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Fabrication top-down, caractérisation et applications de nanofils silicium, Top-down fabrication, characterisation and applications of silicon nanowires

De
210 pages
Sous la direction de Didier Stievenard, Bruno Grandidier
Thèse soutenue le 22 janvier 2008: Lille 1
Cette thèse porte sur l'étude de nanofils silicium réalisés par approche top-down. Elle s'inscrit dans le contexte de la miniaturisation des composants et la compréhension du transport dans les systèmes 1D. Deux voies de fabrication sont envisagées: la lithographie par AFM (Microscope à Force Atomique) et la lithographie électronique. Cette dernière étant plus reproductible, les dispositifs finaux sont fabriqués par cette technique, à partir d'un substrat SOI et plusieurs étapes de gravure et métallisation. L'étude des nanofils par mesures l(V) nous permet de mettre en évidence une zone déplétée à l'interface Si/SiO2 natif. Grâce à l'utilisation de nanofils de largeurs et de longueurs différentes, nous sommes capables de déterminer la largeur de la zone déplétée, la densité d'états d'interface ainsi que le niveau de dopage des nanofils. L'évolution de la résistance des nanofils avec la température est également étudiée et montre une dépendance associée à la diffusion des phonons de surface. Trois applications sont ensuite décrites : un décodeur, un commutateur de courant et un capteur biologique. En effet, la gravure locale des nanofils conduit à une modulation de la bande de conduction, rendant possible la réalisation d'un décodeur. D'autre part, la fabrication de croix à base de nanofils et de grilles latérales à proximité des croix qui contrôlent le passage du courant dans les différentes branches permet de former un commutateur de courant. Enfin, grâce au rapport important de la surface par rapport au volume des nanofils et leur bonne fonctionnalisation chimiques, ceux-ci sont utilisés pour détecter électriquement des interactions biologiques (détection de l'ovalbumine).
-Approche top-down
This work focuses on the study of silicon nanowires made by a top-down approach. The context of the study is the miniaturisation of the components and the understanding of the transport in 1D systems. Two fabrication approaches are studied : AFM lithography (Atomic Force Microscope) and e-beam lithography. The latter being more reproducible, the final devices are fabricated by this technique using a SOI substrate and multiple steps of etching and metallization.Transport characterization of the Si nanowires allows us to highlight a depleted area at the interface Si/native SiO2. Using nanowires with different widths and lengths, we can determine the depletion width, the surface state density as well as the doping level of the nanowires. The evolution of the nanowires resistance with temperature is also investigated, showing a dependence associated with surface phonons scattering. In the last chapter, three applications are described : a decoder, a current switch and a biosensor. The use of a local etching allows the modulation of the conduction band of the nanowires, opening the way to build a decoder using two local gates. Crossbar structures, where lateral gates which can derive the current in the di_erent branches, lead to the fabrication of a current switch. Finally, thanks to the large surface to volume ratio in these structures, the nanowires are used to detect electrically the interactions between molecules (ovalbumine detection).
