Mise au point d'une technologie de cristallisation de silicium par laser argon continu. Application à la réalisation de transistors en couches minces PDF Download
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Book Description
Ce travail de thèse est consacré à la mise au point d'une technologie de cristallisation de silicium, déposé sur verre, à l'aide d'un laser argon continu. L'objectif est d'obtenir des couches de polysilicium possédant des propriétés électriques optimales en vue de leur utilisation pour la fabrication de transistors en couches minces. Une grande partie de ce travail a donc consisté à développer la technologie de cristallisation laser, par le passage en phase liquide du silicium déposé. Une optimisation du procédé a conduit à l'obtention de grains présentant une taille pouvant atteindre plusieurs dizaines de microns. Les premiers transistors fabriqués possèdent néanmoins un courant à létat bloquant trop élevé. La solution qui semble la mieux adaptée pour s'affranchir de ce problème consiste à cristalliser la couche de silicium à laide d'un double recuit, en phase solide. La mobilité des transistors fabriqués selon cette méthode atteint 145 cm2/V.s avec une dispersion n'excédant pas 7 %.
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Ce travail de thèse est consacré à la mise au point d'une technologie de cristallisation de silicium, déposé sur verre, à l'aide d'un laser argon continu. L'objectif est d'obtenir des couches de polysilicium possédant des propriétés électriques optimales en vue de leur utilisation pour la fabrication de transistors en couches minces. Une grande partie de ce travail a donc consisté à développer la technologie de cristallisation laser, par le passage en phase liquide du silicium déposé. Une optimisation du procédé a conduit à l'obtention de grains présentant une taille pouvant atteindre plusieurs dizaines de microns. Les premiers transistors fabriqués possèdent néanmoins un courant à létat bloquant trop élevé. La solution qui semble la mieux adaptée pour s'affranchir de ce problème consiste à cristalliser la couche de silicium à laide d'un double recuit, en phase solide. La mobilité des transistors fabriqués selon cette méthode atteint 145 cm2/V.s avec une dispersion n'excédant pas 7 %.
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L’objet de ce travail de thèse est la mise au point d’une technologie capable de produire des transistors en couches minces performants à partir de silicium à une température inférieure à 200°C compatible avec l’usage de substrats plastiques. Il repose sur le recours au recuit par laser excimère qui permet de re-cristalliser à posteriori des couches de silicium microcristallin déposées à une température de 165°C. La première partie de ces travaux consiste en l’établissement de la technique de re-cristallisation sur substrat de verre. L’application du recuit par paliers d’énergie progressifs permet d’aboutir à une couche très cristallisée faite de grains de grande taille et non-endommagée. Des grains de grande taille, 300 nm, ainsi qu’un taux de cristallinité de 89%, sont obtenus. Les transistors produits à partir de telles couches ont pu démontrer une mobilité d’effet de champ de 400 cm2/V.s pour les électrons. La partie suivante envisage le report sur substrats plastiques de la technique éprouvée sur verre. Le premier substrat testé est le PDMS. Des couches d’une cristallinité de 80% avec des grains atteignant 400 nm sont produites. Les transistors fabriqués à partir de ces couches montrent une mobilité électronique de 65 cm2/V.s. Le second substrat testé est le PEN. Le recours à une technique similaire permet là aussi l’obtention de couches très cristallisées, à 84%, porteuses de gros grains, 400 nm. Il est possible de réaliser des transistors d’une mobilité électrique de 47 cm2/V.s sur ce dernier substrat.
