EP1800336A1 - Revetement a base de mgo pour l'isolation electrique de substrats semi-conducteurs et procede de fabrication - Google Patents

Revetement a base de mgo pour l'isolation electrique de substrats semi-conducteurs et procede de fabrication

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EP1800336A1
EP1800336A1 EP05810812A EP05810812A EP1800336A1 EP 1800336 A1 EP1800336 A1 EP 1800336A1 EP 05810812 A EP05810812 A EP 05810812A EP 05810812 A EP05810812 A EP 05810812A EP 1800336 A1 EP1800336 A1 EP 1800336A1
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EP
European Patent Office
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group
magnesium
magnesium oxide
carbon atoms
formula
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05810812A
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German (de)
English (en)
Inventor
Céline BONDOUX
Philippe Prene
Philippe Belleville
Robert Mr Piskis JERISIAN
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an inorganic coating based on magnesium oxide (MgO) for the electrical insulation of semiconductor substrates such as silicon carbide (SiC), and to a method of manufacturing such insulating coating.
  • MgO magnesium oxide
  • the general field of the invention is therefore that of electrical insulating coatings, more particularly electrical insulating coatings used at high temperatures, and intended for semiconductor / metal insulation and inter-component insulation for microelectronics and more. particularly power microelectronics.
  • SiC silicon carbide
  • GaAs gallium arsenide
  • the layers mainly developed, described for example in documents [1], [2] and [3], are based on silica (SiO 2 ) and meet the needs in terms of gate dielectric and insulation or inter-component passivation for the silicon industry.
  • SiO 2 silica
  • the intrinsic properties of the silica lead to generate in the layer isolating an electric field 2.5 times higher than in the semiconductor.
  • SiC breakdown field is 2 MV / cm
  • the stress suffered by the silica becomes too great to guarantee the reliability of the components: the lifetime of the silica subjected to a field of 5 MV / cm falls from 10 years to 1,000 seconds passing from an operating temperature of 25 0 C to 35O 0 C.
  • the operating voltage ranges of the SiC components are limited by the breakdown of the dielectric insulation, thus preventing the maximum benefit from the potentialities SiC.
  • Silicon nitrides (Si 3 N 4 ) and aluminum nitrides (AlN) have also been proposed to replace silica as insulating materials on SiC, as described for example in documents [5] and [6].
  • the dielectric permittivity of these materials respectively 7.5 and 8.5 [8] is lower than that of SiC, limiting the operating voltage ranges of the components on SiC.
  • Alumina Al 2 O 3
  • the dielectric permittivity of alumina is of the order of magnitude of that of SiC, but its low breakdown field (about 5 MV / cm according to [8]) also limits the operating voltage ranges of the components on SiC.
  • the desired properties are the secondary electron emission coefficient and the plasma ignition threshold and the coating preparation conditions are optimized for these characteristics.
  • MgO-based coatings used as a buffer layer for the epitaxy of pervoskite films on silicon, as described in documents [20] to [23], or III-V semiconductor substrates, as described in documents [24] to [26], or else as gate oxide, as described in documents [27] and [28], for thin film transistors TFT (Thin Film Transistor).
  • These MgO layers are generally prepared by vacuum evaporation (PVD) or by laser ablation which are difficult to integrate in a microelectronics production line.
  • the document [29] also describes the conditions for the preparation of MgO layers from magnesium alkoxide, intended for the isolation of magnetic elements.
  • the desired properties are high electrical resistance, high thermal stability (up to 1200 ° C.) and good adhesion to the substrate.
  • the coating preparation conditions have been optimized for these characteristics.
  • the present invention has been realized in view of the circumstances described above, and its first object is to provide a coating for the electrical insulation of semiconductor substrates, preferably of silicon carbide (SiC) , free from all the disadvantages mentioned above.
  • Another object of the present invention is to provide an electronically insulating inter-interface components of an electronic or optoelectronic component ⁇ e, free of all the drawbacks mentioned above.
  • Another object of the present invention is to provide a method of coating a substrate which is easy to implement and perfectly integrable on a production line in microelectronics.
  • Another object of the present invention is to provide a method that can be used in the manufacture of an electronic or opto-electronic component, free of all the disadvantages mentioned above.
  • magnesium oxide gives good performance in terms of breakdown field, dielectric permittivity and leakage current to fully exploit the potential of a material such as SiC.
  • magnesium oxide has intrinsic properties, breakdown field of the order of 10 MV / cm as described in document [30] and a dielectric permittivity of the order of 10, as described in FIG. document [30b].
  • the term "surface” designates any surface on which the method of the invention may be implemented. It may be a surface of a "substrate” within the meaning of the present invention or a surface made of a material deposited on a support or a surface only allowing the manufacture of the coating. According to the invention, the surface may be "simple” or “mixed”, that is to say made of a single material, or of several materials present side by side on the plane formed by the surface.
  • substrate generally refers to a support on which the method of the invention is implemented.
  • the substrate may consist for example of one of the conductive or semiconductive materials used in the field of microelectronics. It may be for example a material chosen from the group comprising silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (AsGa), indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN), diamond (C) or germanium (Ge).
  • the at least one surface of the substrate may therefore consist of one or more of these materials (single or mixed surface).
  • the substrate may also be metallic. It may consist for example of a material selected from the group consisting of steels, aluminum, zinc, nickel, iron, cobalt, copper, titanium, platinum, silver and gold ; or an alloy of these metals; or an alloy chosen for example from the group comprising brass, bronze, aluminum, tin.
  • the at least one surface of the substrate may therefore consist of one or more of these metals or alloys thereof (single or mixed surface).
  • the "surface" of the substrate may also designate a surface made of a material deposited on a support.
  • the support may consist for example of one of the abovementioned materials.
  • the deposited material may for example consist of a metal layer or a metal oxide or a stack of metal layers and / or metal oxide or a mixed metal layer and / or metal oxides or an electronic component on which is deposited the layer based on magnesium oxide, for example in order to provide an inter-layer and / or inter-component electrical insulation function.
  • Metal layers and / or metal oxides may be for example layers consisting of one or more metals such as those mentioned above, or of a metal alloy such as those mentioned above, or of one or more oxide (s) of one or more of these metals. metals.
  • magnesium oxide-based an electrical insulating layer which may be composed of magnesium oxide alone or a mixture of magnesium oxide and one or more magnesium salt (s) and / or one or more metal (metal) or metalloid oxide (s) or organometallic compound (s) (denoted respectively (I), (II) and (III) below).
  • the structure of the layer based on magnesium oxide can be amorphous, so-called “glass”. It can also be crystalline, that is to say composed of one or more crystallites corresponding to domains in which an order of long-distance atoms is established along the three directions of space.
  • Step (a) of the process of the invention therefore consists in preparing a treatment solution of at least one hydrolyzable organomagnesium and / or at least one hydrolysable magnesium salt capable of forming a homogeneous polymeric layer or film of magnesium oxyhydroxide by hydrolysis-condensation reaction with water.
  • This solution is also referred to as a "curing solution” below.
  • this treating solution can be obtained for example by dissolving in a solvent a first magnesium molecular compound of general chemical formula (I): X y X ' z Mg (I) where X and X' are chosen independently from: - a hydrolyzable group, for example an alcoholate of formula O-R 1 , wherein R 1 is an alkyl group having from 1 to 10 carbon atoms, linear or branched; a complexing agent, for example a carboxylate, for example of formula R 2 -COOH, in which R 2 is an alkyl group having from 1 to 30 carbon atoms, preferably from 1 to 10 carbon atoms, linear or branched, or phenyl; or
  • a ⁇ -diketone or a ⁇ -diketone derivative for example of formula R 3 -COCH 2 CO-R 4 , in which R 3 and R 4 are independently chosen from an alkyl group having from 1 to 30 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, linear or branched, or phenyl; where y and z respectively represent the stoichiometry of X and X 'and are such that the first molecular compound is an electrically neutral compound.
  • the alkoxide may be for example a methoxide, an ethanolate or a magnesium propylate.
  • the solvent may be any solvent known to those skilled in the art for preparing a sol.
  • the solvent is advantageously organic.
  • it may advantageously be chosen from saturated or unsaturated aliphatic alcohols of formula R 5 -OH, where R 5 represents an alkyl group having from 1 to 30 carbon atoms, preferably from 1 to 10 carbon atoms, or a phenyl group, or a diol of the formula HO-R 6 -OH, where R 6 represents an alkyl group having from 1 to 30 carbon atoms, preferably from 1 to 10 carbon atoms, or a phenyl group.
  • the solvent may for example be selected from the group comprising methanol, ethanol, isopropanol, butanol, pentanol and glycol, for example ethylene glycol and triethylene glycol.
  • the solvent is methanol or ethanol which volatilizes easily.
  • magnesium methoxyethoxide Mg (OCH 2 CH 2 OCH 3 ) 2 .
  • complexing agents examples include, for example, magnesium acetate tetrahydrate (Mg (CH 3 COO) 2 .4H 2 O) and magnesium lactate trihydrate Mg (CH 3 CHOHCOO) 2 .3H 2 O.
  • magnesium 2-4 pentanedionate Mg (CH 3 COCHCOCH 3 ) Z ).
  • a compound selected from the group comprising magnesium dimethoxide may be used.
  • magnesium dimethoxide (Mg (OCH 3 ) 2 ) dissolved in methanol (CH 3 OH) or magnesium diethoxide (Mg (OCH 2 CH 3 ) 2 ) can advantageously be used as the first molecular compound of magnesium. ) dissolved in ethanol
  • one or more magnesium salt (s) of formula (II) may advantageously be added to the treating solution:
  • A is a halide ion, for example Br or Cl, or a nitrate ion.
  • the function of the magnesium salt is to control the orientation of the periclase (MgO) crystallites and thus to further improve the electrical insulation properties of the magnesium oxide insulating layer of the present invention.
  • This magnesium salt may also be called the second molecular compound of magnesium.
  • magnesium (II) salts that can be used in the present invention are described for example in documents [37] to [39].
  • the magnesium (II) salt may be mixed in a proportion of from 0 to 99% by weight, based on the first magnesium molecular compound forming the inorganic polymeric network of the coating, preferably from 0 to 25% by weight.
