Réalisation de composants passifs à base de technologie AlGaN/GaN pour des applications millimétriques

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE

Faculté de génie

Département de génie électrique et de génie informatique

Réalisation de composants passifs à base de

technologie AlGaN/GaN pour des

applications millimétriques

Mémoire de maîtrise

Spécialité : génie électrique

Alexandre THEVENOT

Jury : Hassan MAHER (directeur)

Richard ARÈS

Résumé

Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro-électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispo-sitifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui orent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm2_{/V.s) [Touati, 2007].}

Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui dénissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés an de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant xé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs.

L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'op-tique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances.

Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de diérentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

Mots-clés : micro-fabrication, nitrure de gallium, ondes millimétriques, composants pas-sifs

REMERCIEMENTS

Je tenais tout d'abord à remercier mon directeur de recherche Hassan Maher qui a su me faire conance en m'accordant une place dans son groupe de travail. C'est en premier lieu grâce à lui que j'ai pu vivre cet expérience.

Dans la foulée, je remercie l'ensemble du groupe microélectronique III-V au sein duquel j'ai évolué durant ces derniers 18 mois de maîtrise. J'ai découvert un groupe avec une panoplie complète de caractères mais très soudépour autant ! Pour les citer :

Merci à Elias Al Alam qui s'est (très bien) occupéde ma formation technique mais qui savait être là aussi pour tout autre chose

Merci à Ahmed Chakroun qui m'a souvent donnéun coup de main en salle blanche et puis bravo, je n'ai jamais trouvéle matelas que tu cachais en salle blanche (pour y être aussi souvent tu devais bien y dormir de temps en temps non ?)

Merci à Ardien Cutivet qui a su me faire conance et partager avec moi son projet de recherche en prenant en compte mes idées et en me laissant fabriquer ses échantillons Merci à Osvaldo Arenas qui savait être là pour nous malgréces multiples projets à gérer Merci à Arnaud Stolz pour sa bonne humeur et son (bon) humour et merci pour le temps qu'il a passéà corriger ce mémoire

Merci à Floriane Leroy pour ses gâteaux du Lundi mais aussi pour toute l'aide qu'elle a pu m'apporter (en même temps c'est facile avec des journées de 48 heures)

Merci aussi à François Lecourt, Rémi Comyn et Mohamed Ridaoui ainsi qu'aux professeurs François Boone et Abdelatif Jaouad. Et bonne chance à tous pour la suite.

Je tiens aussi à remercier chaudement l'ensemble du personnel des salles blanches sans qui rien ne serait possible.

Merci à mon école d'ingénieur (ISEN Toulon) qui m'a permis de partir au Québec pour ma dernière année d'étude.

Le travail c'est important, mais l'environnement social n'est pas négligeable pour autant (un peu comme les composants passifs pour les transistors ...). Heureusement, j'ai eu la chance d'avoir un bon entourage aussi. Merci à vous tous !

Pour terminer merci à ma soeur, ma mère et mon père qui ont toujours cru en moi et puis merci à ma belle Maribey qui m'accompagne et me supporte quotidiennement.

Table des matières

1 Introduction 1

1.1 Le marché de la micro-électronique . . . 1

1.2 Les applications millimétriques . . . 2

1.3 Les matériaux III-V et le GaN . . . 2

1.4 Les composants passifs . . . 3

1.5 Les procédés de micro-fabrication . . . 3

2 État de l'art des composants passifs GaN/AlGaN 5 2.1 Les applications millimétriques . . . 5

2.2 Les caractéristiques du GaN/AlGaN . . . 6

2.3 Les composants passifs . . . 8

2.4 Les procédés de fabrication . . . 9

2.4.1 Les TFRs à base de Nickel-Chrome . . . 9

2.4.2 La gravure des diélectriques . . . 14

2.4.3 Réalisation et modélisation d'inductances . . . 15

2.4.4 Réalisation et modélisation de capacités . . . 16

3 Échantillon de formation : H1017 19 3.1 Caractérisation des contacts ohmiques . . . 19

3.2 Caractérisation des transistors . . . 21

3.3 Un échantillon qui mène à une publication . . . 27

4 Réalisation et caractérisation de résistances à base de NiCr 29 4.1 Procédé de fabrication . . . 29

4.2 Première approche . . . 29

4.3 Approche approfondie . . . 32

4.3.1 Le Kanthal à la place du NiCr ? . . . 32

4.3.2 Conditions de dépôt de l'évaporateur SLOAN (e-beam) . . . 32

4.3.3 Creuset de l'évaporateur Edwards (eet Joule) . . . 33

4.3.4 Le dépôt par sputtering . . . 35

4.4 La piste de l'eet Joule . . . 35

4.5 Un nouvel évaporateur e-beam ? . . . 37

4.6 Une nouvelle source de Nichrome . . . 38

4.7 Étude de la reproductibilité . . . 40

4.8 Inuence du recuit . . . 43

4.8.1 Premiers essais . . . 43

5 Étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) 45 5.1 La place de cette étape au sein du procédé de fabrication . . . 45

5.2 L'angle de 45° : un compromis entre résolution et abilité . . . 45

5.3 Gravure avec l'AOE . . . 46 v

vi TABLE DES MATIÈRES

5.4 Précision et reproductibilité de l'angle de gravure . . . 47

5.5 Procédé avec l'AOE . . . 51

6 Réalisation et caractérisation de capacités et d'inductances 53 6.1 Théorie des paramètres S . . . 54

6.2 Résultats et interprétation . . . 55

6.2.1 Les capacités . . . 55

6.2.2 Les inductances . . . 57

7 Conclusion 59

A Liste des procédés de fabrication 61

Liste des gures

1.1 Graphique comparant la loi de Moore avec l'évolution réelle du nombre de

transistors sur un processeur [Wikipédia, 2006] . . . 1

1.2 Diagramme représentant l'absorption des ondes dans l'atmosphère en fonc-tion de leur fréquence [Kirt Blattenberger, s. d.] . . . 2

2.1 Tableau des caractéristiques principales de diérents semi-conducteurs [Run-ton et Trabert, 2013] . . . 6

2.2 État de l'art des transistors GaN jusqu'en 2007 [Richard, 2009] . . . 7

2.3 Schéma de principe de la pulvérisation cathodique [B. Lush et C. McClure, s. d.] . . . 10

2.4 Schéma représentant le risque de présence d'antennes lors de l'association d'une pulvérisation cathodique et d'un lift-o : a. Aprés pulvérisation ca-thodique (dépôt conforme) ; b. Après lift-o (le métal déposé sur les ancs de la résine ne soulève pas et crée des antennes) . . . 10

2.5 Schéma de principe de l'évaporation par faisceau d'électrons [B. Lush et C. McClure, s. d.] . . . 11

2.6 Schéma de principe de l'évaporation par eet Joule [B. Lush et C. McClure, s. d.] . . . 12

2.7 Schéma de principe d'un montage d'ellipsométrie [Wikipédia, 2014] . . . . 13

2.8 Schéma de principe simplifé d'un montage de prolométrie . . . 13

2.9 Exemple de mesure prolométrique d'une résistance NiCr . . . 13

2.10 Schéma exprimant le risque d'eet fusible si la pente du diélectrique est trop forte : a. Angle du prol de gravure à 80° ; b. Angle du prol de gravure à 45° 14 2.11 Modèle typique d'une inductance [Yue et Wong, 2000] . . . 16

2.12 Modèle basé sur les lignes de transmission [Lee et al., 1999] . . . 17

2.13 Modèle à haute fréquence [Piquet et al., 2008] . . . 17

3.1 (a) Schéma représentant une mesure de TLMs  (b)Schéma explicatif des paramètres de la mesure TLM . . . 20

