Development of an original model for the synthesis of silicon nanodots by Low Pressure Chemical Vapor Deposition

Using the Computational Fluid Dynamics code Fluent, a simulation model of an industrial Low Pressure Chemical Vapor Deposition reactor has been developed for the synthesis of silicon nanodots from silane SiH4 on silicon dioxide SiO2 substrates. A comparison between experimental and simulated deposition rates has shown that classical kinetic laws largely over-estimated these deposits. So, an original heterogeneous kinetic model is proposed as a first attempt to quantify the temporal evolution of deposition rates and of surface site numbers, as a function of operating conditions and of the chemical nature of substrate sites, for the early stages of silicon deposition. Contributions of silane and of the homogeneously born silylene SiH2 to nucleation and growth have been considered on different surface sites, silanol Si–OH, siloxane Si–O–Si and fresh silicon bonds. Simulations have revealed that for the conditions tested, the classical heterogeneous kinetic laws over-estimate, by more than 60%, silicon deposition during the first stages. The assumption that silylene and more largely all the unsaturated species formed in the gas phase contribute in priority to nucleation has been validated. Nucleation appears as a mandatory step to form the first fresh Si sites to allow deposition to occur from silane via growth phenomena

Fabrication et caractérisation de nanocristaux de silicium localisés, réalisés par gravure électrochimique pour des applications nanoélectroniques

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques

Synthèse par implantation ionique, adressage,\ud caractérisations électriques et optiques\ud d’un nombre réduit de nanocristaux de Si dans SiO2

Ce travail est consacré à la synthèse localisée et contrôlée de nanocristaux de Si\ud dans une couche de SiO2 (<10 nm) par deux techniques d’implantation ionique.\ud D’une part, l’implantation ionique à basse énergie (1keV) suivie d’un recuit\ud thermique (ULE-II) permet d’élaborer un plan de nanocristaux dans une couche\ud d’oxyde, d’autre part l’ULE-II couplée à la lithographie stencil (méthode originale SMULE-\ud II) permet de les synthétiser localement et de contrôler leur nombre.\ud Les caractérisations par MEB, AFM, EFTEM, spectroscopie de\ud photoluminescence permettent l’étude structurale des nanocristaux (taille, forme,\ud densité, position dans l’oxyde, caractéristiques des zones implantées localement…).\ud Puis, des capacités MOS de taille micro à nanométrique en adressent un certain nombre\ud (grand 108 à réduit 50). Les études I-V et I-t réalisées à température ambiante mettent en\ud évidence des effets de chargement collectif (nanocristaux adressés en grand nombre ou\ud connectés) et discret (nanocristaux en faible nombre (<200) ou formés localement et\ud oxydés). Un modèle électrique permet de corréler les caractéristiques électriques et\ud structurales. De plus, les études I-V réalisées à basse température et les mesures KFM\ud confirment que les charges sont certainement stockées préférentiellement dans les\ud nanocristaux. Pour finir, les effets de stockage de charge des mesures C-V confirment\ud l’intérêt des nanocristaux de Si (élaborés par ULE-II ou SM-ULE-II) pour des\ud dispositifs mémoires non volatiles, et les électrodes transparentes (ITO et ZnO)\ud prouvent qu’il sera possible de les exciter optiquement et de les adresser électriquement\ud afin de réaliser des dispositifs électro-optiques.------------------------------------------------------------------This work is dedicated to the localized synthesis of a controlled number of Si\ud nanocrystals into SiO2 layer, by two ion implantation methods.\ud On the one hand, the ultra low energy ion implantation followed by thermal\ud annealing (ULE-II) leads to create a two dimensional array of nanocrystals ; On the\ud other hand, the original SM-ULE-II method where ULE-II is performed through a\ud stencil mask leads to fabricate localized areas of Si nanocrystals while controlling their\ud number.\ud Characterizations by SEM, AFM, EFTEM, photoluminescence spectroscopy\ud allow studying the structural properties of the nanocrystals (size, density, shape,\ud localization into the oxide, implanted areas characteristics, ..). Then, a reduced number\ud of nanocrystals elaborated by ULE-II (108 to 50) or SM-ULE-II is addressed by a micro\ud to nanometer MOS capacitor. Room temperature I-V and I-t measurements exhibit\ud collective charging effects (large number of nanocrystals addressed or connected\ud nanocrystals) and discrete charging effects (a few number of nanocrystals or\ud nanocrystals elaborated by SM-ULE-II and oxidized). An electrical model relates the\ud electrical and structural properties. I-V characterizations realized at low temperature and\ud KFM measurements confirm charge storage essentially into nanocrystals. C-V curves\ud prove that nanocrystals are attractive to non volatile memory applications, and using\ud transparent electrode (ZnO or ITO), nanocrystals can be optically excited and\ud electrically addressed in order to create electro optical component