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DANS CE TRAVAIL, NOUS NOUS SOMMES INTERESSES AUX MECANISMES DE RESTRUCTURATION DE COUCHES DE SILICIUM FORTEMENT ENDOMMAGEES PAR L'IMPLANTATION A L'ARSENIC. LES ECHANTILLONS CARACTERISES ONT ETE ELABORES A PARTIR D'UN SUBSTRAT DE SILICIUM 100 DE TYPE P BOMBARDE, A LA TEMPERATURE AMBIANTE, AVEC UN FAISCEAU D'IONS D'ARSENIC ACCELERE A 200 KEV. EN FAISANT VARIER LA DOSE D'IMPLANTATION, NOUS AVONS PU METTRE EN EVIDENCE, A L'AIDE DE LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE, LA TRANSITION CRISTAL-AMORPHE LORSQUE LA DOSE D'IMPLANTATION EST SUPERIEURE A LA DOSE CRITIQUE D'AMORPHISATION. LA COMBINAISON DE PLUSIEURS METHODES DE CARACTERISATION ELECTRIQUES ET PHYSIQUES NOUS A PERMIS D'ETUDIER L'EFFET DU RECUIT THERMIQUE POST-IMPLANTATION SUR LES PROPRIETES ELECTRIQUES ET STRUCTURALES DE CE MATERIAU. LA CORRELATION DES RESULTATS ISSUS DE CES DIFFERENTES METHODES A RENDU POSSIBLE LA MISE EN EVIDENCE D'UN PHENOMENE D'ACTIVATION ELECTRIQUE DES IMPURETES APRES RECUIT A BASSE TEMPERATURE INTERVENANT INDEPENDAMMENT DE LA RECRISTALLISATION DE LA COUCHE AMORPHE. L'ANALYSE DETAILLEE DE CE PHENOMENE A DEMONTRE QU'IL SE PRODUIT PAR UN PROCESSUS DE RELAXATION LOCALE CARACTERISEE PAR UNE FAIBLE ENERGIE D'ACTIVATION. L'ETUDE DE L'EFFET DU RECUIT THERMIQUE SUR LES PROPRIETES STRUCTURALES DES COUCHES DE SILICIUM DESORDONNE A PERMIS DE CONCLURE QUE LA MIGRATION DES DEFAUTS PONCTUELS ET DE LEURS COMPLEXES EST A L'ORIGINE DE LA RELAXATION LOCALE
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DES MESURES D'EFFET HALL EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ET DE LA FREQUENCE. EFFET DE LA TEMPERATURE DE RECUIT SUR LES COEFFICIENTS DE TRANSPORT ELECTRONIQUE. LES MECANISMES DE COLLISION SONT MODIFIES POUR DES TEMPERATURES DE RECUIT SUPERIEURES A 500-600**(O)C. INTERPRETATION DES RESULTATS PAR DES MODELES BASES SUR L'ORDRE A COURTE ET LONGUE PORTEE
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ETUDE DE L'ACTIVATION ELECTRIQUE DES DOPANTS (DONNEUR P; ACCEPTEUR B) ET DE L'ELIMINATION DES DEFAUTS RESIDUELS DANS SI MONOCRISTALLIN PAR RECRISTALLISATION EPITAXIQUE DES COUCHES, AMORPHISEES PAR IMPLANTATION IONIQUE, ET PAR RECUIT THERMIQUE RAPIDE. CONTROLE DE LA QUALITE DES COUCHES PAR RETRODIFFUSION DE RUTHERFORD ET MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION ET DE L'ELIMINATION DES DEFAUTS RESIDUELS PAR LA METHODE DLTS (NIVEAU PROFOND A 0,55 EV DE LA BANDE DE VALENCE). CONFIRMATION DE CETTE ELIMINATION DES DEFAUTS PAR RECUIT THERMIQUE RAPIDE APRES FUSION LASER DE SI, AVANT ET APRES IMPLANTATION IONIQUE. ANALYSE DU ROLE ELECTRIQUE DES DEFAUTS (CONTRAINTES THERMOELASTIQUES, ASSOCIATION IMPURETE-DEFAUT PRIMAIRE) DANS SI N, NON IMPLANTE, PAR DES MESURES DLTS, CAPACITE TENSION ET COURANT-TENSION; REDUCTION DE LEUR CONCENTRATION PAR DEPOT D'UNE FINE COUCHE D'OXYDE
