Stratégie d'obtention de grands grains organisés de Si : micro-structuration de l'interface Al/a-Si
3.5.1 Stratégie et micro-fabrication
STRATÉGIE Comme nous l'avons précédemment vu, c'est le rayon de déplétion qui règle la taille la-térale des grains de Si : si l'on arrive à augmenter la valeur de Rdep, il nous serait en pratique possible d'accroître la dimensions des grains. On peut trouver dans la littérature que les dépendances de Rdep sont les suivantes200 (Éq. 3.5 1) :
Rdep= eDDdiff
diss
ea-Si(x) = ei− ediss 1− exp −Rx
dep
Jdiss 𝑥𝑥, 𝑦𝑦, 𝑡𝑡 = Ddiss(csat− c x, y, t )
Les grandeurs du numérateur, à savoir l'épaisseur e (m) de la couche d'Al et le coefficient de diffusion Ddiff (m2 s–1) du Si dans la couche d'Al, ne sont pas des grandeurs sur lesquelles nous pouvons agir, en effet :
– augmenter e permettrait, certes, d'augmenter Rdep, mais cela augmenterait par la même occa-sion la rugosité des cristaux de Si, et affaiblirait sa texture de fibre [111] ;
– Ddiff pourrait être modifié en changeant la taille latérale des grains : et donc en modifiant la taille des grains. La taille des grains ne peut cependant pas être augmentée de plus d'un facteur 2 lors du dépôt.
En revanche, il nous semble possible de réduire le terme du dénominateur, à savoir le coefficient de dissolution Ddiss (m s–1) du Si dans l'Al, grâce à l'ajout d'une couche barrière de diffusion à l'interface Al/a-Si. Si nous perçons de trous périodiques cette couche barrière de diffusion, nous devrions égale-ment pouvoir fixer les lieux de nucléation des germes cristallins.
Nous allons donc chercher à déposer, sur la couche d'Al (Fig. 3.5 1 (a)) une couche barrière de diffusion percée de trous organisés (Fig. 3.5 1 (b)), avant d'y déposer la couche habituelle de a-Si (Fig. 3.5 1 (c)).
Al Barrière de diffusion lithographiée a-Si cnucl 0 a b c d e Nucléation localisée
Figure 3.5 1 (a) à (c) et (e) Stratégie de localisation de grains de Si par l'ajout d'une barrière de diffusion entre les couches d'Al et de a-Si. (d) Évolution de la concentration en Si dans la couche d'Al en fonction du lieu (trou ou couche barrière).
(Fig. 3.5 1) (Éq. 3.5 1)
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Lors du recuit, la concentration en Si dans la couche d'Al devrait croître de manière importante dans les trous, autrement dit là où la dissolution n'est pas ralentie par la barrière de diffusion (Fig. 3.5 1 (d)). Au bout d'une certaine durée de recuit, la saturation en Si pourrait être obtenue de manière localisée sous ces ouvertures : la nucléation aurait alors lieu en ces points.
Si nous parvenons à faire nucléer de manière suffisamment synchronisée tous les germes dans les trous, et à empêcher toute nucléation parasite hors de ces ouvertures : nous pourrions alors, après croissance, obtenir des grains de Si de grande dimension, et de taille et positions prédéterminées par les ouvertures opérées dans la couche barrière de diffusion (Fig. 3.5 3 (e)).
Pour que cette organisation des grains puisse-t-être entreprise, nous devons nous assurer que la bar-rière de diffusion joue bien son rôle, mais qu'elle permette toutefois la croissance des grains de Si. En effet, si la barrière de diffusion est parfaitement imperméable, il y a un risque que la croissance des cristaux s'arrête dès le bord des trous passé.
FABRICATION Plusieurs méthodes de litho-graphie sont envisageables pour moduler la couche barrière de diffusion. D'une part grâce à un lift-off (Fig. 3.5 2 (a)) : des plots de résine sont déposés sur la couche d'Al (1), le dépôt de la couche barrière de diffusion est effectué (2), puis la résine est dissoute afin de révéler les trous (3) : on peut alors déposer la couche de a-Si (4). Ou d'autre part, à l'aide d'une gravure : la couche barrière de diffusion est déposée de manière uniforme sur la couche d'Al (5), la résine est déposée et insolée de sorte à former des trous localisés (6), une gravure ionique ou chimique permet de propager les trous de la résine vers la couche barrière (7) : le dépôt de a-Si est réalisé de la même manière (4).
