Plusieurs procédés de fabrication des couches minces du silicium ont été développés depuis les années 70, ces méthodes font appel à des principes physiques qui déterminent les
caractéristiques structurales des matériaux déposés dont la qualité du matériau déposé diffère d’un procédé à l’autre. Ces techniques de dépôt comprennent le dépôt physique en phase vapeur (PVD), utilisant des sources solides, et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilisant des gaz.
Méthodes utilisant une source solide :
L’évaporation par effet joule sous vide La pulvérisation cathodique
Méthodes utilisant une source gazeuse :
La technique CVD (Chemical Vapor Déposition): soit par voie thermique, soit par plasma.
Figure I.4:Méthodes de dépôt du silicium en couches minces [22].
I.5.1Méthodes utilisant une source solide de silicium
Cette méthode consiste à placer un silicium solide dans une enceinte, bombardé par la suite par un canon à électrons, le silicium devient gazeux, se condense et se dépose sur un substrat de matière placé en amont [23].
I.5.1.2 La pulvérisation cathodique
Une cible de silicium est bombardée par des ions (généralement d’argon [24]) issus d’un plasma dont l’excitation peut aller du continu jusqu’aux micro-ondes. La fréquence d’utilisation courante pour la production du silicium est de 13.56Mhz. C’est-à-dire dans le domaine des radiofréquences. Les ions silicium vont se déposer à la surface d’un substrat placé sur l’anode.
I.5.2 Méthodes utilisant une source gazeuse de silicium
I.5.2.1 La technique de décomposition en phase gazeuse assistée par plasma ou P.E.C.V.D (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
Ce système fut créé en 1965 par sterling et Swann [25] qui l’adopta à la microélectronique. Ce n’est qu’en 1975 que ce procédé fut appliqué au domaine photovoltaïque pour l’élaboration du silicium amorphe.
Le gaz réactif est ionisé par formation de plasma, généralement à la fréquence de 13.56Mhz. Les produits de cette réaction sont des ions d’hydrures de silicium qui vont réagir à la surface du substrat porté à une température d’environ 300°C. La faible température de la surface de dépôt fait que l’hydrogène ne se dissocie pas. Par conséquent le matériau obtenu est hydrogéné. Toujours à cause de la température du substrat qui est relativement basse, la structure du silicium est amorphe. On dépose donc, du silicium amorphe hydrogéné. Toutefois, cette technique présente le problème de limitation du nombre de plaquettes utilisables pendant le même cycle de dépôt.
Figure I.5: Schéma descriptif du principe de la technique PECVD [26].
I.5.2.2 La technique de décomposition en phase gazeuse à pression atmosphérique ou APCVD
Cette technique utilisée à l’origine des dépôts C.V.D de semiconducteur a été largement remplacée par les dépôts dits à basse pression car dans ce cas, les espèces réactives diffusent plus rapidement et l’uniformité des dépôts est améliorée. L’inconvénient majeur est qu’elle nécessite un appareillage lourd et couteux pour un faible rendement. En plus, les dépôts sont généralement inhomogènes (d’un substrat à un autre ou sur le même substrat).
I.5.2.3 La technique de décomposition en phase gazeuse à basse pression ou LPCVD ( Low Pressure Chemical Vapor Deposition)
Les molécules du gaz réactif sont décomposées par voie thermique. En fonction des conditions de pression, de température et de débit, des réactions de dissociation ou des formations de molécules se produisent, de nature homogène et hétérogène.
Afin de déposer à un taux de croissance des couches suffisamment important, les températures de déposition des gaz sont élevées par comparaison avec la PECVD. Pour le silane, elles sont typiquement d’environ 550°C et 630°C, et de l’ordre de 470°C pour le disilane. La première conséquence est que l’hydrogène absorbé à la surface de l’échantillon sous forme d’hydrure de silicium ne peut rester (à cause de la haute température du substrat) et le matériau obtenu est donc généralement très peu hydrogéné.
Cette technique de dépôt sous faible pression (LPCVD) est devenue le procédé standard de dépôt des couches de silicium polycristallin. Celle -ci permet :
• Une bonne reproductibilité : 200 rondelles peuvent être traitées à chaque opération. Le coût de fabrication est donc réduit, ce qui la rend très attractive du point de vue industriel. Aussi, c'est un procédé qui ne fait pas intervenir de particules très énergétiques qui pourraient entraîner l'apparition de cavités dans le matériau, comme c'est le cas en P.E.C.V.D et en pulvérisation cathodique.
• Une bonne uniformité : de 1 à 3% sur la même rondelle et de 2 à 5% d’une rondelle à une autre.
D’une autre part, en fonction de la pression et de la température, la technique permet d’obtenir du silicium :
1) Soit directement polycristallin : le film est déposé sur un substrat amorphe ou monocristallin à des pressions faibles et des hautes températures. Le silicium déposé sera polycristallin et peut être partiellement cristallisée ou entièrement cristallisée.
2) Soit amorphe : le film de silicium amorphe (a-Si) est alors déposé sur un substrat convenable à des pressions relativement élevées et des températures faibles compatibles avec la dissociation du silane.
De nombreux auteurs ont montré que les couches déposées sous forme amorphe, puis cristallisées lors d’un recuit thermique conventionnel ou assisté (voir paragraphe I.6), présentent de meilleures propriétés électriques que celles déposées directement sous forme polycristalline, ceci est du au fait que la cristallisation des couches de silicium amorphe par ces procédés thermiques réduit considérablement la densité des pièges en augmentant la taille des grains.
I.5.2.4 La technique R.T.C.V.D (Rapid Thermal CVD)
Les gaz généralement employés (le silane ou le trichlorosilane) [27] sont décomposés thermiquement par l’intermédiaire d’un flux lumineux de lampes halogènes qui permet d’obtenir des montées en température du substrat très rapides (100°C/s).Cette technique est très rapide en terme de vitesse de dépôt et en terme de bilan thermique. Toutefois, les problèmes d’inhomogénéité de dépôt demeurent un obstacle, le contrôle de la température du substrat en cours de dépôt demeure la difficulté principale de ce processus.