Source: http://www.theses.fr/2008LIL10009/document
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directeurNde?Ad'ordreN::41532008UnivRappersit?ONELdesIDIERSciencespareletleT:ecehnologies:de:LilleBrunoEcoleSpDodesctoraleran?oisSciencesSoutendesjanMat?riauxanducompRaPr?sidenyuamionnemen:tBARetVIEUdeel'EndevironnemenSTIEVENARDtth?seFRANabricationersit?top-do?cialit?wn,Sciencescaract?risationMat?riauxetFapplicationsVdeURETTEnanolsuesilicium22THESEvierpr?sendevt?et?juryl'Univos?ersit?:destSciencesTetLASRITorteursecThihnologiesrrydeOLChristopheiExaminateurllePhilipppCORoDirecteururth?seobtenirDidierleCotitredede:DoGcteurDdel'UnivmRemerciemenLegrand,tslesCelestratvconseilsailpdemesuresth?sehanceat?t?m'oneectu?y?.l'Instituttd'Electronique,?debreuxMicro-?lectroniqueaetDomideenNenanoteychineshnologieMarcdirig?AnnieparRapha?lM.J'espAlain?tencesCappDamienyles.ucTdeoutJed'abtoutesord,j'aijeailltienJean-Philippssances?cremercierr?sM.remerci?s.Tj'auamiblancLasrimed'atvbl?mesohelirPaccept?Lerodetrandpr?siderDidierlej'aijurynomde?n?ciermaleursth?se,ElisabMessieurstThierrysalleBaronossiblesetm'aChristopheourVieu?rature).quioonvironnement?bienrciervpouluec?trelalestrarappr.orteDeresmesursNysdeleurscelatrahampvetail,?t?ainsionibles.quetM.?PhiliersonnesppupeneetCoronelapprisquidesaquiaccept?dedederemplirhnologiquesleran?ois,r?leChristophed'examinateur.vJeTilmanvattorini,oudrais,vivGehin,emenbtouremercierandermoMessieursd'autresDidiereut-?treSti?vqueenard?tudianettBrunoleursGrandidiertquiMercim'onSylvietDelospropquios?ermisce?lectriquessujetcaract?risationdeconditionsrecmercihercvieheepassionnanaid?teetbassequidansm'onntmfaitenconancets.entiensmerelaissaneticibleseaucoupersonnesdevliblesquellesert?euetcd'autonomiedepvourel'organisationMessieursdeniquemesetrecehercm'onhes.transmisIlsconnais-m'suronmicroscopietcfaitpropartagerheleursonconnaissances,toujoursdonnertdedispnomQu'ilsbreuxsoienconseils,icionMercittoutes?t?pextr?memenquetidispc?toonibles,erensallethousiastesheetquisympathiques,tet?toutservircelamacaou?t?m'ondedonn?pr?-pr?cieuxcieuxlorsatoutspro-ptecour:laFr?ussiteMicdeMuller,ceBotraaval,ail.ascalJet,souhaiteFqueAndr?deynomChristianebreuxThomas?tudianBer-tsGrimpuissenert,tAubrybencore?n?cierVdeere.leur.etencadremenquet.pJeoubli?s.remercie?reM.deJacquesbreuxGautiertspourronourbladefourniturecompdesesubstratsdeSOI,conseils.sans?galemenl?eLepilliet,s-ethquelsetlaDucatteauth?sem'onn'auraitppud'eectueramesuresvenoirdelieu.dansLemeilleursspuj(uneparticuliertSyldequimbaath?seoupm'applermissde?tratempvaillerunDesrepas,mesuresp?enbassenoustempY?raturefamilleonctour?t?ufiaitesAparpRenaudetLeturcqPhetsance,dessoir?es.me-cesuresduSIMSepartFJe,ran?Nod'unisd?tendreJomard,?relaparenyc?t?s.?esbresparNanoCMol,Jean-ClaAnoudquieouPparticuli?remenesanett.leJeetles?remercieersonnestous,lesd?ptrois.ersaires.DuranatAuxence,maS?b,th?se,Daj'aiqui,eud'unlapctrahancetemps.d'assurerparticulierdestTPtd'informatiquet?reconna?tronl'ISENles(Institut?quipSupI?rieurcoustique,de?lec,l'ElectroniqueetetvduaiNum?rique)des.oreJeretiensFlorence?genremercourieeprlaEmma-fairenJeueltDruonlesetmontoutevl'?quipm'onedeinformatiqueendenosl'immenseItousSEN(Sophie,peouratricleurcaccueilvidetBillel,lL,aBenjamin,conanced'unqu'ilsokm'ouonontdeaccord?ed'oublier.aiSitcesjetroisunansmdetthme?sequiresteronsoutenttininoubliables,?c'estseaussit,gr?ceparticulierauxmempdesersonnesesagr?ablesysique,queRI,j'aAiMipuroc?toMicroSyst?mes,ydeer.Puis-Jeavecoudraisj'commencerpartag?parbureau,SophierepasaencvdesecJequimerciej'aitpartag?pdesanomtillessebreupxtoutmomenqu'tslaufaitlabouro,faciliterenvieconf?rencesnousetgagnerentemps.dehorstiensdusaluerlaboo.tesDanspladem?me?quippromodequeolleynous,quijetn'oublieraiermispasmeMaxime,enseretallannotammend?ertadvleUnlmmercqu'on?amesr?alis?mis?Olivier,AngletMik!,JePtiensk,?anniremercierk,toutesDalesB,pico,ersonnesCaro,quevidj'aiMariusz,rencondrien,tr?esJF)aulorslabtarot,opeter,quilasergameond'untm'faittqueermiscesmetroisetann?elesvselpassenendantquelquessiEnn,bien.tiensJeadressernemerciv?aisapaseciternotammentous?lessnomsts(m'ondetoujourspueurcond'enuenoublier)d'?tremaimessils.T.ableidesteursmati?res.In.troI.3.3.3duction.g?n?raleanom?-5.IseS.y?st.?.m41e.s.1Datomique?ssancl'?c.helleI.2.4nanom?triqueI7LeI.1.In.trologiques,duction............de.....50...I.2.1.pro.....ts.............34.:...um?rique.I.3.3.4...39.et.40....8.I.2.T.ransp.ort.dans.les43syst?mescaract?risationm?soscopiquesI.1.........microscop.......duction.microscopie.50.fonctionnemen.....Les8jeu,I.2.1fonctionnemenLes.grandeurs.caract?ristiques....xydation.................En.?lect.......?lectronique.p.deur8optoI.2.2.La.quan.ticationCadeD?tectionlahimiqueconductance..Conclusion............................10.I.2.3.Le.bloIcageetdestructuresCoulom49btro.................I.2.?...........50.n.la.de.c.he.I.2.212eI.3.Les.nanols,.syst?mes.1D.nanom?triquesI.s.e.les.des.52.artefacts...............La....20.I.3.1.F.abrication.parIappro?lectroniquec.he.b.ottom-up....1.......I.3.3.2.?lectronique.un.ron.SET........2136I.3.1.1EnSynnth?se:parortesVLSd?co(V37apEneur-Liquide-Solide)?lectronique-photonique............21I.3.3.5I.3.1.2pA:utbiologiqueresctec.hniques.de.synI.4th?se...........................24.I.3.1.3.T.ecBibliographiehniques.d'assem.blage.des.nanols...................27.I.3.2.F.abricationIparOutilsapprofabricationcdehedetop-donwntriques.I.In.duction........................30.I.3.2.1.L.ithographie.?lectroniqueI.Le.e.force.......................I31II.3.2.2troL:ithographienaienemicroscopielac?hamphampprocc.heI.Princ.p.de.t....32.I.3.2.3.L.e.nanoimprin.t....51.I.2.3.force.mi.s.n.et.di?ren.mo.de.t.I.Les..............33.I.3.3.Applications..........55.I.2.5.nano-o.........................56.I.3.nanomasqueur............34.I.3.3.1.En.?lectronique.classique.:57FET,FinFET.TIABLE.DESlongueurMA?lectroTI?RES.I.I.4d?tectionLa.gra.vureparplasma.par.ionisationI.4.1r?activIe.(RIE)..I.4.4.3.......seuil...tin.........I.4.1.261.Idi?reI.4.1esIn.tro.duction99.....masqueur...Lithographie...I.3.1.....I...............I.4.....93...ari.t.95.....I61.I.I.4.2IG?n?ration.duR?sineplasma..et...I...:.........81.........xydation...I..........62.I.I.4.3I.3.4Ldee.svurem?canismes.de.gra.vureIRIE........?lectronique.....di?ren.....Nanols.....et...v....63NanolsI.I.4.3.1IGratapvure.c.himiqueble.d'une.........de.....98.......Insolation...motifs.....ls....63I.4.5.1I.I.4.3.2.GraIvure.ph2ysique..........I.AFM.............I.de.sil.....83.Champ..64.I.I.4.3.3.Di?rences.en.treI.3.3l.a.gra.vure.c.himique.et.laIgraolarisationvureouph?ysique....I.3.5.................I.3.6...............I.par.........I64deImotifsI.5.La.m?tallisation....I.croix.......I.de.largeurs...94.Nanols.lo.........I.our.......I.4.2.tes.de.........I.4.365sIessairesI.6?lec-Le.microscop.e.?lec.tronique.?.bala.y96ageLes.?rage...........I.............I.masqueur.?lation.I68vureIRIEI.7.Le.SIMS..99.R?alisation.de.........I.r?sine.HSQ.......100.Insolation.............................I.I.3.par....71.I.I.8.Bancs.de.caract?risation.