3.2 Exemple typique de données obtenues suite à une mesure TLM . . . 20

3.3 Résultats obtenus grâce au chier excel réalisé . . . 22

3.4 Mesures IDS(VDS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017 . . . 23

3.5 Mesures IDS(VGS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017 . . . 24

3.6 Mesures IG(VGS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017 . . . 25

3.7 Comparaison des mesures IDS(VDS) entre un MOS-HEMT et un HEMT sur l'échantillon H1017 . . . 26

3.8 Comparaison des mesures IDS(VGS) entre un MOS-HEMT et un HEMT sur l'échantillon H1017 . . . 27

3.9 Comparaison des courants de fuite IG(VGS) entre un MOS-HEMT et un HEMT à DS=7V, sur l'échantillon H1017 . . . 28

4.1 Résultats de l'étude n°1 pour l'évaporation e-beam . . . 31 vii

viii LISTE DES FIGURES 4.2 Résultats de l'étude n°2 pour l'évaporation e-beam . . . 3 1 4.3Résultats de l'étude n°1 pour l'évaporation par eet Joule . . . 3 2 4.4 Les propriétés du NiCr [Neyco, s. d.] . . . 3 4 4.5 Photo d'un bateau pour l'évaporation par eet Joule [Plansee, 2014] . . . . 3 4 4.6 Photo d'un panier pour l'évaporation par eet Joule [Megatech, 2014] . . . 34 4.7 Observation SEM des antennes obtenues lors d'un dépôt sputtering . . . . 3 5 4.8 Résultats de l'étude n°4 pour l'évaporation par eet Joule . . . 3 6 4.9 (a) Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Eet Joule"  (b) Mesure XPS

réalisée sur l'échantillon "Sputtering" . . . 3 6 4.10 Plan d'expérience envisagé pour le dépôt de NiCr . . . 3 7 4.11 Comparaison des résultats obtenus avec des données de la littérature . . . 38 4.12 Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Intlvac" . . . 3 9 4.13Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Intlvac" avec la nouvelle source de

NiCr . . . 40 4.14 Image SEM de la bicouche de résine des échantillons tests pour le NiCr . . 41 4.15 Résultats de la caractérisation de l'échantillon I996J . . . 41 4.16 Résultats de la caractérisation de l'échantillon I996K . . . 41 4.17 Mesure XPS réalisée après une évaporation de tout le matériau du creuset,

par eet Joule . . . 42 4.18 (a) Schéma explicatif de l'étude de reproductibilité pour l'évaporation de

NiCr  (b) Indication des résistances mesurées sur chaque échantillon . . . 43 4.19 Graphique représentant l'ensemble des résistances par carré mesurées au

cours de l'étude . . . 43 4.20 Graphique représentant l'évolution de le résistance par carré des échantillons

suite à un ou plusieurs recuits . . . 44 5.1 Observation MEB en coupe de la gravure de diélectrique pour un temps de

(a) 150 secondes, (b) 162 secondes, (c) 170 secondes . . . 48 5.2 Évolution qualitative de l'angle du prol de gravure en fonction du débit

d'O2 . . . 49

5.3Représentation schématique de l'importance du contact masque-échantillon lors d'une exposition UV . . . 50 6.1 Ondes incidentes et rééchies pour un quadripôle [Courivaud, 2002] . . . . 54 6.2 Partie imaginaire du paramètre Y12 pour les capacités C17 (a) et F17 (b)

sur les 3échantillons fabriqués accompagné de la simulation correspondante 56 6.3Partie imaginaire du paramètre Y12 pour les inductances C22 (a) et D22 (b)

Liste des tableaux

A.1 Description du procédé de fabrication du projet SPUT . . . 61

A.2 Description du procédé de fabrication des résistances de Ni-Cr . . . 62

A.3 Description du procédé de gravure des diélectriques . . . 63

A.4 Description du procédé de gravure des diélectriques . . . 64

Lexique

Terme technique Dénition

Matériau III-V Matériau fabriqué à partir d'un ou plusieurs éléments de la colonne III du tableau périodique des éléments (bore, aluminium, gallium, ...), et d'un ou plusieurs éléments de la colonne V (azote, phosphore, arsenic, antimoine, ...)

Diélectrique Se dit d'un milieu (matériau) qui ne permet pas le passage du courant électrique

Via-hole En micro-électronique, c'est une petite ouverture à travers le substrat qui permet de contacter électriquement la face avant et la face arrière d'un circuit électrique

Applications millimétriques Applications utilisant des fréquences pouvant aller de 30 à 300GHz

Résistance de feuille Venant de l'anglais "Sheet resistance", c'est une mesure de la résistance d'une couche ne conductrice. Elle est donnée en Ohms par carré

Pulvérisation cathodique (ou "Sputtering" en Anglais) Méthode de dépôt de couche mince appartenant à la famille des dépôts physiques par phase vapeur (PVD= Physical Vapor Deposition) Photolithographie En micro-électronique, c'est l'ensemble des opérations

permettant de transférer un motif présent sur un masque vers un substrat

Lift-o En français "soulèvement", c'est un procédé permettant de structurer les motifs d'une couche ne en retirant le surplus de matériau par soulèvement d'une résine déposée au préalable

Soak Temps d'attente avant d'entamer une évaporation (chauage de la chambre, dégazage)

Stub Section de ligne de transmission connectée en une seule extrémité, qui permet de faire de l'adaptation d'impédance Contacts ohmiques Contact métal-semiconducteur possédant une très faible

résistance de contact. Dans un transistor, il correspond au drain et à la source

Mesa Signiant plateau en Anglais, le mesa correspond à l'isolation latérale d'un composant. Dans le cas du groupe GaN, il est réalisé par gravure (ou implantation ionique) tout autour du composant pour couper le 2DEG

Substrat de GaN "freestanding" Substrat composé uniquement de GaN, ne reposant pas sur un autre matériaux (Si, SiC ou saphir)

Gain unilatéral de Mason Mesure basique de l'activité de transfert d'un quadripôle [Rollett, 1965]

LISTE DES ACRONYMES

Acronyme Dénition GaN Gallium Nitride

(= Nitrure de Gallium)

AlGaN Alliage de nitrure d'aluminium et de nitrure de gallium GaAs Gallium Arsenide

(= Arséniure de Gallium) 2DEG 2-Dimension Electron Gas

(= Gaz d'Électrons à 2 Dimensions) MMICMonolithic Microwave Integrated Circuit

(= Circuit Intégré Monolithique Hyperfréquence) TFR Thin Film Resistor

(= Couche Fine Résistive) NiCr Nickel-Chromium alloys

(= alliage de Nickel-Chrome, aussi appelé Nichrome) SiCSilicon Carbide

(= Carbure de Silicium) Capacité MIM Capacité Métal-Isolant-Métal HEMT High Electron Mobility Transistor

(= Transistor à Haute Mobilité Électronique) PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition

(= Dépôt Chimique en phase Vapeur Assisté par Plasma) ICP Inductively Coupled Plasma

(= Plasma Couplé par Induction)

3IT Institut Interdisciplinaire d'Innovation Technologique IMDQ Infrastructure des Matériaux et Dispositifs Quantiques INRS Institut national de la recherche scientique

(situé à Montréal)

TCR Temperature Coecient of Resistance (= Coecient Thermique de Résistance) lT Longueur de transfert

Longueur horizontale sur laquelle la majorité du courant passe

1.4. LES COMPOSANTS PASSIFS 3 les installations industrielles s'y sont adaptées. Cependant,pour arriver à suivre la loi de Moore,il a fallu miniaturiser les designs jusqu'à atteindre aujourd'hui des dimensions minimes,de l'ordre de la dizaine de nanomètres pour la grille du transistor. An de continuer sur la loi de Moore,une piste est de chercher des alternatives au silicium. La découverte de nouveaux matériaux comme les III-V,présentant des propriétés bien plus intéressantes,est ainsi favorisée. En particulier,les matériaux à base de nitrure,comme le nitrure de gallium (GaN),orent à la fois de bonnes performances en termes de fréquences de fonctionnement ainsi qu'en termes de puissance délivrée. Cependant,cela ne fait qu'une quinzaine d'années que la technologie GaN se développe et cette dernière manque encore de maturité.

1.4 Les composants passifs

Les transistors à haute mobilité d'électrons,appelés plus communément HEMTs (High Electron Mobility Transistor) reçoivent actuellement beaucoup d'attention et de nom-breuses recherches portent sur leur développement. En revanche,les composants passifs, comme les résistances,les inductances,les capacités ou encore les lignes de transmissions sont moins étudiés mais font partie intégrante du circuit et méritent une aussi grande attention.

