Gravure des composés III-V

La plupart des composés III-V, par exemple GaAs, InP, InSb…, cristallisent selon une structure de type zinc-blende, structure cristalline similaire à la structure de type diamant, sauf qu’elle est constituée de deux types d’atomes différents issus des colonnes III et V du tableau périodique. Une présentation plus détaillée sera effectuée dans le Chapitre 5.

La gravure des composés (semi-conducteurs) III-V dans les plasmas d’halogènes résulte de la formation et de la désorption de produits de réaction de composition MX3, dans lesquels X représente les atomes d’halogènes (F, Cl, Br ou I) et M les atomes de la colonne III et de la colonne V formant les composés III-V (par exemple, B, Ga, Al, In, P, As, Sb…). Cependant, tandis que les gaz fluorés peuvent être utilisés pour graver le silicium à grande vitesse, ils sont souvent inopérants pour les composés III-V en raison de la très faible pression de vapeur saturante de la plupart des fluorures MF3

des éléments des colonnes III et V. C’est pourquoi la gravure plasma des composés III-V s’effectue de préférence avec des gaz à base de chlore ou de brome.

En fait, comme la gravure du Si par le fluor, la gravure de GaAs par le chlore est l’exemple de gravure des composés III-V le plus typique, et donc le plus étudié pour identifier et comprendre les mécanismes réactionnels responsables de la gravure des composés III-V.

D’abord, comme partie d’une étude conjointe (avec Si et le diamant), Freedman et Stinespring [61] ont montré que l’adsorption d’atomes de Cl sur la surface de GaAs est de type multi-couches, et que les adatomes de Cl forment une couche d’espèces adsorbées GaClx et AsClx, similaire à la couche d’espèces adsorbées SiF2 et SiF3 formée lors de la gravure de Si par le fluor. L’épaisseur de cette couche est estimée de l’ordre de 20 à 30 Å à la température de 130 K, et elle est stable jusqu’à la température de 323 K (50°C). La composition chimique de cette couche et son épaisseur dépendent du flux d’halogène et de la température du substrat. Néanmoins, une vaste question posée dans cette publication, à savoir que si l’adsorption de type mono-couche du chlore sur le silicium a été expliquée

de la forte similarité des paramètres de maille des structures cristallines de GaAs et Si, quel est donc le mécanisme responsable de la pénétration du chlore atomique dans le réseau cristallin de GaAs par comparaison avec le cas du Si ? En outre, cette pénétration du Cl reste incertaine car Ameen et al. indiquent que, dans le cas d’une gravure chimique pure, seules une ou deux mono-couches d’adatomes de Cl sont effectives [62-63], tandis que dans les conditions de gravure ionique réactive (pression de 50 mTorr et -100 V de polarisation), Pearton et al. [64] ont trouvé une pénétration de Cl jusqu’à 10 Å. Ces résultats contradictoires obligent à adopter une attitude circonspecte concernant la nature de l’adsorption de chlore atomique sur la surface de GaAs.

En ce qui concerne le comportement de gravure de GaAs, plusieurs études de la cinétique de gravure du GaAs en plasma de chlore montrent une forte dépendance de vitesse de gravure de GaAs avec la température de substrat [65-66]. Pearton etal. [67] ont retrouvé à nouveau la suppression brutale de la vitesse de gravure latérale de GaAs, AlAs et GaSb à basses température (- 30°C) dans une décharge RCE (résonance cyclotronique électronique) de Cl2/Ar. Une gravure (verticale) complètement anisotrope est obtenue pour les trois matériaux à - 30°C, tandis qu’aux températures supérieures à 20 °C, la gravure latérale est comparable à la gravure verticale (gravure presque isotrope). La Fig. 3.11 montre la dépendance de la température de la vitesse de gravure de GaAs, AlAs et GaSb.

Figure 3.11. Vitesse de gravure de GaAs, AlAs et GaSb en fonction de la température du substrat

dans une décharge RCE de Cl2/Ar à 1 mTorr, - 50 V de polarisation continue, et 500 W de puissance micro-onde [67].

A l’évidence, l’évolution importante de vitesse de gravure verticale de GaAs en fonction de la température du substrat contraste fortement avec celle d’un système d’adsorption de type

multi-du substrat [46,68]. La dépendance de la vitesse de gravure de GaAs en plasma de Cl2 pur en fonction de la température a été établie par Donnelly et al. [65], qui n’ont trouvé dans cette étude aucune preuve de la présence de Cl dans le réseau cristallin de GaAs.

