3.2 La passivation du TBH InP/InGaAs
3.2.2 La méthodologie suivie
Comme nous avons pu le voir précédemment (§ 3.1) la passivation des semiconducteurs de type InP et InGaAs est un domaine très vaste, qui ne saurait être exploré de manière exhaustive dans le cadre d’une thèse. Il s’est donc avéré nécessaire de faire des choix.
Nous ne reviendrons pas ici sur la méthode de dépôt utilisée (DECR). Rappelons simplement que c’est une méthode douce et à basse température, donc particulièrement adaptée aux substrats sensibles au bombardement ionique et à la température tels que l'InP. Comme nous l’avons vu précédemment, le choix du nitrure de silicium permet d’éviter les instabilités chimiques engendrées par les oxydes d’arsenic. Finalement, le seul choix qu’il nous reste à faire est celui du traitement de surface. Pour cela, nous avons porté notre attention sur le caractère spécifique du TBH InP/InGaAs.
• Du fait que la passivation a lieu après la réalisation des contacts métalliques (Ti/Au), ce composant est particulièrement sensible à la température. La sulfuration, qui nécessite un recuit à des températures élevées, ne semble pas très adaptée à ce cas. En effet, Kwok et al. ont montré que les structures MIS, réalisées sur InP traité au soufre, sont optimisées
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après un recuit de 15 min à 500°C [KWOK93]. De plus, le traitement au soufre (en solution
ou par projection de gaz) nécessite un recuit d’activation avant le dépôt du film mince diélectrique (§ 3.1.1).
• La topographie ainsi que la présence de différents matériaux à la surface (figure 1-12) rendent délicat l’utilisation d’une couche de contrôle d’interface.
• La nécessité d’obtenir un processus reproductible nous a conduit à éliminer également le traitement par plasma d’hydrogène. En effet, pour ne pas dégrader l’InP, celui-ci doit être de courte durée [MALHOTRA] et il est alors difficilement contrôlable, à cause du temps de
stabilisation du plasma.
Finalement, nous avons choisi d’étudier l’influence du traitement in-situ de la surface d’InP par plasmas DECR d’azote et/ou d’ammoniac. Les résultats obtenus, concernant les caractéristiques électriques des structures Al/SiNx/InP, seront présentés au chapitre 4 (§ 2.3)
Notre démarche a été de progresser par étapes, dans le but de définir un procédé de passivation du TBH,. Dans un premier temps, nous nous sommes essentiellement intéressés aux structures MIS Al/SiNx/InP, de manière à caractériser les interfaces obtenues avec différentes conditions expérimentales. Ensuite nous avons étudié l'effet du dépôt de nitrure de silicium sur les caractéristiques des jonctions base-émetteur et nous avons optimisé la passivation de ces jonctions. Enfin, nous avons utilisé le procédé défini par les étapes précédentes pour passiver des TBH et nous avons vérifié la validité de ce procédé en comparant les caractéristiques statiques des transistors avant et après passivation. Tous les résultats concernant cette étude seront présentés au chapitre 4 (§ 2 et 3).
4 Conclusion
Nous nous sommes efforcé, dans un premier temps, de définir les principales notions sur le plasma que nous avons utilisées au cours de cette étude. Après ces brefs rappels, nous avons montré que les méthodes de dépôt de diélectriques en phase vapeur (CVD) connaissent une formidable évolution depuis l'apparition des sources de plasma de haute densité dans ce domaine. En effet, celles-ci permettent d'augmenter d'au moins un ordre de grandeur la densité électronique (d'où leur nom) tout en travaillant à des pressions beaucoup plus faibles que les plasmas RF capacitifs classiques. Le degré d'ionisation est donc beaucoup plus élevé (typiquement 5×10-3) et permet de réduire la température du substrat lors du dépôt. De plus, les ions qui arrivent sur l'échantillon ont une énergie très faible (≈ 15 eV) et induisent peu de défauts dans le substrat. Parmi les sources plasmas les plus prometteuses, on retiendra les sources ECR et DECR, telle que celle utilisée lors de cette étude, mais également les
sources ICP qui, malgré le manque d'études comparatives sur les dépôts, semblent encore plus performantes que les deux précédentes.
Enfin, dans le dernière partie de ce chapitre, nous avons dressé un bilan des différentes méthodes de désoxydation des matériaux semiconducteurs utilisés dans les dispositifs optoélectroniques à base d'InP (principalement InP et InGaAs) qui ont été étudiées à ce jour. Nous avons montré que, dans le cas de la passivation des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH), la méthode la mieux adaptée semble être le traitement par plasma, ce qui a motivé nos choix pour cette étude.
En présentant un état de l'art sur les sources plasmas de haute densité et sur les différents traitements de surfaces d'InP et d'InGaAs, nous avons resitué le sujet de cette thèse dans un contexte plus large (les dépôts de diélectriques en phase vapeur à basse température et leur application à la passivation des dispositifs optoélectroniques) et nous en avons fait ressortir les motivations.
Chapitre 2
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Le dispositif expérimental et les
techniques d’analyse
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1 Le dispositif expérimental
Pour cette étude, nous avons utilisé un réacteur de dépôt de type DECR commercialisé par Alcatel, le RCE200. Il s’agit d’un réacteur monoplaque constitué d’un sas et d’une chambre de dépôt. Ces deux parties sont isolées par une vanne clapet et disposent chacune d’une unité de pompage composée d’une pompe primaire mécanique (PPM) et d’une pompe turbo moléculaire (PTM) assurant un vide résiduel de 10-5 Pa dans l’enceinte et dans le sas. La figure 2-1 représente schématiquement l’ensemble du réacteur.