1.5 Les procédés de micro-fabrication

Lors du développement d'une lière technologique,deux grands thèmes sont à considérer pour la réalisation de composants. Il y a d'abord la partie théorique,la conception du composant. Une fois un premier design mis en place,il y a la partie technique,c'est à dire la fabrication du composant. Cette partie parfois longue et laborieuse n'est pas réalisable sur la durée d'une maîtrise. Dans cette optique,une liste restreinte d'étapes à étudier ont été choisies en accord avec le groupe. Ces étapes sont les suivantes :

- Réalisation et caractérisation de résistances à base de NiCr - Étude de la gravure de diélectriques (SiO2,Si3N4)

- Réalisation et caractérisation d'inductances fonctionnant à hautes fréquences - Réalisation et caractérisation de capacités fonctionnant à hautes fréquences

Chapitre 2

État de l'art des composants passifs GaN/AlGaN

Ce projet de recherche traite donc de la réalisation de composants passifs à base de tech-nologie GaN/AlGaN pour des applications millimétriques. Un état de l'art sur les thèmes principaux du sujet a été réalisé an d'avoir une première idée des notions clés à étudier. L'étude sur l'état de l'art regroupe les points suivants :

- Les applications millimétriques - Les caractéristiques du GaN/AlGaN - Les composants passifs

- Les procédés de fabrication :

- Les TFRs (Thin Film Resistors) à base de Nickel-Chrome - La gravure des diélectriques

- Réalisation et modélisation d'inductances - Réalisation et modélisation de capacités

2.1 Les applications millimétriques

Le terme d'applications millimétriques comprend les composants fonctionnant à ondes mil-limétriques, dont la longueur d'onde est de l'ordre du millimètre, regroupant les fréquences allant de 30 à 300GHz. De nos jours, ces fréquences intéressent fortement la recherche dans le domaine de la micro-électronique qui cherche par ailleurs à y associer de fortes puissances [Tartarin, 2008].

Ces nouvelles applications prennent place dans des domaines très variés tels que les té-lécommunications avec par exemple des dispositifs dédiés aux applications 4G [Darraji et M . Ghannouchi, 2011] voire prochainement 5G [Rappaport et al., 2013] ; ou encore dans le domaine automobile avec des systèmes anti-collision [Surugiu et al., 2011] fonc-tionnant à des fréquences aux alentours de 77GHz ; et même dans l'aérospatial puisque les technologies utilisées se montrent assez ables [Waltereit et al., 2012].

6 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART DES COMPOSANTS PASSIFS GAN/ALGAN

2.2 Les caractéristiques du GaN/AlGaN

Depuis près de 30ans, ces nouveaux matériaux tendent à faire leur place là où le silicium ne peut pas convenir. Si le GaAs (pour Arséniure de Gallium) possède des propriétés lui permettant de travailler très haut en fréquence [Tartarin, 2008], le GaN (pour Nitrure de Gallium) est plus attractif pour des applications qui demandent aussi de bonnes perfor-mances en puissance.

Figure 2.1 Tableau des caractéristiques principales de diérents semi-conducteurs [Runton et Trabert, 2013]

Sur la g. 2.1, les caractéristiques principales de diérents semi-conducteurs sont présen-tées. Ceci permet de comparer en particulier le silicium et le GaN pour ce qui est de leur bande interdite (Bandgap, en eV) et de leur mobilité des électrons (en cm2_{/V.s). Pour ce}

qui est de la largeur de bande interdite, elle est directement reliée à la tenue en tension du transistor. Ainsi, une plus haute bande interdite implique une plus grande capacité à travailler avec de fortes puissances. Le GaN est donc bien avantagé à ce niveau vis à vis du silicium avec une bande interdite d'environ 3.49 eV qui lui donne un champ de claquage critique (Critical Breakdown Field) de 3.3 MV/cm soit 10fois supérieur à celui du silicium (0.3 MV/cm). La mobilité des électrons quant à elle est reliée à la fréquence de fonction-nement maximale d'un transistor. Grâce l'utilisation du 2DEG (Two-Dimesional Electron Gas) pour les transistors GaN, on considère une mobilité des électrons approchant les 2000 cm2_{/V.s, supérieure à celle du silicium. Encore une fois le GaN permet de se rendre là où}

le silicium ne convient pas.

Ses propriétés de matériau III-V à grand gap direct, lui ont d'ailleurs permis de se faire connaître dans les années 1970au travers des diodes électroluminescentes de couleur bleue ("Dès les années 1970, le potentiel du GaN pour le bleu n'avait pas échappé aux chercheurs"

2.2. LES CARACTÉRISTIQUES DU GAN/ALGAN 7 p.8 [Martin, 2007]). Depuis cettepériodeleGaN bat sans cessedenouveaux records au travers des transistors, comme le montre le tableau en g. 2.2.

Figure2.2 État del'art des transistors GaN jusqu'en 2007 [Richard, 2009] Pour une meilleure lecture de ce tableau, rappelons les paramètres qui déterminent la performance d'un transistor :

- La fT (fréquencedecoupure) qui correspond à la fréquenceà laquellelegain du

transistor est unitaire.

- La fMAX (fréquencemaximaled'oscillation), à laquellelegain unilatéral deMason

8 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART DES COMPOSANTS PASSIFS GAN/ALGAN - La gM (transcondutance) du transistor qui est directement associée à son gain.

Ainsi, on peut dire que cette constante amélioration des performances se poursuit encore de nos jours, quelque soit le substrat. La croissance sur silicium, à l'origine la moins prometteuse mais aussi la plus économique, a permis d'obtenir de bonnes performances avec une fT=60GHz, une fMAX=100GHz et une gM=423mS/mm pour une longueur de

grille de 250nm [Rennesson et al., 2013] ou encore une fT=100GHz, une fMAX=206GHz

et une gM=440mS/mm pour une longueur de grille de 90nm [Maher et al., 2013].

Le GaN sur saphir montre des performances intéressantes même s'il semble être de moins en moins au coeur de l'attention. On peut obtenir une fT=80GHz, une fMAX=100GHz et

une gM=325mS/mm pour une grille de longueur 110nm [Lecourt et al., 2011].

Le substrat le plus prometteur de par ses caractéristiques électroniques et sa qualité de dissipation de chaleur reste encore le SiC bien que plus onéreux. Des valeurs records de l'ordre de fT=450GHz et fMAX=600GHz ont récemment été atteintes sur ce type de

substrat [Shinohara et al., 2013].

Enn il ne faut pas oublier de noter les eorts de la recherche pour réaliser des circuits sur substrats "freestanding" ce qui permet d'éviter tout problème de dislocations. Les résultats obtenus à ce jour sont un fT=165GHz, un fMAX=171GHz une gM=347mS/mm

pour une grille de 100nm de longueur [Meyer et al., 2013].

2.3 Les composants passifs

Il est intéressant de noter à quel point les composants actifs (comme les transistors) en technologie GaN sont étudiés [Binari et al., 1997; Calle et al., 2003; Maher et al., 2013; Tomaska et al., 2008] tandis que les composants passifs qui ne sont pas moins importants pour le circuit, reçoivent beaucoup moins d'attention. De nombreux articles ont tout de même déjà été publiés [Dandu et al., 2005; Fang et al., 2011; Lin et Lai, 2007; Ukaegbu et al., 2012; Wang et Kim, 2012], couvrant une grande majorité des procédés de fabrication des composants passifs. Ils sont une source précieuse d'information pour le développement de la technologie GaN spécique au laboratoire.

En eet, il est déjà possible de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 1pF à quelques centaines de nanofarads, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, tous types de résistances ou encore des lignes de transmissions de diérentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007].

2.4. LES PROCÉDÉS DE FABRICATION 9 Il est maintenant important de constater la complexité et la quantité d'étapes à réali-ser pour obtenir les composants passifs désirés. Il est donc nécessaire de se focaliréali-ser sur certaines d'entre elles et non pas d'essayer de traiter l'ensemble sur la durée d'une maî-trise. En accord avec le groupe de recherche, une série d'étapes ont été choisies pour être développées au cours de cette maîtrise. Celles-ci sont décrites ci-dessous.

2.4 Les procédés de fabrication

2.4.1 Les TFRs à base de Nickel-Chrome

Les TFRs1 _{sont des couches très nes de métal ou d'alliage, dont l'épaisseur, de l'ordre de}

quelques dizaines de nanomètres, et la géométrie conditionnent l'obtention d'une valeur précise de résistance.

Ces résistances peuvent être fabriquées à partir de diérents métaux ou alliages (TaN, NiCr (pour Nickel-Chrome ou Nichrome) [Kopf et al., 2002]) en fonction de la résistance par carré que l'on souhaite obtenir.

