Conclusion de l’´ etude de la m´ etallisation Ti/Al sur substrat AlGaN

La figure 4.57illustre le bilan des r´eactions et des transformations morphologiques que subit la m´etallisation Ti/Al (95/200 nm) sur substrat AlGaN le cas d’un recuit en deux ´

etapes `a T=600+900◦C sous atmosph`ere N₂. En comparaison avec le cas du substrat SiN_x, la m´etallisation subit des r´eactions similaires `a T=600◦C et diff´erentes dans la deuxi`eme partie du recuit `a T=900◦C. Dans la suite, nous faisons le bilan de ces r´eactions pour chacune des ´etapes du recuit `a T=600◦C et T=900◦C.

Figure 4.57: Sch´ema-bilan des r´eactions dans le cas de la m´etallisation Ti/Al (95/200nm) sur substrat AlGaN lors des deux phases de recuits `a T=600◦C et

T=900◦C.

A T=600◦C, les couches de titane et d’aluminium r´eagissent pour former principalement du TiAl₃. Cette phase appartient `a l’´equilibre thermodynamique attendu tout en ´etant cin´etiquement favorable. Le titane en exc`es est utilis´e dans la formation d’une couche de Ti-Al-N `a l’interface avec la couche AlGaN. Nous supposons que cette couche est un temps form´ee du compos´e Ti₃Al comme dans le cas sur substrat SiN_x. Ce compos´e n’est pas pr´edit thermodynamiquement mais du point de vue cin´etique, il offre un compromis entre vitesse de formation et gain ´energ´etique.

La diffusion de l’azote depuis le substrat AlGaN est mise en ´evidence d`es T=600◦C. Le flux d’azote est cependant moins ´elev´e que dans le cas sur substrat SiN<sub>x</sub>. Nous supposons qu’il permet de former une phase Ti<sub>3</sub>Al(N) mais que la plus faible intensit´e du flux empˆeche la saturation en azote de cette phase et la formation de Ti<sub>3</sub>AlN. A T=900◦C, la couche Ti-Al-N r´eagit avec la couche de AlGaN. Il en r´esulte une consom- mation partielle de la couche de AlGaN et la disparition des grains identifi´es comme du Ti<sub>3</sub>Al(N). Le m´ecanisme de cette r´eaction n’a pu ˆetre clairement ´etabli. La nouvelle couche Ti-Al-N est plus fine, continue, uniforme en ´epaisseur et plus riche en azote qu’`a T=600◦C.

Par ailleurs, en surface de l’´echantillon, la couche de TiAl₃ a partiellement r´eagit avec l’atmosph`ere N₂. Les compos´es Ti₂AlN et β-AlN font probablement partis des produits de cette r´eaction et forme une couche Ti-Al-N non continue.

Du point de vue technologique, les r´eactions observ´ees entre la m´etallisation et la couche AlGaN aux deux ´etapes du recuit peuvent ˆetre analys´ees dans le contexte de la formation d’un contact ohmique. Notre ´etude met en ´evidence la diffusion de l’azote depuis le substrat AlGaN d`es T=600◦C. Il en r´esulte la cr´eation de lacunes d’azote favorable `a la formation d’un contact ohmique, ce qui offre des perspectives dans l’optique d’un proc´ed´e de “basse” temp´erature. Toutefois, la formation de lacunes ne s’accompagne pas de la consommation de AlGaN ou de la formation d’un compos´e nitrure `a faible travail de sortie `a l’interface.

A T=900◦C, la r´eaction entre la m´etallisation et la couche AlGaN permet la formation de lacunes d’azote dans AlGaN, la consommation d’une partie de cette couche et peut- ˆ

etre la formation de TiN au faible travail de sortie `a l’interface. L’ensemble des trois facteurs favorables `a la formation d’un contact ohmique est ainsi acquis. Cela explique l’usage r´epandu de cette gamme de temp´erature dans les recuits de formation du contact ohmique.

4.6

Conclusions de l’´etude des r´eactions entre la m´etallisation

Ti/Al et les substrats nitrur´es

Au cours de ce chapitre, nous avons ´etudi´e les r´eactions physico-chimiques entre plu- sieurs empilements Ti/Al, diff´erents substrats nitrur´es et deux recuits diff´erents : 300s `

a 600◦C et 300s `a 600◦C + 60s `a 900◦C. Les deux empilements m´etalliques ´etudi´es sont Ti/Al (75/245 nm), dit Al-rich, et Ti/Al (95/200 nm), dit Ti-rich.

Dans un premier temps ces deux empilement ont ´et´e test´es sur un substrat SiN_x/Si pour chaque temp´erature de recuit. A T=600◦C, nous avons mis en ´evidence la formation du

compos´e TiAl₃ pour les deux empilements. Dans le cas de l’empilement Al-rich, l’alumi- nium en exc`es demeurait sous cette forme, probablement aux joints de grains de TiAl<sub>3</sub>. Aucune r´eaction avec le substrat SiN<sub>x</sub> ´etait observ´ee. Dans le cas de l’empilement Ti- rich, le titane en exc`es r´eagit pour former une fine double-couche de Ti-Si-N `a l’interface avec le substrat et une couche plus ´epaisse compos´ee de Ti₃Al(N) et de Ti₃AlN. L’azote pr´esent dans ces phases provient du substrat SiN_x.

