Adaptation du procédé C-up pour une structure E-up

L’examen du procédé C-up (Cf. 3.3.1) montre qu’il peut être adapté à la fabrication de TBH E-up. Dans cette section, les deux modifications principales sont :

– La géométrie des sorties de contact

– L’utilisation du tungstène comme contact ohmique d’émetteur est décrite et discutée avant de décrire l’ensemble du procédé dans la section suivante (3.3.3)

3.3.2.1 Sorties de contact

Deux configurations de mesure électrique sont couramment employées : montage en émetteur commun ou en base commune. Afin de mesurer les TBH dans un montage de

Tungstene Ponts a air

FIG. 3.13: Schéma du transistor E-up visé avec quatre ponts à air dont deux ponts de base, un pont d’émetteur et un pont de collecteur.

lignes coplanaires, l’électrode de référence doit avoir deux sorties de contact distinctes. La figure 3.14 montre le schéma du transistor superposé avec le niveau de sortie de contact pour la configuration émetteur commun (a) et base commune (b). Une contrainte de notre jeu de masques existant (conçu pour C-up) est que les électrodes communes sont de part et d’autre de la longueur des dispositifs. De la figure3.14, nous observons que la configuration base commune possède des avantages par rapport à celle en émetteur com-mun :

– Dans la configuration émetteur commun, la résine de métallisation doit être alignée précisément dans la largeur du doigt d’émetteur dont la taille est inférieure à 1 µm. Comme nous utilisons la lithographie optique conventionnelle pour l’alignement de ce masque, cette contrainte rend l’alignement très difficile à réaliser.

– Dans la configuration base commune l’émetteur est contacté par sa longueur, ce qui d’une part réduit la contrainte d’alignement, et d’autre part permet une plus grande surface de contact. Une grande surface de contact permet d’augmenter la densité de courant par une meilleure thermalisation.













 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 B C E















































































































































































































































 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 











 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 E B C (a) (b)

FIG. 3.14: Sorties de contact pour configuration (a) émetteur commun (b) base commune. Une contrainte à notre jeux de masque existant est que l’électrode qui est commune doit être positionnée dans la longueur de dispositifs.

3.3.2.2 Motivation d’utilisation contact émetteur en tungstène

Le tungstène est employé au LPN depuis 1993 dans la fabrication de TBH auto-alignés à C-up dans lesquels il constitue un collecteur Schottky [Pel93]. Toutefois l’intérêt de son utilisation pour le contact ohmique d’émetteur dans un procédé auto-aligné a été démontré par Lahav [Lah89] au Laboratoire Bell AT & T en 1989.

Ainsi, comparé aux métallisations à base d’or qui sont déposées par lift-off, le tungs-tène doit être déposé par pulvérisation cathodique puis sélectivement gravé soit par voie chimique soit par voie sèche (RIE). Nous verrons par la suite qu’il est également pos-sible d’obtenir des profils rentrant permettant de maîtriser un procédé d’auto-alignement du contact de base sur la mesa d’émetteur.

De plus, le contact ohmique entre tungstène et InGaAs présente une très faible résisti-vité. De la mesure de TLM, nous avons constaté une résistance de contact entre W/InGaAs

dopé n⁺ cohérente avec les valeurs de la littérature.

D’autre part le tungstène possède un caractère réfractaire. Il est ainsi possible, si né-cessaire, de réaliser un recuit à haute température (jusqu’à 700^◦C [Lah89]). De même, ce contact supporte un échauffement pendant un fonctionnement à très forte densité de courant [Mat96a].

Enfin, la vitesse de gravure du tungstène est très inférieure ( 20×) à celle d’InGaAs et d’InP dans les solutions chimiques utilisées pour graver les semi-conducteurs [Dem01] [Mat96a]. Cette sélectivité facilite grandement le procédé puisque pendant la gravure du semi-conducteur, le tungstène peut être exposé, voire servir de masque. En résumé le contact d’émetteur en tungstène assure plusieurs rôles dans la fabrication des TBH auto-alignés :

– Bon contact ohmique. – Masque de gravure

– Auto-alignement du contact de base

– Aide à la constitution des ponts à air servant de sortie de contact.

3.3.2.3 Contact émetteur en tungstène pour procédé auto-aligné

Nous avons toutefois constaté une incompatibilité de l’utilisation du chapeau en tungs-tène tel qu’il est développé dans le procédé C-up. En effet, la définition du contact de tungstène en utilisant une RIE chlorée (Cf. Section 3.3.3 étape 1c-d) suivie par la sous-gravure chimique avec la solution à base de KOH entraîne un profil du tungstène avec un flanc sortant (Cf. Figure3.15). Ce flanc sortant pourrait amener à des courts-circuits entre l’émetteur et la base lors du dépôt du contact ohmique (étapes 5d et 6d décrits en 3.3.3).

Nous avons donc développé un nouveau procédé pour obtenir un contact de tungstène présentant des flancs inversés. Il s’agit principalement d’insérer une étape de gravure et de sous-gravure profonde (de l’ordre de 0.6 µm) de la couche semi-conductrice (InGaAs du contact émetteur) en dessous du tungstène, pendant l’étape de la sous-gravure chimique du tungstène. Celle-ci permet de dégager un espace suffisamment grand pour que la solution chimique puisse graver le tungstène selon plusieurs angles d’attaque (Cf. Fig. 3.16). En effet pour un temps de gravure correctement choisi un profil à flanc rentrant est obtenu (fig.