En termes de micro-fabrication, il s'agit de déposer une couche du matériau choisi et d'y dessiner des motifs de résistances. Les paramètres principaux sont ici le nombre de carrés (longueur de la ligne résistive divisée par la largeur), l'épaisseur de la couche métallique et la résistance de feuille du métal (de l'anglais "sheet resistance").

Dans la littérature, la méthode la plus répandue consiste à déposer le métal désiré par pulvérisation cathodique [Lifei et al., 2012; Zhao et al., 1998]. Une photolithographie avec les motifs de résistance permet de dénir la géométrie puis on grave le métal an de ne laisser que les motifs sur l'échantillon. Le problème de cette méthode est l'utilisation de la gravure. En eet, dans le cas du procédé de fabrication utilisé par le groupe Microélec-tronique III-V de l'Université de Sherbrooke, une série de métallisations est déjà réalisée avant l'étape des résistances et la gravure plasma comporte des risques pour les niveaux métalliques inférieurs si elle n'est pas parfaitement maîtrisée.

La seconde méthode, plus adaptée, est donc d'utiliser un procédé de soulèvement (ou lift-o en anglais) an de retirer le surplus de métal déposé [Zhao et al., 2011]. L'inconvénient de cette méthode est l'impossibilité d'évaporer le métal par pulvérisation cathodique (g. 2.3) : cela induit la formation d'antennes sur le bords des motifs (g. 2.4) et modie le comportement des résistances à hautes fréquences.

−4 −6 −8

−5

% %

2.4. LES PROCÉDÉS DE FABRICATION 15 Selon le type de procédé de gravure (humide [Kal et al., 1990], plasma [Karulkar et Wirzbi-cki, 1988], RIE [Sun et Sarangan, 2011]...) et le diélectrique utilisé (SiO2, Si3N4 [Jongwook et al., 2010; Riley et Hanson, 1989]), les prols gravés n'ont pas la même pente. Aussi, il est important de déterminer la sélectivité entre la résine utilisée et le diélectrique à graver an de déterminer l'épaisseur de résine à déposer pour protéger correctement les zones non gravées.

2.4.3 Réalisation et modélisation d'inductances

Les inductances sont un des points critiques des circuits fonctionnant à hautes fréquences (> 1GHz). Elles sont nécessaires, principalement pour la réalisation de ltres analogiques intégrés au circuit et l'adaptation d'impédance. Aux vues des articles publiés concernant les inductances, elles ne semblent pas être utilisées dans les circuits fonctionnant à plus de 20GHz. Le problème se décompose donc en 2 parties :

- Quels sont les subtilités en termes de modélisation et de fabrication des inductances pour la haute fréquence, en dessous de 20GHz ?

- Peut-on réaliser des inductances fonctionnant au dessus de 20GHz ? Ou comment pouvons nous les substituer ?

En dessous de 20GHz

An de réduire les capacités parasites, il semble intéressant de réaliser des inductances avec ponts à air [Fang et al., 2011] cependant cela rajoute des étapes de fabrication à un procédé déjà complexe. De plus, on est déjà capable de réaliser des inductances à fort coecient de qualité sans pour autant utiliser de pont à air [Peters, 2004]. On modélise généralement les inductances comme montré en gure 2.11.

Au dessus de 20GHz

Les circuits MMICs3 _{fonctionnant à plus de 20GHz dans la littérature comportent des}

résistances et des capacités mais aucune inductance. En se renseignant un peu plus sur le domaine fréquentiel de viabilité des inductances, aucun article ne semble démontrer des ca-ractéristiques inductives au dessus de 20GHz avec les inductances utilisées habituellement en micro-électronique [G.Rojas et al., 2004; Martin, 2007; Pieters et al., 2001].

La solution généralement utilisé dans ces gammes de fréquences pour l'adaptation d'im-pédance et la réalisation de ltres RF est donc l'utilisation des stubs. (Stub = section de

3_{MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit (= Circuit Intégré Monolithique Hyperfréquence,}

16 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L'ART DES COMPOSANTS PASSIFS GAN/ALGAN

Figure 2.11 Modèle typique d'une inductance [Yue et Wong, 2000]

ligne de transmission connectée en une seule extrémité, qui permet de faire de l'adaptation d'impédance)

2.4.4 Réalisation et modélisation de capacités

La réalisation de circuits intégrés fait appel à 3 types de capacités :

- Les capacités de découplage placées entre l'alimentation et la masse et qui ont des valeurs allant de 1 à 1000nF.

- Les capacités utilisées dans les ltres analogiques qui nécessitent d'être de bonne qualité (précision, linéarité en tension, courants de fuite faibles) et dont les valeurs sont généralement comprises entre 1 et 100pF.

- Les capacités qui permettent de supprimer la composante continue des signaux élec-triques d'un bloc à l'autre. Elles sont la plupart du temps comprises entre 1 et 10nF. D'un point de vue technologique, il est donc nécessaire de savoir réaliser des capacités sur une grande gamme de valeurs, allant du picofarad au microfarad. Actuellement, la majo-rité des capacités utilisées pour les hautes fréquences sont fabriquées avec un diélectrique en Si3N4 déposé par PECVD qui, pour des épaisseurs faibles allant de 20 à 63nm, a les

caractéristiques suivantes : une densité capacitive supérieure à 1 fF/μm2_{, un champ de}

cla-quage supérieur à 3.5 MV/cm, un courant de fuite faible comparé à d'autres diélectriques comme l'Al2O3 ou le HfO2 [Lee et al., 1999; Piquet et al., 2008; Yota et al., 2013].

2.4. LES PROCÉDÉS DE FABRICATION 17 Ainsi, on constate que pour réaliser une capacité de 1pF, il faudrait une surface d'environ 30×30μm2_{, quand pour des valeurs de l'ordre de la centaine de nanofarads elle devrait}

mesurer 10×10 mm2_{, ce qui n'est évidemment pas concevable. Il est donc nécessaire de}

bien étudier le cahier des charges et de réaliser au préalable des simulations qui nous permettront de déterminer la plage de fonctionnement réalisable.

Au niveau théorique, diérents modèles existent an d'approximer au mieux le fonction-nement des capacités réalisées. En transposant ces modèles sous formes d'équations, il est possible de comparer les courbes théoriques à des courbes obtenues en mesurant des séries de composants. Ceci permet de déterminer quel modèle correspond le mieux au composant réalisé, dans les conditions d'utilisation (2.12, 2.13).

Figure 2.12 Modèle basé sur les lignes de transmission [Lee et al., 1999]

Chapitre 3

Échantillon de formation : H1017

Cet échantillon utilise une épitaxie de GaN sur substrat Saphir, sur lequel ont été réalisées les étapes du procédé "SPUT", présentées en annexes (tableau A.1).

Le projet appelé SPUT à l'interne fait partie intégrante de la thèse d'Osvaldo Arenas. L'objectif est de réaliser et de caractériser une série de capteur en platine an de démontrer et de caractériser une nouvelle méthode de mesure thermique, incluse dans le procédé de fabrication.

Le procédé dans l'ensemble nécessite plus de 7 masques de photolithographie, ce qui cor-respond au bas mot à une centaine d'étapes de fabrication telles que des nettoyages, des étalement de résines, des métallisation ou encore des gravures.

Outre l'expérience acquise grâce au travail eectué sur cet échantillon, ce dernier accom-pagne la série d'échantillons réalisés par Elias Al Alam (H1015, H1018, H1019A, H1019B) ainsi qu'Osvaldo Arenas (I092)et permet de renforcer la qualité des mesures grâce aux diérentes caractérisations eectuées sur celui-ci.

3.1 Caractérisation des contacts ohmiques

Une fois les contacts ohmiques réalisés (tableau A.1), le métal de protection déposé et la gravure du mesa eectuée, il nous a été possible de réaliser une première étude concernant la qualité des contacts ohmiques ainsi que la qualité de la couche de GaN épitaxiée. Pour réaliser cette étude, on utilise des motifs de TLMs (Transmission Length Model). Dans ce modèle, l'idée est d'injecter un courant entre deux plots métalliques (contacts ohmiques)séparés d'une distance d, de mesurer la résistance induite entre les deux plots et de répéter plusieurs fois la mesure en faisant varier uniquement la distance séparant les plots (g. 3.1a).

