EP4111490A1 - Procédé de réalisation d'une couche à base de nitrure d'aluminium (aln) sur une structure à base de silicium ou de matériaux iii-v - Google Patents

Procédé de réalisation d'une couche à base de nitrure d'aluminium (aln) sur une structure à base de silicium ou de matériaux iii-v

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EP4111490A1
EP4111490A1 EP21706634.9A EP21706634A EP4111490A1 EP 4111490 A1 EP4111490 A1 EP 4111490A1 EP 21706634 A EP21706634 A EP 21706634A EP 4111490 A1 EP4111490 A1 EP 4111490A1
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EP
European Patent Office
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nitrogen
plasma
substrate
layer
aluminum
Prior art date
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Pending
Application number
EP21706634.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Maxime LEGALLAIS
Bassem Salem
Thierry Baron
Romain Gwoziecki
Marc Plissonnier
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the production of a layer based on aluminum nitride (AIN) on a structure, such as a layer or nanostructures, based on materials III-N and III-V, and preferably based on Gallium nitride (GaN).
  • AIN aluminum nitride
  • GaN Gallium nitride
  • AIN aluminum nitride
  • AIN aluminum nitride
  • AIN aluminum nitride
  • AIN is a particularly useful material for making devices based on GaN.
  • GAIN can be used as a passivation layer and thus ideally form a good quality AIN / GaN interface.
  • the quality of the interface AIN / GaN and the AIN layer are then decisive in the correct operation of these transistors.
  • the quality of the AIN / GaN interface and of the AIN layer directly affect the electrical performance of the devices such as the mobility of the electrons, the hysteresis and also the threshold voltage.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • PEALD plasma-assisted atomic layer deposition
  • An object of the present invention is to meet at least one of these needs.
  • the process comprises several cycles carried out in a plasma reactor comprising a reaction chamber within which is disposed a substrate comprising the structure. Each cycle includes at least the following steps:
  • the deposition step comprising at least one injection into the reaction chamber of an aluminum-based precursor (Al) reacting with the exposed surface of the structure,
  • the nitriding step comprising at least one injection into the reaction chamber of a nitrogen-based precursor and the formation in the reaction chamber of a based plasma. nitrogen reacting with the exposed surface of the structure.
  • a non-zero bias voltage V iaS-substrate is applied to the substrate.
  • the polarization of the structure during the injection of the nitride-based precursor makes it possible, on the one hand, to considerably improve the quality of the AIN layer and, on the other hand, to improve the quality. of the interface between this layer of AIN and the structure based on silicon or on a material taken from III-V materials. In particular, obtaining a crystalline layer of AIN of this quality was completely unexpected.
  • the process thus uses the principle of PEALD-type deposits by modifying it to provide a bias voltage applied to the substrate during the nitriding step.
  • this process makes it possible, in addition to obtaining an AIN layer of particularly high quality, to promote a crystallographic orientation (002). Thanks to this control of the polarization of the substrate, the energy of the ions which arrive on the exposed surface of the substrate is perfectly controlled, which makes it possible to modify the crystalline quality of the AIN, in particular the crystalline orientation.
  • This layer of AIN can then be used as a primer layer followed by deposition of the AIN by a relatively rapid deposition technique, such as physical vapor deposition (PVD) for example.
  • PVD physical vapor deposition
  • the method For the preparation of a transistor whose active layer is based on a III-V material, the method notably avoids shifting the threshold voltage towards negative voltages, and improves the slope below the threshold.
  • the process is thus particularly advantageous for the preparation of transistors, in particular power transistors, exhibiting good electrical properties.
  • the method can significantly increase the performance of such devices.
  • This AIN layer can also be used as a passivation layer for LEDs based on III-N materials.
  • the application of a bias voltage V iaS-substrate to the substrate makes it possible to increase the energy of the ions of the plasma in a controlled manner independent of the voltage V piaSma induced by the source used to generate the nitrogen-based plasma .
  • the efficiency of the plasma treatment can thus be modulated in a controlled manner to further improve the properties of the interface obtained.
  • the electrical performance of the component is therefore improved.
  • the method may further exhibit at least any one of the following characteristics which may be taken separately or in combination:
  • the structure is based on silicon.
  • the structure is based on a material taken from III-V materials.
  • the material is taken from III-N materials.
  • the material is GaN.
  • the structure is made of GaN or is based on GaN.