  • the anhydrous magnesium dichloride (MgCl 2 ) is preferably mixed in a proportion ranging from 0 to 25% by weight. mass (MgO equivalent) relative to magnesium dimethoxide (Mg (OCH 3 ) 2 ).
  • the magnesium salt (II) is in anhydrous form.
  • the magnesium salt is dissolved in an organic solvent.
  • the solvent may advantageously be chosen from the abovementioned aliphatic alcohols.
  • the solvent may for example be selected from the group comprising methanol, ethanol, isopropanol, butanol and pentanol.
  • the solvent is methanol or ethanol.
  • magnesium salt anhydrous magnesium dichloride (MgCl 2 ) or magnesium dibromide (MgBr 2 ), dissolved for example in methanol (CH 3 OH) or ethanol. (CH 3 CH 2 OH).
  • M is a metal or a metalloid
  • E is a group chosen from: a hydrolyzable group, for example chosen from the group comprising a halide, such as a fluoride, chloride, bromide or iodide; nitrate; an oxalate; an alcoholate of formula OR 6 where R 6 is an alkyl group of 1 to 10 carbon atoms; a complexing agent such as a carboxylate of formula R 7 -COOH, in which R 7 is a linear or branched alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, or a phenyl group; a ⁇ -diketone or a ⁇ -diketone derivative, for example of formula R 8 -COCH 2 CO-R 9 , in which R 8 and R 9 are independently selected from an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, linear or branched, or phenyl; a phosphonate, for example selected from the group consisting of R 10
  • the function of the compound (III) is to retard the crystallization of the magnesium oxide (I) -based insulating layer and thus to control the insulating properties.
  • the compound (III) can be added to the treating solution, for example, in a proportion ranging from 0 to 99% by weight relative to the magnesium salt (I) forming the inorganic polymeric network of the coating, advantageously between 0 and 50% by weight.
  • the metal or metalloid M may be chosen from:
  • transition metals Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os , Ir, Pt;
  • the group III elements chosen from Al, Ga, In and Tl; the group IV elements chosen from Si,
  • alkalis selected from Li, Na, K and Cs
  • the alkaline earths chosen from Be, Ca, Sr and Ba.
  • It may also be any combination or mixture of elements selected from transition metals, alkali and alkaline earth metals, lanthanides, group III elements, group IV elements, group V elements and group VI elements.
  • the preparation is carried out, before or after the preparation of the treating solution, of the at least one surface where the electronically insulating layer according to the invention will be deposited (step (aa)).
  • the cleaning procedure is preferably adapted to the nature, size and shape of the substrate. The choice of the cleaning procedure is within the reach of the skilled person.
  • the next step (b) or (b ') consists in applying to the surface, prepared or not, the layer based on magnesium oxide, from the treating solution.
  • the deposited layer is preferably uniform.
  • the deposition of the magnesium oxide layer can be carried out for example by means of one of the following liquid techniques:
  • spin coating is preferably used because it is easily integrable into a microelectronic production line.
  • the last step (c) of the process of the invention consists in densifying the layer based on magnesium oxide deposited.
  • This step can be implemented by any densification or crosslinking method making it possible to carry out the desired crosslinking at ambient temperature or at a moderate temperature, provided that the temperature is less than or equal to 1000 ° C. It makes it possible to obtain an inorganic material based on magnesium oxide forming the electronically insulating layer of the present invention.
  • this step can be carried out by treatment of the magnesium oxide (I) -based insulating layer chosen from:
  • a heat treatment for example in an oven or by infrared exposure or by means of a heating plate;
  • the treatment when the densification or crosslinking is carried out by a heat treatment, for example in a muffle furnace, the treatment may consist, for example, in heating the layer deposited at a moderate temperature, for example between 400 ° C. and 1000 ° C. 0 C, preferably from 650 to 75O 0 C, for example around 700 0 C.
  • the heating can be carried out under air or under an inert gas, for example under nitrogen or argon.
  • Heating by irradiation with infrared or near-infrared radiation also makes it possible to heat the surface of the substrate at a temperature between 400 ° C. and 1000 ° C., preferably 650 ° C. to 75 ° C., for example around 700 ° C. also, the heating can be carried out under air or under an inert gas, for example under nitrogen or argon.
  • the duration of the heating is that which makes it possible to obtain the densification referred to in the heating conditions of the invention. Generally, it is 2 to 150 minutes, preferably 5 to 60 minutes. For example, a good crosslinking can be obtained after 15 minutes at 700 ° C.
  • the wavelength of the UV is generally between 180 and 350 nm. This technique is advantageously applicable at room temperature (generally 15 to 35 0 C).
  • the duration of the insolation is that which makes it possible to obtain the targeted densification under the temperature conditions of the treatment. Generally, it is 1 to 30 minutes, preferably 1 to 5 minutes. For example, good crosslinking can be achieved after 5 minutes.
  • the final thickness of the magnesium oxide insulating layer of the present invention is preferably between 10 and 500 nm, advantageously 50 to 200 nm, by example 100 nm.
  • the insulating layer is of uniform thickness.
  • the substrates covered by the layer based on magnesium oxide prepared according to the invention positively fulfill the requirements for the intended applications such as the electrical insulation of semiconductor substrates, more particularly silicon carbide (SiC), or the inter-component electrical insulation, namely:
  • Magnesium oxide insulating coating according to the invention has a low leakage current, even at high temperature, generally less than 10 ⁇ 8 A / cm 2 at 25 0 C and less than 10 ⁇ 5 A / cm 2 at 25O 0 C.
  • the process for the preparation of Magnesium oxide insulating coating according to the invention is simple, inexpensive, integrable on a microelectronics production line.
  • the present invention thus also relates to an electronically insulating inorganic layer obtainable by the process of the invention, in particular to a layer having the aforementioned characteristics.
  • the present invention cleverly combines the use of a coating based on magnesium oxide (MgO) made by a sol-gel process and deposited by liquid and densification treatment at a temperature less than or equal to 1000 0 C to solve all the problems of the prior art.
  • MgO magnesium oxide
  • the method of the invention is used for electrical insulation in place of silica (SiO 2), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or aluminum oxide.
  • silica SiO 2
  • AlN aluminum nitride
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • aluminum oxide silicon oxynitride
  • the present invention also relates to the use of the method of the invention for manufacturing a semiconductor / electronically insulating metal interface of an electronic or optoelectronic component. Also, the present invention also relates to the use of the method of the invention for making an electronically insulating inter-interface components of an electronic or optoelectronic component ⁇ e. Also, the present invention also relates to the use of the method of the invention in the manufacture of an electronic component selected from the group comprising power diodes, thyristors, transistors, and nonvolatile RAMs.
  • the present invention also relates to the use of the method of the invention in the manufacture of an opto-electronic component selected from the group comprising switches and detectors.
  • the present invention finds many applications in the manufacture of electronic components on SiC, for example power diodes (PN junction rectifiers, Schottky diodes, JBS diodes), thyristors, transistors (MOSFET, MESFET, JFET) and the memories
  • Non-volatile RAM In the opto-electronic field, the applications concern switching
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a substrate after deposition of the insulating layer based on magnesium oxide according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the breakdown field breakdown at ambient temperature as a function of the applied electric field in MV / cm on an insulating layer based on magnesium oxide deposited on a platinum layer and prepared according to the invention .
  • FIG. 3 is a graph showing the evolution of the leakage current density in A / cm 2 at 1 MV / cm as a function of the temperature of the 0 C measurement of an insulating layer based on oxide. of magnesium deposited and densified according to the invention on a platinum layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing the average breakdown field MV / cm 2 at room temperature of an insulating layer based on magnesium oxide deposited and densified according to the invention depending on the nature of the support.
  • FIG. 5 is a graph showing the evolution of the leakage current density in A / cm 2 at 2 MV / cm as a function of the temperature of the 0 C measurement of an insulating layer based on magnesium deposited and densified according to the invention on a substrate of silicon carbide (SiC).
  • the treating solution is a solution based on a mixture of Mg (OCH 3 ) 2 and MgCl 2 in an 80/20 mass ratio.
  • the treating solution is prepared according to the following procedure:
  • the treating solution is filtered (0.45 ⁇ m polypropylene disposable filter marketed by Whatman) at the time of injection on the platinum surface.
  • the silicon wafer is then put into rotation, at a speed of 2000 rpm, for one minute.
  • the magnesium oxide layer obtained is erased on a surface of 0.5 cm 2 using a cotton swab dipped in an aqueous solution of hydrochloric acid (1 M).
  • the layer based on magnesium oxide is then densified in a muffle furnace, with a plateau at 700 ° C. for one hour, with a ramp for raising the temperature of 10 ° C./min.
  • the thickness of the magnesium oxide layer is 100 nm.
  • Figure 1 is a schematic representation of the substrate (3) coated with the insulating layer (2).
  • Gold pads 200 ⁇ m in diameter are then deposited on the magnesium oxide layer by physical evaporation with heat, using a suitable mask.
  • the electrical characterizations are then measured using the platinum layer and gold pads located on either side of the insulating layer based on densified magnesium oxide (electrical structure: metal / insulating layer 1 '). Invention / Metal).
  • FIG. 2 gives the breakdown field distribution at ambient temperature as a function of the applied electric field in MV / cm on the layer. insulation based on magnesium oxide deposited on a platinum layer and prepared according to Example 1.
  • the average value of the breakdown field is 3.4 MV / cm.
  • FIG. 3 shows the evolution of the leakage current density in A / cm 2 at 1 MV / Cm as a function of the temperature of the 0 C measurement of the insulating layer based on magnesium oxide deposited on a layer of platinum and prepared according to Example 1.
  • the leakage current increases to lxl ⁇ 8xlO ⁇ 9 ⁇ 6 A / cm 2.
  • Example 2 Process for producing an insulating layer of magnesium oxide from an Mg (OCH 3 ) 2 treating solution according to the invention
  • the treating solution is prepared by diluting magnesium dimethoxide dispersed in methanol (Mg (OCH 3 ) 2 / CH 3 OH, 6-10% by weight, marketed by Aldrich under the reference 33,565-7) in methanol Normapur (brand name). of commerce) (CH 3 OH, sold by VWR under the reference 20,847) so as to obtain a mass concentration of 2.5% equivalent MgO by weight.
