Soutenance mémoire
Electronique fabriquée sur un substrat
La non-transparence des plaquettes de silicium monocristallin constitue un problème si la transparence est nécessaire. Le problème a commencé à se poser à la fin des années 1970 lorsque le besoin de développer largement l’affichage de données et d’images et donc des écrans permettant cet affichage. L’affichage n’est possible que s’il est possible de commander différemment des petites zones voisines sur la surface de l’écran leur donnant différents tons de gris allant du noir au blanc ou différentes couleurs. Ces petites zones, appelées pixels, doivent être suffisamment petites pour que l’écran apparaisse comme uniforme à l’œil. De la lumière de différents tons ou de couleurs doit sortir de ces pixels. Ils doivent donc être transparents. Un écran d’affichage est donc un substrat transparent sur lequel on vient déposer des pixels petits commandés électriquement. Le problème de l’électronique a donc consisté à mettre des dispositifs de commande sur des substrats transparents.
Electronique pour pixels d’écrans plats
Un écran plat pour l’affichage est constitué d’unematrice de pixels reproduisant une image. Chaque pixel est une source de lumière constituant un des points de l’image. Il doit être polarisé pour obtenir la lumière correspondante à ce point de l’image. La méthode de polarisation dépend du type de production de cette lumière.
Les écrans plats LCD à matrice active ou AMLCD (Active Matrix Liquid Crystal Display) dominent le marché actuel des écrans. Cependant, il est apparu les écrans OLED à matrice active ou AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode).
Les OLEDs, sont actuellement un domaine de recherche en très grande expansion et qui devrait permettre le développement d’une nouvelle génération d’écrans plat. La technologie des OLEDs basée sur le substrat de plastique est développée activement pour concurrencer la technologie AMLCD dans les applications partant des petits écrans aux grands [3]. Aujourd’hui, les AMOLEDs sont déjà commercialisés par plusieurs compagnies.
Ils sont utilisés principalement dans les petits appareils souples (les téléphones portables, les appareils photos, les baladeurs, les portes photos). T. Tsujimura et al. [4] ont démontré la faisabilité en ce qui concerne le succès dans la fabrication de grands écrans OLED (sur substrat verre) comprenant des tailles supérieures à 20″.A une échelle bien moins grande, les OLEDs s’appliquent aussi pour l’avionique [5].
Dans la suite, la définition et le principe de fonctionnement de ces deux types d’écrans seront présentés et le rôle essentiel que jouent les transistors en couches minces dans le bon fonctionnement de ces écrans sera précisé.
Ecran plat LCD à matrice active (AMLCD)
Un écran plat à matrice active est constitué d’un cristal liquide inséré entre deux plaques de verre (cf figure I.2). La plaque supérieure, est recouverte d’une couche uniforme de matériau conducteur transparent servant de contre électrode. L’autre plaque comporte un réseau déposé de lignes et de colonnes. A l’intersection de chaque ligne et de chaque colonne est situé un transistor en couches minces dont le rôle est :
– dans la phase d’adressage (mode de conduction du transistor), de charger un condensateur élémentaire ayant pour diélectrique lecristal liquide.
– dans la phase de stockage (mode bloquant du transistor), de maintenir la charge de ce condensateur. une borne de ce condensateur est formée d’un carréde conducteur transparent relié au transistor, l’autre borne est la contre électrode. Un élément d’image, ou pixel, est défini parcette capacité de cristal liquide et de son transistor associé.
Ecran plat OLED à matrice active (AMOLED)
Les écrans plats OLED à matrice active sont des écrans qui associent une technique matrice active et une technologie OLED. Cette technologie s’annonce prometteuse compte tenu de son excellent angle de vue, sa forte résolution, sa faible consommation électrique et son temps de réponse rapide [11, 12]. Elle est devenue aujourd’hui le centre d’intérêt de nombreuses sociétés.
Une cellule OLED (cf figure I.5) est composée d’unepile de couches organiques fines prises entre une anode transparente et une cathode métallique. Les couches organiques comprennent une couche d’injection, une couche de transport de trous, une ou plusieurs couches émettrices et une couche de transport d’électrons. L’application d’un courant précis à la cellule OLED engendre une recombinaison des charges positives et négatives dans les couches émettrices afin de produire une lumière électroluminescente. La structure des couches organiques, le choix de l’anode et de la cathode sont conçus pour maximiser le processus de recombinaison dans les couches émettrices, ce qui optimise l’émission delumière à partir de l’appareil OLED [13].