  • the structure is a layer. It has for example a face which extends over the entire plate. It can have a flat face. Alternatively, it can follow the shape of the reliefs underlying it. According to another example, the structure may not be a layer. It can include a nanostructure or a plurality of nanostructures.
  • a nanostructure is a structure at least one dimension of which is less than 1 millimeter and preferably less than 500 nm (10 9 meters) and preferably less than 100 nm.
  • a nanostructure can be three-dimensional (3D).
  • the nanostructure may for example be a stud or a son extending in a main direction perpendicular to a face of the support substrate and having, in a plane perpendicular to this main direction, a section of less than 1 millimeter, preferably less than 500 nm, and preferably less than 100 nm.
  • the nanostructure can also be a trench or a rib. It can also be a structure intended to form part or to form a device such as a transistor or a micromechanical or electromechanical device (MEMS, NEMS, etc.) or else an optical or optoelectronic device (MOEMS, etc.).
  • the nanostructure is punctual. It does not extend over the entire plate. Thus, one face of the plate extends mainly in a plane and nanostructures extend from this face and in a direction perpendicular to this plane. These nanostructures are therefore discontinuous.
  • V ias-substrate is less than or equal to 160 Volts.
  • is greater than or equal to 10 Volts. According to one example, which
  • V bias-substrate is equal to 35 Volts.
  • V ias _substrate make it possible to obtain a particularly high quality of the AIN layer.
  • they induce a crystallographic orientation (002).
  • This very high quality AIN layer can then be used as a primer layer followed by deposition of the AIN by PVD for example.
  • This layer could also be used as a passivation layer for LEDs based on III-N materials.
  • the bias voltage V ias-SU bstrat is applied for at least 70%, and preferably 90%, of the duration T N of the formation of the nitrogen-based plasma. According to one example, the bias voltage V ias-SU bstrat is applied throughout the duration T N of the formation of the nitrogen-based plasma.
  • the duration T N of the formation of the nitrogen-based plasma is sufficient to allow nitriding of the entire film formed at the surface of the structure.
  • the bias voltage V ias-SU bstrat is not applied during the deposition of aluminum-based species.
  • the bias voltage V ias-SU bstrat is applied only during the nitrogen-based plasma.
  • V ias-SU bstrat is applied throughout the cycle.
  • each cycle comprises, at least one step of purging the reaction chamber, the purging step comprising the injection into the reaction chamber of a neutral gas, the at least one purging step being carried out. at at least one and preferably at each of the following times:
  • each cycle comprises at least one step of stabilizing the gases present in the reaction chamber, the stabilization step being carried out at least at the following instant: before the formation of the nitrogen-based plasma. Preferably after the purging step.
  • the aluminum (Al) -based precursor is taken from trimethylaluminum and aluminum trichloride.
  • the injection time T Ai of the aluminum-based precursor is sufficient to saturate the exposed surface of the structure, eg, of the GaN-based layer, preferably, T Ai is greater than or equal to 20 ms, preferably T A
  • the nitrogen-based precursor (N) is taken from:
  • the injection into the reaction chamber of an aluminum (Al) -based precursor is carried out before the injection into the. nitrogen (N) precursor reaction chamber.
  • Al aluminum
  • N nitrogen
  • the step of nitriding the exposed surface of the structure is carried out, before the step of injecting the precursor based on aluminum (Al).
  • the method comprises at least ten cycles and preferably at least fifty cycles. Preferably it comprises at least one hundred cycles and preferably about five hundred cycles.
  • FIG. 1 diagrammatically represents a cycle forming an AIN film, according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 schematically shows an example of a deposition reactor that can be used to implement the method according to the invention.
  • Figures 3A and 3B are graphs illustrating the effect of substrate polarization during nitrogen-based plasma on the chemical environment of nitrogen.
  • Figure 3A illustrates X-ray photoelectron spectrometric measurements of the N1s environment for different AII deposits at different average bias voltages.
  • Figure 3B illustrates the ratio of the atomic percentage contribution of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with an "a” contribution and with a "b” contribution as a function of the mean bias voltage.
  • Figure 4A illustrates the ratio of the atomic percentage contribution of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "a” as a function of the average bias voltage and the duration of the application of the bias.
  • Figure 4B illustrates the ratio of the atomic percentage contribution of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "b” as a function of the average polarization voltage and the duration of the application of the polarization.
