Etude comparée de couches minces de silicium polycristallin dopé en vue d'applications piezorésistives
par Martine Le Berre
Thèse de doctorat en Electronique
Sous la direction de Pierre Pinard.
Soutenue en 1994
à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (laboratoire) .
mots clés-
Résumé
Le but de ce travail était de comparer les propriétés structurales, électriques et piézorésistives de différentes structures de type SOI (Silicon On Insulator), d'évaluer dans quelle mesure les conditions d'élaboration et les traitements de recuits ultérieurs influaient sur ces diverses propriétés, et enfin de modéliser la piézorésistivité de ce matériau. L'emploi de toute une série de moyens de caractérisation tels que la diffraction des rayons X sous incidence rasante, la microscopie électronique à transmission, le Raman, la réflectivité IR, la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS), les mesures par effet Hall et la mesure du facteur de jauge, nous a permis de caractériser des couches LPCVD et PECVD. Pour les couches LPCYD déposées polycrystallines puis recuites par voie conventionnelle ou par recuit rapide, les facteurs de jauge sont compris entre 25 et 40. Les propriétés électriques sont légèrement améliorées par le recuit rapide. Les couches PECYD déposées amorphes puis recuites présentent des propriétés électriques sensiblement améliorées par rapport aux couches LPCVD (résistivité, densité de pièges). Les facteurs de jauge restent cependant inférieurs (20-27) en liaison avec la plus faible taille de grain. Les couches directement déposées microcrystallines peuvent avoir des facteurs de jauge atteignant 28 à condition de présenter une texture favorable. Au moyen d'hypothèses de contraintes ou de déformations constantes, une modélisation originale de la piézorésistivité du silicium polycrystallin a été réalisée et a permis une comparaison jusqu'ici impossible. On constate que les facteurs de jauge calculés dans, l'hypothèse de contraintes constantes sont systématiquement inférieurs à ceux calculés dans l'hypothèse de déformations constantes. Pour le calcul des éléments de tenseurs moyennés, nous sommes parvenue, grâce aux propriétés des tenseurs d'ordre 4, à des expressions extrêmement simplifiées. Enfin, on note un bon accord entre les valeurs modélisées du facteur de jauge et les valeurs expérimentales.
-
Titre traduit
= Comparative study of doped polycrystalline silicon thin films for piezoresistive applications.
-
Résumé
The aim of this work was to compare structural, electrical and piezoresistive properties of SOI (Silicon On Insulator) type structures, to evaluate how deposition and annealing conditions may change these properties and to develop a theoretical mode! for the piezoresistivity. By means of grazing incidence X ray diffraction, transmission electron microscopy, Raman, IR reflectivity, secondary ion mass spectrometry, Hall effect and gauge factor measurement, we investigated LPCVD and PECVD thin films. Gauge factors of LPCVD thin films lay between 25 and 40. Rapid thermal annealing is found to slightly improve the electrical properties. Amorphous deposited and subsequently annealed PECVD films exhibit better electrical properties than all LPCVD films. However, gauge factors remain lower (20-27) related to a smaller grain size. PECVD microcrystalline films may attain a gauge factor of 28 in case of an advantageous texture. With a theoretical approach based on the hypotheses of constant strain or stress a new theoretical model is achieved which, for the first time, enables comparison. Gauge factors calculated in the hypothesis of constant stress are found to be lower than those calculated assuming constant strain. To calculate averaged tensor elements we used fourth rank tensor properties that lead to greatly simplified expressions. Lastly comparison between theory and experiment gives a reasonable agreement.
