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Université de Limoges ECOLE DOCTORALE Science – Technologie – Santé FACULTE des

Université de Limoges ECOLE DOCTORALE Science – Technologie – Santé FACULTE des SCIENCES ET TECHNIQUES XLIM - Département MINACOM Thèse N° [00-2006] Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Limoges Discipline : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique Spécialité : "Communications Optiques et Microondes" présentée et soutenue par Sandrine COUDERC le 8 Février 2006 Etude de matériaux ferromagnétiques doux à forte aimantation et à résistivité élevée pour les radio-fréquences Applications aux inductances spirales planaires sur silicium pour réduire la surface occupée Thèse dirigée par Dominique CROS et Bernard VIALA JURY : Pierre SAGUET Professeur à l'INPG Grenoble, ENSERG Président Olivier ACHER Directeur de Recherche du CEA, HDR Rapporteur Adrian IONESCU Professeur Associé à l'EPFL Lausanne, Suisse, HDR Rapporteur Pascal ANCEY Docteur Ingénieur à ST Microelectronics, Crolles Examinateur Dominique CROS Professeur à l'Université de Limoges, Examinateur XLIM-UMR 6172 – Département MINACOM Bernard VIALA Ingénieur de Recherche du CEA, Grenoble Examinateur Xavier GAGNARD Docteur Ingénieur à ST Microelectronics, Crolles Invité Michel AUBOURG Chargé de Recherches au CNRS, XLIM – UMR 6172, Département MINACOM Invité Thèse préparée au sein du Laboratoire Composants Micro Systèmes CEA / Leti. A ma famille A Thierry A mes Loutes, A Alex, Ben et Sam Remerciements Remerciements Ces trois années de thèse resteront pour moi une expérience marquante. Principalement parce qu’elles représentent mes premiers pas dans le monde de la recherche, avec toutes les expériences nouvelles et les changements de vie que cela implique. Le travail, présenté dans ce mémoire, a été réalisé au sein du Laboratoire des Composants Microsystèmes (LCMS) du Département Intégration Hétérogène sur Silicium (DIHS) du CEA-Leti dans le cadre d’une convention cifre STMicroelectronics en collaboration avec l’IRCOM (Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes). Je tiens à remercier ici les personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à la concrétisation de ce travail de thèse de doctorat. Je souhaiterais dans un premier temps adresser ma profonde reconnaissance à mon responsable de thèse Monsieur Bernard Viala, Ingénieur de Recherche au CEA-Leti, pour m'avoir proposé ce sujet de recherche, pour son dynamisme, son encadrement au quotidien, ses compétences scientifiques et ses qualités pédagogiques qui m'ont permis de mener à bien cette étude. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Monsieur Pascal Ancey, Docteur Ingénieur à ST Microelectronics, pour ses nombreux conseils, son soutien constant tout au long de ma thèse ainsi que pour la confiance qu’il a bien voulu m’accordée. Je tiens également à remercier sincèrement mon directeur de thèse Monsieur Dominique Cros, Professeur à l'Université de Limoges, ainsi que l’IRCOM pour avoir financé une partie de ma conférence au Japon. Je remercie tout particulièrement Monsieur Adrian Ionescu, Professeur Associé à l'EPFL, ainsi que Monsieur Olivier Acher, Directeur de Recherche au CEA Le Ripault, qui ont accepté de juger ce travail et d'en être les rapporteurs. Je remercie Monsieur Pierre Saguet qui m’a fait l'honneur de présider cette commission d'examen. Je tiens également à remercier Monsieur Xavier Gagnard, Docteur Ingénieur à ST Microelectronics et Monsieur Michel Aubourg, Chargé de Recherches au CNRS, d'avoir accepté de participer au jury de cette thèse. Je dois cependant ajouter que la rédaction de chacune des pages de cette thèse n’a pu être possible que grâce à la contribution de tous ceux qui, à leur manière, à un moment ou à un autre, m'ont aidée ou tout simplement ont accepté de prendre un peu de temps pour converser avec moi. J’espère n’oublier personne dans la liste qui suit. Je tiens dans un premier temps à adresser un grand merci à Anne-Sophie Royet pour la réalisation de tous les tests électriques sur les dispositifs ainsi que pour toutes les simulations obtenues sur HFSS. Son travail constitue une partie très importante de ma thèse et je la remercie encore pour son aide, ses conseils et son soutien. Remerciements J'adresse un remerciement spécial à toutes les personnes d’Upsys qui ont énormément contribué à la concrétisation de ce projet : Jérôme, Claude, Jean-Louis, … pour toutes les actions de maintenance menées sur le bâti de pulvérisation cathodique et pour leur sympathie. Je tiens à remercier Denis Pellissier, Alain Persico et Brigitte Desloges pour la réalisation des différentes étapes technologiques des dispositifs. Toute ma reconnaissance ira à Monsieur Roland Pantel pour les nombreuses caractérisations microstructurales réalisées à STMicroelectronics sur mes échantillons ainsi que pour son aide dans l’interprétation des résultats et je remercie aussi Messieurs Guy Roland et François Pierre pour les analyses physiques complémentaires. Je souhaiterais remercier les membres du Laboratoire des Matériaux Magnétiques et Hyperfréquences du Département Matériaux du CEA le Ripault pour les mesures des spectres de perméabilité en température des différents films magnétiques élaborés pendant ma thèse, ainsi que les membres du Département de Métallurgie et d’Ingénierie des Matériaux de l’Université d’Alabama (Etats-Unis) pour les mesures