Fabrication d'un détecteur de charge basé sur un transistor monoélectronique métallique damascène

Abstract

Les transistors monoélectroniques (SET : Single Electron Transistor ) sont des dispositifs similaires aux transistors FET (Field Effect Transistor ) conventionnels. Ce qui distingue le SET d'un transistor FET est la présence d'un îlot ou boîte quantique séparée par une couche d'isolant entre la source et le drain. Cette particularité rend le transistor mono- électronique très sensible aux variations de potentiel dans son environnement et en fait un des détecteurs de charge les plus sensibles qui existe. Historiquement, ces dispositifs étaient considérés comme des candidats potentiels pour remplacer les transistors conventionnels en raison de leur faible consommation énergétique et leurs petites dimensions. Cependant, aujourd'hui, les progrès énormes de l'industrie ont amélioré les performances des transistors FET à un point où les avantages des SET sont marginales. Néanmoins, la recherche continue de s'effectuer sur ce type de dispositif, non plus avec la prétention de remplacer l'électronique moderne, mais avec la perspective d'être utilisé dans des applications quantiques et en recherche scientifique et de complémenter la technologie CMOS par l'intégration 3D de dispositifs sous forme de capteur ultra-sensible. Dans cette perspective, le procédé de fabrication doit donc être compatible avec les techniques de fabrication utilisées en industrie afin de faciliter le transfert technologique vers l'industrie de la microélectronique. Cependant, les travaux sur les SET compatibles avec les procédé utilisé dans le BEOL (Back end of line ) des techniques industrielles n'ont jamais démontré de fonctionnement à température ambiante. Les résultats de cette maî- trise montrent qu'il est possible d'augmenter la température d'opération d'un détecteur de charge basé sur un transistor monoélectronique tout en respectant les contraintes imposé par les procédés industrielles. Cette démonstration est effectuée avec des simulations de dispositifs par élément aini ainsi que par des validation expérimentale de la faisabilité du procédé de fabrication. La fabrication et la caractérisation électrique de SET ont permis de valider la reproductibilit é du procédé de fabrication du prédécesseur, Gabriel Droulers. Un dispositif composé de deux transistors monoélectroniques couplé par l'îlot est utilisé afin de simuler la détection de charge avec un fonctionnement théorique à la température de l'azote liquide (77 K). Le développement et la caractérisation de procédés de déposition par couche atomique ALD (Atomic Layer Deposition ) ont été effectués pour atteindre cet objectif. Finalement, chaque étape du procédé de fabrication a été caractérisée et validée indépendamment.