  • Figure 5A illustrates the ratio of the atomic percentage of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "a" as a function of the mean bias voltage for different chemistries and plasma durations.
  • Figure 5B illustrates the ratio of the atomic percentage of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "b" as a function of the mean bias voltage for different chemistries and plasma durations.
  • Figure 6 illustrates the effect of polarization on the crystallinity of AIN deposited on a GaN substrate.
  • FIG. 7A is a diagram of a capacitive device of the Metal-lsolant-Semiconductor type comprising metal contacts (nickel / gold), an alumina layer, an AIN layer deposited without or with a bias voltage and surmounting a layer of GaN.
  • FIG. 7B is a graph illustrating the Capacitance - Voltage (CV) measurements for samples comprising an AIN layer deposited without polarization (0V) and with an average polarization voltage of -35V, -70V and -130V.
  • CV Capacitance - Voltage
  • a substrate comprising a structure such as a layer or nanostructures based on Si of III-V materials can be: - either, preferably, a stack comprising the structure based on Si or on III-V material is a layer , typically a support layer on which the structure rests, or a stack comprising only the structure based on Si or on III-V material.
  • the structure can be self-supporting, i.e. it supports its own weight.
  • a substrate based on Si or on a III-V material also denotes a substrate whose layer based on Si or on III-V material is surmounted by one or more layers deposited during the process described above. below.
  • an exposed surface of the Si-based substrate or of the III-V material may be a surface formed by the structure or formed by one or more layers or films deposited on the structure.
  • a nitrogen-based plasma can be based on a chemistry comprising only nitrogen or comprising nitrogen and optionally one or more other species, for example neutral gases.
  • a structure based on a III-V material is a structure made or comprising a material comprising at least one species from column III of the periodic table and at least one species from column V of this table.
  • a structure based on a III-N material is a structure made or comprising a material comprising at least one species from column III of table periodic and nitrogen (N).
  • a III-N material can therefore for example be taken from GaN, AIGaN, AlInGaN, InN.
  • step is understood to mean carrying out part of the process, and can denote a set of sub-steps.
  • step does not necessarily mean that the actions carried out during a step are simultaneous or immediately successive.
  • some actions of a first step can be followed by actions linked to a different step, and other actions of the first step can be repeated afterwards.
  • step does not necessarily mean unitary and inseparable actions over time and in the sequence of the phases of the process.
  • dielectric denotes a material whose electrical conductivity is low enough in the given application to serve as an insulator.
  • a dielectric material preferably has a dielectric constant greater than 4.
  • the spacers are typically formed from a dielectric material.
  • these percentages correspond to fractions of the total flow rate of the gases injected into the reactor.
  • a gas mixture for example intended to form a plasma
  • HEMT type transistors (acronym for “High Electron Mobility Transistor”) means field effect transistors with high electron mobility, sometimes also designated by the term of field effect transistor. with heterostructure.
  • Such a transistor includes the superposition of two semiconductor layers having different forbidden bands which form a quantum well at their interface. Electrons are confined in this quantum well to form a two-dimensional gas of electrons. For reasons of high voltage and temperature resistance, the materials of these transistors are chosen so as to present a wide band gap of forbidden energy.
  • microelectronic device is meant any type of device produced with microelectronic means. These devices include in particular, in addition to purely electronic devices, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS, etc.) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS, etc.).
  • It may be a device intended to perform an electronic, optical, mechanical etc. function. It may also be an intermediate product intended solely for the production of another microelectronic device.
  • the thickness of a layer or of the substrate is measured in a direction perpendicular to the surface along which this layer or this substrate has its maximum extension. The thickness is thus taken in a direction perpendicular to the main faces of the substrate on which the different layers rest.
  • the terms “on”, “overcomes”, “covers”, “underlying”, in “vis-à-vis” and their equivalents do not necessarily mean “in the face”. contact of ”.
  • the deposition, the transfer, the bonding, the assembly or the application of a first layer on a second layer does not necessarily mean that the two layers are directly in contact with one another, but means that the first layer at least partially covers the second layer by being either directly in contact with it, or by being separated from it by at least one other layer or at least one other element.
  • FIG. 1 illustrates the different steps which take place in each production cycle of an AIN film on a structure based on silicon or based on a III-V material.
  • This cycle of steps is repeated several times until the stack of these films forms an AlN layer having the desired thickness.
