Structuration des couches métalliques sans « lift-off »

Cette partie se concentre sur la structuration des niveaux métalliques sur les transistors (Figure V-24) :

- Formation des contacts source et drain en Ni-(III-V) aux pieds et sommets des nanofils. - Structuration du niveau de grille à mi-hauteur des nanofils.

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Figure V-24 : Schéma d'un transistor à base nanofils verticaux : emplacements des niveaux métalliques à structurer.

1. Définition des contacts alliés

i - Le procédé « lift-off » non compatible

La formation des contacts Ni-GaAs et Ni-InAs est réalisée par recuit thermique rapide après dépôt de 15 nm de Ni par évaporation anisotrope. Ces contacts doivent être structurés pour isoler chacun des composants les uns des autres. Une méthode de structuration des dépôts métalliques usuellement utilisée par les équipes de recherche est le « lift-off ». Elle consiste à utiliser un premier dépôt d’une couche photosensible qui sera structurée par photolithographie. Le dépôt de métal sera ensuite effectué puis le métal localisé aux positions non voulues sera alors éliminé en dissolvant la couche photosensible (Figure V-25). L’avantage de cette technique est d’être transférable quel que soit le métal utilisé. En effet, contrairement à une étape de gravure (humide ou sèche), l’action d’élimination est ici effectuée sur une couche sacrificielle dont la chimie de gravure est connue. Le succès d’un tel procédé est soumis à la condition d’avoir des flancs de résine rentrants, permettant ainsi une séparation nette du film de métal déposé par évaporation. Si le film déposé est continu, des replis du métal ou le délaquage complet de celui-ci peut être observé.

Figure V-25 : Procédé "lift-off" utilisé avec une résine à flancs sortants (en haut) et rentrants (en bas). Dans le cas de flancs sortant, le film métallique est continu et risque d'être totalement éliminé lors de la dissolution de la résine contrairement au

cas des flancs rentrants où le film est discontinu.

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Cependant, ce procédé présente également quelques défauts :

(i) L’interface peut être contaminée par des résidus organiques provenant de la résine. (ii) Des résidus métalliques peuvent se redéposer lors de la dissolution de la résine. Une solution plus élégante et en accord avec les procédés grande échelle a donc été développée.

ii - Utilisation de la couche Al

O

comme barrière de diffusion

Figure V-26: Stratégie employée pour éviter un procédé "lift-off". L’Al2O3 est structuré par gravure pour bloquer la diffusion du Ni en dehors des contacts.

L’étape précédent la formation des contacts est le dépôt de l’oxyde de grille Al2O3 et de sa gravure. Cette couche de 5 nm peut être utilisée comme barrière de diffusion pour empêcher la formation des contacts Ni-(III-V) aux positions non désirées. Pour cela, l’étape de gravure de l’Al2O3 qui était auparavant effectuée sur la totalité de l’échantillon doit être révisée. Une étape de photolithographie est réalisée pour permettre la gravure d’Al2O3 au niveau des transistors seulement. Une fois la résine éliminée par une solution de DMSO, l’échantillon est alors plongé dans un bain d’HCl à 37% (élimination de l’oxyde) puis charger dans le bâti d’évaporation. Une fois le Ni déposé, le recuit thermique rapide est effectué afin de former les contacts au pied et sommet des nanofils seulement. Ces étapes sont résumées schématiquement dans la Figure V-26. Afin d’isoler chacun des composants, le nickel non réagi doit être gravé. Cela est réalisable à l’aide de l’acide chlorhydrique, cependant on observe alors que les contacts alliés ne sont plus présents au sommet des nanofils (Figure V-27). Il n’a pas pu être déterminé si la gravure du Ni par cet acide est non sélective vis-à-vis des alliages Ni-(III-V) ou si les alliages formés au sommet des nanofils ont été éliminé par éjection suite à des contraintes mécaniques. Afin de contourner cette difficulté, une photolithographie a été utilisée pour protéger les zones où l’alliage est présent et éliminer par HCl la couche de nickel présent sur l’alumine : pour cette

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étape, il suffit d’utiliser une résine avec une polarité négative avec le masque utilisé lors de l’étape de gravure de l’Al2O3.

Figure V-27 : Elimination du Ni par solution HCl. Les résidus de Ni sur les flancs des nanofils sont bien éliminés mais le contact au sommet également. L'aspect du substrat est mauvais à cause d'un défaut lors du dépôt du Ni. Les résidus ne sont

normalement pas présents également.

En utilisant astucieusement la couche d’Al2O3 préalablement présente à la surface de l’échantillon, une méthode adaptée aux procédés grande échelle a été proposée pour structurer la couche d’alliage Ni-(III-V). L’élimination du Ni résiduel a été permise au prix d’une photolithographie supplémentaire.

Le second niveau à structurer est la grille en chrome qui repose sur le premier niveau d’isolation et est en contact avec l’oxyde de grille en Al2O3. .

2. Définition de la grille en Cr

Au même titre que pour la structuration des contacts alliés, il est nécessaire de structurer la grille des transistors pour isoler chaque composant. Pour cela, un enchaînement dépôt / photolithographie / gravure humide est proposé car il permet de protéger les nanofils lors de la gravure de la grille.

Pour éviter l’oxydation du Cr lors du dépôt, l’échantillon est introduit dans le bâti d’évaporation à l’aide d’un sas limitant au strict minimum la quantité d’oxygène présent dans la chambre de dépôt. 20 nm de métal sont alors déposés par évaporation. Le dépôt ainsi effectué est conforme et épouse la forme obtenue après planarisation (Figure V-28). Le chrome est également présent au sommet des nanofils mais pas sur les flancs, garantissant ainsi une bonne isolation des deux contacts.

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Figure V-28 : Dépôt de Cr sur des nanofils de 60 nm de diamètre. Le Cr se dépose au sommet des nanofils mais pas sur les flancs, permettant ainsi d'éviter un faux contact. Hauteur de la partie libérée des fils : 130 nm à 150 nm.

Le développement de la structuration du chrome s’est avéré complexe à plusieurs niveaux, repris dans la suite de ce paragraphe.