Electronique sur un substrat pour d’autres applications
Des nos jours de nouveaux besoins de systèmes portables, légers, autonomes pouvant épouser toutes les formes sont à la base du développement de l’électronique sur substrat flexible. En effet, depuis quelques années, plusieurs travaux de recherches sont menés pour l’élaboration de produits électroniques souples.
Ces derniers sont utilisés dans la fabrication des écrans flexibles (cf figure I.6), des patchs biologiques, des cartes RFID avec une électronique intégrée directement sur la carte, des cellules solaires intégrées dans les vêtements ou des caméras sphériques tridimensionnelles de type « fish eye »… Cela a pour conséquence l’expansion du marché de l’électronique.
L’électronique flexible occupe aujourd’hui une place importante dans les domaines de la médecine, du sport, des télécommunications, de l’informatique. L’utilisation des écrans tactiles dans les téléphones portables, les ordinateurs, les tablettes etc …, sont des exemples d’applications en informatique et en télécommunication. Le « Body Area Network » (BAN) est une technologie utilisée dans plusieurs domaines tels que le sport, le jeu, mais son utilisation dans le domaine médical est majeure.
Le BAN est une technologie de réseau sans fil basée sur les radiofréquences qui consiste à interconnecter sur, autour ou dans le corps humain de minuscules dispositifs pouvant effectuer des mesures (capteurs) ou agir defaçon active (actionneurs). Ces capteurs très miniaturisés, disposant d’une grande autonomie et utilisant des courants de très faible puissance peuvent être capables de dialoguer avec un centre de service distant, pour alerter un service d’urgences hospitalières par exemple. Les principales applications se trouvent dans les domaines de la santé, des premiers secours, du militaire, du divertissement, du sport, de l’intelligence ambiante ou des interactions homme-machine [17, 18].
Des recherches avancées sont menées pour le remplacement dans un futur proche des prothèses mécaniques par des prothèses électroniques ou des neuroprothèses.
Les prothèses électroniques permettent de gérer différentes phases de la marche afin de la rendre plus naturelle et plus confortable. [19].
La Neuroprothèse est un appareillage se rattachant au système nerveux. Ces prothèses neurologiques sont contrôlés indirectement par le cerveau; celui-ci envoie des signaux électriques naturels par le biais des nerfs (mouvements, réaction, sensibilité…) traduit et reproduit par la neuroprothèse [20].
L’électronique traditionnelle MOS sur wafer de silicium peut être résumée comme un assemblage d’un grand nombre de transistors MOS. Dela même manière, l’élément de base de l’électronique sur tout substrat est un transistor MOS appelé ici transistor en couches minces car formé d’une superposition de couches minces. Il est présenté dans le paragraphesuivant.
Transistors en couches minces
Les transistors en Couches Minces (TCM) autrement appelés Thin Film Transistors (TFT) sont des transistors à effet de champ. Ils sont formés par un dépôt successif de plusieurs couches minces (quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres) (voir figure I.8). Celles-ci généralement au nombre de trois sont : une couche métallique, une couche isolante et du semi-conducteur. La figure 1.8 présente un transistor en couches minces dans sa forme générale.
Pente sous le seuil
La pente sous le seuil est la valeur de la tension à appliquer à la grille pour augmenter le courant IDSd’une décade (dans le domaine des tensions inférieures à la tension de seuil). La valeur de ce paramètre correspond à l’inverse de la plus forte pente en échelle logarithmique de la fonction de transfert dans la zone de commutation. Cette grandeur s’exprime en V/dec et [21]traduit la facilité du canal à se former.
Le silicium amorphe
Le silicium amorphe (a-Si) représente le matériau silicium sous sa forme non cristallisée ou désordonnée. Dans sa forme cristallisée, chaque atome de silicium est entouré de quatre autres atomes de silicium et sont disposés selon la géométrie tétraédrique. Ainsi, la structure amorphe est caractérisée par un arrangement atomique qui ne conserve pas l’ordre à grande distance. Cependant, on observe un arrangement atomique ordonné à courte distance.
Il a le même ordre à courte distance que le Si cristallin mais il n’a plus d’ordre à grande distance. La corrélation entre les atomes se perd au-delà de quelques distances interatomiques.
