Le silicium partiellement cristallisé (nano-poly Si)

1 Le silicium partiellement cristallisé (nano-poly Si) Contexte : Limitations du a-si:h Le silicium nanocristallin déposé par plasma La cristallisation en phase solide (silicium poly-cristallin) Le recuit laser (silicium poly-cristallin)

2 Limitations du a-si:h Faible mobilité (électronique) : < 1 cm 2 V -1 s -1 Mal adapté à la réalisation de circuits logiques (cmos) Faible rendement des cellules solaires (< 10 %) Phénomènes d instabilités dans les composants Difficultés de dopage

Exemple de de dérive de de la la tension de de seuil des TFTs a-si:h sous faible tension de de grille 3 Cellules solaires : décroissance du rendement de conversion sous exposition lumineuse (effet Staebler Wronsky)

4 Le silicium partiellement cristallisé (nano-poly Si) Contexte : Limitations du a-si:h Le silicium nanocristallin déposé par plasma La cristallisation en phase solide (silicium poly-cristallin) Le recuit laser (silicium poly-cristallin)

5 Structures du silicium déposé par plasma Polymorphe Nanocristallin Polycristallin ~ 5 nm 1 µm Verre Le dépôt plasma permet, dans différentes conditions, l obtention de diverses formes d organisation de la matrice de Silicium.

6 Procédés de croissance nc-si exemples de nc-si:h deposés par plasma à 250 C a-si:h 20 nm nc-si:h Glass Comment obtenir le nc-si à faible temperature? Quel est le rôle de l hydrogène? Comment contrôler la phase cristalline?

7 Croissance plasma de nc-si Principe de base : phase cristalline plus stable que la phase amorphe Utilisation de conditions plasma croissance (silane) /gravure (hydrogène, fluor ) : augmentation de la fraction volumique cristalline en cours de croissance Nécessité de la présence de germes (nanocristaux venant du plasma, diffusion de l hydrogène )

Croissance plasma de nc-si 8 Puissance électrique Densité électronique Réactions dans le gaz Réactions dans le solide SiH e + SiH 4 4 Réactions Primaires e + SiH 4 SiH x+ H Augmenter Puissance RF, Pression, Géometrie, Débit T s Pompes Réactions Secondaires SiH x+sih 4 Si H n m Agrégats, Polymères Poudre Radicaux Agrégats Ions, Photons,.. Zone de croissance Mobilité de surface Volume Equilibre chimique Température du substrat Processus conduisant au dépôt de couches minces de silicium (réactions primaires et secondaires, bombardement ionique, diffusion de H )

Croissance plasma de nc-si 9 Importance des réactions secondaires en fonction de la pression (possibilité de synthèse de nanocristaux dans la phase plasma)

10 Croissance plasma de nc-si pm-si:h Deposition rate (nm/s) 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 µc-si:h Std a-si:h (1) α γ (2) Agglomeration (3) (4) Powder formation 20 W/ 200 C/13.56 MHz SiH 4 /H 2 :10/90 sccm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (mtorr)

Technique «couche par couche» 11 Phase diagram Plasma 8 T Si T r1 T H SiH H 2 4 One cycle T r2 Time R = TH/TSi 7 6 5 4 3 2 1 0 No film / Selective growth nc-si:h a-si:h 0 20 40 60 80 100 120 T Si (s)

12 100 Thickness (nm) 6 13 22.3 30 41 nc-si :mécanismes de de croissance Film composition (%) 80 60 40 20 Incubation 6-100 nm Nucleation Growth Steady-state F c F v F a Growth a-si:h a-si:h Glass Glass Nucleation layer Porous layer Porous layer 0 0 10 20 30 40 50 60 Number of cycles P. Roca i Cabarrocas J. of Non Cryst. Solids 266-269 (2000) 31. P. Roca i Cabarrocas Current Opinion in Solid State and Materials Science. 6 (2002) 439

13 Le silicium partiellement cristallisé (nano-poly Si) Contexte : Limitations du a-si:h Le silicium nanocristallin déposé par plasma La cristallisation en phase solide (silicium poly-cristallin) Le recuit laser (silicium poly-cristallin)

14 Cristallisation en phase solide (poly-si) a-si : état métastable. Un recuit à 600 C pendant plusieurs heures produit des cristallites de l ordre de 0.5 µm (a: AFM, b: TEM) Procédé long et incompatible avec substrat de verre

15 Cristallisation induite par un métal Utilisation de siliciures de Ni (courante en microélectronique) La température de formation des siliciures est plus faible avec a-si (< 400 C)

16 Cristallisation induite par un métal (Ni) Faible désaccord de maille entre c-si et NiSi 2 (0.4%). Utilisation d un champ électrique pour faire migrer (vers la droite) l aiguille de NiSi 2 (10x25 nm) qui est ensuite enlevée.

17 Le silicium partiellement cristallisé (nano-poly Si) Contexte : Limitations du a-si:h Le silicium nanocristallin déposé par plasma La cristallisation en phase solide (silicium poly-cristallin) Le recuit laser (silicium poly-cristallin)

18 Cristallisation du dua-si: laser pulsé à faisceau linéaire L = (Dτ) 1/2 D = κ/ρcp XeCl,, 308 nm, 50Hz L ~100 nm in SiO 2, for τ ~25 ns y E l Largest line beam (Microlas): 350 mm X 250 µm x Top-hat energy profile

Pourquoi des lasers pulsés? 19 Laser energy density : 180 mj/cm 2

Interactions avec lasers excimers pulsés 20 a) Calcul de la variation de température à la surface du silicium (d = 50nm) b) Variation de l intensité laser (total 40 mj/cm 2 ) Résolution de l équation de la chaleur :

Mise en en évidence de de la la fusion du du silicium 21 Temps (ns) Mises en évidence simultanée de la fusion du solide (mesures électriques et optiques) : influence de la densité d énergie du laser, phénomène de saturation.

22 Taille des des grains en en fonction de de la la densité d énergie laser E = 360 mj/cm 2 E = 400 mj/cm 2 500 nm E = 430 mj/cm 2 E = 470 mj/cm 2

23 Taille des des grains en en fonction de de la la densité d énergie laser λ µm Laser energy density (a.u.)

24 Diagramme d état du du silicium a-si : état thermodynamiquement métastable (cristallisation avant fusion)

Cristallisation du dua-si par laser pulsé 25

Cristallisation explosive 26

27 Cristallisation du dua-si par laser pulsé Super lateral growth (SLG) regime

28 Grain size at at the Super Lateral Growth regime The SLG regime occurs when E laser is such that liquid Si just reaches the interface Thickness of the a-sia precursor ~ 80 nm

29 Grain size: process window at at SLG regime λ (µm) E=2% Laser energy density (a.u.)

30 Summary of ofthe theconditions for for excimer laser scanning process Excimer lasers: ~ 300 Hz, ~ 1J/pulse, 800 mj/pulse on the sample Line beam shape, with top-hat energy profile, typically 90% overlapping Largest line: 350 mm x ~ 500 µm (~ 450mJ/cm 2 for 80 nm thick a-si) Surface crystallised / hour (throughput) : [(35x0.05)300]3600 x 0.1 = 189000 cm 2 = 18.9 m 2 30 plates/h (4th generation ~ 700 mm x 900 mm)

31 Narrowness of of the SLG regime of of crystal growth E SLG = 2% ( E SLG = 10 mj/cm 2 @ 420 mj/cm 2, thickness ~ 80 nm)