  • the layer based on magnesium oxide is deposited on 3 supports of different nature: a silicon wafer (diameter: 5.1 mm) coated with a platinum layer (thickness: ⁇ 100 nm), Silicon wafer (diameter: 5.1 mm) and wafer (wafer) of Silicon Carbide (diameter: 5.1 mm).
  • the wafer surface of silicon coated with a platinum layer is prepared as described in Example 1.
  • Silicon and silicon carbide wafers have been cleaned in the following manner:
  • the deposition of the treating solution is carried out on the three substrates by spin coating (or spin-coating) at 21 ° C. with controlled hygrometry (45 ⁇ 5%).
  • the treatment solution is filtered (0.45 ⁇ m polypropylene disposable filter marketed by Whatman) at the time of injection onto the surface of the substrate. The latter is then rotated at a speed of 1500 rpm for one minute.
  • the resulting magnesium oxide layer is erased over an area of 0.5 cm 2 using a soaked cotton swab. an aqueous solution of hydrochloric acid (IM).
  • IM hydrochloric acid
  • the layers based on magnesium oxide are then densified in a muffle furnace, with a plateau at 700 ° C. for one hour, with a temperature ramp of 10 ° C./min. After the densification step, the thickness of the magnesium oxide-based layers is about 100 nm.
  • an ohmic contact made of titanium (Ti) is deposited by physical heat-evaporation, on the rear face of the semiconductor substrate previously cleaned with 10% hydrofluoric acid (HF). .
  • Gold pads 200 ⁇ m in diameter are then deposited on the magnesium oxide layer by physical evaporation with heat, using a suitable mask.
  • the platinum layer and the gold pads situated on either side of the densified magnesium oxide insulating layer in the case of the wafer of silicon coated with a platinum layer (electrical structure: metal / insulating layer of the present invention / metal), - the ohmic contact made of titanium (Ti) located on the rear face of the semiconductor substrate and gold studs deposited on the densified magnesium oxide insulating layer in the case of wafers of silicon and silicon carbide (electrical structure: Metal / insulating layer of the present invention / Semi -conductor).
  • FIG. 4 is a diagram representing the average breakdown field in MV / cm 2 at ambient temperature of the insulating layer based on magnesium oxide deposited and densified according to Example 2 as a function of the nature of the support.
  • Leakage current Figure 5 shows a graph showing the evolution of the leakage current density in A / cm 2 at 2 MV / Cm as a function of the temperature of the 0 C measurement of an insulating layer based on Magnesium oxide prepared according to Example 2 on a substrate of silicon carbide (SiC). Between room temperature and 25 ° C., the leakage current increases from 3xlCT 9 to 2xlCT 4 A / cm 2 .
  • Example 3 Process for producing an insulating layer based on magnesium oxide and calcium oxide
  • the treating solution is prepared according to the following procedure:
  • Anhydrous calcium dichloride (CaCl 2 , sold by Fluka under the reference 21,074) is dissolved with magnetic stirring in methanol Normapur (trademark) (CH 3 OH, sold by VWR under the reference 20,847) at a concentration of mass equivalent of CaO between 3 and 4%.
  • CH 3 OH methanol Normapur
  • the agitation of this clear and transparent solution which will be called CaCl 2 / CH 3 OH in this example is maintained for 30 minutes.
  • the CaCl 2 / CH 3 OH solution is then mixed with magnetic stirring with a solution of magnesium dimethoxide dispersed in methanol.
  • the deposition of the treating solution is carried out by spin-coating at 21 ° C. with controlled hydrometry (45 ⁇ 5%).
  • the treating solution is filtered (0.45 ⁇ m polypropylene disposable filter marketed by Whatman) at the time of injection on the platinum surface.
  • the wafer is then rotated at a speed of 2000 rpm for one minute.
  • the layer based on magnesium oxide is then densified in a muffle furnace, with a plateau at 700 ° C. for one hour, with a ramp for raising the temperature to 10 ° C./min.
  • the thickness of the base layer of magnesium oxide and calcium oxide is about 100 nm.
  • Example 4 Process for producing an insulating layer based on magnesium oxide and silica
  • Si (OCH 3 ) 4 sold by ABCR under the reference SIT7510.0
  • CH 3 OH marketed by VWR under reference 20,847
  • SiO 2 mass between 3 and 4%.
  • the stirring of this clear and transparent solution which will be called Si (OCH 3 ) 4 / CH 3 OH in this example is maintained for 30 minutes.
  • the Si (OCH 3 ) 4 / CH 3 OH solution is then mixed with magnetic stirring with a solution of magnesium dimethoxide dispersed in methanol.
  • Mg (OCH 3 ) 2 / CH 3 OH added were calculated to have a mass proportion Mg (OCH 3 ) 2 / Si (OCH 3 ) 4 of 80/20 in oxide equivalents. After stirring for 30 minutes, a clear and transparent treating solution is obtained.
  • the synthesis is entirely carried out in a humidity-free atmosphere (dry glove box) or in a stream of dry gas (typically argon) in order to avoid any pre-hydrolysis of the magnesium precursors and of the calcium, which are particularly sensitive to water. 'water.
  • dry gas typically argon
  • a silicon wafer (diameter: 5.1 mm) covered with a platinum layer (thickness: ⁇ 100 nm) deposited by hot physical evaporation is first degreased with acetone and then dried. with absolute ethanol.
  • the deposition of the treating solution is carried out by spin-coating at 21 ° C. with controlled hydrometry (45 ⁇ 5%).
  • the treating solution is filtered (0.45 ⁇ m polypropylene disposable filter marketed by Whatman) at the time of injection on the platinum surface.
  • the wafer is then rotated at a speed of 2000 rpm for one minute.
  • the layer based on magnesium oxide is then densified in a muffle furnace, with a plateau at 700 ° C. for one hour, with a ramp for raising the temperature to 10 ° C./min.
  • the thickness of the layer based on magnesium oxide and silica is about 100 nm.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un revêtement inorganique à base d'oxyde de magnésium (MgO) destiné à l'isolation électrique de substrats semi-conducteurs tel que du carbure de silicium (SiC), et à un procédé de fabrication d'un tel revêtement isolant. Le procédé de l'invention comprend les étapes de préparation d'une solution traitante d'au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche polymérique homogène d'oxy-hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse-condensation avec de l'eau; de dépôt de la solution traitante de l'organomagnésien hydrolysable ou du sel de magnésium hydrolysable sur une surface pour former une couche à base d'oxyde de magnésium ; et de densification de la couche formée à une température inférieure ou égale à 1000°C.

Description

REVETEMENT A BASE DE MgO POtJR L ' ISOLATION ELECTRIQtJE DE StJBSTRATS SEMI-CONDUCTEtJRS ET PROCEDE DE FABRICATION
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un revêtement inorganique à base d' oxyde de magnésium (MgO) destiné à l'isolation électrique de substrats semi-conducteurs tel que du carbure de silicium (SiC) , et à un procédé de fabrication d'un tel revêtement isolant . Le domaine général de l'invention est donc celui des revêtements isolants électriques, plus particulièrement les revêtements isolants électriques utilisés à hautes températures, et destinés à l'isolation semi-conducteur/métal et à l'isolation inter-composants pour la microélectronique et plus particulièrement la microélectronique de puissance.
Les références entre crochets ( [ . ] ) renvoient à la liste des références présentées après les exemples.
Etat de la technique
Les propriétés physiques intrinsèques des substrats de carbure de silicium (SiC) en font un matériau de choix pour la réalisation de composants pour lesquels les filières classiques silicium (Si) et arséniure de gallium (GaAs) ne sont pas utilisables. Il s'agit des domaines des hautes températures et des hautes fréquences, où il faut délivrer de fortes puissances, ou encore des composants fonctionnant en milieu hostile, nécessitant une excellente inertie chimique et une bonne résistance aux rayonnements. Les applications composants électroniques sur SiC comprennent les diodes de puissance (redresseurs à jonction PN, diodes de Schottky, diodes JBS) , les thyristors, les transistors (MOSFET, MESFET, JFET) et les mémoires RAM non volatiles. Dans le domaine opto¬ électronique, les applications concernent la commutation (interrupteurs optiques) et la détection (photodétecteur UV) .
En dépit de propriétés largement supérieures aux matériaux semi-conducteurs traditionnels (silicium et arséniure de gallium), le carbure n'a pu s'imposer dans l'industrie de la microélectronique pour des raisons technologiques. Outre les difficultés rencontrées pour la cristallogenèse des substrats de SiC, l'isolation électrique constitue le second challenge technologique pour l'intégration de composants microélectroniques. Les besoins en isolation nécessaires au développement des circuits intégrés concernent plus particulièrement le diélectrique de grille des transistors à effet de champ (application MOSFET) dont la fonction est de maintenir dans le substrat semi- conducteur les porteurs participant au fonctionnement du dispositif, et le diélectrique d'isolation ou passivation dont le rôle est d'empêcher le passage du courant entre composants et les réactions entre le semi-conducteur et l'atmosphère ou toute couche supérieure, pendant toute la durée de vie du composant. On connaît divers procédés pour réaliser des couches destinées à l'isolation électrique pour diverses applications de la micro-électronique.
Les couches, majoritairement développées, décrites par exemple dans les documents [1], [2] et [3], sont à base de silice (SiO2) et permettent de répondre aux besoins en terme de diélectrique de grille et d'isolation ou passivation inter-composants pour la filière silicium. Cependant, du fait de la continuité du champ électrique à l'interface isolant/semi¬ conducteur, comme décrit dans le document [4], les propriétés intrinsèques de la silice (permittivité diélectrique et le champ de claquage) conduisent à générer dans la couche isolante un champ électrique 2,5 fois plus élevé que dans le semi-conducteur. Le champ de claquage du SiC étant de 2 MV/cm, le stress subi par la silice devient trop important pour garantir la fiabilité des composants : la durée de vie de la silice soumise à un champ de 5 MV/cm chute de 10 ans à 1 000 secondes en passant d'une température de fonctionnement de 250C à 35O0C. Ainsi, les gammes de tension de fonctionnement des composants SiC sont limitées par le claquage de l'isolant diélectrique, empêchant ainsi de tirer le maximum des potentialités du SiC. Les nitrures de silicium (Si3N4) et d'aluminium (AlN) ont aussi été proposés pour remplacer la silice en tant que matériaux d'isolation sur SiC, comme décrit par exemple dans les documents [5] et [6] . Malgré un champ de claquage élevé, respectivement 5-10 et 6-15 MV/cm [7], la permittivité diélectrique de ces matériaux, respectivement 7,5 et 8,5 [8], est inférieure à celle du SiC, limitant les gammes de tension de fonctionnement des composants sur SiC.