A cause de la similarité de la structure à courte distance, plusieurs propriétés électroniques des matériaux amorphe et cristallin sont proches. La figure I.14 montre une comparaison entre la structure cristalline et la structure amorphe.
Les joints de grains
Les joints de grains délimitent les grains d’orientations différentes. Ils sont caractérisés par leurs épaisseurs et leurs densités de défauts. Ils peuvent être considérés comme étant du silicium amorphe hautement désordonné de gap comparable à celui d’un oxyde. Comme le silicium amorphe, les joints de grains contiennent une forte densité de liaisons pendantes qui introduisent des niveaux localisés dans la bande interdite. Les joints de grains sont le siège de centres pièges à grande activité électrique [29]. Ils sont aussi le siège d’une ségrégation des éléments dopants qui deviennent inactifs. Cet effetest plus important si le rayon atomique du dopant est grand par rapport au rayon atomique du silicium ou lorsque la densité en éléments dopants augmente.
Ainsi, la description du polysilicium n’est pas unique. Elle varie selon certains critères que l’on peut résumer comme suit :
– texture et taille des grains,
– densité de défauts intragranulaires et intergranulaires,
– rapport du volume cristallin sur le volume amorphe,
– porosité.
Ces paramètres dépendent totalement des conditions de dépôt et de post traitement du silicium (recuit, hydrogénation, etc) [30].
Le désordre induit par les joints de grains et la distorsion des liaisons entre les atomes de silicium provoquent une distribution des états électroniques. Cela se traduit par l’apparition d’états localises dans la bande interdite au niveaudes bandes de conduction et de valence sous forme de queues de bande. Les liaisons pendantes (liaisons non satisfaites) introduisent quant à elles deux états électroniques au milieu du gap.
Les grains peuvent être de différentes tailles. Leur qualité cristalline est fonction de la densité des défauts intragranulaires parmi lesquels les dislocations, les sous-joints et les macles. En présence de ces défauts, la structure debande du silicium peut être modifiée [30, 31].
La distribution des états dans la bande interdite du silicium polycristallin sera proche de celle observée pour le silicium amorphe [31]. Nous représentons sur la figure I.17 un exemple du profil des états introduits par les défauts dans la bande interdite.
Le silicium microcristallin
Le silicium microcristallin est apparu il y a plusieurs décennies déjà, à la fin des années 60. Ce matériau représente le matériau silicium sous une forme intermédiaire entre le polysilicium et le silicium amorphe. C’est un matériau hétérogène composé de grains de tailles allant de quelques nanomètres à environ 1 micromètre avec des orientations différentes [6, 36], avec une phase amorphe, du vide et de l’hydrogènefaiblement lié dans les joints de grains [37, 38]. Il constitue une alternative sérieuse pour remplacer dans la fabrication des composants en couches minces les deux types de silicium couramment utilisés (Silicium amorphe et silicium polycristallin) qui présentent plusieurs inconvénients [7]. Le silicium amorphe a un cout de fabrication relativement faible mais il reste un matériau instable et à mobilité d’effet de champ très faible (<1 cm²/V.s).Le polysilicium a de bonnes performances mais a un cout de fabrication plus élevé.
Le silicium microcristallin se dépose à basse température avec une méthode similaire à celle de l’amorphe [7, 13]. Il partage avec le silicium polycristallin les propriétés optiques, une rugosité de surface importante due à la présence de cristallites [39], et une stabilité potentielle vis-à-vis de la création de défauts métastables [40] . Pour comparer sa mobilité à celle des TFT amorphes, des travaux ont montré des mobilités importantes qui sont de l’ordre de 3 cm²/V.s avec une bonne stabilité en utilisant le nitrure de silicium déposé à 300°C [39] et des mobilités de l’ordre de à 7 cm²/V.s obtenuesavec l’oxyde de silicium [10]. La figureI.18 montre un exemple de la structure du silicium microcristallin à deux dimensions.
Masque 1 : Définition de la couche active
Durant cette phase du procédé, on définit le canal du transistor situé dans le silicium non dopé. C’est cette couche qui après photolithographie définit la couche active du transistor.
Une partie de la couche de silicium dopé est gravéejusqu’à la couche de silicium non dopée.