?lect.ri.que......83.I.M?canisme.l'o.du.icium.AFM.........I.I.3.2.?lectrique......73.I.I.9.Conclusion..........84.I.Cin?tique.............................84.I.P.con.ue.impulsions.tension.........8574IBibliographieGra...............................86.I.R?sultats.............................88.I75R?alisationIlithographieI.I.R?alisation.de.st.ructures.1D.silicium.connect?es9377IIDescriptionIsI.1tsIn.tro.duc.ti.on..........I.I.4.1.1.et.de.xe...........94.I.Nanols.longueurs.de.v.ables.....I.I.4.1.3.gra.?s.calemen........79.I.I.I.2.ChoixIetI.4.1.4pr?parationpdulasubstratbiologique.........95.I.Les.n.?.es.fabrication...............96.I79EnsemIdeI?tapI.2.1n?cSubstratslorsSOlithographieItronique...............................I.I.4.4.marques.rep................79.I.I.I.2.1.1IS?parationI.4.4.1parutilis?eimplan.tation.d'o.xyg?ne,.SIMO.X.......80.I.III.2.1.2I.4.4.2Leaupro?lectroniquecr?v?d?.Smart99CutI?Gra.des.en.................I.I.4.5.des.et.s.des80.I.I.I.2.1.3.Caract?ristiques.des.sub.strats100SOIIutilis?sLa.utilis?e.la........81.I.I.I.2.2.NettoIyI.4.5.2ageau.?lectronique.........101..2
.ABLE.DES.MA.TI?RES.IdeI.I.4.5.3.R?v.?lation.de.la.HSQ....ctures...........r.....nanols.....lo...d'un..104.I.I.I.4.5.4.Gra.vure.des3nanols......V.duction.....e...R?alisation.de...himique.du.cal.....es..105surIV.3.1I.I.4.6.M?tallisatiutateuron..mesures.de...utilis?.....169...............Bibliographie.........nols.149.........dulation.:106deurI.I.I.4.6.1.Lesaconbtacts.ohmiques....V.2.1.1...151.de.Utilisation.....Utilisation.....V.2.4.........p106utateurItI.I.4.6.2EetsM?tallisation.des.grilles........biologique...165.......Description.....R?sultats......111ectivI.I.I.4.7.GraConclusiovure.lo.cale.des.nanols.p.our.form.e.r.une.barri?re.de.p.oten.tiel.111.I.I.I.5.Conclusiondes.p.ectiv.In.................V.2.la.des.ossibilit?.d'un.............150.d?co.ec.th?tis?s.up............114.Bibliographiedication.croisemen.....Mo.en...152.plasmaT.........153.gra...........ersp...............V.3.croix.de.om...du.les117croixIV.Caract?risation161?lectriquegrillesdes.nan.o..ls.deV.3.3siliciumcouran121.IV.1.In.tro.duction..V.4.partir.......Con.............165.proto.........166.us.............P..........122.IV.2.Le171dopage.dans.les.nanol.s,.quelle.signication.?.........................122.IV.2.1.G?n?ralit?s144...................................147.Applications.na.et.e.sp.es.V.1.tro....122.IV.2.2.D?termination.du.dopag.e.des.?c.han.tillons..........150.Mo.de.bande.conduction.nanols.p123dIV.3r?alisationR?sistanced?coin.trins?que.des.nanols....................V.2.1.de.deurs.v.des.syn.par.ottom-.(?tat.l'art)..124.IV.4.Mesures.de.la.r?sistivit?.et.de.la.densit?.de.d?fauts150deMosurfacec.des.ts....129.IV.5.PV.2.1.2assivdicationationdopagedescoursd?fautscroissancede.surface..V.2.2.d'un.0.lo...................V.2.3.d'une.vure.cale......134.IV.6.Mesures.?.basse.temp156?ratureP.ectiv.............................160.Mesures.des.:.ossibilit?.r?alisation.c.m139.IV.6.1161G?n?ralit?sUniformit?.couran.dans.stru.en.........V.3.2.des.lat?rales.....................162.Comm.de.t......139.IV.6.2.R?sultats..........163.D?tection.?.de.?lectriques...........V.4.1.texte.l'?tude........................141V.4.2IV.6.2.1duDecole325K.?.80K..............V.4.3.obten..........................142V.4.4IV.6.2.2erspDees80K.?.4K........................V.5.n..................144.IV.7.Conclusion..........172...T.ABLE.DES.MA.TI?REScommBibliographie........181.....................Liste.............181........................175.ConclusionA.2g?n?raledes177unicationsA.Liste.des.publications.e.t.comm.unications.181.A.1.Liste.des.publications4.−9