L'alumine (Al2O3) peut être aussi utilisée comme matériau isolant électrique pour la microélectronique, comme décrit par exemple dans le document [9] . La permittivité diélectrique de l'alumine est de l'ordre de grandeur de celle du SiC, mais son faible champ de claquage (environ 5 MV/cm selon [8]) limite également les gammes de tension de fonctionnement des composants sur SiC.
On connaît également des procédés mettant en œuvre des matériaux à composition chimique complexe, comme décrit dans les documents [10], [11] et [12], ou un empilement de couches de matériaux précédemment décrits, comme décrit dans les documents [13] et [14] . Cependant, l'élaboration de telles couches isolantes est compliquée et nécessite, dans le second cas, des durées de réalisation longues.
Par ailleurs, on connaît des procédés pour préparer des couches de MgO destinées aux applications écran plasma. On en trouve des exemples dans les documents [15] à [19] . Dans ce cas, les propriétés recherchées sont le coefficient d'émission d'électrons secondaires et le seuil d' ignition plasma et les conditions de préparation du revêtement sont optimisées pour ces caractéristiques.
Il est aussi possible de trouver des revêtements à base de MgO utilisés comme couche tampon pour l'épitaxie de films pervoskites sur silicium, comme décrits dans les documents [20] à [23], ou substrats semi-conducteurs III-V, comme décrits dans les documents [24] à [26], ou encore comme oxyde de grille, comme décrits dans les documents [27] et [28], pour des transistors couches minces TFT (Thin Film Transistor) . Ces couches de MgO sont généralement préparées par évaporation sous vide (PVD) ou par ablation laser qui sont des techniques d'élaboration difficiles à intégrer dans une chaîne de production de micro-électronique.
Le document [29] décrit aussi les conditions de préparation de couches de MgO à partir d' alcoolate de magnésium, destinées à l'isolation d'éléments magnétiques. Dans ce cas, les propriétés recherchées sont une résistance électrique élevée, une haute stabilité thermique (jusqu'à 12000C) et une bonne adhérence au substrat. Les conditions de préparation du revêtement ont été optimisées pour ces caractéristiques .
Ainsi, il ressort des réalisations de l'art antérieur l'un ou plusieurs des inconvénients suivants :
- l'utilisation restreinte des potentialités du SiC du fait des propriétés intrinsèques des matériaux sous forme de couches minces (champ de claquage et permittivité diélectrique) assurant l'isolation électrique. Les gammes de tension de fonctionnement des composants sont limitées par le claquage de l'isolant, et non par les performances intrinsèques du substrat SiC,
— une mise en œuvre compliquée pour réaliser des revêtements isolants à composition chimique complexe ou sous forme d'empilement multicouche, - l'optimisation des procédés de fabrication de revêtements à base de MgO pour des propriétés autres qu'un champ de claquage et une perméabilité diélectrique élevés pour de faibles courants de fuite,
— les difficultés pour intégrer les méthodes de dépôt sous vide mentionnées dans une chaîne de production de micro-électronique.
Exposé de l'invention La présente invention a été réalisée au vu des circonstances décrites ci-dessus, et son premier but est de fournir un revêtement destiné à l'isolation électrique de substrats semi-conducteurs, de préférence en carbure de silicium (SiC), exempt de l'ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus.
Un autre but de la présente invention est de fournir une interface électroniquement isolante inter-composants d'un composant électronique ou opto¬ électronique, exempte de l'ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus.
Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de revêtement d'un substrat qui est facile à mettre en oeuvre et parfaitement intégrable sur une ligne de production en micro- électronique.
Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé utilisable dans la fabrication d'un composant électronique ou opto-électronique, exempt de l'ensemble des inconvénients mentionnés ci- dessus. Ces buts sont atteints par la présente invention qui propose un procédé de fabrication d'un revêtement, ou couche, inorganique, isolante électroniquement, à base d'oxyde de magnésium (MgO) comprenant les étapes suivantes :
(a) préparation d'une solution traitante d'au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche polymérique homogène d' oxy-hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse-condensation avec de l'eau ;
(b) déposer la solution traitante de l' organomagnésien hydrolysable ou du sel de magnésium hydrolysable sur une surface pour former une couche à base d' oxyde de magnésium ;
(c) densifier la couche formée à une température inférieure ou égale à 10000C pour obtenir la couche isolante à base d'oxyde de magnésium. Ces buts sont également atteints par la présente invention qui propose un procédé de revêtement d'une surface d'un substrat conducteur ou semi¬ conducteur par une couche, ou revêtement, inorganique, isolante électroniquement, à base d'oxyde de magnésium, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) préparation d'une solution traitante d'au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche polymérique homogène d' oxy-hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse-condensation avec de l'eau ; (aa) éventuellement, préparation de la surface du substrat à revêtir pour améliorer les propriétés d'adhésion et/ou d'isolation électrique et/ou de résistance à l'abrasion de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium ;
(b' ) dépôt de la solution traitante de l' organomagnésien hydrolysable ou du sel de magnésium hydrolysable sur la surface du substrat, éventuellement préparée par l'étape
(aa) , pour former une couche à base d'oxyde de magnésium ; (c) densifier ladite couche formée à une température inférieure ou égale à 10000C pour obtenir la couche isolante à base d' oxyde de magnésium.
En effet, après avoir mené des recherches approfondies pour atteindre les buts précités, les inventeurs de la présente ont découvert de manière tout à fait inattendue que si un dépôt d' oxyde de magnésium est densifié à une température inférieure ou égale à 10000C, les propriétés diélectriques du matériau densifié sont fortement améliorées par rapport aux couches isolantes de l'art antérieur. Ils ont en effet obtenu, grâce au procédé de leur invention, des couches isolantes à base d' oxyde de magnésium ayant une résistance de 318 GΩ (318 GigaOhms) , à comparer avec les 3 kΩ (3 kiloOhms) obtenus avec le procédé de l'art antérieur décrit dans US-A-2, 796, 364 commenté ci- dessus .
En outre, avantageusement, l'oxyde de magnésium donne de bonnes performances en termes de champ de claquage, de permittivité diélectrique et de courant de fuite permettant d' exploiter pleinement les potentialités d'un matériau comme le SiC. En effet, généralement, l'oxyde de magnésium présente des propriétés intrinsèques, champ de claquage de l'ordre de 10 MV/cm comme décrit dans le document [30] et une permittivité diélectrique de l'ordre de 10, comme décrit dans le document [30b] .
Dans la suite de la description, le terme « surface » désigne toute surface sur laquelle le procédé de l'invention peut être mis en œuvre. Il peut s'agir d'une surface d'un « substrat » au sens de la présente invention ou d'une surface constituée d'un matériau déposé sur un support ou d'une surface permettant uniquement la fabrication du revêtement. Selon l'invention, la surface peut être « simple » ou « mixte », c'est-à-dire constituée d'un seul matériau, ou de plusieurs matériaux présents côte à côte sur le plan formé par la surface.
Le terme « substrat » désigne généralement un support sur lequel le procédé de l'invention est mis en œuvre.
Selon l'invention, le substrat peut être constitué par exemple d'un des matériaux conducteurs ou semi-conducteurs utilisés dans le domaine de la microélectronique. Il peut s'agir par exemple d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le silicium (Si), le carbure de silicium (SiC), l'arséniure de gallium (AsGa), le phosphure d' indium (InP), le nitrure de gallium (GaN) , le diamant (C) ou le germanium (Ge) . Dans le procédé de l'invention, la, au moins une, surface du substrat peut donc être constituée d'un ou plusieurs de ces matériaux (surface simple ou mixte) .
Selon l'invention, le substrat peut également être métallique. Il peut être constitué par exemple d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les aciers, l'aluminium, le zinc, le nickel, le fer, le cobalt, le cuivre, le titane, le platine, l'argent et l'or ; ou encore d'un alliage de ces métaux ; ou encore d'un alliage choisi par exemple dans le groupe comprenant le laiton, le bronze, l'aluminium, l'étain. Dans le procédé de l'invention, la, au moins une, surface du substrat peut donc être constituée d'un ou plusieurs de ces métaux ou alliages de ceux-ci (surface simple ou mixte) .
Selon l'invention, la « surface » du substrat peut aussi désigner une surface constituée d'un matériau déposé sur un support. Le support peut être constitué par exemple d'un des matériaux précités. Le matériau déposé peut être par exemple constitué d'une couche métallique ou d'un oxyde métallique ou d'un empilement de couches métalliques et/ou d'oxyde métallique ou d'une couche mixte métallique et/ou d'oxydes métalliques ou encore d'un composant électronique sur lequel est déposée la couche à base d'oxyde de magnésium, par exemple dans le but d'assurer une fonction d'isolation électrique inter-couches et/ou inter-composants . Les couches métalliques et/ou en oxydes métalliques peuvent être par exemple des couches constituées d'un ou de plusieurs métaux comme ceux précités, ou d'un alliage de métal comme ceux précités, ou d'un ou de plusieurs oxyde (s) d'un ou de plusieurs de ces métaux.