Cette gravure est réalisée dans un bâti de gravure ionique réactive Nextral NE 110. Le gaz réactif employé est l’hexafluorure de soufre (SF6). Le principe de cette gravure est basé sur la création d’un plasma (mélange complexe d’ions, d’électrons de molécules neutres) entre deux électrodes à l’aide d’une source radio fréquence fonctionnant à 13,56 MHz. Ces ions peuventréagir avec la surface de l’échantillon et former ainsi des produits volatils qui seront évacués par un système de pompage [2].
Masque 4 : Métallisation des contacts source, drain et grille
Cette dernière étape du procédé de fabrication débute par un dépôt d’aluminium d’environ 300 nm d’épaisseur. La métallisation est faite sous vide (10 -6 mbar) par évaporation par effet Joule, à partir d’un lingot d’aluminium. Celui-ci comporte 1% de silicium pour permettre une bonne adhésion ainsi que pour prévenir une possible migration du silicium.
Ensuite une étape de photolithographie et une gravure humide de la couche d’aluminium sont effectuées. Ceci permet donc de définir les contacts de source, de drain, et de grille voir figure 2.5.
Dépendance en température des paramètres électriques
Les TFTs, objets de la présente étude, sont destinés à construire une électronique fabriquée à basse température sur tout substrat et destinée à accompagner de nombreuses applications. Il est ainsi nécessaire de connaître leur comportement à différentes températures qui peuvent être des températures de fonctionnementde ces applications.
La figure II.7 présente les variations de la tension de seuil et de la mobilité des TFTs précédents sur une large gamme de température s’étendant de 123K (-150°C) à 383K (110°C). La tension de seuil se déplace vers les tensions négatives quand la température augmente. Ce résultat est conforme à ce qui est trouvé et modélisé pour les transistors MOSFETs [5, 6]. Le coefficient de température dVTH/dT aux températures supérieures à la température ambiante est de -11,5 mV/K comparés aux-4 mV/K des transistors MOSFETs et aux -36 mV/K des transistors au silicium amorphe [7]. La bonne fraction cristalline du silicium microcristallin induit ainsi un coefficient de température nettement plus faible que celui des transistors au silicium amorphe et nettement plus proche de celui des MOSFETs.
La mobilité augmente avec la température comme attendu pour des transistors dont la couche active contient du désordre, induisant des défauts électriques actifs. La valeur de la mobilité est plus déterminée dans ce cas par le piégeage dans ces défauts dont l’effet diminue quand la température augmente.
Stabilité des TFTs
La stabilité des TFTs est évaluée par le comportement de leurs paramètres électriques après une série de stress électrique. Le stress consiste à appliquer sur la grille une tension positive tout en court-circuitant la source et le drain pendant quelques heures. La figure II.8 présente les caractéristiques de transfert des TFTs ayant subit à température ambiante six heures de stress positif. La caractéristique est tracée par intervalle de 10 minutes durant la première heure puis par intervalle d’une heure jusqu’à 6 heures de stress.
Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active
Dans ce paragraphe, nous présentons une étude de l’effet de l’épaisseur de la couche active de silicium microcristallin non-dopé sur lestransistors précédents réalisés en structure Top-Gate. Les TFTs sont fabriqués en utilisant exactement le procédé de fabrication précédent. Ils ont la même structure, les mêmes géométries, les mêmes couches de silicium microcristallin dopé à l’arsenic et de 70 nm d’épaisseur servant comme zones de source et de drain et la même couche de nitrure de silicium de 300 nm d’épaisseur servant d’isolant de grille. La couche active des TFTs en silicium microcristallin non-dopé est déposée dans lesmêmes conditions que dans le procédé précédent. Enfin, les TFTs sont fabriqués simultanément. Ils ne diffèrent que par l’épaisseur de cette couche active. Ils ont ainsi une couche active d’épaisseur 30 nm ou 100nm ou 200 nm.
Caractéristiques de transfert de TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
Les caractéristiques de transfert de ces trois types de transistors sont représentées dans la figure II.13. Ces courbes représentent une moyenne des caractéristiques de transfert de 12 transistors identiques.