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DES MONOCRISTAUX DE SILICIUM |100| ET |111| ONT ETE IMPLANTES AVEC DES IONS AZOTE A FORTE DOSE (10#1#7 A 10#1#8 N#2#+/CM#2) A 160 KEV POUR SYNTHETISER DES FILMS DE NITRURE DE SILICIUM SI#3N#4. LES ECHANTILLONS IMPLANTES ONT ETE RECUITS DANS UN FOUR A LAMPES, A DES TEMPERATURES D'ENVIRON 1200C POUR DES DUREES DE 40 S. AFIN DE CARACTERISER LE MATERIAU ETUDIE, DIFFERENTES METHODES D'ANALYSE ONT ETE UTILISEES: RETRODIFFUSION RUTHERFORD DES IONS EN POSITION ALEATOIRE ET EN GEOMETRIE DE CANALISATION (RBS); MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION (TEM); MESURES ELECTRIQUES. LES ANALYSES EN RBS NOUS ONT PERMIS DE MESURER LA QUANTIE D'AZOTE IMPLANTEE ET LA REPARTITION (PROFIL) DES ELEMENTS, ET D'ESTIMER LES DEFAUTS INDUITS PAR IMPLANTATION. LES OBSERVATIONS TEM EN COUPE TRANSVERSE NOUS ONT PERMIS DE CONNAITRE LES VARIATIONS STRUCTURALES DE LA ZONE IMPLANTEE. ENFIN LES CARACTERISTIQUES ONT MONTRE L'OBTENTION DE COUCHES DE NITRURE D'EPAISSEUR D'ENVIRON 1200 A. CES EPAISSEURS DEDUITES DES MESURES ELECTRIQUES CONFIRMENT LES MESURES EN RBS ET TEM. POUR EXPLIQUER LA CONDUCTION DES FILMS, L'EXISTENCE D'UN EFFET POOLE-FRENKEL OU SCHOTTKY EST DISCUTEE. L'ENSEMBLE DE CETTE ETUDE MONTRE QUE LE MATERIAU ISOLANT SYNTHETISE PAR RECUIT RAPIDE APRES IMPLANTATION CORRESPOND BIEN A UN NITRURE, MAIS PRESENTE UNE CONDUCTIVITE ELECTRIQUE TROS ELEVEE PAR RAPPORT AU SI#3N#4 OBTENUPAR D'AUTRES METHODES. LA FORTE DENSITE DE COURANT OBSERVEE EST PROBABLEMENT LIEE A L'EXCES D'AZOTE ET AUX TECHNIQUES DE RECUITS RAPIDES QUI NE REALISENT PAS UNE SYNTHESE COMPLETE
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RAPPEL DU PRINCIPE DE L'IMPLANTATION IONIQUE, EN INSISTANT PARTICULIEREMENT SUR LE PROCESSUS DE CREATION DE DEFAUTS ET SUR LEUR REPARTITION DANS LA COUCHE BOMBARDEE. ETUDE DES MECANISMES DE RECUIT THERMIQUE, RECUIT PAR LASER A FAISCEAU CONTINU, RECUIT PAR FAISCEAU LASER PULSE ET RECUIT PAR PULSE THERMIQUE. ETUDE DE L'ETAT DE SURFACE DU MATERIAU ET DE L'ETAT CRISTALLIN DES COUCHES RECUITES. CARACTERISATION ELECTRIQUE DES JONCTIONS P/N ET ANALYSE DE L'ALBUM DES COURBES I/V
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DES COUCHES ULTRA-MINCES DE SILICE ONT ETE PREPAREES PAR OXYDATION ANODIQUE DU SILICIUM DANS L'EAU PURE, A TEMPERATURE AMBIANTE. DES CAPACITES MOS METTANT EN JEU DE TELS OXYDES ONT ETE REALISEES EN UTILISANT LES TECHNIQUES CONVENTIONNELLES DE LA MICROELECTRONIQUE. AFIN D'ETUDIER LES PROPRIETES DE CES STRUCTURES ET L'INFLUENCE DE LA TEMPERATURE DE RECUIT, NOUS AVONS UTILISE LES DIFFERENTES TECHNIQUES DE CARACTERISATION TELLES QUE L'ANALYSE DES COURBES C(V) QUASI STATIQUE OU LA METHODE DE LA CONDUCTANCE. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT DE FACON CONVAINCANTE QUE L'OXYDATION ANODIQUE PERMET D'OBTENIR DES OXYDES MINCES AYANT DE BONNES PROPRIETES ELECTRIQUES A PARTIR DE 600#OC. AUX CHAMPS FORTS LA CONDUCTION EST DOMINEE PAR LE MECANISME TUNNEL DE FOWLER-NORDHEIM. LA VALEUR DE LA HAUTEUR DE BARRIERE A L'INTERFACE AL/SIO#2 OBTENUE APRES CORRECTION DE L'EFFET SCHOTTKY EST DE 3,1 EV. L'ETUDE DE LA VITESSE DE DISSOLUTION DE L'OXYDE ANODIQUE DANS HF A MIS EN EVIDENCE LA STRUCTURE POREUSE DES OXYDES ANODIQUES ET L'EFFET DE RESTRUCTURATION ET DENSIFICATION QUI ACCOMPAGNE LA PHASE DE RECUIT
