Chapitre III. Technologie HEMT GaN normally-on / normally-off
III.4. Briques technologiques spécifiques normally-off
III.4.2. Gravure du nitrure de grille
III.4.2.1. Gravure par plasma ICP-RIE SF
6/O
2Au début de nos travaux, le III-9/DEYHQDLWGHIDLUHO¶DFTXLVLWLRQG¶XQEkWL,&3-RIE Sentech
-XVTX¶DORUV OHV JUDYXUHV VqFKHV GH GLpOHFtriques étaient faites dans le réacteur RIE
Nextral NE 100 en utilisant le plasma CHF
3/SF
6décrit dans la partie antécédente sur
O¶RXYHUWXUH GH SDVVLYDWLRQ %LHQ TXH FH SODVPD DLW pWp WUDQVIpUp VXU OH QRXYHDX EkWL DYHF
VXFFqVQRXVDYLRQVEHVRLQG¶XQHJUDYure moins agressive pour le nitrure de grille. Il a donc
pWpMXJpSUpIpUDEOHG¶H[SpULPHQWHUun autre plasma fluoré à base de SF
6et de O
2et de profiter
ainsi des capacités ICP du réacteur Sentech pour atténuer la composante physique de la
gravure.
Un tel plasma SF
6/O
2a déjà été développé au cours de travaux de thèse antérieurs [83], sur
un autre bâti ICP-RIE. Nous avons donc reporté les paramètres existants sur notre nouveau
réacteur : débit volumique de SF
6/O
2de 100/5 sccm, pression de 3 Pa, puissance ICP de
100 W, puissance RIE de 25 W et température de 20 °C, pour une tension ܸ௦ résultante de
O¶RUGUH GH V. 1RXV DYRQV HQVXLWH HIIHFWXp XQH FDPSDJQH G¶HVVDLV VXU GLYHUV ILOPV
diélectriques et substrats. Le bâti Sentech SI- HVW pTXLSp G¶XQ LQWHUIpURPqWUH j ODVHU
permettant de mesurer la réflectométrie de la couche gravée en temps réel, et ainsi de détecter
la fin de gravure. La Figure III.15 LOOXVWUHH[HPSOHVG¶XQHWHOOHPHVXUHVXUGHVFRXFKHVGH
SiN déposées par ICP-CVD (identique à nos nitUXUHVGHJULOOHG¶pSDLVVHXU nm sur une
épi-structure AlGaN/GaN sur substrat saphir. Nous pouvons extraire de ce graphique un temps
de gravure de 120 s, ce qui correspond à une vitesse de gravure de 55 nm/min. La profondeur
de gravure de 110 nm a par ailleurs été vérifiée au profilomètre. La vitesse de gravure du
plasma SF
6/O
2dépend fortement du matériau cible. Elle monte ainsi à 145 nm/min pour un
SiN déposé par PECVDPDLVQ¶HVWTXHGH5,2 nm/min pour un SiO
2déposé par PECVD. Il
semble que le substrat sur lequel se trouve la couche à graver joue également un rôle
important, avec une vitesse plus élevée sur Si que sur des substrats SiC ou saphir épitaxiés.
(QILQOHVGLPHQVLRQVGHVPRWLIVjJUDYHURXSOXVH[DFWHPHQWOHXUUDSSRUWG¶DVSHFWLQIOXHVXU
la vitesse de gravure, les petits motifs étant plus lents à graver que les gros. Il faut y faire
particulièrement attention pour notre process, car les motifs de recess sont très fins alors que
la détection de fin de gravure est effectuée sur des plus gros motifs pouvant accommoder la
taille du faisceau laser. Nous veillerons donc à appliquer un temps de surgravure additionnel
pour toutes nos gravures.
Figure III.15 ± Gravure fluorée : mesures de réflectométrie par interférométrie laser.
