs magnétiques est passée de 2.1 Tesla (fréquence 1H de 90 MHz) à 21 Tesla (fréquence 1H de 900 MHz) ce qui a résulté en une augmentation considérable de la résolution et de la sensibilité de l’expérience RMN. En parallèle, l’utilisation des cryosondes contribue à augmenter le rapport du signal sur bruit d’un facteur 2 à 3, ce qui permet de travailler à des concentrations des échantillons plus faibles et/ou de réduire le temps d’accumulation des expériences.Les développements méthodologiques!: vers la fin des années 1980, les techniques de la RMN hétéronucléaire ont été introduites. Dans ces expériences, l’aimantation est transférée du proton vers un ou plusieurs hétéronoyaux (13C, 15N) pour être à nouveau détecté au niveau du proton.Dans ces expériences, la sensibilité est déterminée par le rapport gyromagnétique important du proton, tandis que le transfert très efficace de l’aimantation et dû au constantes de couplage 1J élevées. De plus, la détection d’un deuxième voire d’un troisième noyau permet d’augmenter larésolution de l’expérience par l’ajout d’une ou plusieurs dimensions supplémentaires. Plus récemment, le développement de la technique TROSY (transverse relaxation optimized spectroscopy), fondée sur l’utilisation constructive de la corrélation croisée entre deuxmécanismes de relaxation à champ élevé, permet aujourd’hui des études de macromolécules à haut poids moléculaire (> 50 kDa) par RMN.En ce qui concerne l’obtention des informations structurales, il faut mentionner l’exploitation des paramètres expérimentaux liés à l’orientation d’une interaction donnée par rapport à un système de référence extérieur. Ceci inclut les interactions dues au paramagnétisme desprotéines, à leur alignement partiel dans le champ magnétique ou à la relaxation modulée par l’anisotropie de diffusion rotationnelle. Cette information à longue portée est évidemment complémentaire des contraintes structurales classiques (effet Overhauser nucléaire, couplages J)mais devient extrêmement précieuse dans le cas où l’exploitation des données classiques est limitée par la taille de la molécule (dégénérescence des fréquences proton, nombre réduit des protons dans des molécules deutériées, diffusion de spin) ou par sa forme (molécules allongéesou contenant plusieurs domaines).La surexpression et le marquage isotopique des protéines. La RMN hétéronucléaire n’aurait pas pu rencontrer autant de succès, si les techniques de la biologie moléculaire n’avaient pas permis le clonage des gènes et la surexpression des protéines correspondantes dans des organismesappropriés. Il est ainsi devenu possible de produire des protéines enrichies jusqu’à 100% en 15N, 13C et 2H d’une manière aisée. La deutériation des macromolécules devient surtout utile pour des masses moléculaires élevées pour la RMN (> 15 kDa) où elle permet la diminution significative de la relaxation dipolaire.Dans ce document, j’aimerais illustrer les différentes facettes de la RMN appliquée à l’étude de protéines par quelques exemples choisis parmis les projets de recherche accomplis durant ces dernières années par moi-même et également par des étudiants que j’ai encadrés lors de leur séjourdoctoral au laboratoire. Les sujets que je vais traiter sont variés, même si plusieurs sont reliés aux métalloprotéines et au transfert d’électrons. Ceci est principalement dû au fait qu’à l’heure actuelle, nous n’avons pas les moyens (personnels et matériels) nécessaires au développement d’une recherchebiologique propre au sein du LRMN. Mes projets de recherche sont donc majoritairement nés suite à des discussions avec des chercheurs des laboratoires de biologie ou de biochimie.

International audience; Les interactions fonctionnelles entre les systemes immunitaire (SI) et nerveux (SN) sont possibles grace a la presence de mediateurs et de recepteurs communs aux 2 systemes. Panni les cytokines, I'interleukine-1 (IL-i) est un puissant modulateur des 2 systemes. Nous avons pu caracteriser des recepteurs IL-1 type I dans le cerveau de souris au niveau de neurones (gyrus dentele de l'hippocampe), de structures vasculaires (plexus choroYdes et vaisseaux) et neuroendocriniennes (hypophyse). Ces recepteurs IL-1 centraux sont profondement modifies par l'administration peripherique de produits bacteiiens (LPS) ou de virus (rage) alors que les reepteurs de l'hypophyse ne sont pas modifies. Ces modulations sont liees a une augmentation de la synthese locale de l'IL-1 (ARNm) dans le SN. Le stress et les glucocorticoides sont des inhibiteurs puissants des fonctions immunitaires en particulier par l'intermediaire d'une inhibition de la synthese de l'IL-1. Ces 2 facteurs augmentent l'expression des recepteurs IL-i hypophysaires sans modifier les recepteurs centraux, ce qui souligne l'autonomie des retgulations centrales par rapport aux regulations peripheriques. La presence de recepteurs de l'IL-1 sur des structures nerveuses (cortex, hippocampe) et l'action immuno-suppressive rapide d'injection intra-cerebro-ventrculaire de faibles doses de l'IL-1 laissent penser que ces recepteurs jouentun r8le important dans les retgulations homeostasiques entre le SN et le SI. En conclusion, le SN exprime des mediateurs et des recepteurs typiques du SL Leurs regulations semblent se realiser de fapon autonome par rapport aux regulations peripheriques et leurs roles dans les interactions SN/SI restent a preciser.