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Table des matières
Liste des illustrations
Liste des figures
Liste des tableaux
Glossaire
Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art et problématique
I.1 Introduction
I.2 Electronique fabriquée sur un substrat
I.2.1 Electronique pour pixels d’écrans plats
I.2.1.1 Ecran plat LCD à matrice active (AMLCD)
I.2.1.2 Ecran plat OLED à matrice active (AMOLED)
I.2.2 Electronique sur un substrat pour d’autres applications
I.3 Transistors en couches minces
I.3.1 Structure des TFTs
I.3.1.1 TFT à grille en dessous (Bottom-Gate)
I.3.1.2 TFT à grille au dessus (Top-Gate)
I.4 Principe de fonctionnement des TFTs
I.4.1 Etat bloquant
I.4.2 Etat passant
I.4.2.1 Régime saturé
I.4.3 Caractérisation des TFTs
I.4.3.1 Caractéristiques de transfert
I.4.3.2 Caractéristiques de sortie
I.4.3.3 Tension de seuil
I.4.3.4 Mobilité d’effet de champ
I.4.3.5 Pente sous le seuil
I.4.3.6 Rapport ION /IOFF
I.5 Matériau utilisé dans la fabrication des dispositifs électroniques d’adressage des pixels d’écrans plats
I.5.1 Le silicium amorphe
I.5.2 Le silicium polycristallin
I.5.2.1 Les grains
I.5.2.2 Les joints de grains
I.5.3 Le silicium microcristallin
I.5.3.1 Dépôt du silicium microcristallin par PECVD
I.5.3.2 Plasma de dépôt du silicium microcristallin par PECVD
I.5.3.3 Structure et processus de croissance du silicium microcristallin
I.6 Effet de l’épaisseur de la couche active sur les paramètres électrique des transistors
I.7 Conclusion
Références I
Chapitre II : Effet de la diminution de l’épaisseurde la couche active des TFTs à base de silicium microcristallin : étude expérimentale
II.1 Introduction
II.2 Structure et procédé de fabrication des transistors
II.2.1 Dépôt des couches
II.2.2 Masque 1 : Définition de la couche active
II.2.3 Masque 2 : Isolation des transistors
II.2.4 Masque 3 : Ouverture des contacts drain etsource dans l’isolant de grille
II.2.5 Masque 4 : Métallisation des contacts source, drain et grille
II.3 Caractéristiques des TFTs utilisant une épaisseur habituelle de 100 nm comme couche active
II.3.1 Paramètres électriques
II.3.1.1 Paramètres électriques à température ambiante
II.3.1.2 Dépendance en température des paramètresélectriques
II.3.2 Stabilité des TFTs
II.3.3 Conclusion sur les TFTs utilisant une épaisseur habituelle de 100 nm comme couche active
II.4 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active
II.4.1Caractéristiques de transfert de TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
II.4.2 Stabilité électrique des TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active
II.4.3 Conclusion sur la comparaison expérimentale des TFTs utilisant des épaisseurs différentes de couche active.
II.5 Conclusion
Références II
Chapitre III : Simulation électrique des transistors en couches minces sous SILVACO
III-1 Introduction
III-2 Matériel et méthodes
III-2.1 Outils de Simulation utilisés
III-2.1.1 Le logiciel de simulation technologique ATHENA
III-2.1.2 Le Logiciel de modélisation électrique ATLAS
III-2.2 Méthodes
III-2.2.1 Elaboration de la structure des TFTs à simuler
III-2.2.2 Modèle physique utilisé sous ATLAS pour la simulation des propriétés électriques des TFTS
1. L’équation de Poisson
2. Les équations de continuité des porteurs
3. Les équations de transport
Modèle de transport de dérive-Diffusion
III-2.2.3 Modèle physique du matériau silicium microcristallin utilisé pour la simulation des propriétés électriques des TFTs
III-3 Simulation électrique des transistors en couches minces en utilisant l’outil ATLAS à partir de SILVACO
III-3.1 Caractéristiques des TFTs
III-3.2 Effet de la variation de l’épaisseur de lacouche active
III-3.2.1 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active des TFTs en l’absence de défauts électriques (silicium monocristallin)
III-3.2.2 Effet de la variation de l’épaisseur de la couche active des TFTs contenant des défauts dans leur couche active en silicium
III-3.2.2.1 Effet sur le courant inverse
III-3.2.2.2 Effet sur la pente sous le seuil
III-3.3 Effet des interfaces isolant de grille-couche active (interface avant) et couche active-substrat (interface arrière)
III-3.3.1 Effet de la variation de la densité des états profonds à l’interface arrière (couche active – substrat)
III-3.3.2 Effet de la variation de la densité des états profonds à l’interface avant (couche active – isolant de grille)
III-4. Conclusion
Références III
Conclusion générale