Nous avons réalisé des essais de lithographies des deux manières décrites précédemment, et en utili-sant quatre types de couches barrière de diffusion : SiO2, SiNx, AlN, et Al2O3. Trois principaux résultats sont à retenir :
– aucune méthode de lithographie n'a fonctionné sur lacouche d'Al (trop sensible) ;
(1) (2) (3)
(5) (6) (7)
(4) a
b
Figure 3.5 2 (a) Fabrication de la couche barrière de diffusion lithographiée par lithographie et lift-off. (b)
Fabrication de la même couche par gravure sélective et localisée de la couche barrière de diffusion.
(Fig. 3.5 2) 3.5.1 Stratégie et micro-fabrication
– nous avons donc travaillé sur l'empilement inverse : avec le a-Si comme première couche, et l'Al comme dernière (c'est-à-dire inversées par rapport à la Fig. 3.5 2) ;
– seule la couche barrière de diffusion de SiO2 a permis une fabrication simple et une cristalli-sation ultérieure.
3.5.2 Résultats et discussion
Nous disposons à présent d'un empilement à couche barrière de diffusion lithographiée : nos diffé-rents essais ont montré qu'une épaisseur de 1 nm de SiO2 suffit à induire un effet sur la dissolution du a-Si dans la couche d'Al. Nous avons donc recuit à 500 °C pendant 5 h l'empilement présenté dans la
Fig. 3.5 3 (a).
Une fois recuit, l'échantillon présente de nombreux cristaux de Si, comme attesté par les images prises au microscope optique (ici dans le cas de trous de 2 µm de diamètre, répartis selon un motif hexagonal, de 20 µm de pas). Nous observons bien la cristallisation préférentielle dans les trous lithographiés (Fig. 3.5 3 (b)). La transformée de Fourier de l'image (Fig. 3.5 3 (c)) met bien en évidence l'ordre des cristaux (de contraste sombre).
Quelques nucléations parasites sont toutefois visibles en dehors des trous du motif (Fig. 3.5 3 (d)). L'image à plus fort grossissement permet également de noter la présence d'un fond « grisâtre » : les 5 h à 500 °C n'ont en effet pas suffi à cristalliser tout le a-Si. Lors du refroidissement, le Si toujours dissout dans la couche d'Al a précipité en de très nombreux et petits grains,142 donnant la teinte grise et bruitée du fond de l'image.
Ces images (Fig. 3.5 3) établissent la démonstration de la preuve de concept de l'utilisation d'une couche barrière de diffusion lithographiée, pour localiser la nucléation des grains de Si. La dimension des trous
a Al (10 nm) SiO2 (1 nm) a-Si (10 nm) SiO2 d 20 µm Grains localisés Erreurs b c 100 µm 0,1 µm–1
Figure 3.5 3 (a) Schéma de l'empilement utilisé. (b) Image de microscopie optique d'un échantillon après recuit. (c) Transformée de Fourier de l'image (b). (d) Image à plus fort grossissement : les zones avec trous sont marquées d'un cercle (les trous ne mesurent que 2 µm de diamètre).
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(2 µm) semble être adéquate pour initier la nucléation d'un seul cristal par trou (nous n'observons pas de frontière entre grains comme c'était le cas dans la section § 3.2.1.2, p. 113).
En revanche, des points restent à investiguer :
– Comment dimensionner la couche de barrière de diffusion pour interdire les nouvelles nucléations entre les trous, tout en ne ralentissant pas trop la croissance des grains ?
– Quel pas maximal de motif peut-on utiliser pour augmenter la dimension des grains ?
– Peut-on réussir à lithographier une couche barrière de diffusion dans un empilement Al/a-Si plutôt que a-Si/Al ?
3.5.3 Conclusion
Nous avons démontré le concept de localisation des grains de Si par modulation d'une couche barrière de diffusion à l'interface entre les couches d'Al et de a-Si. Cette couche, percée de trous périodiques de diamètre et de pas prédéterminés permet de maîtriser le profil de concentration du Si dans la couche d'Al, et ainsi, de déterminer les lieux de nucléation des cristaux de Si.
Les propriétés de la couche barrière de diffusion sont cruciales : elle doit être suffisamment imper-méable pour empêcher des nucléations parasites, mais suffisamment perimper-méable pour ne pas bloquer la croissance des cristaux de Si.
De nombreuses expériences sont à entreprendre pour démontrer tout le potentiel de cette stratégie de fabrication.
NOTE
Ce chapitre est en partie fondée sur les résultats obtenus au cours du stage de Thomas Barrès, financé par Saint-Gobain Recherche, et principalement effectué au LPN de février à juillet 2014.
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