No d’ordre : 2543
| Président : | ||
| O. BONNAUD | Professeur, Université de Rennes 1 | |
| Rapporteurs : | ||
| A. BOUTEVILLE | Professeur, ENSAM, Angers | |
| K. ZELLAMA | Professeur, Université de Picardie, Amiens | |
| Examinateurs : | ||
| J. C. BERNEDE | Ingénieur de Recherche, Université de Nantes | |
| T. MOHAMMED-BRAHIM | Professeur, Université de Rennes 1 | |
| M. SARRET | Professeur, Université de Rennes 1 |
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Abstract
This work treats the fabrication of undoped and in situ doped polycrystalline silicon
thin films using a new high rate deposition technique SAPCVD (Sub-Atmospheric
Pressure Chemical Vapor Deposition). The films are deposited amorphous and
crystallized subsequently by solid phase crystallization. The doping elements are
arsenic and boron.
In the first part of the thesis, we present the reactor setup. In order to obtain a secondary vacuum, modifications of the prototype have been performed, that are also described in detail. A second part is treating the kinetics of the deposition and the crystallization. The polycrystalline films are then characterized by different techniques. The principal results are the important deposition rates of about 10 µm/h at higher pressures and also better electrical and structural properties of the crystallized material. The analysis of the obtained characteristics of the films in function of the deposition conditions reveals, that a pressure of 400 mbar and a temperature of 560 ℃ seem optimal for a good crystalline quality. The kinetics of the deposition, the crystallization and the electrical properties of the in situ doped films are characterized also in function of temperature and pressure and furthermore in function of the flows of the doping gases arsine and diborane. We have obtained medium doping levels lower than 1017 cm-3 with carrier mobilities of about 30 cm2/Vs in p-type silicon. The doping levels could be increased to more than 1019 cm-3 carriers with also 30 cm2/Vs by decreasing the deposition rate. n-type doping, thus with arsenic, has been realized in the range from 5 × 1017 cm-3 to 1020 cm-3. The mobilities were higher than 50 cm2/Vs for carrier concentrations of some 1019 cm-3. Finally, a first pin-diode, fabricated completely by SAPCVD, has shown interesting characteristics compared to low pressure CVD films. However, they still need further improvement. Keywords: SAPCVD, silicon, polycrystalline, SPC, thin films, crystallization, doping, arsine, diborane |
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Résumé
Ce travail est consacré à la fabrication de couches de silicium polycristallin non
dopé et dopé in situ avec de l’arsenic et du bore dans un nouveau réacteur SAPCVD
(Sub-Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition). Le silicium est déposé
amorphe et ensuite cristallisé en phase solide.
Une première partie de la thèse décrit la mise au point du réacteur de dépôt et les modifications apportées au prototype pour obtenir un vide secondaire. Dans une deuxième partie, les cinétiques de dépôt et de cristallisation en phase solide sont étudiées. Les couches cristallisées sont ensuite caractérisées par des techniques diverses. Il s’avère, qu’une pression de dépôt élevée entraîne non seulement une vitesse de croissance importante de quelques 10 µm/h, mais également de meilleures propriétés électriques et structurales du matériau cristallisé. L’analyse approfondie des propriétés des couches en fonction des paramètres de dépôt montre, qu’une pression de 400 mbar et une température de 560 ℃ sont optimales pour une bonne qualité cristalline. La cinétique, la cristallisation et les propriétés électriques des dépôts dopés in situ ont été étudiées également en fonction des paramètres de dépôt et des flux des gaz dopants, arsine et diborane. Nous avons obtenu des dopages intermédiaires de type p donnant moins de 1017 cm-3 porteurs libres avec une mobilité d’environ 30 cm2/Vs. En diminuant la vitesse de dépôt, des forts dopages supérieurs à 1019 cm-3 porteurs ont pu être atteints, également avec des mobilités élevées de l’ordre de 30 cm2/Vs. Le dopage de type n, donc avec de l’arsenic, a été réalisé dans la gamme 5 × 1017 cm-3 à 1020 cm-3, les mobilités pour les dopages de l’ordre de 1019 cm-3 étant supérieures à 50 cm2/Vs. Finalement, une première diode pin, réalisée entièrement par dépôt SAPCVD, a montré des caractéristiques intéressantes par rapport à la CVD à basse pression. Cependant, elles restent encore insuffisantes et nécessitent une optimisation ultérieure. Mots-clé : SAPCVD, silicium, polycristallin, SPC, couches minces, cristallisation, dopage, diborane, arsine |