Par « à base d'oxyde de magnésium », on entend une couche isolante électrique qui peut être composée d'oxyde de magnésium seul ou d'un mélange d'oxyde de magnésium et d'un ou de plusieurs sel (s) de magnésium et/ou d'un ou plusieurs oxyde (s) de métal (métaux) ou de métalloïde ou composé (s) organométallique (s) (notés respectivement (I), (II) et (III) ci-dessous) . La structure de la couche à base d'oxyde de magnésium peut être amorphe, on parle alors de « verre ». Elle peut aussi être cristalline, c'est- à-dire constituée d'un ou de plusieurs cristallites correspondant à des domaines dans lesquels un ordre des atomes à longue distance est établi selon les trois directions de l'espace. L'étape (a) du procédé de l'invention consiste donc à préparer une solution traitante d' au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche, ou film, polymérique homogène d' oxy- hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse- condensation avec de l'eau. Cette solution est également appelée « solution traitante » ci-après.
Dans cette solution, l' organomagnésien hydrolysable et/ou le, au moins un, sel de magnésium hydrolysable constitue (nt) un (des) précurseur (s) moléculaire (s) d'oxyde de magnésium. Selon l'invention, cette solution traitante peut être obtenue par exemple par dissolution dans un solvant d'un premier composé moléculaire de magnésium de formule chimique générale (I) : Xy X' z Mg (I) où X et X' sont choisis indépendamment parmi : - un groupe hydrolysable, par exemple un alcoolate de formule 0-R1, où R1 est un groupe alkyle ayant de 1 à 10 atomes de carbones, linéaire ou ramifié ; - un complexant, par exemple un carboxylate, par exemple de formule R2-COOH, dans laquelle R2 un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényl ; ou
- une β-dicétone ou un dérivé de β-dicétone, par exemple de formule R3-COCH2CO-R4, dans laquelle R3 et R4 sont choisis indépendamment parmi un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényl ; où y et z représentent respectivement la stoechiométrie de X et X' et sont tels que le premier composé moléculaire est un composé électriquement neutre.
Des exemples de composés (I) utilisables dans la présente invention sont décrits par exemple dans les documents [37] à [39] .
Selon l'invention, l' alcoolate peut être par exemple un méthylate, un éthanolate ou un propylate de magnésium. Le solvant peut être tout solvant connu de l'homme du métier pour préparer un sol. Selon l'invention, le solvant est avantageusement organique. Selon l'invention, il peut être choisi avantageusement parmi les alcools aliphatiques saturés ou insaturés de formule R5-0H, où R5 représente un groupe alkyle ayant de 1 à 30 atomes de carbones, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, ou un groupe phényle, ou encore un diol de formule HO-R6-OH, où R6 représente un groupe alkyle ayant de 1 à 30 atomes de carbones, de péférence de 1 à 10 atomes de carbone, ou un groupe phényle.
Le solvant peut être par exemple choisi dans le groupe comprenant le méthanol, l'éthanol, l' isopropanol, le butanol, le pentanol et le glycol, par exemple l'éthylène glycol et le triéthylène glycol. Avantageusement, le solvant est du méthanol ou de l'éthanol qui se volatilise facilement.
A titre d'exemple de groupe hydrolysable, on peut citer par exemple le méthoxyéthoxyde de magnésium (Mg (OCH2CH2OCH3) 2) .
A titre d'exemple de complexant, on peut citer par exemple l'acétate de magnésium tétrahydraté (Mg (CH3COO)2.4H2O) et le lactate de magnésium trihydraté Mg (CH3CHOHCOO) 2.3H2O. A titre d'exemple de β-dicétone, on peut citer par exemple le 2-4 pentanedionate de magnésium (Mg (CH3COCHCOCH3)Z) .
A titre d'exemple de premier composé moléculaire, on peut utiliser un composé choisi dans le groupe comprenant le diméthoxyde de magnésium (Mg (OCH3) 2) , le diéthoxyde de magnésium (Mg (OCH2CH3) 2) , le di-n-propoxyde de magnésium (Mg (OCH2CH2CH3) 2•
Par exemple, avantageusement, on peut utiliser comme premier composé moléculaire de magnésium, du diméthoxyde de magnésium (Mg (OCH3) 2) dissous dans du méthanol (CH3OH) ou du diéthoxyde de magnésium (Mg (OCH2CH3) 2) dissous dans de l'éthanol
(CH3CH2OH) .
Selon la présente invention, on peut avantageusement ajouter à la solution traitante un ou plusieurs sel (s) de magnésium de formule (II) :
MgA2 (II) dans laquelle A est un ion halogénure, par exemple Br ou Cl, ou un ion nitrate. Le sel de magnésium a pour fonction de contrôler l'orientation des cristallites de périclase (MgO) et ainsi d'améliorer encore les propriétés d' isolation électrique de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium de la présente invention.
Ce sel de magnésium peut également être appelé deuxième composé moléculaire du magnésium.
Des exemples de sels de magnésium (II) utilisables dans la présente invention sont décrits par exemple dans les documents [37] à [39] .
On peut mélanger le sel de magnésium (II) en une proportion allant de 0 à 99% en masse par rapport au premier composé moléculaire de magnésium formateur du réseau polymérique inorganique du revêtement, de péférence de 0 à 25% en masse.
Par exemple, selon l'invention, on mélangera de préférence le dichlorure de magnésium anhydre (MgCl2) en une proportion allant de 0 et 25% en masse (équivalent MgO) par rapport à du diméthoxyde de magnésium (Mg (OCH3) 2) .
De préférence, le sel de magnésium (II) est sous forme anhydre. Avantageusement, le sel de magnésium est dissous dans un solvant organique. Selon l'invention, le solvant peut être choisi avantageusement parmi les alcools aliphatiques précités. Le solvant peut être par exemple choisi dans le groupe comprenant le méthanol, l'éthanol, l' isopropanol, le butanol, le pentanol. Avantageusement, le solvant est du méthanol ou de 1' éthanol.
Selon l'invention, on peut utiliser par exemple, comme sel de magnésium, du dichlorure de magnésium anhydre (MgCl2) ou du dibromure de magnésium (MgBr2) dissous par exemple dans du méthanol (CH3OH) ou de l'éthanol (CH3CH2OH) .
Selon la présente invention, on peut également ajouter à la solution traitante, en complément du sel de magnésium précité ou sans celui- ci, un ou plusieurs sel (s) de métal (métaux) ou de métalloïde ou composé (s) organométallique (s) de formule chimique générale (III) :
Et Mu (III) dans laquelle :
- M est un métal ou un métalloïde,
— E est un groupe choisi parmi : un groupe hydrolysable, par exemple choisi dans le groupe comprenant un halogénure, comme un fluorure, chlorure, bromure ou iodure ; un nitrate ; un oxalate ; un alcoolate de formule O-R6 où R6 est un groupe alkyle de 1 à 10 atomes de carbone ; un complexant tel qu'un carboxylate de formule R7-COOH, dans laquelle R7 est un groupement alkyl, linéaire ou ramifié ayant de 1 à 30 atomes de carbones, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, ou un groupe phényle ; une β-dicétone ou un dérivé de β-dicétone, par exemple de formule R8-COCH2CO-R9, dans laquelle R8 et R9 sont choisis indépendamment parmi un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényle ; un phosphonate, par exemple choisi dans le groupe comprenant R10-PO(OH)2, R^-PO (OR12) (OH) ou R13-PO(OR14) (OR15) avec R10, R11, R12, R13, R14, et R15 sont des groupements alkyl identiques ou différents ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, linéaires ou ramifiés, ou un phényle ; un hydroxamate de formule R16-CO (NHOH) , dans laquelle R16 est un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényle ; un organosilane ; un sulfonate ; un borate ; ou un diol de formule HO-R16-OH, où R16 est un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10, linéaire ou ramifié, ou un phényl, où t et u représentent respectivement la stoechiométrie de E et M et sont tels que le composé (III) est un composé électriquement neutre.
Des exemples de composés (III) utilisables dans la présente invention sont décrits par exemple dans les documents [37] à [39] .
Selon l'invention, on peut également utiliser un mélange de composés (III) .
Le composé (III) a pour fonction de retarder la cristallisation de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium (I) et ainsi de contrôler les propriétés d'isolation. Selon l'invention, le composé (III) peut être ajouté à la solution traitante, par exemple, en une proportion allant de 0 à 99% en masse par rapport au sel de magnésium (I) formateur du réseau polymérique inorganique du revêtement, avantageusement entre 0 et 50% en masse.
Le métal ou métalloïde M, peut être choisi parmi :
- les métaux de transition Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt ;
- les lanthanides La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy , Er, et Yb ;
- les éléments du groupe III choisis parmi Al, Ga, In et Tl ; - les éléments du groupe IV choisis parmi Si,
Ge, Sn et Pb ; - les éléments du groupe V tel que Sb ;
- les éléments du groupe VI choisis parmi Se et Te ;
- les alcalins choisis parmi Li, Na, K et Cs ; et
- les alcalino-terreux choisis parmi Be, Ca, Sr et Ba.
Il peut s'agir aussi de toute combinaison ou mélange d'élément choisis parmi les métaux de transition, alcalin et alcalino terreux, lanthanides, éléments du groupe III, éléments du groupe IV, éléments du groupe V et éléments du groupe VI.
Avantageusement, on choisira un composé Et M11 (III) à base de silicium ou de calcium. De façon avantageuse, mais facultative, on procède, avant ou après la préparation de la solution traitante, à la préparation de la, au moins une, surface où sera déposée la couche isolante électroniquement selon l'invention (étape (aa) ) . La procédure de nettoyage est de préférence adaptée à la nature, à la dimension et à la forme du substrat. Le choix de la procédure de nettoyage est à la portée de l'homme de métier.
Par exemple, pour la préparation d'une surface d'un matériau semi-conducteur tels que ceux classiquement utilisés dans le domaine de la microélectronique, on peut utiliser les procédures décrites dans l'ouvrage [31] dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Cette préparation de surface permet d'améliorer notablement les propriétés d'adhésion, d'isolation électrique et de résistance à l'abrasion de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium de l'invention.
L'étape suivante (b) ou (b' ) consiste à appliquer sur la surface, préparée ou non, la couche à base d' oxyde de magnésium, à partir de la solution traitante. De manière générale, quelle que soit la technique de dépôt utilisée, la couche déposée est de préférence uniforme.
