C.2 Caractérisation de la composition chimique par XPS

L’étude de l’impact de la sur-gravure sur la composition chimique de surface des échantillons se fera en deux temps. Tout d’abord les échantillons gravés avec un plasma 100V seront caractérisés, puis ceux gravés à 400V.

Gravure plasma à 100V de bias

Pour comprendre les modifications induites par l’augmentation de la sur-gravure durant l’étape de gravure plasma, la stœchiométrie des échantillons a été caractérisée par XPS ex-situ avec une source Mg.

Les spectres Ga3d, Al2p, N1s, O1s et F1s sont similaires à ceux présentés précédemment (Cf. Figure 51) et leur déconvolution suit la même méthode que celle de la partie I.A.2 de ce chapitre. Ils ne seront donc pas présentés ici. Il est tout de même à noter qu’avec l’augmentation de la sur- gravure, les spectres Al2p ne présentent pas de décalage en énergie mais la composante Al-F augmente significativement pour les échantillons 50% et 150% (Cf. Figure 62).

Figure 62 : Spectres Al2p d'échantillons AlGaN après gravure de la passivation SiN par un plasma CF4 à 100V en fonction de la sur-gravure appliquée, mesurés par XPS avec une source

Mg et un angle de sortie de 80°.

La Figure 63 présente les compositions chimiques des échantillons après gravure, calculées par intégration des aires des spectres analysés. De 20% à 50%, le pourcentage d’aluminium et d’oxygène restent similaire avec des valeurs respectives autour de 13,86% et 19,57%. Les concentrations de gallium et d’azote diminuent sur la même gamme de sur-gravure. Le gallium diminue de 5,81% pour s’établir à 23,87% et l’azote diminue de 6,17% pour s’établir à 19,99%. Le fluor, quant à lui, voit sa concentration fortement augmenter de 12,58%. Entre les échantillons 50% et 150%, la stœchiométrie varie très peu pour tous les échantillons et les différentes concentrations sont très similaires avec des variations de moins de 1%.

I. Etude de l’impact électrique des paramètres plasma

Figure 63 : Composition chimique de surface d'échantillons d’AlGaN après gravure de la passivation SiN par un plasma CF4 à 100V en fonction de la sur-gravure appliquée, mesurée

par XPS avec une source Mg et un angle de sortie de 80°.

Ces résultats montrent que, pour une gravure réalisée à 100V, la stœchiométrie de surface se stabilise avec l’augmentation de la sur-gravure. De 20% à 50%, la composition chimique évolue avec une déplétion de l’azote et du gallium ainsi qu’une forte incorporation de fluor. Au-delà de 50%, le plasma n’a plus d’effet sur la stœchiométrie. La surface est saturée en fluor et en oxygène.

Les observations XPS réalisées sur les échantillons gravés par plasma 100V pour différentes sur- gravures ont mis en évidence un effet de saturation de la couche où l’incorporation de fluor, la déplétion d’azote et de gallium ainsi que l’oxydation de surface se stabilisent. Cette stabilité peut être due à la saturation de la couche d’AlGaN en fluor. Cette incorporation de fluor créés des liaisons principalement avec les éléments aluminium. Néanmoins, cette tendance ne concorde pas avec les résultats électriques obtenus par les mesures Rsheet (Cf. Figure 61) : les dégradations électriques observés pour cette gravure n’évoluaient pas avec la sur-gravure. Cela signifie que les modifications stœchiométriques observées, et notamment les modifications entre 20% et 50% de sur-gravure, n’aggravent pas les dégradations électriques. A 20%, les premières modifications sont observées, accompagnées de dégradation limitées. A 150%, les modifications ne sont pas assez importantes pour aggraver les dégradations électriques. La forte augmentation de fluor incorporé ne joue donc pas un rôle principal car la résistance du 2DEG n’augmentent pas en même temps.

Dans certain cas, l’influence de la stœchiométrie est donc limitée et ne peut expliquer seule la présence de dégradations électriques.

Gravure plasma à 400V de bias

Des échantillons d’AlGaN gravé à 400V pour différent temps de sur-gravure ont été analysés par XPS ex-situ. Les spectres ont été déconvolués suivant la même méthode que celle de la partie I.A.2 de ce chapitre et sont similaires à ceux présentés précédemment (Cf. Figure 51). Avec l’augmentation de la sur-gravure les spectres observés ne présentent pas de différence importante. Ils ne seront donc pas présentés ici.

La Figure 64 présente les compositions chimiques des échantillons post-gravure 400V avec différents temps de sur-gravure, calculées par intégration des aires des spectres Ga3d, Al2p, N1s, O1s et F1s analysés. Les trois échantillons présentent des stœchiométries similaires. Les pourcentages de fluor et d’aluminium ne présentent pas d’évolution significative. Leurs valeurs

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

respectives sont de 16,58% et 12,19% en moyenne sur les trois échantillons et ne présentent pas de variations supérieures à 0,8%. La présence d’oxygène et de gallium en surface des échantillons augmentent légèrement entre la gravure à 20% et celle à 150%. Le pourcentage d’oxygène augmente de 1,27% pour s’établir à 28,43% et celle de gallium augmente de 1,74% jusqu’à 27,11%. Finalement, la concentration d’azote diminue avec l’augmentation de la sur-gravure, de 18,17% à 16,31% soit une diminution de 1,86% entre l’échantillons 20% et celui à 150%.

Figure 64 : Composition chimique de surface d'échantillons d’AlGaN après gravure de la passivation SiN par un plasma CF4 à 400V en fonction de la sur-gravure appliquée, mesurée

par XPS avec une source Mg et un angle de sortie de 80°.

La composition chimique n’évolue pas de façon significative avec l’augmentation de la sur- gravure. L’augmentation de la présence d’oxygène et de gallium ainsi que la déplétion d’azote est faible, ne permettant pas de s’assurer d’une réelle tendance.

L’étude XPS de ces échantillons post-gravure 400V a montré qu’il n’y avait pas de variations de stœchiométrie avec l’augmentation de la sur-gravure. Or, les résultats électriques montrent bien une augmentation de la résistance du 2DEG. La stœchiométrie peut donc être ici écartée des sources principales de ces dégradations.

En résumé, dans le cas des échantillons 100V, les mesures XPS montrent un effet de saturation dans la modification chimique. La zone modifiée, à une épaisseur et une dose de dégradation données, contribue à une dégradation du 2DEG. Si la dose de dégradation augmente sans augmenter l’épaisseur de la zone modifiée, la contribution reste la même. Néanmoins, il a été observé dans la partie I.B.4 de ce chapitre une légère gravure de l’AlGaN pour 20% de sur-gravure du procédé CF4 100V. L’hypothèse est que le plasma mène à la saturation de la surface en fluor formant une couche d’arrêt composée d’AlF3 et que l’énergie du bombardement ionique n’est pas suffisante pour la retirer. Ainsi, l’AlGaN n’est pas gravé et son épaisseur reste stable. Une mesure d’épaisseur de l’AlGaN après gravure doit être effectuée pour valider cette hypothèse. De plus, à 100V, les détériorations physiques sont moins importantes du fait de l’énergie limitée des ions. La combinaison de ces deux facteurs fait que la dégradation électrique reste stable.

Dans le cas des échantillons 400V, il n’y a pas de modification stœchiométrique significative et linéaire accompagnant la dégradation électrique. Un autre mécanisme doit donc entrer en jeu. L’hypothèse mise en avant est qu’une pulvérisation de la couche d’AlGaN a lieu durant la sur-

I. Etude de l’impact électrique des paramètres plasma