La résistance totale mesurée va donc être fonction de la résistance des contacts ohmiques additionnée à la résistance du substrat par lequel passe le courant : RT otal = 2 ∗ Rc+ Rs

(g. 3.1b). L'interpolation des résultats permet alors de supprimer l'élément résistif lié au 19

c

T μ s Ω/

ρc Ω 2

3.2. CARACTÉRISATION DES TRANSISTORS 21 An de rendre plus rapide et plus facile ce genre d'étude, qui doit être réalisée pour chaque échantillon, un chier avec macro (sous format excel) a été réalisé. Ce chier a été utilisé pour l'échantillon H1017 pour déterminer les caractéristiques des contacts ohmiques en g. 3.3. Une résistance de contact de 0.415Ω.mm est mesurée sur cet échantillon, la longueur de transfert est d'environ 1.3μm, et la résistance de feuille du substrat vaut 330Ω/. Les meilleurs contacts ohmiques présents dans la littérature montrent des résistances de contacts de l'ordre de 0.2 Ω.mm [Jacobs et al., 2002] voire de 0.14 Ω.mm grâce à une technique de recuit en plusieurs étapes [Yan et al., 2012].

Il est également à noter que pour des substrats de type GaN/Saphir, les meilleures résis-tances de feuilles obtenues atteignent des valeurs telles que 274 Ω/ pour une congura-tion proche de la notre [Ding et al., 2010] ainsi que des valeurs atteignant les 175 Ω/ pour une conguration AlGaN/AlN/GaN [Kaun et al., 2012] ; et même 167 Ω/ pour une conguration AlN/GaN [Chang et al., 2009].

Bien que l'échantillon H1017 n'atteigne pas des records, il présente tout de même des contacts ohmiques de bonne qualité.

3.2 Caractérisation des transistors

Une fois les grilles réalisées sur l'échantillon, il a été possible de mesurer les caractéristiques I(V) an de qualier les transistors HEMT et MOS-HEMT spéciques au projet SPUT. Les premières mesures eectuées sur les MOS-HEMT, présentées ici (g. 3.4, 3.5 et 3.6) constituent la première étape de la validation de ce nouveau procédé de fabrication. Bien que ces résultats n'égalent pas ceux de la littérature [Calle et al., 2003; Lecourt et al., 2011], ils sont néanmoins l'image d'un succès.

La g. 3.4 représente une série de mesures IDS(VDS) eectuée sur un transistor

MOS-HEMT de dimensions LG=5μm et WG=150μm. En partant d'une tension de grille nulle, à

laquelle on obtient un pic de courant à 580mA/mm, on progresse par palier de -2V jusqu'à atteindre le pincement du transistor qui s'eectue autour de -8V

3.2. CARACTÉRISATION DES TRANSISTORS 23 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 100 200 300 400 500 600 VG = 0V VGstep = −2V VDS(V ) IDS (mA/mm ) H1017 MOS-HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm

Figure 3.4 Mesures IDS(VDS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017

La gure 3.5 représente la mesure IDS(VGS)) pour le même transistor, en considérant 3

tensions de drain diérentes. Les courbes tracées conrment que la tension de seuil avoisine les -8V (-7.5V plus précisément). De plus, la dérivée de chaque courbe est tracée sur le même graphique, cesdernièrescorrespondant au GM du transistor, c'est à dire son gain.

24 CHAPITRE 3. ÉCHANTILLON DE FORMATION : H1017 −10 −90 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 100 200 300 400 500 VGS(V ) IDS (mA/mm ) H1017 MOS-HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm VDS = 5V VDS = 6V VDS = 7V 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 G M (mS/mm )

Figure 3.5 Mesures IDS(VGS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017

Finalement, la gure 3.6 représente le courant de fuite du transistor à travers la grille pour des valeur de tension de drain allant de 3 à 7V. On constate que même jusqu'à -10V appliqués sur la grille, le courant de fuite reste très faible, de l'ordre de 10−_{3mA/mm soit}

105 _{fois moins que I}

3.2. CARACTÉRISATION DES TRANSISTORS 25 −11 −10 −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 10−5 10−4 10−3 10−2 VDS = 3V VDSstep= +1V VGS(V ) IG (mA/mm ) H1017 MOS-HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm

Figure 3.6Mesures IG(VGS) d'un MOSHEMT sur l'échantillon H1017

En plus de cela, comme le montrent les courbes en g. 3.7, 3.8 et 3.9, l'étude permet de montrer que les MOS-HEMT réalisés sont plus performants que les HEMT, surement à cause de l'importante fuite de courant de grille observée pour les HEMT.

Pour ce qui est des comparaisons entre HEMT et MOS-HEMT sur ce même échantillon, on commence avec les mesures IDS(VDS). L'ajout des mesures eectuées sur un HEMT

de mêmes dimensions aux courbes présentées en g. 3.4 permet de visualiser deux phéno-mènes. Le premier est tout simplement le courant IDSplus faible pour les HEMTs. De plus,

on constate que le HEMT ne pince pas, même à -8V de tension de grille si la compliance est choisie trop basse. Ceci semble présager d'un courant de fuite élevé.

26 CHAPITRE 3. ÉCHANTILLON DE FORMATION : H1017 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 100 200 300 400 500 600 VG = 0V VG= 0V VGstep= −2V VDS(V ) IDS (mA/mm )

H1017 MOS vs HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm

MOS-HEMT HEMT

Figure 3.7 Comparaison des mesures IDS(VDS) entre un MOS-HEMT et un

HEMT sur l'échantillon H1017

La comparaison des mesures IDS(VGS) et des GM associées, eectuée sur la g. 3.8

montrent qu'en augmentant la compliance sur le courant, le HEMT présente des pro-priétés intéressantes. En eet, sa tension de pincement est légèrement plus élevée et il en est de même pour son gain.

3.3. UN ÉCHANTILLON QUI MÈNE À UNE PUBLICATION 27 −10 −90 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 100 200 300 400 500 VGS(V ) IDS (mA/mm ) H1017 MOS-HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm MOS-HEMT HEMT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 G M (mS/mm )

Figure 3.8 Comparaison des mesures IDS(VGS) entre un MOS-HEMT et un

HEMT sur l'échantillon H1017

Pour en nir avec les comparaison, la dernière gure (g. 3.9) représentant le courant de fuite de grille à VDS=7V pour le HEMT et le MOS-HEMT, montre qu'en eet, on observe

un courant de fuite qui augmente rapidement quand la tension de grille devient négative, avec un plateau de fuite élevé, à plus de 1mA/mm. Cela permet de conclure sur l'eective importance du courant de fuite sur la grille pour les transistors HEMT. Bien que l'origine ne soit pas certaine, il est fort probable que ce courant de grille soit dû à la façon de réaliser le mesa (gravure au lieu d'implantation ionique) car la gravure ouvre sur le 2DEG.

3.3 Un échantillon qui mène à une publication

Repris ensuite par Osvaldo Arenas pour les dernières étapes de fabrication (Capteur et Antiscratch), cet échantillon est en train de déboucher sur un article actuellement en préparation [Arenas, 2014].

28 CHAPITRE 3. ÉCHANTILLON DE FORMATION : H1017 −11 −10 −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100 101 VGS(V ) IG (mA/mm ) H1017 MOS-HEMT avec LG− 5μm et WG− 150μm MOS-HEMT HEMT

Figure 3.9 Comparaison des courants de fuite IG(VGS) entre un MOS-HEMT

Chapitre 4

Réalisation et caractérisation de résistances à

base de NiCr

Pour rappel, l'un des objectifs de cette maîtrise était la mise en place d'une technologie de fabrication, able et reproductible, de TFR à base de Nichrome (80-20). Cet alliage a une résistivité tabulée de 1.08×10−6_{Ω.m à 20°C. Sachant que le but est de réaliser des}

résistances d'une épaisseur avoisinant les 28nm, ces résistances sont supposées avoir une résistance par carré proche de 38.6 Ω/.

4.1 Procédé de fabrication

Le procédé de fabrication choisi, décrit en annexes (tableau A.2) se compose d'une première photolithographie permettant de dénir les résistances de NiCr par soulèvement, suivie par une 2e _{photolithographie dénissant les plots épais de contact en Ti/Au autorisant}

les mesures électriques, de nouveau par soulèvement. On notera l'utilisation d'un dépôt de SiO2 en couche mince au préalable qui a pour unique but d'isoler les résistances du

substrat en Silicium utilisé pour l'étude.