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DANS CE TRAVAIL, J'AI DEMONTRE LES POSSIBILITES OFFERTES PAR LES LASERS DE PUISSANCE DANS LES PROCESSUS INTERVENANT DANS LA FABRICATION DE TRANSISTORS MOS EN COUCHES MINCES EN SILICIUM POLYCRISTALLIN (TFT EN POLY-SI) REALISES SUR DES SUBSTRATS DE VERRE ASSOCIANT A LA FOIS : - LA REALISATION DU CANAL PAR CRISTALLISATION D'UNE COUCHE MINCE DE SILICIUM AMORPHE OU PAR DEPOT DIRECT D'UN FILM DE POLYSILICIUM PAR PHOTO-CVD DU SILANE OU DU DISILANE - ET LE DOPAGE DE LA SOURCE ET DU DRAIN A PARTIR D'UN FILM DE SILICE DOPEE PREALABLEMENT DEPOSE A LA SURFACE DU SILICIUM. DEUX TYPES DE LASERS ONT ETE UTILISES DANS CE TRAVAIL : LE LASER PULSE A EXCIMERES ARF A LARGE FAISCEAU (S = 1 CM 2) ET LE LASER PULSE ET BALAYE ND : YAG DOUBLE EN FREQUENCE A MICROFAISCEAU ( = 100 ). APRES AVOIR ETUDIE LES MECANISMES DE CRISTALLISATION LASER D'UN FILM DE SILICIUM AMORPHE DEPOSE SUR UN SUBSTRAT DE VERRE ET LEURS EFFETS SUR LA MICROSTRUCTURE ET LA MORPHOLOGIE DES COUCHES DE POLYSILICIUM OBTENUES, J'AI DEMONTRE QUE LA COUCHE CRISTALLISEE PRESENTE UNE STRUCTURE NON HOMOGENE : UNE COUCHE A GROS GRAIN EN SURFACE ET UNE COUCHE A GRAINS FINS SOUS-JACENTE. LES TFT EN POLY-SI DONT LE CANAL A ETE REALISE PAR CRISTALLISATION LASER D'UN FILM DE SILICIUM AMORPHE NON HYDROGENE DEPOSE SUR UN SUBSTRAT DE VERRE PRESENTENT LES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES SUIVANTES : LASER ARF : = 141 CM 2/V.S V T = 1,5 V I O N = 4 10 - 4 A I O F F
Author: Khaled Amir Belarbi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 176
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e travail de thèse porte sur la réalisation de transistors en couches minces (Thin film transistors) de silicium microcristallin fabriqués à une température inférieure à 180°C. Cette thèse permet d’envisager diverses applications allant de la technologie des écrans OLED jusqu’à l’électronique flexible associée au textile intelligent. Pour le bon fonctionnement de ces applications, il est nécessaire de produire des transistors performants. C’est pourquoi ces travaux de thèse visent la fabrication de transistors respectant les conditions pour un bon fonctionnement des applications attendues, c'est-à-dire une dualité mobilité-stabilité satisfaisante. Les premiers transistors en structure « Top-Gate » utilisant l’oxyde de silicium comme isolant de grille ont abouti à d’excellentes performances (40 cm2/Vs). Ces derniers s’avérèrent ne pas être fiable en terme de stabilité. Beaucoup de questions se sont alors posées pour remédier à cette instabilité. Des techniques telles que les mesures électriques (énergie d’activation de la conductivité) et physiques (SIMS) ont permis de comprendre d’où venait le problème. Il s’avère que lors du dépôt de l’isolant, une importante incorporation d’oxygène pénètre dans la structure colonnaire du silicium microcristallin. La première solution consistait donc à utiliser une couche fine de silicium microcristallin. Les transistors ainsi fabriqués ne dérivent que faiblement. La deuxième solution consistait à l’élaboration d’un isolant autre que l’oxygène lors du dépôt. Par le biais du nitrure de silicium, les transistors en structure « Top-Gate » de type N montrent une mobilité de (2 cm2/Vs) et une bonne stabilité. Enfin, des transistors de type P ont été également fabriqués rendant possible la mise au point d’une technologie de type CMOS avec le silicium microcristallin.