Le dépôt de la couche à base d' oxyde de magnésium peut être effectué par exemple au moyen d'une des techniques par voie liquide suivantes :
- le trempage-retrait (« dip-coating » en anglais) ,
- l'enduction centrifuge (« spin-coating » en anglais) ,
- pulvérisation (« sputtering » en anglais)
- l'enduction laminaire (« laminar-flow- coating » en anglais) ,
- l'épandage (« spray-coating » en anglais), - l'engobage (« slip-coating » en anglais), ou
- les techniques utilisant un couteau horizontal pour le dépôt (« tape-coating » en anglais) . Selon l'invention, de préférence, on utilise l'enduction centrifuge (« spin-coating ») car elle est facilement intégrable dans une chaîne de production de micro-électronique.
Enfin, la dernière étape (c) du procédé de l'invention consiste à densifier la couche à base d'oxyde de magnésium déposée. Cette étape peut être mise en oeuvre par toute méthode de densification ou réticulation permettant d'effectuer la réticulation voulue à température ambiante ou à température modérée, pourvu que la température soit inférieure ou égale à 10000C. Elle permet d'obtenir un matériau inorganique à base d' oxyde de magnésium formant la couche isolante électroniquement de la présente invention.
Par exemple, cette étape peut être mise en oeuvre par un traitement de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium (I) choisi parmi :
- un traitement thermique, par exemple dans un four ou par une insolation infrarouge ou au moyen d'une plaque chauffante ;
- un traitement d' insolation UV ; - un traitement d'irradiation par un faisceau laser ;
- un traitement par un faisceau d'électrons ou d' ions ; ou
- un traitement par une énergie micro-onde. Un mélange de ces traitements peut également être appliqué. On peut par exemple choisir le traitement utilisé pour des raisons économiques et/ou de rapidité, et en fonction des contraitentes imposées par le support . Selon l'invention, lorsque la densification ou réticulation est réalisée par un traitement thermique, par exemple dans un four à moufle, le traitement peut consister par exemple à chauffer la couche déposée à une température modérée, par exemple entre 4000C et 1 0000C, de préférence de 650 à 75O0C, par exemple autour de 7000C. Le chauffage peut être réalisé sous air ou sous gaz inerte, par exemple sous azote ou argon. Un chauffage par une insolation aux rayonnements infrarouges ou proche infrarouge permet également de chauffer la surface du substrat à une température entre 4000C et 1 0000C, de préférence de 650 à 75O0C, par exemple autour de 7000C. Là aussi, le chauffage peut être réalisé sous air ou sous gaz inerte, par exemple sous azote ou argon.
La durée du chauffage est celle qui permet d'obtenir la densification visée dans les conditions de chauffage de l'invention. Généralement, elle est de 2 à 150 minutes, de préférence 5 à 60 minutes. Par exemple, une bonne réticulation peut être obtenue au bout de 15 minutes à 7000C. Selon l'invention, lorsque la densification ou réticulation est réalisée par insolation aux rayons UV, la longueur d' onde des UV est de généralement entre 180 et 350 nm. Cette technique est avantageusement applicable à température ambiante (généralement 15 à 350C) .
La durée de l'insolation est celle qui permet d' obtenir la densification visée dans les conditions de température du traitement. Généralement, elle est de 1 à 30 minutes, de préférence 1 à 5 minutes. Par exemple, une bonne réticulation peut être obtenue au bout de 5 minutes.
Selon l'invention, lorsque la densification ou réticulation est réalisée par un traitement d' irradiation par un faisceau laser continu CO2 (λ = 10,6 μm) , 10 à 300 W/cm2, de préférence entre 50 et 150 W/cm2 pendant quelques secondes, généralement de 1 à 10 secondes, avec un laser en continude 15 kW.
Pour que l'effet isolant électrique soit opérant, l'épaisseur finale de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium de la présente invention, après densification, est de préférence comprise entre 10 et 500 nm, avantageusement 50 à 200 nm, par exemple 100 nm. De préférence, la couche isolante est d'épaisseur uniforme. Généralement les substrats recouverts par la couche à base d' oxyde de magnésium préparée selon l'invention remplissent positivement les exigences requises pour les applications envisagées telles que l'isolation électrique de substrats semi-conducteurs, plus particulièrement du carbure de silicium (SiC) , ou encore l'isolation électrique inter-composant, à savoir :
- présente un champ de claquage élevé, supérieur à 5 MV/cm ; - présente une résistance pouvant aisément atteindre 318 GΩ, et généralement située entre 200 et 700 GΩ ;
- présente une permittivité électrique proche du matériau massif, généralement comprise entre 9 et 11 (par exemple ε = 10) ; et
- présente un courant de fuite faible, même à haute température, généralement inférieur à 10~8 A/cm2 à 250C et inférieur à 10~5 A/cm2 à 25O0C. En outre, le procédé de préparation du revêtement isolant à base d' oxyde de magnésium selon l'invention est simple, peu onéreux, intégrable sur une chaîne de production de micro-électronique.
La présente invention se rapporte donc également à une couche inorganique électroniquement isolante susceptible d'être obtenue par le procédé de l'invention, en particulier à une couche présentant les caractéristiques précitées.
De plus, il peut être appliqué sur des supports de forme complexe, c'est-à-dire sur des surfaces non planes.
En fait, l'homme du métier l'aura compris, la présente invention combine astucieusement l'utilisation d'un revêtement à base d'oxyde de magnésium (MgO) réalisé par un procédé sol-gel et déposé par voie liquide et d'un traitemement de densification à une température inférieure ou égale à 10000C pour résoudre l'ensemble des problèmes de l'art antérieur.
Les applications de la présente invention sont très nombreuses, comme exposé ci-dessus. Parmi celles-ci, on peut citer par exemple, et de manière non exhaustive, les suivantes :
- Les applications composants en microélectronique. On peut par exemple se référer aux documents [32], [33], [34] et [35] qui décrivent des dispositifs et leurs procédés de fabrication où la présente invention peut être utilisée. A cet effet, le procédé de l'invention est utilisé pour l'isolation électrique à la place de la silice (SiO2) , du nitrure d' aluminum (AlN), du nitrure de silicium (Si3N4) ou de l'oxynitrure de silicium (SiON) . - Les applications isolants de grille et passivation. On peut par exemple se référer au document
[36] qui décrit des dispositifs et leurs procédés de fabrication où la présente invention peut être utilisée. A cet effet, le procédé de l'invention est utilisé pour l'isolation électrique à la place de la silice (Siθ2), du nitrure d' aluminum (AlN), du nitrure de silicium (Si3N4) ou de l'oxynitrure de silicium
(SiON) . Aussi, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du procédé de l'invention pour fabriquer une interface semi-conducteur/métal électroniquement isolante d'un composant électronique ou opto-électronique. Aussi, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du procédé de l'invention pour fabriquer une interface électroniquement isolante inter-composants d'un composant électronique ou opto¬ électronique. Aussi, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du procédé de l'invention dans la fabrication d'un composant électronique choisi dans le groupe comprenant les diodes de puissances, les thyristors, les transistors, et les mémoires RAM non volatiles.
Aussi, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du procédé de l'invention dans la fabrication d'un composant opto-électronique choisi dans le groupe comprenant les commutateurs et les détecteurs. En particulier, la présente invention trouve de très nombreuses applications dans la fabrication de composants électroniques sur SiC, par exemple les diodes de puissance (redresseurs à jonction PN, diodes de Schottky, diodes JBS) , les thyristors, les transistors (MOSFET, MESFET, JFET) et les mémoires
RAM non volatiles. Dans le domaine opto-électronique, les applications concernent la commutation
(interrupteurs optiques) et la détection (photodétecteur UV) .
D'autres caractéristiques apparaîtront encore à l'homme du métier à la lecture des exemples suivants donnés à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins
— La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un substrat après dépôt de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium selon l' invention. - La figure 2 est un diagramme représentant la distribution de champ de claquage à température ambiante en fonction du champ électrique appliqué en MV/cm sur une couche isolante à base d' oxyde de magnésium déposée sur une couche de platine et préparée selon l'invention.
- La figure 3 est un graphique représentant l'évolution de la densité de courant de fuite en A/cm2 à 1 MV/Cm en fonction de la température de la mesure en 0C d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium déposée et densifiée selon l'invention sur une couche de platine.
— La figure 4 est un diagramme représentant le champ de claquage moyen en MV/cm2 à température ambiante d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium déposée et densifiée selon l'invention en fonction de la nature du support.
- La figure 5 est un graphique représentant l'évolution de la densité de courant de fuite en A/cm2 à 2 MV/Cm en fonction de la température de la mesure en 0C d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium déposée et densifiée selon l'invention sur un substrat de carbure de silicium (SiC) .
EXEMPLES
Exemple 1 : procédé d'élaboration d'une couche isolante d'oxyde de magnésium selon l'invention
Cet exemple est réalisé sur une plaquette (« wafer ») de silicium dont la surface à revêtir par le procédé de l'invention est recouverte d'une couche de platine. La solution traitante est une solution à base d'un mélange de Mg (OCH3) 2 et de MgCl2 en proportion massique 80/20.
On prépare la solution traitante selon le mode opératoire suivant :
1. le dichlorure de magnésium anhydre (MgCl2, commercialisé par Fluka sous la référence 63,063) est dissout sous agitation magnétique dans du méthanol Normapur (marque de commerce) (CH3OH, commercialisé par VWR sous la référence 20,847) à une concentration en équivalent massique de MgO comprise entre 3 et 4%. L'agitation de cette solution limpide et transparente, que l'on nommera MgCl2/CH3OH dans cet exemple, est maintenue 30 minutes, 2. la solution MgCl2/CH3OH est ensuite mélangée sous agitation magnétique avec une solution de diméthoxyde de magnésium dispersée dans le méthanol
(Mg (OCH3) 2/CH3OH, 6-10% en masse, commercialisé par
Aldrich sous la référence 33,565-7) . Les masses de solutions MgCl2/CH3OH et Mg (OCH3) 2/CH3OH additionnées ont été calculées de manière à avoir une proportion massique Mg (OCH3) 2/MgCl2 de 80/20 en équivalent MgO. Après agitation durant 30 minutes, on obtient une solution traitante limpide et transparente. La synthèse est entièrement réalisée dans une atmosphère exempte d'humidité (boîte à gants sèche) ou sous flux de gaz sec (argon) afin d'éviter toute pré-hydrolyse des précurseurs magnésiens, particulièrement sensibles à l'eau. Une plaquette (« wafer ») de silicium
(diamètre : 5,1 mm) recouverte d'une couche de platine (épaisseur : ≈ 100 nm) déposée par évaporation physique à chaud est tout d'abord dégraissée à l'acétone, puis séchée à l'éthanol absolu. Le dépôt de la solution traitante de l'invention est réalisé par enduction centrifuge (ou
« spin-coating ») à 210C avec une hygrométrie contrôlée
(45 ± 5%) . La solution traitante est filtrée (filtre à usage unique 0,45 μm en polypropylène commercialisé par Whatman) au moment de l'injection sur la surface de platine. La plaquette de silicium est alors mise en rotation, à une vitesse de 2 000 tours/min, durant une minute.