4.2 Première approche

En premier lieu, il a été nécessaire d'identier avec précision les verrous technologiques dans la réalisation des résistances à base de NiCr. Pour ce qui est du procédé de photo-lithographie utilisant une bi-couche de résine, il s'agit d'un procédé en cours d'étude au 3IT par l'équipe microélectronique III-V mais qui est déjà fonctionnel. En réalité, l'étape la plus critique concerne l'évaporation du métal.

Comme vu précédemment, an de réaliser cette évaporation, nous disposons de diérents outils :

- Les appareils de pulvérisation cathodique (ou  sputtering  en anglais) : ce sont les plus utilisés dans la littérature pour déposer le NiCr [Lifei et al., 2012; Zhao et al., 1998]. Ils donnent un dépôt de très bonne qualité. Cependant, il est préférable d'utiliser un procédé de gravure et non pas de lift-o avec ce type de dépôt. En eet,

30 CHAPITRE 4. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE RÉSISTANCES ÀBASE DE NICR le soulèvement du métal avec un dépôt par sputtering est souvent compliqué (dépôt conforme) et laisse dans tous les cas des antennes sur les bords des motifs, ce qui est gênant à hautes fréquences.

- Les évaporateurs de type  e-beam  : un peu moins référencés que le sputtering, ils semblent tout de même être un bon choix. L'inconvénient lors de l'utilisation de cette technique est la sublimation du Chrome au cours du/des dépôt(s) qui entraine un appauvrissement de l'alliage au cours du temps et change ses propriétés (résistivité en particulier).

- Les évaporateurs de type  eet Joule  : très peu référencés dans la littérature pour ce type de dépôt, ils pourraient cependant s'avérer une bonne alternative à l'évaporation e-beam.

Pour cette étude nous avons commencé par essayer les trois appareils de dépôt suivants, au travers de demandes de service :

- L'évaporateur Edwards : dépôt par e-beam (au 3IT) - L'évaporateur SLOAN : dépôt par e-beam (à l'IMDQ)

- L'évaporateur Edwards E306 : dépôt par eet Joule (à l'IMDQ)

Pour ce qui est du dépôt de NiCr avec l'évaporateur Edwards, il s'agissait d'une première expérience au 3IT. Les premiers tests de dépôts eectués par Caroline Roy n'ont malheu-reusement pas été concluants. En eet, le métal semblait s'évaporer correctement mais rien ne se déposait à la surface de l'échantillon. Cette option n'a pas été plus poussée par la suite.

Pour ce qui est des évaporations par eet Joule à l'IMDQ, Alexandre Giguère (ancien professionnel de recherche) avait déjà eectué quelques tests. Il observait une destruction du creuset pour le dépôt par eet Joule. Les tests que nous avons menés ont donné la même conclusion. Que ce soit avec le creuset de Tungstène ou avec un creuset de Molybdène, le résultat fut le même : le creuset casse avant la n du dépôt.

Du côté de l'évaporation par e-beam à l'IMDQ, les dépôts ont été concluants, mis à part un mauvais réglage de l'épaisseur déposée (38.7nm eectifs pour 28nm visés puis 31.8nm eectifs pour 20nm visés).

Une fois le procédé de dépôt déni, j'ai réalisé la fabrication de ces résistances et mesuré leur résistivité eective. Deux séries d'échantillons ont été réalisées, à un intervalle

d'en-4.2. PREMIÈRE APPROCHE 31 viron 3 semaines l'une de l'autre. Les résultats obtenus sont présentés ci-dessous (g. 4.1 et 4.2).

Figure 4.1 Résultats de l'étude n°1 pour l'évaporation e-beam

Figure 4.2 Résultats de l'étude n°2 pour l'évaporation e-beam

La première remarque à faire sur ces résultats est la proximité des valeurs de résistivité obtenues sur les deux tests, pour le dépôt par e-beam, eectué à l'IMDQ, avec les pads de Ti/Au. On obtient les deux fois une valeur de résistivité avoisinant les 5×10−6_{Ω.m. Cette}

valeur est élevée par rapport à celle attendue (1.08× 10−6_{Ω.m) mais la reproductibilité}

est bien présente. Il faut maintenant déterminer d'où vient cet écart.

Pour ce qui est du dépôt par eet Joule, le premier (15nm déposés) a donné une résistivité intéressante, autour des 1.6×10−6_{Ω.m (g. 4.3). Cependant pour le deuxième essai, le}

creuset a cassé trop vite et il n'a été possible de déposer que 5nm, ce qui est insusant pour obtenir des mesures I(V). Nous n'avons donc pas pu conrmer les valeurs de résistances obtenues sur le premier essai.

32 CHAPITRE 4. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE RÉSISTANCES ÀBASE DE NICR

Figure 4.3 Résultats de l'étude n°1 pour l'évaporation par eet Joule

4.3 Approche approfondie

Les premiers résultats obtenus ont engendré une nouvelle réexion sur le matériau à dé-poser. Les pistes à explorer ont donc été dénies comme telles :

- Peut-on évaporer un autre métal ?

- Peut-on changer les conditions d'évaporation dans l'évaporateur SLOAN (e-beam) an de réduire la résistivité du métal déposé ?

- Peut-on utiliser un autre creuset plus résistant pour l'évaporation par eet Joule ? - Les  antennes  présentes lors du dépôt sputtering sont-elles si hautes et si néfastes

que supposé ?

4.3.1 Le Kanthal à la place du NiCr ?

Le Kanthal est en réalité un alliage de Fer, de Chrome et d'Aluminium dont la résistivité est d'environ 2.2×10−6_{Ω.m, soit à peu près le double de celle du NiCr (1.08×10}−6_Ω.m)

ce qui nécessiterait donc des résistances d'épaisseur multipliée par 2, soit environ 56nm ce qui est acceptable. Cependant la présence du fer dans cet alliage pose problème. Le fer est en eet très peu apprécié dans le domaine de la microélectronique car il s'oxyde très facilement et se décompose une fois oxydé, ce qui en fait un matériau très contaminant. Son utilisation n'est donc pas envisageable.

4.3.2 Conditions de dépôt de l'évaporateur SLOAN (e-beam)

4.3. APPROCHE APPROFONDIE 33 - Évaporateur utilisé de marque SLOAN Instruments

- Source : Nickel-Chromium 80-20 (CERAC Inc. Coating materials) (Typically 99.9% pure)

- Pression pour évaporation de 10−7 _Torr

An de comprendre quels sont les paramètres inuents lors de l'évaporation du NiCr, la décision a été prise d'accompagner les techniciens responsables lors d'une évaporation. Il s'est avéré que l'appareil utilisé ne permet qu'un réglage grossier de la puissance délivrée à la source, exprimée en pourcentage de la puissance maximale de l'appareil. Ainsi, à 6%, l'évaporation est très lente, le cristal permettant la mesure d'épaisseur déposée chaue et perd sa abilité et il n'y a donc pas de contrôle possible sur l'épaisseur. En passant à 7%, le NiCr chaue trop et on observe des explosions et des projections de macro particules sur l'échantillon.

An d'obtenir une évaporation stable, le technicien est obligé de jouer manuellement sur la puissance ce qui implique une intervention humaine lors du dépôt et donc un risque de non reproductibilité. De plus, à cette valeur de puissance, la vitesse de dépôt est au plus bas, à 0.1Å/s ce qui oblige le personnel à rester présent et concentré sur l'évaporation pendant presque une heure consécutive.

4.3.3 Creuset de l'évaporateur Edwards (eet Joule)

Avant tout, voici quelques petites précisions sur le matériel utilisé : - Évaporateur utilisé : Edwards E306

- Pression pour évaporation de 10−5 _Torr

Le principal problème de l'évaporation par eet Joule est donc le bris récurrent du bateau de Tungstène utilisé. En se renseignant sur les paramètres d'évaporation du NiCr, il semble préférable que le bateau soit recouvert d'alumine (Al2O3).

Les premiers tests eectués avec ce type de bateau n'ont pas été concluants, l'évapora-tion ne s'est tout bonnement pas eectuée. La cause la plus probable est que le bateau en tungstène ne présente pas une assez grande résistance et ne chaue pas assez. Ceci s'ajoutant au fait que l'Al2O3 n'est pas bon conducteur thermique, il n'a pas été possible

d'évaporer le métal, même en augmentant largement la puissance délivrée dans le bateau. Une idée a été de réduire la largeur du bateau an d'augmenter sa résistance mais cela n'a pas été plus concluant.