L’évolution de la vitesse de gravure de GaAs en plasma de Cl2 en fonction de l’énergie de bombardement ionique a aussi été étudiée [69]. La Fig. 3.12 montre encore une forte dépendance de la vitesse de gravure de GaAs en plasma de Cl2 avec la polarisation RF, c’est-à-dire avec l’énergie de bombardement ionique. On observe une forte augmentation de la vitesse de gravure avec la puissance RF appliquée suivie d’une saturation.

Figure 3.12. Vitesse de gravure de GaAs en plasma de Cl2 en fonction

de la puissance RF de polarisation du porte-substrat (énergie de bombardement ionique) [69].

En résumé, et malgré un certain nombre de résultats contradictoires, les résultats de gravure de GaAs dans les plasmas de chlore témoignent fortement en faveur d’un comportement de type mono-couche. Les autres composés du gallium tels que GaP et GaSb ont été gravés en plasma de chlore (Cl2) [70-71]. Les gravures sont isotropes et les cinétiques de gravure à peu près identiques, à paramètres plasma fixes.

En revanche, bien que les produits de réaction MBr3 des éléments des colonnes III et V avec le brome soient volatils, à ce jour, seul un nombre restreint d’études de gravure de composés III-V à base de gallium ont été menées en plasma de brome. Une première étude concerne la gravure de GaAs en plasma de brome pur [72]. Les résultats de cette étude ont démontré que la gravure est isotrope et que sa vitesse est très élevée (ordre de grandeur de plusieurs dizaines de µm/min). Cette vitesse de gravure

semble également proportionnelle à la concentration d’atomes Br dans le plasma (Fig. 3.13), mais aucune évolution de vitesse de gravure en fonction des autres paramètres plasma n’est fournie.

Figure 3.13. Vitesse de gravure de GaAs en fonction de la concentration en atomes Br

dans le plasma de brome [72].

Alors que les plasmas de chlore sont efficaces pour graver GaAs et les autres composés III-V du gallium, la faible volatilité de InCl3 (voir Chapitre 4) signifie que les plasmas de chlore sont mal adaptés à la gravure de InP et des autres composés III-V de l’indium. En effet, on peut améliorer le caractère volatil de InCl3 en chauffant le substrat au-dessus de 130°C pour favoriser sa désorption, mais ce n’est pas toujours une solution pratique. Donnelly et al. [65] ont annoncé une vitesse de gravure de 10 µm/min de InP en plasma de Cl2 dans une gamme de pression de 50 mTorr à 1 Torr. L’énergie d’activation, de 1,5 eV, a été également déterminée et cette valeur correspond à la valeur de sublimation de InCl3 (1,6 eV), à partir de laquelle McNevin a tiré la conclusion que la sublimation de InCl3 est l’étape limitante de la gravure de InP en plasma de chlore [73]. L’étude de l’équilibre thermodynamique du système chlore/InP sera effectuée et présentée dans le chapitre suivant (Chapitre 4). Dans les décharges basse pression, la vitesse de gravure de InP en plasma de chlore est encore élevée, mais considérablement inférieure aux 2,7 µm/min obtenus à 2 mTorr de mélange Cl2/Ar et 500 W de puissance de micro-onde. En outre, la cinétique de gravure de InP en plasma de chlore possède les caractéristiques d’une gravure de type mono-couche, dans laquelle la vitesse de gravure verticale dépend de la température du substrat et de l’énergie de bombardement ionique, comme le montrent les Figs. 3.14 et 3.15.

Figure 3.14. Vitesse de gravure de InP en plasma de Cl2/Ar en fonction de la température[74].

Figure 3.15. Vitesse de gravure de InP en plasma de Cl2/Ar en fonction de l’ énergie de bombardement ionique [74].

Contrairement aux plasmas de chlore, les plasmas de brome ou d’iode sont très adaptés à la gravure des composés III-V contenant de l’indium, en raison de la bonne volatilité des bromures et iodures d’indium. Cependant, à ce jour, il n’existe qu’un nombre très limité de ces études, surtout dans les plasmas de brome ou d’iode pur, car la plupart des études de gravure de InP ont été effectuées dans les plasmas de HBr et de HI. Toutefois, Takimoto et al. [75] ont annoncé une gravure isotrope de InP en