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L'IMPLANTATION IONIQUE EST UNE TECHNIQUE DE TRAITEMENT DE SURFACE SUSCEPTIBLE D'AMELIORER, DANS CERTAINES CONDITIONS, LES PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX. PARMI LES AMELIORATIONS QUI PEUVENT ETRE OBTENUES PAR UNE UTILISATION JUDICIEUSE DE CETTE TECHNIQUE ON PEUT CITER: L'AUGMENTATION DE LA DURETE, DU MODULE ELASTIQUE, DE LA TENACITE, UNE DIMINUTION DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT ET D'USURE, UNE AUGMENTATION DE LA RESISTANCE A LA CORROSION, TOUT CECI AYANT POUR CONSEQUENCE UNE AUGMENTATION DE LA DUREE DE VIE. NOUS NOUS SOMMES INTERESSES EN PARTICULIER AU CAS DE L'IMPLANTATION D'IONS ZIRCONIUM, CUIVRE ET TITANE (ENERGIE 170 KEV) DANS DES CERAMIQUES TELLES QUE L'ALUMINE- ET LA ZIRCONE. POUR CHAQUE ESPECE L'IMPLANTATION A ETE FAITE SOIT AVEC UNE FAIBLE DOSE, SOIT AVEC UNE OU DEUX FORTES DOSES, SUIVIE D'UN TRAITEMENT THERMIQUE. L'ETUDE PORTE SUR LES MODIFICATIONS DE LA DURETE, DU MODULE ELASTIQUE, DE LA TENACITE, ET SUR LA MESURE DES CONTRAINTES RESIDUELLES COMPRESSIVES INDUITES PAR L'IMPLANTATION OU LES POST-TRAITEMENTS THERMIQUES QUI ONT UN ROLE CAPITAL SUR LES TRANSFORMATIONS STRUCTURALES ET LES PROPRIETES MECANIQUES. LE BUT DE CETTE RECHERCHE A ETE DE CORRELER LES MODIFICATIONS DES PROPRIETES MECANIQUES AVEC LES CHANGEMENTS STRUCTURAUX SUBIS, ETUDIES GRACE A DES ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES UTILISANT DIFFERENTES METHODES. LES PROPRIETES ELASTIQUE ET PLASTIQUE DES COUCHES IMPLANTEES DONT L'EPAISSEUR EST DE L'ORDRE DE 100 NM ONT ETE CARACTERISEES PAR LE PUISSANT MOYEN D'INVESTIGATION QU'EST LA MICROSONDE MECANIQUE. CECI A PERMIS DE MONTRER, QUE CERTAINES FLUENCES ET CERTAINES TEMPERATURES DE RECUITS THERMIQUES SONT FAVORABLES A L'AMELIORATION DES PROPRIETES MECANIQUES
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AU COURS DE CE TRAVAIL NOUS NOUS SOMMES INTERESSES A L'ETUDE DE JONCTIONS ULTRA-MINCES DANS LE SILICIUM ELABOREES PAR IMPLANTATION IONIQUE ET RECUIT THERMIQUE RAPIDE. NOUS AVONS MONTRE QU'UNE ETAPE DE PREAMORPHISATION PERMET D'ELIMINER L'EFFET DE CANALISATION, DE REDUIRE LA DIFFUSION ANORMALE ET D'ELIMINER LES DEFAUTS DU CENTRE DE LA JONCTION. NEANMOINS LA RECRISTALLISATION DE LA COUCHE AMORPHE, NECESSAIRE A L'ACTIVATION DU BORE, ABOUTIT A LA FORMATION D'UNE BANDE DE DEFAUTS EOR AU-DESSOUS DE L'ANCIENNE INTERFACE C/A. CES DEFAUTS DEGRADENT LES PROPRIETES ELECTRONIQUES DE LA JONCTION ET AUGMENTENT SON COURANT DE FUITE. DANS UNE PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL NOUS AVONS ETUDIE EXPERIMENTALEMENT ET PAR SIMULATION (MODELE CDED) L'AMORPHISATION DU SILICIUM PAR BOMBARDEMENT D'IONS ISOELECTRONIQUES (SI#+, GE#+, SN#+). CETTE ETUDE A ABOUTI A UNE MISE EN FORME ANALYTIQUE DE LA VARIATION DE L'EPAISSEUR DE LA COUCHE AMORPHE EN FONCTION DES PARAMETRES