2 3

× −6_Ω

36 CHAPITRE 4. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE RÉSISTANCES ÀBASE DE NICR

Figure 4.8 Résultats de l'étude n°4 pour l'évaporation par eet Joule

An de comprendre pourquoi la résistivité était maintenant si élevée, des échantillons ont fait l'objet d'une analyse XPS. Pour comparer, l'analyse a été eectuée sur un dépôt par sputtering en parallèle au dépôt par eet Joule. (g. 4.9a et 4.9b). Les courbes présentées correspondent à laproportion de matériel

(a) (b)

Figure 4.9 (a) Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Eet Joule"  (b) Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Sputtering"

Cette étude montre clairement que le NiCr déposé par eet Joule n'est pas celui attendu en termes de composition (60% de Nickel, 20% de Chrome et 20% d'Oxyde) et celane semble pas venir de la source puisque le dépôt par sputtering montre une composition proche de 80-20. De plus il est très probable que ce soit cette variation dans la composition du NiCr qui cause cet écart de résistivité [Rolke, 1981].

4.6. UNE NOUVELLE SOURCE DE NICHROME 39

Figure 4.12 Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Intlvac"

cela, une analyse XPS a été eectué sur le métal déposé. Cette analyse (g. 4.13) montre l'absence de contaminants (oxygène et carbone) mais le ratio de l'alliage déposé est loin du ratio initial(80-20). En eet, le NiCr déposé contient 50% et Nickelet 50% de Chrome. La décision a été prise d'eectuer de nouveaux tests an de déterminer s'ilétait possible d'obtenir de meilleurs résultats que lors de l'étude 4.5.

Aparté : Le procédé technologique pour la bicouche ayant nalement été ajusté, on conrme que la photolithographie a été de bonne qualité sur les échantillons tests (g. 4.14) et la casquette2 _{est bien dessinée.}

L'évaporation s'est nalement déroulée le 7 Février 2014 avec les paramètres suivants : - Source de NiCr : Kamis Incorporated - Nickel80% - Chromium 20% - 99.95% pure - Évaporateur Intlvac - IMDQ

- Pression avant évaporation : 9×10−8 _Torr

- Pression au cours de l'évaporation : entre 3 et 4×10−7 _Torr

40 CHAPITRE 4. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE RÉSISTANCES ÀBASE DE NICR

Figure 4.13 Mesure XPS réalisée sur l'échantillon "Intlvac" avec la nouvelle source de NiCr

- Présence de 2 soak : 1° de 4 minutes : 0%->8% (puissance), 2° de 8 minutes : 8%->12%

- Vitesse d'évaporation : 0.5 Å/s

- Puissance en sortie : 0.92kW (16%), avec Tension = 10.44kV (xe) et Courant = 0.98A

La caractérisation des échantillons a donné les résultats présentés en g. 4.15 et 4.16 : Nous constatons donc une nette amélioration de la résistivité par rapport aux échantillons évaporés avec l'ancienne source de NiCr, même si l'écart est encore de 35%

4.7 Étude de la reproductibilité

La valeur de résistivité obtenue étant acceptable et permettant d'obtenir la bonne valeur de résistance par carré à condition de jouer sur l'épaisseur, nous avons continué sur cette voie. L'étude qui à suivi à permis d'évaluer la reproductibilité de l'évaporation. En eet, le

4.7. ÉTUDE DE LA REPRODUCTIBILITÉ 41

Figure 4.14 Image SEM de la bicouche de résine des échantillons tests pour le NiCr

Figure 4.15 Résultats de la caractérisation de l'échantillon I996J

42 CHAPITRE 4. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE RÉSISTANCES ÀBASE DE NICR chrome s'évaporant plus vite que le nickel, il y a forcément un appauvrissement de chrome au cours des évaporations et donc possiblement une variation de résistivité.

Dans cette optique, untest d'évaporation(par eet Joule) de l'ensemble du matériau du creuset a été eectué et le résultat XPS (g. 4.17) démontre bien l'eet de la sublimation du chrome et sonappauvrissement anticipé. Eneet, onconstate qu'endébut d'évaporation (temps de gravure = 900sec, à droite du graphe) ona unratio de Ni-Cr égale à 54-46 environpuis, au cours de l'évaporationle taux de chrome ne fait que décroitre, jusqu'à devenir nul (temps de gravure = 250sec). À partir de là, le reste de nickel continuer à s'évaporer, seul, jusqu'à ce que le creuset soit vide (temps de gravure = 100sec).

Figure 4.17 Mesure XPS réalisée après une évaporation de tout le matériau du creuset, par eet Joule

Pour étudier la variationde résistivité, il a été décidé de réaliser et de comparer 4 dépôts avec les mêmes paramètres, espacés d'au moins d'une demi journée les uns des autres (g. 4.18a). Ande s'aranchir des erreurs de mesures, chaque évaporationa regroupé 4 échantillons comprenant chacun 8 motifs de résistance identiques mesurés (g. 4.18b), soit 32 résistances étudiées par évaporation et 128 au total.

Chapitre 5

Étude de la gravure de diélectriques (SiO2,

Si3N4)

Un autre objectif de cette maîtrise concernait la gravure de diélectriques avec une pente prédénie. Plus particulièrement, l'objectif était de graver environ 1μm de SiO2 et de

Si3N4 avec des prols de gravure ayant une pente de 45°, an de contacter les électrodes

 enterrées  comme expliqué à la section 2.4.2.

5.1 La place de cette étape au sein du procédé de

fabrication

La réalisation des capacités du circuit fait appel à 2 types d'électrodes (bottom et top elec-trode), c'est-à-dire 2 couches métalliques, séparées entre elles par un diélectrique : le Si3N4.

Le tout est recouvert par une épaisse couche de SiO2, dont le but initial est de protéger

les composants sous-jacents. Une fois ces 2 couches déposées, il est question de contacter les électrodes avec un métal d'interconnexion. C'est là que se situe l'étape de gravure : an d'accéder aux électrodes il faut graver entre 800 et 960nm de diélectrique (selon si on souhaite accéder à l'électrode du dessus (top electrode) ou celle du dessous (bottom electrode)). Cependant, une simple gravure anisotrope, formant des murs verticaux n'est pas adaptée ici car en déposant 1.1μm de métal sur des reliefs de 960nm on risquerait de créer des zones avec des épaisseurs de métal très réduites ce qui limiterait grandement la quantité de courant pouvant passer à travers, au risque d'observer un eet  fusible . De précédentes études montrent qu'un prol de pente 45° est un bon compromis (sec. 2.4.2).

5.2 L'angle de 45° : un compromis entre résolution et

abilité

Le dé majeur de cette étude est d'obtenir un angle de gravure du diélectrique avoisinant les 45°. En eet, cette valeur de pente permet d'obtenir un bon compromis entre la abilité du dispositif et la résolution des motifs. Une pente plus élevée entrainerait des zones à eet fusible, comme vu précédemment tandis qu'une pente trop faible augmenterait davantage

46 CHAPITRE 5. ÉTUDE DE LA GRAVURE DE DIÉLECTRIQUES (SIO2, SI3N4) les dimensions de la zone gravée. La couche à graver ayant une épaisseur proche de 1μm, il faut prendre en compte qu'à 45°, les dimensions de la zone augmentent déjà de 1μm de chaque côté. Pour une pente de gravure de 35°, on atteint facilement les 1.4μm de chaque côté. Ceci étant dit, il faut considérer que les motifs doivent être espacés d'au moins 2 fois cette dimension pour ne pas se recouvrir.

Ce travail a été bien entamé par Adrien Cutivet qui a déterminé un premier procédé complet il y a de cela 2 ans environ. Ce même procédé a été conrmé et mis à jour l'été dernier par Bastien Letowski, cependant l'appareil de gravure utilise (RIE) est tombée en panne et il a fallu trouver une autre solution.

5.3 Gravure avec l'AOE

L'appareil choisi pour continuer l'étude est un système RIE-ICP (gravure physique et chi-mique) fabriqué par Surface Technology Systems (STS) communément nommé AOE (pour Advanced Oxyde Etch), réservé pour la gravure du SiO2 et du Si3N4. Après discussion avec

le professeur Abdelatif Jaouad et les techniciens responsables des appareils de gravure, il a été convenu de démarrer l'étude avec la recette de gravure "CF4 etch" dont les paramètres sont les suivants :

- Pression de la chambre = 2 mTorr - Débit de CF4 = 20 sccm

- Puissance de coil = 600W - Puissance de platen = 300W

Les vitesses de gravure concernant les dépôts PECVD de SiO2 et Si3N4 réalisés au 3IT

sont bien connus : 347 nm/min pour le SiO2 et 396 nm/min pour le Si3N4.

