Description des technologies étudiées dans ce manuscrit

Les composants sur lesquels nous avons mené les analyses proviennent du fondeur UMS (United Monolithic Semiconductors), et font partie des filières GH50 et GH25.

Les deux technologies sont épitaxiées sur substrat SiC, et présentent une longueur de grille de 0,50 μm pour le processus GH50, et de 0,25 μm pour le processus GH25. Outre les longueurs de ligne, la structuration épitaxiale, la nature de la grille et la géométrie des masques diffèrent également d’une technologie à une autre. De plus, la filière GH25 contient des capacités MIM (Métal/Isolant/Métal) en plus des éléments passifs traditionnels (résistances et inductances). Ainsi, la GH50 adresse plutôt les applications de puissance fonctionnant jusqu’à 8 GHz, tandis que la GH25 est une technologie MMIC (Monolithic

Microwave Integrated Circuit) pour des applications allant jusqu’à 20 GHz.

La Figure II - 1 représente une vue de coupe simplifiée du dispositif AlGaN/GaN, indépendamment de la filière ou de la déclination technologique :

Figure II - 1. Vue de coupe générale du transistor AlGaN/GaN.

Notre investigation porte sur l’aspect fonctionnel du composant, selon deux axes d’étude : la commande (en verticalité) et le canal (en horizontalité).

Grille

SiC

GaN

AlN

commande

canal

?

2.2.1. GH50 : déclinaison Nanowatt_317

La technologie GH50 est la première filière GaN à avoir été qualifiée en Europe [109] ; elle a été développée pour les applications RF de haute puissance. Les transistors et les barrettes de transistors de la technologie GH50 sont de ce fait adaptés aux applications radar et télécom.

Les Nanowatt_317 sont fabriqués chez UMS [110] par croissance MOCVD (Metal-Organic

Chemical Vapor Deposition) sur un substrat de SiC, et présentent 18% d'Al dans la couche

barrière. La passivation en surface est de type nitrure de silicium (SiNx), et le contact Schottky

de grille en forme de champignon est formé par un empilement de métaux de type Ni/Pt/Au. Une plaque de champ connectée à la source permet de diminuer l’impact d’un fort champ électrique appliqué entre grille et drain, sur le composant.

Nanowatt_317 provient des déclinaisons commerciales d’UMS durant sa phase de

développement. De plus, ce type de dispositif est packagé, et présente 4 doigts de grille (400 μm en largeur et 0,5 μm en longueur : soit 4×400×0,5 μm²), donc il s’agit de dispositifs à fort développement de largeur de grille, adaptés pour des puissances et des courants élevés. La Figure II - 2 montre une photographie optique planaire en vue de dessus d’un dispositif provenant de cette déclinaison.

Figure II - 2. Photographie optique en vue de dessus d’un dispositif provenant de la filière GH50, déclinaison Nanowatt_317.

Pour cette étude, nous ne disposons que des dispositifs vierges Nanowatt_317 ; ils ont été caractérisés pour évaluer la corrélation transitoire existante entre le courant de grille (pour différents niveaux de fuite : minimum, medium, maximum) et le courant de drain, a priori de toute application de contrainte.

S

S

D

G

Chapitre II : Techniques de caractérisation des dispositifs sous tests Mesures électriques et transitoires

2.2.2. GH25 : déclinaison Picowatt 36/37B

La technologie GH25 est constituée par un HEMT de 0,25 μm longueur de grille, sur un substrat semi-isolant SiC d’épaisseur 100 μm. La grille en forme de champignon est protégée par une passivation de type SixNy, ainsi que toute la face avant du HEMT. La plaque de champ

connectée à la source diminue l’impact d’un fort champ électrique appliqué entre grille et drain.

En plus des éléments actifs HEMT (et diodes), la GH25 comprend des éléments passifs (résistances, inductances, lignes et capacités MIM) afin de permettre la fabrication des circuits intégrés monolithiques MMIC. La technologie GH25 est la deuxième filière GaN qualifiée par UMS pour adresser des applications RF de haute puissance de la bande X à la bande Ku (de 8 GHz à 18 GHz). La Figure II - 3 montre une photographie optique en vue de dessus d’un dispositif provenant de cette déclinaison.

Figure II - 3. Photographie optique en vue de dessus d’un dispositif provenant de la filière GH25, déclinaison Picowatt_36/37B 8x125x0,25.

Parmi ces composants, nous disposons de deux pièces de référence, et de 10 transistors vieillis par contrainte HTOL pendant 105 h. Deux lots de composants fabriqués selon la même recette ont fait l’objet de notre étude (identifiés par les appellations D et H). L’objectif est de réaliser une comparaison entre les pièces de référence et les dispositifs vieillis de chaque lot, mais aussi entre les deux lots (dans la continuité des tests développés lors du projet ReAGaN) ; les attentes d’UMS vis‐à‐vis de cette campagne de mesures résident dans le besoin d‘identifier une signature forte de dégradation des dispositifs (et de déterminer quel est le paramètre électrique affecté) ; conformément à ces attentes, l’objectif du LAAS est de proposer une analyse physique quant à la cause du/des mécanisme(s) de dégradation mis en jeu.

Dans cette seconde logique, il a été démontré que l’exploitation d’un banc unique de mesure ne permettait pas d’identifier avec certitude l’origine de ces dégradations. Ainsi nous avons proposé une procédure d’analyse adaptée, en s’appuyant sur plusieurs types de

G

D

S

caractérisations. Un soin a été apporté quant à la validation des techniques employées pour permettre une sureté d’analyse croisée (sensibilité des mesures aux potentiel effets secondaires de types pièges).

2.2.3. GH25 : déclinaison Femtowatt

Dernièrement, nos études ont été focalisées sur une autre déclination de la GH25 :

Femtowatt SPLIT LRE 43 (ultérieurement dénommée lot C), et avec protection BCB

(ultérieurement dénommée lot E). Sur ces pièces il n'y a pas de LRE, et le reste du wafer est considéré comme standard pour UMS.

Le procédé LRE (Leakage Reduction Etching en anglais) consiste à graver localement les couches de passivation autour de la zone active du transistor (la passivation est gardée sur la grille). Le GaN étant un matériau piézoélectrique, cette gravure locale du nitrure vise à réduire les contraintes mécaniques et ainsi réduire le courant de fuite de grille (cf. étude ReAGaN Humboldt [98]).

La protection BCB (benzocyclobutène, un substrat diélectrique à faible perte) au-dessus la puce sert à améliorer la tenue en humidité du composant.

Les principales investigations concernent :

• la comparaison des courants de fuite entre les lots : composants sans LRE par rapport aux composants avec BCB ;

• l’identification des non-uniformités et des mécanismes de conduction communs et/ou spécifiques à chaque lot de dispositifs.