Transmission Electron Microscopy Study of Low-Temperature Silicon Epitaxy by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Farah Haddad
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Transmission electron microscopy study of low-temperature silicon epitaxy by plasma enhanced chemical vapor deposition Farah Haddad To cite this version: Farah Haddad. Transmission electron microscopy study of low-temperature silicon epitaxy by plasma enhanced chemical vapor deposition. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris Saclay (COmUE), 2016. English. NNT : 2016SACLX107. tel-01508918 HAL Id: tel-01508918 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01508918 Submitted on 15 Apr 2017 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. NNT : 2016SACLX107 THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY PREPAREE A “L’ECOLE POLYTECHNIQUE” ECOLE DOCTORALE N° 573 Interfaces : approches interdisciplinaires / fondements, applications et innovation Spécialité de doctorat : Physique Par Mme Farah Haddad Transmission electron microscopy study of low-temperature silicon epitaxy by plasma enhanced chemical vapor deposition Thèse présentée et soutenue à « Palaiseau », le « 14 décembre 2016 » : Composition du Jury : M. Gilles Patriarche DR CNRS, C2N Président Mme Sabine Lay-Dietrich DR CNRS, INPG-PHELMA Rapporteur M. Pierre Ruterana DR CNRS, ENSICAEN Rapporteur Mme Agnès Granier DR CNRS, IMN Examinatrice M. Jean-Luc Maurice DR CNRS, Ecole Polytechnique Directeur de thèse M. Pere Roca i Cabarrocas DR CNRS, Ecole Polytechnique Co-directeur de thèse iii Acknowledgment First and foremost, I thank God for providing me this opportunity and granting me the capability to proceed successfully. The present manuscript would not have been possible without the help, encouragement and support of many persons. I thank all of them and I present them all my gratitude. I am deeply grateful to all members of the jury for agreeing to read the manuscript and to participate in the defense of this thesis. Very special thanks go to Jean-Luc Maurice, my supervisor, for his kind guide, support, help, encouragement and… much more. I appreciate the freedom and confidence he provided me. He was always there to answer my questions and discuss whenever I needed. I express my gratitude to Pere Roca i Cabarrocas, my co-supervisor and the head of LPICM, for his constant encouragement and relevant advices, despite his very busy agenda; I admire his passion during scientific discussions. I would like to thank my colleague Prabal Goyal who made the growth experiments for me, he gave me a lot of samples to study and characterize and was always ready to make new ones with pleasure. I appreciate his honesty and care in our collaboration. I would like to thank Ronan Léal for his collaboration and for the growth experiments. I cannot forget Jean-Christophe Dornstetter who was ready to discuss about microcrystalline and epitaxial silicon at anytime. Thanks to him, I made a background on this topic during the beginning of my thesis. I confess he was my inspiration to do some studies. I would like to acknowledge Erik Johnson, Holger Vach and François Siva for their valuable discussions on some results. I would like to thank Martin Foldyna for his advices and coffee breaks. I express my gratitude to the CIMEX team, especially Ileana Florea, Pierre-Eugène Coulon, Eric Larquet and Mathias Kobylko for helping me working on the TEM when it had problems. I extend my sincere thanks to all members of LPICM, especially Huda Haddad, Paul Narchi, Mariam Ezzedine, Fatima Jardali, Fatima Bouaniss, Warda Hadouchi, Mutaz Al-Ghzaiwat, Angelo Grimaldi, Xin Yang Wang, Wanghua Chen, Loic Loisel, Bastien Bruneau and Romain Cariou for making LPICM a nice play to work. A special thank goes to Pierre Legrain (for his confidence and support), Michel Rosso, François Ozanam and Fouad Maroun, I will never forget their support during my first year of PhD. Without the support of my mother, my father, my brothers, and my parents-in-law, their prayer for me was what sustained me so far. I acknowledge their confidence and love. Finally, I would like to extend my warmest thanks to my lovely husband who is always supporting and encouraging me especially in the most difficult situations. Caring and tender, he is illuminating my life. iv Résumé Cette thèse s’intéresse à la croissance épitaxiale à basse température (~200°C) des couches minces de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), pour des applications aux cellules solaires. L’objectif de départ était de mieux comprendre cette croissance épitaxiale, en utilisant la microscopie électronique en transmission (MET) comme principal outil expérimental. Afin de réussir les observations MET en coupe, une étape d’amincissement est indispensable pour avoir un échantillon transparent aux électrons. D’abord, nous avons étudié les premiers stades de cette croissance épitaxiale en chimie tetrafluorure de silicium, hydrogène et argon (SiF4/H2/Ar) ou en chimie silane et hydrogène (SiH4/H2), en menant une série de dépôts courts – quelques dizaines jusqu’à quelques centaines de secondes – sur différents types de substrats. Nous avons utilisé comme substrats des wafers de Si (100), des wafers de Si (111), des wafers d’arséniure de gallium GaAs (100), des grilles MET de Si (100), ou des grilles MET de cuivre avec membrane de carbone amorphe). Nous avons établi une corrélation entre les images MET de coupes et de vues planes et les mesures d’ellipsométrie in-situ. Nous avons discuté les mécanismes de croissance en nous basant sur l’hypothèse de la croissance traditionnelle à base de radicaux et ions et l’hypothèse (relativement nouvelle) reposant sur la fonte des particules générées par le plasma au moment de l’impact avec le substrat. De plus, pour comprendre comment l’épitaxie par PECVD à basse température se maintient, nous avons étudié comment elle se brise ou se perd. Pour cela, des expériences de perte d’épitaxie ont été visées en augmentant soit la puissance de la source radiofréquence (RF), soit le flux d’hydrogène, pour une chimie SiF4/H2/Ar. Dans les deux cas, le mécanisme de brisure d’épitaxie fait intervenir des macles et des fautes d’empilement qui interrompent la configuration épitaxiale. Après avoir comparé nos résultats avec ceux de la littérature, nous proposons que la brisure d’épitaxie du silicium passe par une rugosification de surface (mise en évidence par le signal de l’ellipsométrie in-situ pour tous les échantillons ayant subi une brisure d’épitaxie) qui introduit les macles et les fautes d’empilement. Grâce à cette nouvelle compréhension de la brisure d’épitaxie, nous proposons quelques moyens pour maintenir l’épitaxie pour de plus grandes épaisseurs. En outre, nous avons observé une fascinante quasi-symétrie cinq dans les diagrammes de diffraction pour ces couches et aussi pour d’autres élaborées par un plasma de chimie SiH4/H2/HMDSO/B2H6/Ar. Nous avons attribué une telle symétrie à une brisure d’épitaxie par l’intermédiaire d’un maclage multiple. Nous avons développé une méthode d’analyse quantitative qui permet de : (1) discriminer les positions de maclage de celles du microcristal aléatoire dans les diagrammes de diffraction, (2) estimer v le nombre des opérations de maclage et (3) évaluer la contribution de chaque ordre de maclage. Nous avons aussi discuté quelques raisons probables pour l’incidence du maclage et du maclage multiple sous forme de symétrie cinq. La tendance du système à aligner les plans {111} presque parallèlement à l’axe de croissance nous semble un facteur majeur pour l’apparition d’une telle symétrie. Finalement, une importante réalisation pour le monde de la MET, durant ce travail doctoral, est l’optimisation de la préparation traditionnelle d’échantillon ou polissage par la méthode du tripode. Nous l’avons transformée d’une méthode longue et ennuyeuse en une méthode rapide qui devient compétitive par rapport à la technique du FIB relativement chère. Un des secrets de cette réalisation est la superposition de plusieurs échantillons dans un même sandwich (voire 4 échantillons au lieu de 2). Un autre secret est le polissage de la première face de plusieurs sandwiches (voire 4 sandwiches ou 16 échantillons) simultanément, alors que le polissage de la deuxième face de chaque sandwich est fait séparément (étape très critique et sensible) ; Ceci réduit énormément le temps d’amincissement d’échantillons. vi Contents Acknowledgment ........................................................................................................................... iv Résumé ........................................................................................................................................... v Contents ....................................................................................................................................... vii List of figures ................................................................................................................................... x List of tables ................................................................................................................................ xviii List of acronyms ..........................................................................................................................