  • Each cycle comprises a sequential injection of precursors into a plasma deposition reactor such as that illustrated in FIG. 2 and which will be described below.
  • a plasma deposition reactor such as that illustrated in FIG. 2 and which will be described below.
  • a reactor configured to perform atomic layer deposition (PEALD).
  • PEALD atomic layer deposition
  • a substrate 70 comprising a structure based on silicon or based on a III-V material is placed in a reaction chamber of the reactor.
  • Such a structure is for example based on a III-N material.
  • this structure is based on GaN. More precisely, this structure will be described as being a layer of GaN. All the characteristics, stages and technical effects which will be described below are perfectly applicable to a structure based on silicon or on a III-V material other than GaN. Moreover, all the characteristics, steps and technical effects which will be described below are perfectly applicable to a structure, possibly other than a layer, such as a nanostructure, for example in three dimensions, or a plurality of such structures.
  • the substrate 70 can be formed only of this structure in Si or in material III-V. Alternatively, this substrate 70 can comprise a support layer surmounted at least by such a structure.
  • the structure has a free surface, exposed to species present in the reaction chamber.
  • a first step consists in depositing 10 aluminum-based species on the exposed surface 70a of the structure forming or resting on the substrate 70. This step is referenced 10 in FIG. 1. It step comprises the injection into the reaction chamber of the reactor of an aluminum-based precursor. The aluminum reagent reacts with the exposed surface 70a by chemisorption. If this injection is carried out during the first production cycle of the ANI layer, the exposed surface 70a is the upper face of an Si structure or of III-V material, in this non-limiting example a GaN layer. If this injection is performed in a subsequent cycle, the exposed surface 70a corresponds to the upper face of the AIN film formed during the previous cycle or being formed during the current cycle.
  • a second step, referenced 20, usually referred to as a purge, has the function of removing the reactants from the aluminum-based precursor which has not reacted as well as the reaction products.
  • This purge generally consists of injecting an inert gas such as argon (Ar) into the reaction chamber.
  • a third step, referenced 30, consists in carrying out a nitriding of the exposed surface 70a of the substrate 70.
  • This step comprises the injection into the reaction chamber of a nitrogen-based precursor (N) then the formation of a plasma. 32 whose chemistry includes nitrogen-based species.
  • This plasma is configured to allow nitriding of the exposed surface 70a.
  • This third step 30 may include a phase 31 for stabilizing the gases used for the nitrogen-based plasma. This stabilization phase 31 is preferably carried out before the formation 32 of the nitrogen-based plasma.
  • a polarization is applied to the structure based on Si or on III-V material, in this example a layer based on GaN.
  • the voltage of this polarization can be qualified as V iaS-substrate , by differentiation with the voltage V piaSma which is induced, in a perfectly conventional manner by the source of the plasma in order to generate the ions and radicals and therefore initiate the deposition of dielectric.
  • the bias voltage V biaS-substrate is controlled independently of the voltage V piaSma induced by the source.
  • the reaction chamber comprises a plate for receiving the substrate 70.
  • the plate is electrically conductive and the bias voltage is applied to this plate, also referred to as the sample holder, supporting the substrate 70. It can thus be said that this voltage is transmitted. or applied to the substrate 70 and the structure.
  • the expression “applied to the substrate” means that the bias voltage V ias _substrate is applied to the plate on which the substrate 70 rests, whether the substrate 70 is conductive or not.
  • the plasma generated by a main source (ICP or CCP) is located away from the substrate 70.
  • a zone of positive space charge called the cladding is formed between the plasma and the. substrate due to the difference in mobility between heavy ions and electrons.
  • This cladding simply corresponds to the difference between the potential of the plasma Vpiasma and the potential of the substrate V ia s_substrat ⁇
  • V ia s_substrat 0.
  • V ias _substrate typically strictly less than 0 ( ⁇ 0).
  • this bias voltage V ias _substrate provides considerable advantages.
  • this polarization makes it possible to improve the quality of the AIN layer formed.
  • it makes it possible to improve the quality of the interface between the structure based on Si or on III-V material and the AlN layer.
  • Figures 3A to 7B which will be described in detail below, explain the advantages conferred by the application of this bias voltage during the formation step 32 of the nitrogen-based plasma.
  • the efficiency of ion bombardment on the surface can be increased and adjusted, while preserving the exposed surface 70a.
  • the quality of the AIN layer and the quality of the interface between this AIN layer and the substrate 70 are considerably improved.
