Résumé en français / Résumé en anglais

Les microtechnologies permettent aujourd'hui de réaliser différents types de capteurs dont un domaine d'application émergeant est la caractérisation électrique et mécanique des cellules biologiques pour la détection précoce de pathologies. <br /><br />Dans ce contexte, le but du travail présenté est de proposer un capteur de force dont l'axe sensible se trouve dans le plan, et dont l'information de sortie soit une grandeur électrique. Les structures conçues mettent ainsi à profit l'effet piezo-résistif au sein de jauges en silicium, dont l'architecture a été spécialement mise au point pour obtenir des sensibilités de l'ordre de 10 N-1 sur cet axe.<br /><br />La modélisation et l'optimisation des performances ont conduit à la fabrication de jauges d'architecture compacte et originale réalisées sur deux niveaux de polysilicium implanté de bore, et encapsulé dans trois couches de nitrure peu contraint, le tout implémenté sur une couche de SOI. Le procédé de fabrication a été spécialement mis au point. Par ailleurs, l'influence de l'erreur d'alignement entre la jauge et la poutre d'épreuve a été étudiée et vérifiée lors des tests.<br /><br />Les sensibilités obtenues avec des jauges de 170 ?m de long et 6,5 ?m de large sont de l'ordre de 30.10-6 ?N-1. Les applications mettant en œuvre ce type de dispositif sont nombreuses et les performances, comparables aux leviers AFM, font de cette configuration de jauge une structure à fort potentiel pour être utilisée pour d'autres applications.

Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.

L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l'irradiation par laser continu de forte puissance d'un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l'interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l'outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l'impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d'irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l'irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d'impuretés tels que l'hydrogène ou l'argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s'opère par épitaxie à partir d'un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L'optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu'à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque.

This work deals with the development of vertical thin film transistors (VTFTs) via the fabrication processes and the analysis of the electrical characteristics. The low-temperature (T ≤ 600°C) polycrystalline silicon technology is adopted in the fabrication processes. The first step of the work consists in the fabrication and characterization of VTFTs obtained by rotating the lateral thin film transistors (LTFTs) 90°. The feasibility of VTFTs fabrication is validated with an ION/IOFF ratio of about 10³, and it is analyzed that the large overlapping area between source and drain leads to a large off-current IOFF. The second step of the work lies in the partial suppression of the large overlapping area, and therefore, an ION/IOFF ratio of almost 10⁵ is obtained. The third step of the work deals with the proposal of a new VTFT structure that absolutely eliminates the overlapping area. Different improvements have been made on this new VTFT structure, especially by optimization of the following parameters: the active layer thickness, type and thickness of the barrier layer, and the geometric dimension. The optimized transistor highlights an ION/IOFF ratio of higher than 10⁵ with a reduced off-current IOFF, high stability and good reproducibility. P and N-type VTFTs have also been fabricated and showed symmetrical electrical characteristics; they are thus suitable for CMOS-like VTFT applications.

Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes. / This work aims to provide knowledge on electrical properties of thin-film transistors(TFTs) based on polymorphous silicon (pm-Si: H), and on polymorphous material structure.We also focused on a new method of crystallization of amorphous silicon layer by laserinterferometry, which has great potential for the development of active matrix flat paneldisplays based on polysilicon.We first identified a lower OFF current in TFTs based on pm-Si: H than inmicrocrystalline silicon (μc-Si: H) TFTs. Our studies have also shown that pm-Si: H TFTs donot present oxygen contamination during the fabrication process, which is a problemencountered in the fabrication of μc-Si:H TFTs. We then studied the threshold voltage shift ofpm-Si:H TFTs under electrical stress. We have found results similar to those observed inamorphous silicon TFTs (a-Si:H), namely, defects creation in the active layer which isresponsible for the threshold voltage shift (ΔVT) for low gate voltage and short times stress,and charge trapping in the gate silicon nitride is responsible for ΔVT for high gate voltage andlong time stress. We also shown that pm-Si:H TFTs are more stable under electrical stressthan a-Si:H TFT.In a second step, the structural analysis of thin films of pm-Si: H revealed the presence ofcrystallites about few nanometers in the polymorphous layer. Similarly, we isolated the X-raydiffraction signal of polymorphous layer and revealed a structural organization at larger rangethan in amorphous silicon layer, which is consistent with the results of electrical stress.Finally, we studied a method of crystallization of a-Si by 4-beams laser interferences. Weobserved a periodic structure of the layer in a face-centered cubic system. TEM observationsshowed that the layer was well crystallized. SEM observations after revelation of grainboundaries showed what appears to be a network of μc-Si seed with a pitch of 652 nm and thepresence of a continued layer of grains and grain boundaries between these seeds.