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CE TRAVAIL EST CONSACRE A L'AMELIORATION D'UN PROCEDE TECHNOLOGIQUE DE FABRICATION DE TRANSISTORS EN COUCHES MINCES (TCM) DE SILICIUM POLYCRISTALLIN A BASSE TEMPERATURE ( 600 \C). LE BUT VISE EST D'OBTENIR DES TRANSISTORS PRESENTANT DES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES COMPATIBLES AVEC DES APPLICATIONS EN VISUALISATION SANS AVOIR RECOURS A UNE ETAPE D'HYDROGENATION. UNE PREMIERE PARTIE TRAITE DE LA REALISATION DE TCM CRISTALLISES EN PHASE SOLIDE. CES TRANSISTORS SONT OBTENUS A PARTIR DE DEUX COUCHES DE SILICIUM, L'UNE NON DOPEE SERVANT DE COUCHE ACTIVE, L'AUTRE DOPEE POUR LES ZONES DE SOURCE ET DE DRAIN. UNE ETUDE A MONTRE QU'UNE AUGMENTATION DE LA PRESSION DE DEPOT DU SILICIUM DE 10 A 90 PA, ACCOMPAGNEE D'UN PLASMA D'OXYGENE POUR L'ETAPE DE PREPARATION DE LA SURFACE DE LA COUCHE ACTIVE, ONT CONDUIT A UN ACCROISSEMENT DE LA MOBILITE D'EFFET DE CHAMP DE 33 A 63 CM 2/V.S, A UNE DIMINUTION DE LA PENTE SOUS LE SEUIL DE 1,13 A 0,96 V/DEC ET DE LA TENSION DE SEUIL DE 5 A 2 V. UNE MODIFICATION DE LA STRUCTURE DU TRANSISTOR A ETE REALISEE EN DEPOSANT LES COUCHES DE SILICIUM LORS D'UN SEUL DEPOT PERMETTANT D'ELIMINER L'INTERFACE ENTRE LA COUCHE ACTIVE ET LES ZONES DE SOURCE ET DE DRAIN. CETTE MODIFICATION A PERMIS D'OBTENIR DES TRANSISTORS PRESENTANT DE TRES BONNES PERFORMANCES : S = 0,6 V/DEC, V T H = 1,2 V ET F E 100 CM 2/V.S. UNE ETUDE DE VIEILLISSEMENT A ETE MENEE SUR CES TRANSISTORS. UNE SECONDE PARTIE TRAITE DE LA CRISTALLISATION EN PHASE LIQUIDE PAR UN RECUIT LASER DE LA COUCHE ACTIVE DES TRANSISTORS. NOUS UTILISONS UN LASER DE GRANDE SURFACE DONT L'IMPACT COUVRE 5 5 CM 2. LA DENSITE D'ENERGIE VARIE DE 350 A 550 MJ/CM 2 ET LE NOMBRE D'IMPACTS DE 1 A 10. CETTE PREMIERE ETUDE A MIS EN EVIDENCE QU'UNE DENSITE D'ENERGIE DE 550 MJ/CM 2 ET 10 IMPACTS, DONNENT LES MEILLEURS RESULTATS, A SAVOIR, UNE MOBILITE DE 140 CM 2/V.S, UNE PENTE SOUS LE SEUIL DE 0,35 V/DEC ET UNE TENSION DE SEUIL DE 3V. LA PRESENCE D'UNE COUCHE ANTIREFLET DE SIO 2 SUR LE FILM A CRISTALLISER A PERMIS D'AUGMENTER L'EFFICACITE DU LASER.
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Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à la fabrication de transistors en couches minces de silicium amorphe, microcristallin ou cristallisé par laser. La première phase du travail concerne l'étude de la cristallisation de la couche active des transistors par un laser continu Nd : Yag. Les couches cristallisées avec une énergie E = 3.64 W, ont des grains de taille maximale. Les transistors de type N présentent des mobilités d'environ 630 cm2/V.s. Cependant, ces transistors présentent une grande dispersion de la mobilité de l'ordre de 15% et surtout une variation aléatoire, inacceptable, du courant inverse d'un transistor à son voisin. L'énergie de 3.12 W semble être le meilleur compromis possible entre une bonne mobilité et une homogénéité acceptable, de l'ordre de 5%. Elle aboutit à une mobilité de 390 cm2/V.s. La taille des grains issus de cette cristallisation, induit des performances différentes des transistors selon leur orientation par rapport au balayage du laser. Les transistors parallèles présentent une mobilité moyenne de 390 cm2/V.s alors que les transistors perpendiculaire voient la mobilité chuter à 240 cm2/V.s.Dans la seconde partie de ce travail nous somme intéressés à la faisabilité de transistors stables fabriqués à basse température. Les transistors réalisés avec des couches de silicium amorphe déposé par filament chaud donnent des résultats intéressants particulièrement une grande mobilité d'effet de champ ((= 1.3 cm2/V·s). Ils sont par contre aussi instables que les habituels transistors au silicium amorphe. Par contre les transistors fabriqués à partir de silicium microcristallin présentent une très bonne stabilité. De très grandes mobilités d'électrons (40 cm2/V·s) sont obtenues avec des transistors réalisés à partir de couches micrcristallines déposées aussi bien par filament chaud que par PECVD. Ces résultats confirment la possibilité d'utiliser le silicium microcristallin comme alternative au silicium amorphe dans les écrans plats La valeur de la mobilité de trous obtenue 1.15 cm2/V·s, jamais atteinte auparavant avec ce type de matériau, est quant à elle suffisante pour envisager la réalisation de circuits CMOS.