  • the repeatability of this process is also improved compared to existing solutions, in particular those using a single plasma source which makes it possible to control only the flow of ions reaching the substrate and therefore to play on V piasma .
  • the applied bias voltage is less than 160 volts. It will be noted that this bias voltage is much lower than the bias voltages usually used for performing plasma etchings or implantations.
  • this method is preferably carried out in a plasma deposition reactor. Plasma etching reactors are not configured to apply such low bias voltages to the substrate.
  • the bias voltage V biaS-substrate is applied only during the nitrogen-based plasma and not during the deposition of aluminum-based species.
  • the precursor of alumina decomposes thermally.
  • Nitrogen on the other hand, requires a lot more energy and therefore requires a plasma to break it down. Therefore, it is possible to apply V ias _substrate only during nitrogen-based plasma.
  • V ias-SU bstrat is applied throughout the cycle.
  • a fourth step, referenced 40 consists in carrying out a purge so as to evacuate the reactants of the nitrogen-based precursor which have not reacted as well as the reaction products. During this purge, neutral gas such as argon (Ar) is injected into the reaction chamber. This step, although advantageous, is only optional.
  • the injection of the aluminum-based precursor is carried out before the injection of the nitrogen-based precursor and the formation of the nitrogen-based plasma.
  • the sequence comprising the injection of the aluminum-based precursor can be carried out after the sequence comprising the injection and formation of the nitrogen-based plasma 32.
  • the thickness of AIN formed is less than Angstrom (10 1 ° meters). Preferably this thickness is less than 0.7 Angstrom. Preferably, this thickness is between 0.4 Angstrom and 0.7 Angstrom.
  • Figure 2 illustrates a diagram of a plasma reactor that can be used to implement the proposed method.
  • the proposed method is implemented in a plasma deposition reactor. More particularly in an inductively coupled plasma reactor, usually qualified by its acronym ICP from the English term Inductively Coupled Plasma.
  • the reactor 200 comprises a reaction chamber 210 inside which is disposed a plate 220.
  • This plate 220 is configured to receive the substrate 70 comprising GaN.
  • the substrate 70 rests on the tray 220 by a rear surface.
  • the front surface of the substrate 70, opposite its rear surface, is exposed to the species present in the reaction chamber 210.
  • the substrate 70 forms the structure on which it is desired to deposit the AlN-based layer. This front surface of the substrate 70 therefore constitutes the surface 70a of the structure.
  • the plate 220 is electrically conductive.
  • the reactor comprises a gas inlet 230 making it possible to inject into the interior of the chamber 210 the gases intended to form the chemistry of the plasma as well as the gases intended for the purge phases. It also comprises an induction coupling device 260, a coil of which is illustrated in FIG. 2, and which allows the formation of the plasma.
  • a wall of the reaction chamber 210 is electrically connected to the earth 270.
  • the plasma source 260 is offset with respect to the reaction chamber 210.
  • the voltage V piasma is offset from the substrate 70.
  • This bias voltage V piaSma is not applied to the substrate 70.
  • the reactor 200 also comprises a valve 240 for isolating the reaction chamber 210.
  • the reactor 200 also comprises a pump 250 for extracting the particles. species present in the reaction chamber 210.
  • the method is implemented in an inductively coupled plasma reactor, usually qualified by its acronym ICP from the English term Inductively Coupled Plasma.
  • the source is an inductive radiofrequency source, which makes it possible to have a stable plasma at a power P piaS ma much lower compared to other sources, for example a microwave source, typically 1500 W to 2000 W
  • the power of the inductive radiofrequency source is between 100 and 300 W, preferably 300 W.
  • this reactor 200 comprises a bias device 270 configured to allow the application of the bias voltage V iaS-substrate to the plate 220. According to one example, this voltage can ultimately be applied to the substrate 70, at least. on its face facing the plate 220, whether this face is electrically conductive or not.
  • This polarization device 270 comprises a control device 281 and makes it possible to apply an alternating voltage to the plate 220.
  • This control device 281 preferably comprises an automatic adaptation unit (referred to by its English term as auto match unit) which matches the impedance in the chamber and of the ion source to that of the radiofrequency generator.
  • This biasing device 270 is configured to allow the application to the plate 220 of the bias voltage V biaS-substrate , the amplitude of which is low, typically less than 160 volts, preferably less than 130 volts.