de magnétostriction réalisées sur mes échantillons. Je remercie Monsieur Lucian Prejbeanu pour les mesures à basses températures réalisées à Spintec sur mes matériaux. Je remercie également Messieurs Emmanuel Defay et Serge Blonkowski pour leur aide précieuse lors des caractérisations diélectriques des matériaux et dans l’interprétation des résultats. Je remercie Monsieur Guillaume Bouche, pour ses encouragements et pour les quelques discussions que nous avons eues en début de thèse. De même, je remercie mes collègues thèsards, Yann, Bastien, Jean-Philippe, Thomas, … qui m'ont aidée à répondre à un certain nombre de questions pratiques, techniques, ou scientifiques que je me suis posée, mais aussi pour leur soutien. Je ne terminerai pas mes remerciements sans avoir une pensée sympathique pour tous les chercheurs, enseignants et membres du personnel du CEA-Leti principalement les ex-LCMI, les gens de LCMS, de LCRF et du DCIS, qui savent si bien rendre agréable le cadre de travail. J’exprime ma profonde sympathie à Marcel Audoin, Hélène Joisten, Rachid Hida, Line Vieux-Rochaz. Je clos enfin ces remerciements en dédiant cette thèse de doctorat à mes parents, Thierry, mes Loutes et mes amis : Alex, Ben, Sam, Emile, Anna, July, Dany que j'ai eus la chance d'avoir à mes côtés, qui m'ont soutenue tout au long de ces années et qui continuent à être présents aujourd’hui. Mille mercis pour tous les bons moments passés ensemble : soirées mythiques au Loco (merci Xavier pour ton bar et les cucarachas), fiestas à la « Maison du Bonheur », week- ends à Lausanne (merci Gourou), Lisboa, London, …, et pour tous ceux qui restent à venir. Sommaire Sommaire Introduction …………………………………………………….……..……… 1 Contexte …………………………………………………….……….………... 3 1 Les enjeux de la téléphonie mobile ……………………………………………… 4 2 Etat de l’art des inductance intégrées pour les applications RF ……………… 12 3 Conclusion ………………………………………………………………………… 30 Références …………………………………………………………………………………. 31 Chapitre 1 : Notions de magnétisme et état de l’art des inductances ferromagnétiques …………………………………………….….….………… 35 1 Rappels de magnétisme ……………………………………………………………. 36 2 Les inductances ferromagnétiques ………………………………………………… 68 3 Stratégie de développement ………………………………………………………… 84 Références …………………………………………………………………………………… 87 Chapitre 2 : Films nanocristallins FeXN à forte aimantation avec X = Ta ou Hf …………………………………………….………………….….……… 91 Introduction ………………………………………………………………………………… 93 1 Généralités sur les films FeXN ……………………………………………………… 94 2 Conditions d’élaboration des films FeTaN et FeHfN et propriétés associées …… 98 3 Conditions particulières d’élaboration et propriétés ……………………………… 122 4 Stabilité thermique et tenue à la température des films …………………………… 133 5 Analyse microstructurale détaillée par TEM ……………………………………… 145 6 Conclusion …………………………………………………………………………… 162 Références ………………………………………………………………………………….… 164 Chapitre 3 : Développement de matériaux fortement résistifs à base de FeX …………………………………………….…………………….………… 169 Introduction ………………………………………………………………………………… 171 1 Etat de l’art sur les films de FeXO ………………………………………………… 171 2 Conditions d’élaboration des films FeHfO et FeHNO et propriétés associées . … 175 3 Influence de la température ………………………………………………………… 196 4 Mesure de la permittivité …………………………………………………………… 203 Sommaire 5 Analyses microstructurales détaillées par TEM ………………………………….. 205 6 Conclusion …………………………………………………………………………… 217 Références ……………………………………………………………………………….…... 219 Chapitre 4 : Intégration de matériaux magnétiques à forte aimantation FeHfN dans des architectures inductrices RF……………………………… 221 Introduction ………………………………………………………………………………… 222 1 Optimisation du matériau pour l’intégration ……………………………………… 223 2 Conception des inductances………………………………………………………… 230 3 Tests RF : résultats et interprétations …………………………………………….. 242 4 Conclusion …………………………………………………………………………… 265 Références ………………………………………………………………………………….… 267 Chapitre 5 : Simulations d’inductances ferromagnétiques avec FeHfN et FeHfNO ………………………………………… 269 Introduction ………………………………………………………………………………… 270 1 Logiciels de simulation électromagnétique………………………………………… 271 2 Simulations réalisées avec le FeHfN optimisé…………………………………..… 274 3 Simulations utilisant la version granulaire FeHfNO ……………………………… 292 4 Conclusion …………………………………………………………………………… 297 Références ………………………………………………………………………………….… 298 Conclusion générale …………………………………………………….…… 299 Annexes …………………………………………………….………………… 303 Annexe 1 : Systèmes d’unités ………………………………………………….…………… 305 Annexe 2 : Techniques d’élaboration ……………………………………………………… 306 Annexe 3 : Méthodes de caractérisations magnétiques et mesure de contraintes……… 311 Annexe 4 : Méthodes de caractérisations physico-chimiques …………………………… 318 Annexe 5 : Spectres de perméabilité en température de films de FeTaN et FeHfN avec différentes teneurs en azote ……………………………………………………………….… 323 Annexe 6 : Spectres de perméabilité en fonction de la température de mesure de films de (FeHf)90N10 élaboré avec 80° d’inclinaison ……………………………………………… 327 Annexe 7 : Spectres de perméabilité de films de FeHf(N)O en fonction de l’angle ….… 328 Références ………………………………………………………………………………….… 331 Production scientifique……………………………………….………………… 303 Introduction générale Introduction Avec l’explosion uploads/Science et Technologie/ thesesnxbigfiledefault816e9d5a-c3e7-4b03-be60-2416b0174dd8blobholder02006limo0008-pdf.pdf