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Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour les développements futurs de l'industrie photovoltaïque, au travers des réductions de coûts attendues et des applications dans les modules souples. Pour devenir compétitive, la filière des couches minces de silicium monocristallin doit se différencier des filières classiques. Elle est donc généralement basée sur l'épitaxie de couches de haute qualité puis sur le transfert de ces couches vers un support mécanique pour terminer la fabrication de la cellule et réutiliser le premier substrat de croissance. Le but de cette thèse est de trouver les associations technologiques qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces et ultra-minces de silicium monocristallin à haut-rendement. Les travaux présentés s'articulent selon deux axes principaux : le développement et la maîtrise de procédés technologiques pour la fabrication de cellules solaires en couches minces et l'optimisation des architectures de cellules minces haut-rendement.Dans ce cadre de travail, les développements des techniques de fabrication ont d'abord concerné la mise au point de procédés de transfert de couches minces : une technologie basse température de soudage laser et un soudage par recuit rapide haute température. Afin d'augmenter le rendement de conversion, nous avons développé des structurations de surface utilisant les concepts de la nano-photonique pour améliorer le pouvoir absorbant des couches minces. Avec une lithographie interférentielle à 266 nm et des gravures sèches par RIE et humides par TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), nous pouvons réaliser des cristaux photoniques performants sur des couches épitaxiées de silicium. Finalement, nous avons pu concevoir des architectures optimisées de cellules solaires minces à homo-jonction de silicium et à hétéro-jonction silicium amorphe / silicium cristallin plus performantes électriquement, grâce aux outils de simulation électro-optique. Notre approche théorique nous a aussi conduits à expliciter les phénomènes électriques propres aux couches minces, et à démontrer tout le potentiel des cellules photovoltaïques minces en silicium monocristallin.
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Ce travail est consacré à la réalisation, par micro-usinage de surface sur substrat de verre, de transistors en couches minces à grille suspendue (TFTs à air-gap). L'ensemble grille suspendue - couche active est réalisé en couches minces de polysilicium. La première partie de ce travail traite l'optimisation du procédé de fabrication des micro-ponts en polysilicium. La clé de voûte du procédé est un recuit de cristallisation du silicium structurel vers 570 ʿC - 600 ʿC, associé à l'utilisation de germanium comme couche sacrificielle. Dans la deuxième partie, des transistors à air-gap ont été réalisés en utilisant une couche sacrificielle de 500 nm d'épaisseur. Après libération, les transistors ont présenté de bonnes performances avec une pente sous le seuil et une tension de seuil de l'ordre de 0,7 V/dec et 6 V respectivement. L'effet de l'ambiance sur les caractéristiques de ces transistors à air-gap, a été étudié en troisième partie. Enfin, un modèle est proposé afin d'expliquer le comportement électrique du transistor sous l'effet de différentes ambiances.
Author: Jean-François Michaud
Author: Jean-François Michaud
Author: Tanguy Pier
Author: MOHAMMED.. ELLIQ
Author: Khaled Amir Belarbi
Author: KARINE.. MOURGUES
Author: Amar Saboundji
Author: Youri Helen
Author: Romain Champory
Author: Hicham El-Din Mahfouz Kotb
Author: Laurent Pichon (professeur en électronique).)