Pour les futures applications en télécommunications 5G, des substrats à base de silicium présentant une faible perte de signal et une excellente linéarité sont nécessaires. Parmi les solutions envisagées, la technologie RF-SOI est la plus avancée. Son empilement contient une couche de Haute Résistivité (HR), riche en pièges pour les porteurs de charges, composée de silicium polycristallin (poly-Si) de haute pureté déposée sur l’oxyde natif d'un substrat HR (HR-Si). Ce système présente certaines limitations provenant essentiellement de l'interface HR-Si/SiO2 et de sa stabilité thermique, mais également de la résistivité insuffisante de la couche riche en pièges. L'objectif principal de cette thèse était d'explorer des approches innovantes pour résoudre ces difficultés tout en restant compatible avec la technologie silicium. Afin d’atteindre ces objectifs, du carbone a été ajouté dans le système au cours des différentes étapes d'élaboration: i) remplacement de la couche interfaciale de SiO2 par une couche mince de 3C-SiC et ii) ajout de carbone pendant le dépôt de poly-Si.En utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique, des couches HR de poly-Si à l'état de l'art ont été déposée sur oxyde natif avec une épaisseur pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de µm. Les résultats ont montré que la résistivité de la couche de poly-Si n'était pas directement dépendante de la taille moyenne des grains. Le remplacement de l'oxyde interfacial par une couche mince de mono- ou de poly-SiC, ainsi que l'adaptation des conditions de croissance ont permis d'atteindre des propriétés équivalentes à l'état de l'art des couches HR de poly-Si. Cet empilement a l'avantage d'être plus stable thermiquement en évitant la dissolution de la couche interfaciale. Cependant, ces améliorations sont accompagnées d’une chute de la résistivité à l’interface attribuée à la conductivité importante du matériau SiC. Par ailleurs, les propriétés de la couche HR et sa stabilité thermique peuvent être améliorées en dopant le poly-Si avec du Carbone, si une concentration adéquate de cette impureté est utilisée. L'insertion périodique de couches minces de SiC dans le poly-Si conduit à la stabilité thermique la plus élevée et à une augmentation de la résistivité moyenne de la couche. Néanmoins, des diminutions périodiques de la résistivité sont observées à chaque insertion de SiC / For future 5G telecommunication applications, Si-based substrates with low signal loss and excellent linearity are required. Among the envisaged solutions, RF-SOI is the most advanced. Its stack contains a High Resistivity (HR) Trap-Rich (TR) layer composed of high purity polycrystalline silicon (poly-Si) deposited on thin SiO2 native oxide of a HR-Si substrate (HR-Si). Some limitations of such system come from the HR-Si/SiO2 interface and its thermal stability, while increasing the resistivity of the TR-layer is also suited. The main objective of this thesis was to explore innovative approaches for solving these difficulties while staying Si-compatible. Towards this end, carbon was added in the system at different elaboration stages by i) replacing the SiO2 interfacial layer by 3C-SiC and by ii) C-engineering of the poly-Si layer during deposition.Using Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition technique, state-of-the-art poly-Si TR-layers were grown on native oxide with thickness up to few tens of µm. It was found that the resistivity of the poly-Si was not directly dependent on the average grain size. Replacing the interfacial oxide by a thin mono- or poly-SiC layer and adapting the growth process allowed reaching equivalent properties of the poly-Si with the benefit of superior thermal stability by avoiding the interfacial layer dissolution. But it is accompanied by the presence of a resistivity drop at the interface due to the conductivity of the SiC material. By doping the poly-Si with C, both the TR-layer properties and thermal stability can be improved when adequate concentration of this impurity is used. Periodic insertion of thin SiC layers inside the poly-Si led to the highest thermal stability and an increase of the layer mean resistivity while periodic resistivity reductions were observed at each SiC insertion

L’objectif de ce travail de thèse est l’élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l’irradiation par laser continu de forte puissance d’un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l’interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l’outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l’évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l’impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d’irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l’irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d’impuretés tels que l’hydrogène ou l’argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s’opère par épitaxie à partir d’un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L’optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu’à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque. / The objective of this thesis is the elaboration of polycrystalline silicon, on borosilicate glass substrate, by a Continuous Wave laser annealing of amorphous silicon operating in the liquid phase regime. Numerical simulations of the laser-amorphous silicon interaction have been carried out using COMSOL tool. We were able to monitor the evolution of the heat transfer in the different laser irradiated Si/glass structures. Thus, we have evaluated the effects of experimental parameters such as the scan speed, the laser power, the substrate temperature on the phase transition thresholds (melting, crystallization, evaporation). The modeling data were compared to the experimental data obtained on laser irradiated amorphous Si films, and the results were thoroughly discussed. In a second part, we have investigated the structural and morphological properties of polysilicon films prepared by CW laser irradiation of different amorphous silicon. We have shown that the presence of impurities such as hydrogen or argon in the amorphous silicon affects strongly the quality of the formed polysilicon film. We also found that the Si crystal growth occurs epitaxially from lateral and longitudinal thermal gradient produced respectively by the laser beam profile and thermal conduction, and by thermal convection in the scanning direction. The optimization of the experimental procedure led to the formation of polysilicon films with large grains up to several hundred microns long and tens microns in width. Such materials are of great interest to electronic and photovoltaic devices.