Le sas, de volume réduit, permet d’optimiser l’introduction des échantillons dans le réacteur, en terme de temps de pompage. A l’aide d’un bras de transfert automatisé, nous pouvons déplacer le porte substrat du sas vers la chambre de dépôt lorsque la pression dans le sas est inférieure à 5×10-4 Pa. La chambre de dépôt est une enceinte cylindrique entièrement recouverte d’aluminium anodisée (à l’intérieur comme à l’extérieur). Le diamètre intérieur est
PLASMA Gaz de procédé Transfert Remise à l'air Remise à l'air CHAMBRE DE DEPOT SAS PTM PPM PTM PPM PORTE SUBSTRAT position haute position basse SiH4 N2 NH3 Ar
Figure 2-1 Schéma synoptique du réacteur RCE200.
de 40 cm et le volume libre de 31±1 litres. Quatorze antennes sont disposées régulièrement à l’intérieur de la chambre, à quelques millimètres de la paroi, et sont reliées au générateur micro-onde (2,45 GHz) par l’intermédiaire de quatorze câbles coaxiaux, d’un répartiteur et d’un guide d’onde. Au niveau du guide d’onde, un circulateur permet d’évacuer la puissance réfléchie. Des barrettes d’aimants permanents en SmCo5 sont disposées à l’extérieur du réacteur en face de chaque antenne et présentent des polarisations alternées. Le champ magnétique en surface des aimants est de l’ordre de 0,2 Tesla et il vaut 0,0875 Tesla dans une zone proche de la surface de l’antenne. L’ensemble de ces dispositifs (aimants, antennes, circulateur, PTM) est refroidi par une circulation d’eau.
Le porte substrat, en acier inoxydable, est prévu pour recevoir des échantillons de diamètre inférieur ou égal à 100 mm et peut être polarisé par une tension radiofréquence (13,56 MHz). Cette dernière possibilité n'a pas été utilisée au cours de cette thèse.
La chambre de dépôt est alimentée par quatre lignes de gaz : silane (SiH4), azote (N2), ammoniac (NH3) et argon (Ar). Pour chaque ligne, le flux de gaz entrant dans le réacteur est contrôlé par un débitmètre massique. Celui-ci donne un débit en sccm, c'est-à-dire en centimètre cube par minute dans des conditions standards d'utilisation (une atmosphère et 300 K), ce qui correspond à un certain flux de matière (1 sccm correspond à 2,69×1019 molécules par minute). Chaque débitmètre est étalonné pour un gaz donné et est caractérisé par un débit maximal. La régulation du débit est correcte lorsque celui-ci est compris entre 10% et 90% de cette valeur maximale. Dans notre cas, les débits maximaux de chaque ligne sont les suivants : 10 sccm pour le silane, 50 sccm pour l'azote, 50 sccm pour l’ammoniac et 35 sccm pour l'argon. Les gaz ont été choisis de très grande pureté (voir tableau 2-1) afin de minimiser la contamination des lignes et du réacteur et pour avoir une meilleure reproductibilité des dépôts. Le taux de fuite du réacteur a été calculé en arrêtant le pompage et en mesurant la remontée en pression en fonction du temps. Nous avons obtenu un taux de fuite de 3,86×1016 molécules/min, ce qui correspond à un débit de 1,4×10-3 sccm. On voit donc que la contamination provenant des gaz (2×10-5 sccm pour 20 sccm d’azote et 2×10- 4
sccm pour 20 sccm d’ammoniac) est négligeable par rapport au taux de fuite du réacteur. La pression dans l’enceinte est régulée par une vanne de laminage placée entre l’enceinte et la PTM et asservie par une jauge baratron. La pression minimale de travail est fixée par le débit total de gaz entrant dans l’enceinte et par les caractéristiques de pompage maximal (vanne entièrement ouverte). Pour un débit de 20 sccm elle est de l’ordre de 0,08 Pa. La pression maximale de travail conseillée par le constructeur est de 0,5 Pa. En effet, au delà de cette pression le confinement multipolaire est moins efficace et l’échauffement des antennes est plus intense.
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Tableau 2-1 Pureté des gaz utilisés sur la RCE200 (marque AirProducts).
Impuretés (en mpm1) SiH4 (ULSI) N2 (6.0) 99,9999 % NH3 (VLSI) 99,999 % Ar (6.0) 99,9999 % H2O 1 0,5 2 0,5 O2 1 0,4 1 0,1 CO + CO2 2 0,05 2 0,05 H2 / 0,05 / / THC 2 0,1 0,05 0,5 0,05 N2 1 / 3 0,3 Cl 0,2 / / / 1
mpm = mole par million.
2 THC = Total des hydrocarbures exprimé en CH 4.
Les différents paramètres sur lesquels nous avons un accès direct sont les débits des gaz, la pression et la puissance micro-onde fournie par le générateur. Par la suite, lorsque nous parlons de puissance micro-onde, il s'agit de la puissance fournie par le générateur, encore appelée puissance incidente (Pi). Celle-ci est reliée à la puissance réellement transmise au plasma (Pt) par la relation suivante :
Pt = Pi - Pd - Pr (2-1)
où Pd est la puissance dissipée par effet joule dans les antennes et les câbles coaxiaux et Pr est la puissance réfléchie. Cette dernière est éliminée par une adaptation d’impédance manuelle au niveau du guide d’onde.