D'IMPLANTATION (DOSE ET ENERGIE). CES RESULTATS PEUVENT ETRE EXPLOITES DANS UN SIMULATEUR DE PROCEDE. NOUS AVONS ENSUITE MONTRE, EN UTILISANT DES TECHNIQUES DE MET, QUE LES DEFAUTS EOR SONT BOUCLES DE DISLOCATION DE NATURES INTERSTITIELLES, LOGEANT DANS DES PLANS (111) ET AYANT DES VECTEURS DE BURGERS DE TYPE A/3111 OU A/2110. NOUS AVONS ENSUITE PRESENTE LES PRINCIPAUX MODELES, ISSUS DE LA LITTERATURE, QUI DECRIVENT LA FORMATION DE CES DEFAUTS. APRES AVOIR TESTE LA VALIDITE DE CHAQUE MODELE NOUS AVONS MONTRE QUE SEUL LE MODELE DIT D'EXCES D'INTERSTITIELS PERMET D'EXPLIQUER LA VARIATION DE LA DENSITE D'EOR EN FONCTION DES CONDITIONS D'IMPLANTATION. NOUS AVONS ENFIN ETUDIE LA VARIATION DE L'EXTENSION DE LA ZONE DE CHARGE D'ESPACE EN FONCTION DE LA RAIDEUR DU PROFIL DE BORE. NOUS MONTRONS AINSI QU'IL EST POSSIBLE DE CHOISIR DES CONDITIONS DE PREAMORPHISATION QUI PERMETTENT LA FORMATION DE DEFAUTS D'EOR HORS DE LA ZONE DE CHARGE D'ESPACE
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LA NITRURATION SUPERFICIELLE DES COUCHES TRES MINCES (130 A) DE SIO#2 EST EFFECTUEE PAR DIFFERENTES TECHNIQUES (BT, HT, RTN). LA NITRURATION A BASSE PRESSION (BT OU HT) PERMET DE SITUER LA REACTION DE NITRURATION A LA SURFACE DE LA SILICE, EMPECHANT AINSI LA DIFFUSION DES ESPECES NITRURANTES. DE MEME, LA RTN EVITE LA MIGRATION DE L'AZOTE DANS LA MASSE DE LA SILICE ET LA REDISTRIBUTION DES DOPANTS. L'ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE (SIMS, AES, IRS, RS) A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LA NITRURATION DE LA SURFACE DE LA SILICE ET DE CONTROLER LES PHENOMENES DE MIGRATION D'AZOTE A L'INTERFACE SI-SIO2 ET A REVELE LES DIFFERENTES LIAISONS CHIMIQUES (SI-N,SI-H,O-H,N-H) SUSCEPTIBLE D'ETRE A L'ORIGINE D'UN PIEGEAGE-DEPIEGEAGE DES PORTEURS. L'ANALYSE A PERMIS DE SUIVRE L'EVOLUTION DE VFB DE LA RIGIDITE DIELECTRIQUE ET DES HAUTEURS DE BARRIERE INTERFACIALES EN FONCTION DE LA NITRURATION. DIFFERENTS TYPES DE PIEGES CREES LORS DE LA NITRURATION ONT ETE DETECTES ET CARACTERISES (CONCENTRATION, SECTION EFFICACE, BARYCENTRE). LA QUALITE DE L'INTERFACE (DENSITE D'ETATS) DEPEND DES CONDITIONS ET PARAMETRES DE LA NITRURATION, DE LA QUALITE DE L'OXYDE: SI LE DESORDRE INTERFACIAL EST INITIALEMENT ELEVE, IL EST AUGMENTE APRES NITRURATION, L'AMPLITUDE DE CETTE VARIATION DEPEND DU MODE DE NITRURATION (CONTINU, SEQUENTIEL). EN RTN LA DENSITE N#I#T DIMINUE QUAND LE TEMPS DE NITRURATION AUGMENTE. GLOBALEMENT, LA NITRURATION PERMET D'AVOIR DES ISOLANTS DE BONNES QUALITES ET PEUT ETRE UN PROCEDE DE PASSIVATION EFFICACE. SI LES CONDITIONS DE NITRURATION SONT OPTIMISEES LES ISOLANTS PEUVENT DEVENIR MEILLEURS QUE LES OXYDES
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En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.
Author: Jumana Boussey
Author: Constantinos Christofides
Author: OLUSEYI.. ADEKOYA
Author: TALAL.. CHAMAS
Author: PIERRE.. RUTERAMA
Author: Bécharia Nadji
Author: LAMRI.. BOUDOUKHA
Author: Larbi Laanab
Author: AHMAD.. BENAMAR
Author: Jérémy Barbé