La Figure III.16 SUpVHQWHGHVLPDJHV0(%GXSURILOGHJUDYXUHVXUSODTXHVG¶HVVDL6XU
O¶LPDJHGHJDXFKHREWHQXHSDUFOLYDJHGHODSODTXH6LQRXVFRQVWDWRQVTXHOHSODVPD6)
6/O
215000
20000
25000
30000
0 50 100 150 200 250
S
ignal
(u.
a.
)
Temps (s)
Essai 1
Essai 2
Échantillons:
SiN 110 nm
(ICP-CVD) sur AlGaN
Temps de gravure: 120s
engendre un phénoPqQHG¶undercuttingSURQRQFpTXLHVWODFRQVpTXHQFHGHO¶XWLOLVDWLRQG¶XQ
plasma dense ICP, à forte composante chimique et isotrope. Nous remarquons cependant que
OH 6L LQIpULHXU D pWp DXVVL PDVVLYHPHQW JUDYp /¶undercutting a donc pu se produire ou
V¶DFFpOpUHUDXPRPHQWGHFHWWHJUDYXUHGX6LHWO¶pODUJLVVHPHQWGHO¶RXYHUWXUHGX6L1QH
GHYUDLWGRQFSDVrWUHVLSpQDOLVDQWH/¶LQFOLQDLVRQGHVIODQFVGHJUDYXUHGpMjYLVLEOHVXUFHWWH
FRXSHHVWFRQILUPpHSDUO¶LPDJH0(%GHODFRXSH),%jGroite de la Figure sur un échantillon
plus proche de notre process.
Figure III.16 ±*UDYXUHIOXRUpHDLPDJH0(%GXSURILOGHJUDYXUHDYHFUpVLQHELPDJH0(%G¶XQH
FRXSH),%G¶Xne gravure.
(QFHTXLFRQFHUQHO¶KRPRJpQpité de gravure de ce plasma SF
6/O
2, la Figure III.17 présente
GHVPHVXUHVDXSURILORPqWUHUpDOLVpHVOHORQJGXGLDPqWUHG¶XQHSODTXHG¶HVVDL6LSRXFHV
Nous relevons une excellente homogénéité avec un écart-type de 0,6% et une amplitude de
2,7% entre le centre, plus profondément gravé, et le bord de la plaque.
Figure III.17 ± Gravure fluorée : homogénéité sur wafer Si 3 pouces.
III.4.2.2. Gravure du nitrure de grille sur structures A et I
Sur la plaque A, nous devions graver un nitrure de grille de 30 QPG¶pSDLVVHXU, et avons donc
choisi de réaliser une gravure de 45 s SRXU OLPLWHU OD VXUJUDYXUH HW pYLWHU O¶undercutting et
O¶pODUJLVVHPHQWGXSLHGGHJULOOH. Cependant nous avons par erreur programmé une durée de
15 s, et DYRQV FRQVWDWp DSUqV GpPRQWDJH GH OD UpVLQH TX¶LOrestait malheureusement des
(a) (b)
Résine
SiN
Si
Undercutting
Flancs de gravure inclinés
Éch. : SiN 114 nm (PECVD) sur Si.
Motifs : grilles 0,7 µm.
Gravure : SF
6/O
250 s
Éch. : SiN 110 nm (PECVD) sur
AlGaN/GaN sur substrat saphir.
Motifs : grilles 1 µm.
décidé de regraver la plaque, sans résinage, pour 15 s supplémentaires, et nous sommes
parvenus à enlever ces résidus. La hauteur de marche a toutefois été réduite à environ 17 nm.
Nous constatons que la côte nominale de 300 nm est élargie à 350 nm après la première
gravure, et 400 nm après la regravure.
Figure III.18 ± Gravure fluorée : motifs de recess sur structure A avant et après regravure fluorée.