La couche à base d' oxyde de magnésium obtenue est effacée sur une surface de 0,5 cm2 à l'aide d'un coton-tige imbibé d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique (1 M) .
La couche à base d' oxyde de magnésium est ensuite densifiée dans un four à moufle, avec un palier à 7000C pendant une heure, avec une rampe de montée en température de 10°C/min.
Après l'étape de densification, l'épaisseur de la couche à base d'oxyde de magnésium est de 100 nm.
La figure 1 est une représentation schématique du substrat (3) revêtu par la couche isolante (2) .
Des plots en or de 200 μm de diamètre, sont ensuite déposés sur la couche à base d' oxyde de magnésium par évaporation physique à chaud, à l'aide d'un masque approprié. Les caractérisations électriques sont ensuite mesurées en se servant de la couche de platine et des plots d'or situés de part et d'autre de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium densifiée (structure électrique : Métal/couche isolante de 1' invention/Métal) .
Champ de claquage
La figure 2 annexée donne la distribution de champ de claquage à température ambiante en fonction du champ électrique appliqué en MV/cm sur la couche isolante à base d' oxyde de magnésium déposée sur une couche de platine et préparée selon l'exemple 1.
La valeur moyenne du champ de claquage est de 3,4 MV/cm.
Courant de fuite
La figure 3 montre l'évolution de la densité de courant de fuite en A/cm2 à 1 MV/Cm en fonction de la température de la mesure en 0C de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium déposée sur une couche de platine et préparée selon l'exemple 1.
Entre l'ambiante et 25O0C, le courant de fuite augmente de 8xlO~9 à lxlθ~6 A/cm2.
Exemple 2 : procédé d'élaboration d'une couche isolante d'oxyde de magnésium à partir d'une solution traitante à base de Mg(OCH3)2 selon l'invention
La solution traitante est préparée en diluant du diméthoxyde de magnésium dispersé dans le méthanol (Mg (OCH3) 2/CH3OH, 6-10% en masse, commercialisé par Aldrich sous la référence 33,565-7) dans du méthanol Normapur (marque de commerce) (CH3OH, commercialisé par VWR sous la référence 20,847) de manière à obtenir une concentration massique de 2,5% équivalent MgO en masse.
La couche à base d' oxyde de magnésium est déposée sur 3 supports de nature différente : une plaquette (« wafer ») de Silicium (diamètre : 5,1 mm) recouverte d'une couche de platine (épaisseur : ≈ 100 nm) , plaquette (« wafer ») de Silicium (diamètre : 5,1 mm) et plaquette (« wafer ») de Carbure de Silicium (diamètre : 5,1 mm) .
La surface de la plaquette (« wafer ») de silicium recouverte d'une couche de platine est préparée de la manière décrite dans l'exemple 1.
Les plaquettes (« wafer ») de Silicium et de Carbure de Silicium ont été nettoyées de la manière suivante :
1er. dégraissage à l'acétone, 2e. rinçage à l'eau désionisée, 3e. dégraissage à l'éthanol, 4e. rinçage à l'eau désionisée,
5e. immersion dans un bain oxydant correspondant à un mélange d' acide chlorhydrique (HCl, 37% en masse) et d'eau oxygénée (H2O2) dans l'eau (H2O) en proportions volumiques respectives (1,5 ; 1,5 ; 5) maintenu à 7O0C durant 15 min. pour éliminer les impuretés métalliques, 6e. rinçage à l'eau désionisée,
7e. trempage dans un bain d'acide fluorhydrique (HF) à 10% en masse pendant 5 min. pour éliminer la silice native à la surface du substrat, 8e. rinçage à l'eau désionisée,
9e. séchage à l'éthanol absolu par centrifugation.
Le dépôt de la solution traitante est réalisé sur les trois substrats par enduction centrifuge (ou « spin-coating ») à 210C avec une hygrométrie contrôlée (45 ± 5%) . La solution traitante est filtrée (filtre à usage unique 0,45 μm en polypropylène commercialisé par Whatman) au moment de l'injection sur la surface du substrat. Ce dernier est alors mis en rotation, à une vitesse de 1 500 tours/min, durant une minute.
Pour la plaquette (« wafer ») de Silicium recouverte d'une couche de platine, la couche à base d' oxyde de magnésium obtenue est effacée sur une surface de 0,5 cm2 à l'aide d'un coton-tige imbibé d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique (IM) .
Les couches à base d' oxyde de magnésium sont ensuite densifiées dans un four à moufle, avec un palier à 7000C pendant une heure, avec une rampe de montée en température de 10°C/min. Après l'étape de densification, l'épaisseur des couches à base d'oxyde de magnésium est de 100 nm environ.
Dans les cas des wafers de silicium et de carbure de silicium, un contact ohmique en titane (Ti) est déposé par évaporation physique à chaud, en face arrière du substrat semi-conducteur préalablement nettoyée à l'acide fluorhydrique (HF) à 10%.
Des plots en or de 200 μm de diamètre, sont ensuite déposés sur la couche à base d' oxyde de magnésium par évaporation physique à chaud, à l'aide d'un masque approprié.
Les caractérisations électriques sont ensuite réalisées en se servant :
- de la couche de platine et des plots d'or situés de part et d'autre de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium densifiée dans le cas de la plaquette (« wafer ») de silicium recouvert d'une couche de platine (structure électrique : Métal/couche isolante de la présente invention/Métal) , - du contact ohmique en titane (Ti) situé en face arrière du substrat semi-conducteur et des plots d'or déposés sur la couche isolante à base d' oxyde de magnésium densifiée dans le cas des plaquettes ("wafers") de silicium et de carbure de silicium (structure électrique : Métal/couche isolante de la présente invention/Semi-conducteur) .
Champ de claquage
La figure 4 un diagramme représentant le champ de claquage moyen en MV/cm2 à température ambiante de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium déposée et densifiée selon l'exemple 2 en fonction de la nature du support.
La valeur moyenne du champ de claquage de la couche isolante à base d'oxyde de magnésium, ne semble pas dépendre de la nature du substrat et vaut
6, 5 MV/cm.
Courant de fuite La figure 5 montre un graphique représentant l'évolution de la densité de courant de fuite en A/cm2 à 2 MV/Cm en fonction de la température de la mesure en 0C d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium préparée selon l'exemple 2 sur un substrat de carbure de silicium (SiC) . Entre l'ambiante et 25O0C, le courant de fuite augmente de 3xlCT9 à 2xlCT4 A/cm2.
Exemple 3 : de procédé d'élaboration d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium et d'oxyde de calcium
On prépare la solution traitante selon le mode opératoire suivant :
1. Le dichlorure de calcium anhydre (CaCl2, commercialisé par Fluka sous la référence 21,074) est dissous sous agitation magnétique dans du méthanol Normapur (marque de commerce) (CH3OH, commercialisé par VWR sous la référence 20,847) à une concentration en équivalent massique de CaO comprise entre 3 et 4%. L'agitation de cette solution limpide et transparente que l'on nommera CaCl2/CH3OH dans cet exemple est maintenue 30 minutes.
2. La solution CaCl2/CH3OH est ensuite mélangée sous agitation magnétique avec une solution de diméthoxyde de magnésium dispersé dans le méthanol
(Mg (OCH3) 2/CH3OH, 6-10% en masse, commercialisé par
Aldrich sous la référence 33,565-7) . Les masses de solutions CaCl2/CH3OH et Mg (OCH3) 2/CH3OH additionnées ont été calculées de manière à avoir une proportion massique Mg (OCH3) 2/CaCl2 de 90/10 en équivalent oxydes.
Après agitation durant 30 minutes, on obtient une solution traitante limpide et transparente. La synthèse est entièrement réalisée dans une atmosphère exempte d'humidité (boîte à gants sèche) ou sous flux de gaz sec (typiquement de l'argon) afin d'éviter toute pré-hydrolyse des précurseurs magnésiens et du calcium, particulièrement sensibles à l'eau.
Une plaquette (« wafer ») de silicium
(diamètre : 5,1 mm) recouverte d'une couche de platine (épaisseur : ≈IOO nm) déposée par évaporation physique à chaud est tout d'abord dégraissée à l'acétone, puis séchée à l'éthanol absolu.
Le dépôt de la solution traitante est réalisé par enduction centrifuge ("spin-coating") à 210C avec une hydrométrie contrôlée (45 + 5%) . La solution traitante est filtrée (filtre à usage unique 0,45 μm en polypropylène commercialisé par Whatman) au moment de l'injection sur la surface de platine. Le wafer est alors mis en rotation, à une vitesse de 2 000 tours/min durant une minute.
La couche à base d'oxyde de magnésium est ensuite densifiée dans un four à moufle, avec un palier à 7000C pendant une heure, avec une rampe de montée en température de 10°C/min. Après l'étape de densification, l'épaisseur de la couche de base d'oxyde de magnésium et d'oxyde de calcium est d'environ 100 nm.