Le diélectrique utilisé dans notre cas étant déposé par PECVD à l'INRS, il était possible que ces vitesses de gravure varient quelque peu. Nous avons donc mené une étude partielle sur ces diélectriques. En eet, la caractérisation du Si3N4 n'a pas été possible en utilisant

l'épaisseur demandée pour notre procédé (160 nm) car même le plus petit temps de gravure réalisable (environ 30 secondes) sur l'AOE susait à tout graver ( 30 secondes étant le temps qu'il faut au plasma pour se stabiliser). En dessous de ce temps, la reproductibilité de la gravure n'est pas assurée. En revanche, l'étude sur le SiO2 a donné des résultats

intéressants : nous obtenons la même vitesse de gravure que celle indiquée pour les dépôts réalisés au 3IT, soit 347 nm/min ± 2 nm/min.

5.4. PRÉCISION ET REPRODUCTIBILITÉ DE L'ANGLE DE GRAVURE 47 Finalement, en considérant qu'il en est de même pour le Si3N4 (398 nm/min pour le dépôt

au 3IT), on en conclut que 164 secondes de gravure seraient susantes pour graver une épaisseur théorique de 800 nm de SiO2 déposés sur 160 nm de Si3N4.

An de valider ce temps de gravure, plusieurs tests ont été eectués sur des échantillons té-moins (gaufre en silicium recouvert des 2 diélectriques, avec un masque réalisé par photoli-thographie), en faisant varier le temps de gravure autour de la valeur prévue. L'observation au MEB (Microscope à Balayage Électronique) est dicile dans le cas des diélectriques et il y a très peu de contraste entre les diérentes couches. An de faciliter la mesure, les échantillons sont immergés quelques secondes dans une solution de BOE (6:1) (Buered Oxyde Etch) ce qui crée une marche entre l'oxyde et le nitrure (vitesses de gravure dif-férentes). Des exemples d'images MEB obtenues sont présentées ci-dessous pour chaque temps de gravure testé (gures 5.1a, 5.1b et 5.1c).

En considérant que le Si3N4 déposé sur ces échantillons a une épaisseur de 145nm, une

gravure de 150 secondes laisse environ 90nm de Si3N4. Avec162 secondes, il manque une

trentaine de nanomètres à graver et avec170 secondes (seulement 8 secondes de plus) on observe déjà une sur-gravure dans le silicium d'une quarantaine de nanomètres.

5.4 Précision et reproductibilité de l'angle de gravure

Un autre point qui a attiré notre attention est la grande variation d'angle de pente même sur un même échantillon. Selon l'endroit où le prol a été mesuré on observe des variations de plus de 10° sur un même échantillon induisant une non-reproductibilité importante, dont l'origine doit être déterminée.

Inuence du pré-traitement de la résine :

En premier lieu, cela peut venir du pré-traitement. La piste à étudier a donc été de supprimer cette étape et de jouer sur l'angle de gravure obtenu en fonction du taux d'O2

utilisé pour la gravure plasma.

Le graphique ci-dessous (gure 5.2) représente l'eet du débit d'O2 sur la pente du prol,

lors de la gravure ICP-RIE. Ce résultat est qualitatif, basé sur des mesures eectuées sur diérents échantillons ayant subi le même pré-traitement. Le but de cette courbe est uniquement de conrmer qu'il y a eectivement un eet du débit d'O2 sur la pente lors

48 CHAPITRE 5. ÉTUDE DE LA GRAVURE DE DIÉLECTRIQUES (SIO2, SI3N4)

(a) (b)

(c)

Figure 5.1 Observation MEB en coupe de la gravure de diélectrique pour un temps de (a) 150 secondes, (b) 162 secondes, (c) 170 secondes

5.4. PRÉCISION ET REPRODUCTIBILITÉ DE L'ANGLE DE GRAVURE 49 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 45 50 55 60 65 70 I327Q I327R I327S I327T

Débit d'O2 pendant la gravure ICP (sccm)

Angle de pen te du prol (° )

Figure 5.2 Évolution qualitative de l'angle du prol de gravure en fonction du débit d'O2

2

5.5. PROCÉDÉ AVEC L'AOE 51 Nous avons nalement réussi à démontrer que le paramètre le plus important sur la qualité du prol de la résine est le bon contact entre l'échantillon et le masque de photolithogra-phie. Les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant un vacuum-contact sur une gaufre d'au moins 3 pouces non clivée. Le N2 hard-contact permet d'obtenir des résultats

conve-nables selon la précision nécessaire sur l'angle du prol de la résine. Enn, un simple hard-contact n'apporte aucune reproductibilité sur l'angle, surtout avec des petits échan-tillons clivés.

5.5 Procédé avec l'AOE

Après avoir réglé les diérents problèmes précédents, cette étude a nalement permis d'extraire un procédé de fabrication donnant des résultats satisfaisants (tableau A.3) Avec cette étude, il est désormais possible d'adapter le temps de gravure selon l'épaisseur eective de diélectrique.

Chapitre 6

Réalisation et caractérisation de capacités et

d'inductances

Une fois le procédé de gravure des diélectriques mis en place, il nous a été possible de réaliser nos premières capacités et inductances. Ces dernières ont été fabriquées au travers du projet de "Caractérisation de Substrat" mené par Adrien Cutivet.

Ce projet consiste en la réalisation d'une série de lignes qui vont permettre de déterminer les caractéristiques diélectriques des couches de SiO2 et Si3N4 déposées ainsi que celles

du substrat. Un autre objectif est de déterminer un design de capacités et d'inductances pouvant fonctionner à plus de 40GHz et de créer le modèle y correspondant.

Suite à une série de simulations réalisées par Adrien Cutivet, un premier jeu de masques a été réalisé. Le procédé de fabrication correspondant est présenté en annexes (tableau A.4), comprenant une première métallisation an de dénir la BE (Bottom Electrode), le tout recouvert par la première couche de Si3N4 d'environ 160nm. Vient ensuite la métallisation

de TE (Top Electrode) recouverte par une épaisse couche de SiO2de l'ordre de 800nm. An

d'accéder électriquement à la BE et la TE, on utilise le procédé de gravure de diélectrique mis en place lors de l'étude précédente (chap. 5). Il est alors possible de déposer le métal du niveau IN (Interconnexion) qui est lui-même ensuite recouvert par une dernière couche de Si3N4 qui sert d'antiscratch1. Pour terminer, il est nécessaire de venir ouvrir l'antiscratch

aux endroits où l'on souhaite par la suite poser les pointes. Ceci est fait grâce à une gravure sèche dans un système ICP-RIE.

Les mesures de ces dispositifs ont ensuite été eectuées sur un analyseur de réseaux Anritsu 37369C dont la gamme de fréquence va de 40MHz à 40GHz. Un code matlab réalisé par le professeur François Boone récupère les mesures des paramètres S et permet de déterminer le gain et la phase des composants.

1_{Antiscratch : couche mince de diélectrique permettant de protéger le circuit sous-jacent de la poussière}

ou d'autres légères égratignures

54 CHAPITRE 6. RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DE CAPACITÉS ETD'INDUCTANCES

6.1 Théorie des paramètres S

An de bien comprendre ce dontil estquestion, il estimportantde faire un pointsur la théorie des paramètres S et sur la façon de les interpréter.

Lors d'études à hautes fréquences, lorsque la longueur d'onde n'est plus négligeable de-vant les dimensions des composants, on observe un phénomène de propagation du signal électrique.

Ainsi, pour le cas d'un quadripôle, on introduit les notions d'ondes incidente et rééchie, à la fois à l'entrée et à la sortie du quadripôle (gure 6.1).

- a1 et b1 : ondes incidente et rééchie en entrée

- a2 et b2 : ondes incidente et rééchie en sortie

Figure 6.1 Ondes incidentes et rééchies pour un quadripôle [Courivaud, 2002] L'introduction des paramètres S sert à relier entres elles les ondes incidentes et rééchies :

- b1 = S11.a1+ S12.a2

- b2 = S21.a1+ S22.a2

Ce qui peuts'écrire sous forme matricielle :  b1 b2  =  S11 S12 S21 S22   a1 a2