A.2 Caractérisation de la composition chimique par XPS

Pour comprendre les modifications induites par les différents gaz et pour pouvoir identifier celles responsables des dégradations électriques, la stœchiométrie des échantillons a été caractérisée par XPS ex-situ avec une source Mg.

Pour cette étude, la déconvolution des pics a principalement été effectuée au regard des travaux de Gonzalez-Posada et al. [1] tout en s’appuyant sur d’autres publications [2]–[6]. La Figure 46 représente des spectres Ga3d, Al2p, N1s, O1s et F1s de l’AlGaN après les gravures SiN par différentes chimies de plasma. Les spectres Ga3d sont décomposés en trois doublets positionnés en 19,36 ±0,07eV, en 20,12 ±0,06eV et en 21,02 ±0,04eV, correspondant respectivement aux liaisons Ga-N, Ga-O et Ga-F. Pour les spectres Al2p, trois doublés sont identifiés. Les déconvolutions positionnées en 73,50 ±0,05eV, en 74,91 ±0,08eV et en 75,79 ±0,11eV sont assignées respectivement aux liaisons Al-N, Al-O et Al-F. Sur les spectres N1s, trois composantes sont observées à 396,99 ±0,02eV, à 398,05 ± 0,09eV et à 400,32 ±0,25eV. La première composante

Chapitre III - Étude des mécanismes de dégradation de l’AlGaN lors de l’ouverture de la passivation en nitrure de silicium

correspond aux liaisons N-(Ga, Al) et les deux autres à des liaisons N-O, pour différents degrés d’oxydation. La déconvolution des spectres O1s est plus difficile et le positionnement des pics peuvent différer selon les états d’oxydation des éléments. Trois composantes sont observées en 530,99 ±0,14eV, en 532,37 ±0,12eV et en 534,16 ±0,14eV, et sont assignés aux liaisons O-Ga, O- Al et O-N. Enfin, les spectres F1s sont décomposés en deux composantes en 686,37 ±0,10 et 684,89 ±0,09eV pour les liaisons F-Al et F-Ga.

Les spectres ne présentent pas de décalages en énergie significatifs en fonction des chimies de plasma utilisées. Néanmoins des différences sont présentes dans les ratios entre les différentes composantes, notamment pour les pics Al2p et F1s qui présentent les plus grandes variations. Ainsi, le spectre Al2p après une gravure CF4 présente une composante Al-F plus importante que les spectres des autres chimies. Les spectres des chimies CF4/He et CF4/CH2F2/O2/He présentent des enveloppes privilégiant les composantes Al-O. Pour les spectres F1s, l’échantillon après gravure par CF4 présente une composante F-Al plus forte en comparaison aux autres spectres.

I. Etude de l’impact électrique des paramètres plasma

Figure 46 : Spectres Ga3d, Al2p, N1s, O1s et F1s d'échantillons AlGaN après gravure de la passivation SiN en fonction des chimies du plasma, mesurés par XPS avec une source Mg et un

angle de sortie de 80°.

La Figure 47 présente les compositions chimiques des échantillons après gravure en fonction des chimies de plasma étudiées, calculées par intégration de l’air du spectre de chaque élément. A titre de comparaison, un échantillon AlGaN nu, c’est-à-dire sans passivation, est analysé. Une différence structurelle existe entre un AlGaN sans passivation et un AlGaN passivé pendant l’épitaxie [7]. La présence de passivation stabilise l’AlGaN, une différence stœchiométrique en surface peut aussi être envisagée. Malheureusement, l’épaisseur de SiN et la présence abondante

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d’azote empêche d’effectuer une mesure claire de la composition de surface de l’AlGaN sous la passivation. C’est pourquoi, malgré les incertitudes, un AlGaN nu sera utilisé pour la comparaison. La comparaison des échantillons post gravure à l’AlGaN nu met en évidence la forte déplétion en azote par le plasma. De 36,8%, le pourcentage de d’azote diminue jusqu’à 20,5% en moyenne. L’échantillon de référence présente aussi plus de 10% d’oxygène et moins de 4% de fluor en surface. La présence de l’oxygène est due à l’oxyde natif de surface. Le fluor peut être une contamination provenant de la manipulation des échantillons. Après les plasmas, les concentrations en Ga, Al et N, en fonction des chimies, restent similaires autour de 24,90%, 13,42% et 20,48%, respectivement. La concentration en F présent en surface est la plus importante à 24,88% avec la chimie CF4. Cette incorporation diminue à 21,81% avec l’ajout de CH2F2/O2 dans le plasma et à 22,6°% avec l’ajout d’He avec le CF4. Le taux le plus bas est situé à 19,79% avec l’utilisation de la recette standard complète, soit plus de 5% en dessous du taux mesuré avec seulement du CF4 dans le plasma. Finalement, la concentration en oxygène est similaire pour les quatre échantillons, allant de 17,82% pour la chimie CF4 à 19,88% pour les chimies présentant de l’He. La chimie présentant de l’O2 sans He se situe entre les deux valeurs à 18,14%.

Figure 47 : Composition chimique de surface d'échantillons d’AlGaN après gravure de la passivation SiN en fonction des chimies du plasma, mesurée par XPS avec une source Mg et un

angle de sortie de 80°.

Une première observation est que les échantillons présentent tous une déplétion en azote. Le rapport N/(Al+Ga) est initialement proche de 80%, indiquant que l’AlGaN est proche d’être constitué pour moitié d’azote et pour moitié d’aluminium et de gallium. Après gravure, ce rapport tombe à un peu plus de 50%. L’azote n’est donc plus le composant majoritaire devant l’aluminium et le gallium. Cette déplétion est le résultat d’une gravure préférentielle des atomes d’azote par le plasma. Ce phénomène s’explique par la faible masse de cet élément et par la volatilité des produits de réaction azotés [8]. De plus, après plasma, l’oxydation de surface est augmentée. Cette augmentation peut être due à plusieurs facteurs. Pour la chimie CF4/He, à cause de l’absence d’O2

I. Etude de l’impact électrique des paramètres plasma

parmi les gaz du plasma, la présence d’oxygène est due soit à une contamination provenant des parois du réacteur, soit à une oxydation due à la remise à l’air après la gravure. La déplétion d’azote observée précédemment participe à cette oxydation en laissant des liaisons pendantes de Ga qui réagissent facilement avec l’oxygène ambiant [9].

La comparaison de ces modifications stœchiométriques aux résultats de Rsheet ne permet pas de dégager de tendance. La valeur de résistance augmente avec l’ajout de gaz et particulièrement avec l’ajout d’He. La composition chimique, quant à elle, ne montre pas de modification significative dans ce sens. Il est à noter que le Rsheet augmente alors que l’incorporation de fluor diminue. Cette observation n’est pas en accord avec les résultats présents dans la littérature (Cf. Chapitre I -V.A.2). Les résultats des caractérisations stoechiométriques n’apportent pas de raisons majeures permettant d’expliquer les dégradations électriques observées lors des mesures Rsheet. Le changement de composition chimique durant la gravure plasma, et notamment l’incorporation de fluor, n’est pas le facteur principal responsable de la résistance du 2DEG. D’autres sources de dégradation doivent donc être recherchées afin de comprendre en quoi l’ajout d’hélium dans le plasma favorise l’augmentation du Rsheet. C'est ce qui est fait dans les sections présentées ci-dessous.