Exemple 4 : de procédé d'élaboration d'une couche isolante à base d'oxyde de magnésium et de silice
3. On prépare la solution tétraméthoxyde de silicium (Si (OCH3) 4, commercialisée par ABCR sous la référence SIT7510.0) par dissolution sous agitation magnétique dans du méthanol Normapur (marque de commerce) (CH3OH, commercialisé par VWR sous la référence 20,847) à une concentration en équivalent massique de SiO2 comprise entre 3 et 4%. L'agitation de cette solution limpide et transparente que l'on nommera Si (OCH3) 4/CH3OH dans cet exemple est maintenue 30 minutes . 4. La solution Si (OCH3) 4/CH3OH est ensuite mélangée sous agitation magnétique avec une solution de diméthoxyde de magnésium dispersé dans le méthanol
(Mg (OCH3) 2/CH3OH, 6-10% en masse, commercialisé par
Aldrich sous la référence 33,565-7) . Les masses de solutions Si (OCH3) 4/CH3OH et
Mg (OCH3) 2/CH3OH additionnées ont été calculées de manière à avoir une proportion massique Mg (OCH3) 2/Si (OCH3) 4 de 80/20 en équivalent oxydes. Après agitation durant 30 minutes, on obtient une solution traitante limpide et transparente.
La synthèse est entièrement réalisée dans une atmosphère exempte d'humidité (boîte à gants sèche) ou sous flux de gaz sec (typiquement de l'argon) afin d'éviter toute pré-hydrolyse des précurseurs magnésiens et du calcium, particulièrement sensibles à l'eau.
Une plaquette (« wafer ») de silicium (diamètre : 5,1 mm) recouverte d'une couche de platine (épaisseur : ≈ 100 nm) déposée par évaporation physique à chaud est tout d'abord dégraissée à l'acétone, puis séchée à l'éthanol absolu.
Le dépôt de la solution traitante est réalisé par enduction centrifuge ("spin-coating") à 210C avec une hydrométrie contrôlée (45 + 5%) . La solution traitante est filtrée (filtre à usage unique 0,45 μm en polypropylène commercialisé par Whatman) au moment de l'injection sur la surface de platine. La wafer est alors mis en rotation, à une vitesse de 2 000 tours/min durant une minute.
La couche à base d'oxyde de magnésium est ensuite densifiée dans un four à moufle, avec un palier à 7000C pendant une heure, avec une rampe de montée en température de 10°C/min.
Après l'étape de densification, l'épaisseur de la couche à base d'oxyde de magnésium et de silice est d'environ 100 nm.
Exemple 5 : comparaison des tensions de claquage et des courants de fuite de couches isolantes électroniquement obtenues à partir d'un organomagnésien hydrolysable pur ou d'un mélange sels/organomagnésien
Cet exemple rapporte des résultats issus de caractérisations électriques menés sur des échantillons fabriqués comme dans les exemples ci-dessus. Ces résultats montrent une augmentation notable de la tension de claquage et une diminution significative du courant de fuite pour l' organomagnésien hydrolysable pur en comparaison avec un mélange sel/organomagnésien, quelle que soit la température de densification du revêtement .
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une couche inorganique, isolante électroniquement, à base d'oxyde de magnésium, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) préparation d'une solution traitante d'au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche polymérique homogène d' oxy-hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse-condensation avec de l'eau ;
(b) dépôt de la solution traitante de l' organomagnésien hydrolysable ou du sel de magnésium hydrolysable sur une surface pour former une couche à base d' oxyde de magnésium ;
(c) densification de la couche formée à une température inférieure ou égale à 10000C pour obtenir la couche isolante à base d'oxyde de magnésium.
2. Procédé de revêtement d'une surface d'un substrat conducteur ou semi-conducteur par une couche inorganique, isolante électroniquement, à base d'oxyde de magnésium, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) préparation d'une solution traitante d'au moins un organomagnésien hydrolysable et/ou d'au moins un sel de magnésium hydrolysable susceptible de former une couche polymérique homogène d' oxy-hydroxyde de magnésium par réaction d'hydrolyse-condensation avec de l'eau ;
(aa) éventuellement, préparation de la surface du substrat à revêtir pour améliorer les propriétés d'adhésion et/ou d'isolation électrique et/ou de résistance à l'abrasion de la couche isolante à base d' oxyde de magnésium ; (b' ) dépôt de la solution traitante de l' organomagnésien hydrolysable ou du sel de magnésium hydrolysable sur la surface du substrat, éventuellement préparée par l'étape
(aa) , pour former une couche à base d'oxyde de magnésium ;
(c) densification de ladite couche formée à une température inférieure ou égale à 10000C pour obtenir la couche isolante à base d' oxyde de magnésium.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface est constituée d'un matériau semi-conducteur ou conducteur utilisé dans le domaine de la microélectronique.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface est constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le silicium, le carbure de silicium, l'arséniure de gallium, le phosphure d' indium, le nitrure de gallium, le diamant et le germanium, ou de plusieurs de ces matériaux.
5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface du substrat à revêtir est du carbure de silicium.
6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface est une surface métallique.
7. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface est constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les aciers, l'aluminium, le zinc, le nickel, le fer, le cobalt, le cuivre, le titane, le platine, l'argent et l'or ; ou encore d'un alliage de ces métaux ; ou encore d'un alliage choisi par exemple dans le groupe comprenant le laiton, le bronze, l'aluminium, l'étain.
8. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface est une surface mixte.
9. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la solution traitante est obtenue par dissolution dans un solvant d'un premier composé moléculaire de magnésium de formule chimique générale (I) :
Xy X' z Mg (I) où X et X' sont choisis indépendamment parmi : - un groupe hydrolysable, par exemple un alcoolate de formule 0-R1, où R1 est un groupe alkyle ayant de 1 à 10 atomes de carbone, linéaire ou ramifié ; - un complexant, par exemple un carboxylate, par exemple de formule R2-COOH, dans laquelle R2 un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényl ; ou
- une β-dicétone ou un dérivé de β-dicétone, par exemple de formule R3-COCH2CO-R4, dans laquelle R3 et R4 sont choisis indépendamment parmi un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényl ; où y et z représentent respectivement la stoechiométrie de X et X' et sont tels que le premier composé moléculaire est un composé électriquement neutre.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le solvant est un solvant organique choisi dans le groupe comprenant les alcools aliphatiques saturés ou insaturés de formule R5-OH, où R5 représente un groupe alkyle ayant de 1 à 30 atomes de carbone, ou un groupe phényle, ou encore un diol de formule HO-R6-OH, où R6 représente un groupe alkyle ayant de 1 à 30 atomes de carbone ou un groupe phényle.
11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'alcoolate est choisi parmi un méthylate, un éthanolate ou un propylate.
12. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le solvant est choisi dans le groupe comprenant le méthanol, l'éthanol, l' isopropanol, le butanol, le pentanol.
13. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l' organomagnésien hydrolysable est choisi dans le groupe comprenant Mg (OCH3) 2, Mg (OCH2CH3) 2 et Mg(OCH2CH2CH3)2.
14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la solution traitante est préparée avec du méthanol de l'éthanol.
15. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la solution traitante comprend en outre un ou plusieurs sel (s) de magnésium de formule (II) :
MgA2 (II) dans laquelle A est un ion halogénure.
16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le sel de magnésium est choisi dans le groupe comprenant MgCl2 ou MgBr2.
17. Procédé selon la revendication 1 ou 2 ou 9, dans lequel la solution traitante comprend en outre un ou plusieurs sel (s) de métal (métaux) ou de métalloïde ou composé (s) organométallique (s) de formule chimique générale (III) :
Et Mu (III) dans laquelle :
- M est un métal ou un métalloïde,
— E est un groupe choisi parmi : - un groupe hydrolysable, par exemple choisi dans le groupe comprenant un halogénure, comme un fluorure, chlorure, bromure ou iodure ; un nitrate ; un oxalate ; un alcoolate de formule 0-R6 où R6 est un groupe alkyle de 1 à 10 atomes de carbone ; - un complexant tel qu'un carboxylate de formule R7-COOH, dans laquelle R7 est un groupement alkyl, linéaire ou ramifié ayant de 1 à 30 atomes de carbone ou un groupe phényle ; une β-dicétone ou un dérivé de β-dicétone, par exemple de formule R8-COCH2CO-R9, dans laquelle
R8 et R9 sont choisis indépendamment parmi un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényle ; un phosphonate, par exemple choisi dans le groupe comprenant R10-PO(OH)2, R^-PO (OR12) (OH) ou R13-PO(OR14) (OR15) avec R10, R11, R12, R13, R14, et R15 sont des groupements alkyl identiques ou différents ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaires ou ramifiés, ou un phényle ; - un hydroxamate de formule R16-CO (NHOH) , dans laquelle R16 est un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényle ; un organosilane ; - un sulfonate ; un borate ; ou un diol de formule HO-R16-OH, où R16 est un groupement alkyl ayant de 1 à 30 atomes de carbone, linéaire ou ramifié, ou un phényl; où t et u représentent respectivement la stoechiométrie de E et M et sont tels que le composé (III) est un composé électriquement neutre.
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le dépôt de la solution traitante est réalisé par une technique par voie liquide choisie dans le groupe comprenant le trempage-retrait, l'enduction centrifuge, pulvérisation, l'enduction laminaire, l'épandage, l'engobage, les techniques utilisant un couteau horizontal pour le dépôt.
19. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la densification est réalisée par un moyen choisi dans le groupe comprenant un rayonnement UV, un traitement thermique, un traitement d'insolation UV, un traitement d'irradiation par un faisceau laser, un traitement par un faisceau d'électrons ou d'ions et un traitement par une énergie micro-onde.
20. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la densification est réalisée dans un four ou par une insolation infrarouge à une température de 400 à 10000C.
21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel le traitement est réalisé pendant une durée de 2 à 150 minutes.
22. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou 2 pour fabriquer une interface semi- conducteur/métal électroniquement isolante d'un composant électronique ou opto-électronique.
23. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou 2 pour fabriquer une interface électroniquement isolante inter-composants d'un composant électronique ou opto-électronique.
24. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou 2 dans la fabrication d'un composant électronique choisi dans le groupe comprenant les diodes de puissance, les thyristors, les transistors, et les mémoires RAM non volatiles.
25. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou 2 dans la fabrication d'un composant opto-électronique choisi dans le groupe comprenant les commutateurs et les détecteurs.
26. Couche inorganique électroniquement isolante susceptible d'être obtenue par le procédé de la revendication 1.
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