C Etude d’un cycle complet

Pour étudier l’efficacité de retrait de la couche oxydée ainsi que les évolutions de stœchiométrie induites par le procédé cyclique, deux échantillons ont été exposés à un plasma O2 identique à celui du procédé cyclique et gravé par 5 cycles. Ces échantillons ont été analysés par XPS ex-situ avec une source Al.

La Figure 84 représente les spectres Ga3d, N1s, O1s, Cl2p et B1s de GaN avant gravure, après une étape d’oxydation et après 5 cycles de gravure O2-BCl3. La déconvolution est effectuée suivant la méthode présentée précédemment (Cf. III.B). Après le plasma d’O2, l’enveloppe du spectre Ga3d se déforme pour laisser la composante Ga-O se développer. De même, le spectre N1s ne présente pas de décalage en énergie mais la composante N-O est plus importante, modifiant la forme du spectre. Le spectre O1s se modifie avec l’accroissement des composantes O-Ga et O-N, correspondant à l’oxydation de surface. La composante O-(N/Ga) représente un degré d’oxydation

Chapitre IV - Procédé cyclique pour la gravure du GaN

différent pour ces liaisons. Après 5 cycles d’oxydation-retrait, le spectre Ga3d se décale de 0,23eV vers les basses énergies jusqu’à 19,34eV. Ce décalage est caractéristique d’une diminution de l’oxydation du gallium. La composante N-O présente post-oxydation diminue fortement du spectre N1s qui retrouve une enveloppe similaire à la référence. Néanmoins, un pic à 401,16eV assigné aux liaisons N-(Cl/B) apparait après les cycles. L’enveloppe du spectre O1s se modifie car le pic associé aux liaisons O-(N/Ga) disparait et les composantes O-Ga et O-N sont largement diminuées. L’oxyde créé en surface est retiré. La différence de formes entre les spectres O1s de référence et post-cycle montre qu’il reste un oxyde en surface mais les liaisons qui le composent sont différentes de l’oxyde natif observé sur la référence. De plus, post cycle, les spectres Cl2p et B1s présentent de nouveaux pics aux alentours de 198,7eV et 189,18eV, signifiant le dépôt de produit BxCly.

III. Étude du mécanisme de gravure par XPS

Figure 84 : Spectres Ga3d, N1s, O1s, Cl2p et B1s d'échantillons GaN avant gravure, après une étape d’oxydation puis après 5cycles O2-BCl3, mesurés par XPS avec une source Al et un angle

de sortie de 80°.

La Figure 85 présente les concentrations atomiques des éléments, calculées à partir des déconvolutions des spectres présentés en Figure 84. Il est à noter la présence de carbone et de fluor

Chapitre IV - Procédé cyclique pour la gravure du GaN

sur ces échantillons.Comme expliqué précédemment, l’hypothèse retenue pour la présence de ces éléments est qu’ils proviennent de la contamination due à la remise à l’air libre ainsi qu’aux parois des réacteurs de gravure. Après l’étape d’oxydation la concentration en oxygène augmente de 6,5 à 26% à la surface de l’échantillon. Les concentrations d’azote et de gallium, quant à elles, diminuent de 37% et de 43% à 23% et 33%, respectivement. Après les cycles de gravures, la concentration d’oxygène remonte à un niveau similaire que le GaN avant gravure. Les concentrations d’azote et de gallium remontent légèrement à 27,48% et 34,99%. La présence de bore et de chlore à 9,5 et 7,5% témoigne d’une accumulation de ces éléments en surface de l’échantillon, lié au dépôt de BxCly. La présence de ce dépôt en surface témoigne de l’efficacité de l’étape de retrait à retirer l’oxyde. L’oxygène qui est observé en surface est donc dû à une réoxydation lors de la remise à l’air, et non à un défaut de retrait.

Figure 85 : Compositions chimiques de surfaces d'échantillons de GaN avant gravure, après une étape d’oxydation puis après 5cycles O2-BCl3, mesurées par XPS avec une source Al et un

angle de sortie de 80°.

Les concentrations relatives de l’oxygène et de l’azote données par la Figure 86 permettent de mieux se rendre compte des évolutions des stœchiométries. Le taux d’oxygène augmente de 10% à 50% après une étape d’oxydation puis redescend à 15% après 5 cycles O2-BCl3 complets. L’étape de retrait est donc efficace pour retirer l’oxyde formé pendant l’étape de d’oxydation. Le taux d’azote varie peu au cours des différentes étapes et reste similaire au taux du GaN référence vers 45%. Il subit une légère baisse lors de l’étape d’oxydation, comme cela a déjà été observé dans la partie III.A de ce chapitre. Au bout de cycles complets, la stœchiométrie est conservée.

III. Étude du mécanisme de gravure par XPS

Figure 86 : Concentrations relatives d'azote et d’oxygène pour des échantillons de GaN avant gravure, après une étape d’oxydation puis après 5cycles O2-BCl3, mesurées par XPS avec une

source Al et un angle de sorti de 80°.

Shah et al. [9] ont proposé un mécanisme de gravure de l’oxyde de gallium par un plasma BCl3 en se basant sur les travaux de Banjo et al. [10] et de McNevin et al. [11]. Selon eux, le BCl3 a une affinité forte avec l’oxygène. Les ions BCl2+ _{vont réagir avec l’oxygène de l’oxyde de gallium pour} former un composé B3Cl3O3. Ce composé est un gaz inerte qui sera pompé hors de l’équipement. Le gallium réagit avec les radicaux Cl. _{pour former du GaCl3 volatile. Les ions chlorés apportent} aussi l’énergie suffisante pour pulvériser le GaCl3 de la surface. L’azote qui reste réagit pour former les composés volatils N2 et NCl3.

Ces observations montrent que les cycles sont efficaces pour retirer l’oxyde formé par l’étape d’oxydation. Un léger dépôt de BxCly se forme en surface mais qui peut être enlevé par stripping lors de la réalisation du transistor complet. De plus, ce procédé cyclique permet de conserver la stœchiométrie du GaN, diminuant ainsi les dégradations électriques potentielles.