?ductionnouvg?n?raleparUntnanom?treilliardi?me1for.cette.pr?sen.5000?0usfois?plushercpnanolsetitDansqueensl'?paisseurvd'unapprocrehevteu.de.Des.Celarnatiocorres-DepellondarcauxC'estdimensions?tudierdeslesplusdonneronspDeuxetitsteconstituanEnsuite,tscdehapitrelademati?re.h-Nousetnedepcetteouvvonsel'observhercerpardirectemenTtpaliercaroiesnostyhniqueseuxencorenenanotubsonvtonpasnouscapablessilidehapitre,d?tecterortdessyst?mesdimensions?reninf?rieuresati?s400-500vnm,om?meteadivvAeclesl'aidewn,d'unlamicroscopoutilsetroisi?meoptique.duPvourtansoittcompcetransistorsmondeennous?en(courantoure?del'oplustunneleneplus,dedanssonleseordinateurs(Inouadanshnologylespt?l?phonescedanselleslesquelsre-lespcompdeosanstsfabrication,?lectroniquesmat?riauxsonnouvtL'utilisationdeouplusuneenproppluscepqueetits.dansCommenfabriquertnanolseniumest-onpremierarrivd??del?ouv?dansL'histoirepuisadid?but?moenfabri1947desparoil'seronin:vascen-enbtionetdudescpremiertop-dotransistord?cbipapplicationsoladeireandansdeleparlabheoratoiredeuxi?meBellconsacr?partationJ.descriptionBardeen,fabricationW.etBrattainhapietlesW.c?d?ScunhouncmkleyIn.leDepuis,ortemenladestailleestdesplustransistorspln'aaectcess?pardeminiaturisationdimintuerfuitesantrad'augmenersterxydeleeetnomparbrexemplde).compdirectionsosanrectshepartpucetablipsermettanl'ITRSttedendiminluereclesRoadmapco?tsSemiconductors)deourpr?oprobl?me.ductionnouvparvcompdeosanctheetortenlasurrapidit?nouvdesecircuits.tecGordondeModeore,eauxco-fondateuroudedelaellessohitectures.ci?t?deInestel,deaestalorsdesobservoies?os?es.quedanslecnomtextebres'inscritdeth?setransistorslaquellesurallonsuneetpucedesdedesiliciumcdoublait.touslelesc18nousmois.crironsCeciph?nom?nesatransp?t?prenduanpexisterossiblelesparm?soscopiques,lesnousprogr?sleseectu?sentsmati?reydedelithographiecetond'onanols.bvserveationdistinctesdestcompt?esosanlatsoie?danl'?c(ouhelleottnanom?trique.m-up)Ainsi,laleoie8086endand'INTEL,(ousortiwn).enousnrirons1erses978r?alis?escomptaitpartir2nanols.9y000ttransistorshoisialorsfabriquerqu'aujourd'hnanolsui,unelescmicroprotop-docesseursleencd?seranom?brenpr?sentetplusladedes120demillions.etDecaract?risation,plus,lelecco?ttassodonneraci?d?tails?prolatecminiaturisation1deviennanom?tretautdemplusdeen?tre,plus10trom?lev5?unINTRpr?senODUCTIONdeGENERALEpnologiqueLeutilis?simplesplaournanolsr?aliser?leclessommesnanols.deDeux?raturetecortancehniquesnanols.deapplicationslnano-bio-d?tection.ithographietonr?alis?estmon?t?laenlevisag?esnanols:eslatlithographieenpardesAFMaueitnouslaalithographienano-?lectronique?lectronique.laCettecommderni?rebiologique.au?t?cespr?f?r?ec?queladepremi?redepainsiouredesdansrairsonsI(V).de?reproariableductibilit?,lemenetmettanl'l'imelansemli?sble(etdesolume)compleosanctstre(grateronsvureossiblesdesecnanols,ourm?tallisationsldess'agiracondtactsdeur,etdedesd'ungrilles)mesuresontriqtesalorssur?t?nanols.fabriqu?squatri?meparhapitrecettetreravnousoie.capablesNousmesurerd?crironsdensit?alorsd?fautslessurfacedi?renquetsnivtauypdopageeslesd'?cpahandetillonsmesuresr?alis?s,Detmesuresnoustempdonneronsvleserond?tail?ga-detct?es,haquet?tap?videnceeptecdehndiusionophononslogique?(tsurfaceypnonevdedesr?sines,Dansinsolationcanqui?meuhananomasqueur,ic,himiepr?sen-dedesgrapvure,r?alis?esm?tauxvutilis?s.les.p.).laEnn,etlesadeuxIlderniersdecr?alisationhapitres'(4d?coetd'un5utateur)couranpr?senetteroncapteurt6des