A T=900◦C, l’empilement Al-rich voit la formation d’une ´epaisse couche nitrur´ee en surface. Cette couche r´esulte de la nitruration par l’atmosph`ere N<sub>2</sub> du recuit de l’alu- minium en exc`es pr´esent `a 600◦C (et probablement d’une partie de la couche de TiAl₃). L’apparition de cette couche nitrur´ee augmente la contrainte en tension de la couche de TiAl₃ r´esultant des diff´erences de dilatation thermique entre mat´eriaux, ce qui provoque la rupture de TiAl₃ lors du refroidissement et la formation de fissures sur toute son ´

epaisseur. Par ailleurs, aucune r´eaction avec la couche de SiN_x n’est observ´ee.

Dans le cas de l’empilement Ti-rich, une r´eaction se produit entre la couche riche en titane (Ti₃Al(N) et de Ti₃AlN), observ´ee `a 600◦C, et le substrat SiN<sub>x</sub>. Cette r´eaction fait apparaitre une couche de Ti-Al-N cˆot´e substrat et une couche de Ti-Si-N cˆot´e TiAl<sub>3</sub> (cette derni`ere phase ´etant toujours pr´esente). Nous avons pu propos´e un sc´enario ex- pliquant la formation de ces deux couches par diffusion et r´eaction du titane/aluminium et silicium sur chacune des deux interfaces de la r´eaction. Par ailleurs, en surface de l’´echantillon, une l´eg`ere nitruration du TiAl<sub>3</sub> par l’atmosph`ere N₂ du recuit est observ´ee. La comparaison entre les empilements Al-rich et Ti-rich sur substrat SiN_x montre que seul l’empilement Ti-rich a r´eagi avec la couche SiN_x lors des recuits. Cet empilement est donc le plus int´eressant dans l’optique de la formation d’un nitrure `a l’interface avec le substrat, qui est la strat´egie de formation du contact ohmique sur une h´et´erostructure AlGaN/GaN.

Nous avons donc poursuivi l’´etude dans le cas de l’empilement Ti/Al (95/200 nm), riche en titane, sur un substrat AlGaN/Si. A T=600◦C, la formation de TiAl₃ est observ´ee au dessus d’une couche Ti-Al-(N). L’azote pr´esent dans cette couche provient du substrat AlGaN. Nous avons ainsi montr´e que l’azote pouvait diffuser de AlGaN vers l’empilement m´etallique pour une temp´erature aussi basse que 600◦C. La formation de lacunes d’azote dans AlGaN est donc probablement possible d`es cette temp´erature. Ce r´esultat ouvre des perspectives en terme de contact ohmique `a basse temp´erature (inf´erieure `a 800◦C). A T=900◦C, la couche de Ti-Al-(N) r´eagit avec la couche de AlGaN pour former une couche de Ti-Al-N moins ´epaisse, plus uniforme et plus riche en azote. L’interface avec la couche de AlGaN restant plane, nous n’avons pu conclure `a une consommation de

cette derni`ere. Toutefois, l’augmentation de la quantit´e d’azote ayant diffus´e dans l’em- pilement signifie probablement une concentration accrue de lacunes d’azote dans AlGaN par rapport `a T=600◦C. D’apr`es la litt´erature, les contacts ohmiques `a base de titane n´ecessitent des temp´eratures de recuits ´el´ev´ees (T ¿ 800◦C, cf. Tab.1.2) en l’absence de traitement additionnel. La probable plus forte concentration en lacunes d’azote `a 900◦C compar´e `a 600◦C explique en partie cette n´ecessit´e de recuit `a haute temp´erature.

Caract´erisation de l’empilement

Ti/Al sur h´et´erostructure

AlGaN/GaN en vue de former un

contact ohmique

Dans ce dernier chapitre, nous allons ´etudier la formation du contact ohmique sur l’h´et´erostructure AlGaN/GaN qui est celle des transistors HEMT. Ce chapitre r´eunit trois ´etudes distinctes qui font appel `a des caract´erisations ´electriques et/ou physico- chimiques. Il s’agit des ´etudes B, C et D d’apr`es la nomenclature du chapitre III. Les caract´erisations ´electriques font notamment appel `a la mesure TLM pr´esent´ee dans le mˆeme chapitre.

Dans un premier temps, nous allons analyser un contact Ti/Al sur une h´et´erostructure AlGaN/GaN (´etude B). Ensuite, nous ´etudierons l’ajout d’une ´etape de gravure partielle de la couche AlGaN et son impact sur la r´esistance de contact et la temp´erature de recuit (´etude C). Enfin, nous pr´esenterons une ´etude statistique de la r´esistance de contact par rapport `a divers param`etres de l’´epitaxie AlGaN/GaN r´ealis´ee (´etude D).

5.1

Contact ohmique Ti/Al sur h´et´erostructure AlGaN/

GaN

Dans le chapitre IV, nous avons ´etudi´e les r´eactions de diff´erents empilements Ti/Al sur des substrats nitrur´es SiN_x et AlGaN. Dans ce dernier cas, nous avons mis en ´evidence la formation `a T=900◦C d’une couche uniforme de Ti-Al-N `a l’interface avec la couche AlGaN. Dans ce paragraphe, nous allons ´etudier la formation du contact ohmique sur

l’h´et´erostructure AlGaN/GaN. Cette ´etude correspond `a l’´etude B mentionn´ee dans les chapitres pr´ec´edents.