FIG. 3.15: Profil du tungstène réalisé avec enchaînement de la RIE chlorée suivie par la sous-gravure chimique. On constate un flanc sortant qui n’est pas compatible avec le pro-cédé E-up car il pourrait amener à des courts-circuits entre l’émetteur et la base lors du dépôt du contact ohmique.

3.16).

3.3.2.4 Optimisation du profil du contact en tungstène

Nous allons nous attacher à évaluer l’influence de la durée de la sous-gravure addition-nelle du tungstène sur le profil obtenu. Nous souhaitons maîtriser le profil du surplomb de tungstène pour deux raisons. Premièrement, la distance d entre le contact de base et la zone active (Cf. Fig.3.2) doit être minimisée car elle contribue de façon prépondérante à la résistance de base et par là aux performances du transistor ( f_MAX).

Deuxièmement, on souhaite avoir une hauteur h du surplomb qui soit maximale afin de pouvoir déposer des métallisations (contact ohmique et ponts à air) épaisses. Ceci est néces-saire pour permettre la réduction des résistances électriques (contribution aux résistances d’accès R_e, R_b, R_c) et thermiques (thermalisation de la partie supérieure du transistor).

Les figures 3.17 montrent l’évolution du profil du tungstène en fonction du temps de sous-gravure additionnelle du tungstène réalisée après la sous-gravure d’environ 0.6 µm de la couche en InGaAs.

Sur un même échantillon des contacts en tungstène sont réalisés jusqu’à l’étape précé-dant la gravure finale du tungstène permettant d’obtenir les flancs rentrants. L’échantillon est ensuite clivé de façon à réaliser sur chacun des morceaux l’étape de gravure finale pen-dant un temps variant de 0 à 40 s. Après retrait de la résine une fine couche d’or est déposée par évaporation sous vide (procédé anisotrope) afin de projeter le bord du contact de

tungs-(a)

(b)

(c)

FIG. 3.16: Enchaînement du procédé permettant d’inverser le flanc de tungstène. Dans toutes les figures on garde le masque en résine. (a) Flanc sortant après l’étape de la gra-vure sèche suivie par la sous-gragra-vure chimique. (b) Etape de gragra-vure et de sous-gragra-vure profonde de la couche en InGaAs (c) Flanc rentrant obtenu après la sous-gravure chimique additionnelle du tungstène.

t= 0s

t= 10s

t= 20s

t= 30s

t= 40s

FIG. 3.17: Evolution du flanc de contact en tungstène en fonction de la durée de sous-gravure additionnelle.










 








 InGaAs Ex−tungstene

Region externe (Mesa de base) dlong

d

FIG. 3.18: Mesure des dimensions latérales d (entre bord externe du chapeau de tungstène et bord du mesa en InGaAs). Après la sous-gravure additionnelle du tungstène (ici t = 20 s) une fine couche d’or a été déposée (marque par projection des bords du tungstène) puis la couche de tungstène a été entièrement décapé pour faire apparaître le mesa en InGaAs.

tène sur la surface du semi-conducteur. Après décapage complet du tungstène, la surface de l’échantillon au voisinage d’un dispostif présente trois régions (fig.3.18), qui sont :

– Mesa de la couche d’InGaAs

– Région intermédiaire (projection du bord du tungstène)

– Région métallisée externe (dont la dimension est définie avec la lithographie “niveau 1” mesa de base).

La distance d cherchée est alors mesurée au MEB sur chaque dispositif entre le bord interne du dépôt d’or et le bord externe du mesa en InGaAs (Figure3.18).

me--0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 5 10 15 20 25 30 35 Di sta n ce entre W et In G aAs ( µ m)

Temps de sousgravure additionelle du W (s) Distance laterale (en largeur)

Distance laterale (en longueur)

Distance vertical

FIG. 3.19: Distances latérales et verticales entre les couches d’InGaAs et de tungstène en fonction de la durée de la sous-gravure additionelle.

sures sur 8 transistors de dimensions différentes) en fonction du temps de sous-gravure additionnelle de la couche de tungstène. Deux distances latérales sont présentées ; celle mesurée dans le sens de la largeur et celle mesurée dans le sens de la longueur du transis-tor. On note que les barres d’erreur associées à ces deux mesures se superposent, même si les valeurs moyennes montre une distance latérale plus petite en largeur qu’en longueur. Ceci peut être dû aux effets de bords plus importants perpendiculairement à la longueur de dispositif. Nous concluons que les deux distances latérales sont égales à la précision de notre expérience.

Nous constatons que la distance latérale d tend à s’annuler pour des durées supérieures à trente secondes de sous-gravure. Comme une distance verticale supérieure à 0.4 µm est suffisante pour notre procédé, car elle permet un dépôt de ponts à air avec une épaisseur de 0.3 µm, nous avons fixé le temps de sous-gravure additionnelle du tungstène à vingt deux secondes. Les distances attendues sont d = (0.2 ± 0.1) µm en largeur et d = (0.3 ± 0.1) µm en longueur.