Pour la plaque I, QRXVDYLRQVDMXVWpO¶pSDLVVHXUGX6L1j nm, et avons choisi un temps de
gravure de 60 VHQD\DQWUHPDUTXpDXSUpDODEOHTXHOHSKpQRPqQHG¶XQGHUFXWWLQJQ¶pWDLWSDV
(ou peu) marqué sur les plaques précédentes. Comme le montrent les images AFM de la
Figure III.19, nous avons découvert des défauts au fond des motifs après gravure,
SRVVLEOHPHQWGHVSURGXLWVGHJUDYXUHTXHQRXVDYRQVSXQHWWR\HUDYHFXQEDLQG¶+&OGLOXp
Dans le cas de la structure A, ces défauts ponctuels ne se sont pas manifestés et le fond de
gravure est très propre, quasiment iGHQWLTXHjODVXUIDFHLQLWLDOHGHO¶pSL-structure.
Figure III.19 ± Gravure fluorée : IRQGVGHJUDYXUHVXUVWUXFWXUH,DYDQWHWDSUqVEDLQG¶+&O
III.4.2.3. Étude par spectrographie Auger de la contamination par réacteur ICP-RIE
Au cours de la phase de développement sur le nouveau bâti ICP-RIE Sentech SI-500, des
problèmes de contamination par le réacteur ont été décelés par des collaborateurs utilisant
des plasmas et de matériaux divers. Une rugosité des fonds de gravure a été mis en lumière
par des observations au microscope optique à fort grossissement. Nous avons voulu
0 1 2 1 2 P 0 200 nm 100 nm 0 nm 0 1 2 1 2 P 0 100 nm 50 nm 0 nm
Avant regravure $SUqVUHJUDYXUH
350 nm
39 nm
5pVLGXVMXVTXjQP
vers Source vers Drain
Topographie Amplitude 400 nm 17 nm 5pVLGXVLQIpULHXUVjQP vers Drain vers Source Topographie Amplitude 0 2,5 5 2,5 5 P 0 7,0 nm 3,5 nm 0,0 nm 0 2,5 5 2,5 5 P 0 4,0 nm 2,0 nm 0,0 nm
déterminer précisémeQW O¶DPSOHXU GX SKpQRPqQH HW DYRQV PHQp XQH pWXGH SDU
spectrographie Auger des fonds de gravures par différents plasmas. Les échantillons ont été
préparés en gravant longuement (20 min) plusieurs morceaux de plaque de GaN sur saphir.
La Figure III.20 présente 2 spectres correspondant aux plasmas CHF
3/SF
6, utilisé pour
O¶RXYHUWXUHGHSDVVLYDWLRQHW6)
6/O
2, employé pour notre gravure du nitrure de grille. Nous
constatons alors que le premier engendre une contamination aux éléments fluor F et
DOXPLQLXP$OWDQGLVTXHO¶DXWUHSODVPDQHODLVVHTXHGHVWUDFHVGH)
/DFRQWDPLQDWLRQjO¶$OSURYLHQWGHVSRUWHV-substrats dont le revêtement contient ce même
matériau. Elle a été aperçue pour un autre plasma RIE à base de CHF
3/O
2. La solution a alors
pWpGHFRPPDQGHUHWG¶XWLOLVHUG¶DXWUHVSRUWHV-substrats en quartz ou en carbone. Il faut noter
que nous ne sommes a priori pas concernés par cette problématique, sans vraiment en
FRQQDvWUHODUDLVRQ&HODSRXUUDLWrWUHQRWUHXWLOLVDWLRQG¶XQSODVPD,&3RXOHIDLWGHQHSDV
utiliser de CHF
3PDLVLOVHSRXUUDLWDXVVLTX¶XQPDXYDLVUDSSRUWVLJQDOVXUEUXLWDLWPDVTXpOD
conWDPLQDWLRQ j O¶$O /D SUpVHQFH GH ) GDQV OHV IRQGV GH JUavure est beaucoup moins
surprenante au vu de la nature des gaz utilisés dans ces plasmas, mais il est toujours
intéressant de le reconnaître.
Figure III.20 ± Gravure fluorée : spectrographie Auger de fonds de gravure pour (a) un plasma RIE
CHF3/SF6 et (b) un plasma ICP-RIE SF6/O2.
Dans le document
Fonction normally-on, normally-off compatible de la technologie HEMT GaN pour des applications de puissance, hyperfréquences
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