  • the biasing device 270 and the plasma source 260 are configured so as to be able to adjust the bias voltage V ias _substrat applied to the plate 220 independently of the plasma voltage Vpi aS ma ⁇ V ias-SU bstrat and V piasma are independent. V bias-SU bstrat and V piasma are independently controlled.
  • FIG. 3A and 3B are graphs illustrating the effect of substrate polarization, during nitrogen-based plasma, on the chemical environment of nitrogen. More precisely, in this example, the plasma is an N 2 -H 2 plasma with 33% hydrogen during the deposition of the AIN on an orientation silicon layer (100).
  • FIG. 3A illustrates measurements by X-ray photoelectron spectrometry of the N1s environment for different deposits of AIN, produced on the orientation silicon layer (100), this at different substrate bias voltages (V). Three contributions are observed. A first contribution corresponds to the N-AI bonds at approximately 396.7 eV. Two other contributions 'a' and 'b', unwanted and corresponding to impurities, are observed. These contributions 'a' and 'b' are referenced 310 and 320.
  • FIG. 3B illustrates, on curve 330, the ratio of the atomic percentage of N 1s bonds with Al to the atomic percentage of N 1s bonds with the 'a' contribution.
  • Curve 340 of this figure 3B illustrates the ratio of the atomic percentage of N1s bonds with AI to the atomic percentage of N1s bonds with the contribution 'b'.
  • the angle of analysis by XPS X-ray photoelectron spectrometry
  • the ratio of the atomic percentage of the N1s N-Al bonds to the other 'a' and 'b' contributions increases and then decreases.
  • the duration of the nitrogen-based plasma must be long enough to allow nitriding, preferably complete nitriding, of the surface exposed to the plasma and thus benefit from the effects of the polarization of the substrate.
  • this duration of the plasma denoted T P, is greater than or equal to 70% and preferably greater than equal to 90% of the duration T N of formation 32 of the nitrogen-based plasma.
  • TP TN.
  • Figures 4A and 4B illustrate the ratio of the atomic percentage of the contribution of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution 'a' ( Figure 4A) and with the contribution 'b' ( Figure 4B) as a function of the average bias voltage for a duration T P of 5s (seconds) (curves 41a and 41b) and for a duration T P of 15s (curves 42a and 42b), T P being the duration of the plasma, here a plasma based on a chemistry of N 2 -H 2 with 33% hydrogen.
  • Figure 5A illustrates the ratio of the atomic percentage of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "a" as a function of the mean bias voltage for different chemistries and plasma durations.
  • Figure 5B illustrates the ratio of the atomic percentage of nitrogen bound to aluminum N1s AIN with the contribution "b" as a function of the mean bias voltage for different chemistries and plasma durations.
  • Curves 51a and 51b each correspond to an ammonia plasma only with a duration of 5s.
  • Curves 52a and 52b (legend “15s, N 2 -H 2 -Ar”) each correspond to a plasma composed of 86% H 2 , 7% N 2 and 7% Ar and a duration from 15s.
  • the curves 53a, 53b (legend “15s, N 2 -H 2 ”) each correspond to a plasma composed of 33% hydrogen and with a duration of 15s.
  • FIG. 6 illustrates the effect of polarization on the crystallinity of the AIN deposited on the structure, here a GaN substrate. Deposits of AIN at different bias voltages were carried out on a GaN substrate. More precisely, in this example, the GaN substrates were obtained by MOCVD growth on silicon.
  • the AIN layer is obtained by a succession of 500 cycles. Each cycle comprises a plasma of N 2 -H 2 (33% hydrogen) maintained for a period of 15 seconds. X-ray diffraction measurements were carried out at grazing incidence. The diffractogram was indexed according to the ICDD 00-025-1133 sheet of the hexagonal AIN.
  • the grazing incidence X-ray diffraction measurements show that the layers are poly-crystalline and have a hexagonal structure. Note that a preferential growth orientation along the (002) axis seems to be favored during deposition at low bias voltages. Typically, these bias voltages are between -40V and -80V.
  • the doping of the GaN is of type N.
  • the doping is carried out so that the concentration of doping species is 5 ⁇ 10 18 cm 3 .
  • an AIN layer is formed by 40 cycles. For certain substrates, these cycles are carried out without polarization during the formation 32 of the nitrogen-based plasma (curves 701). For other substrates, these cycles are performed with an average bias voltage of -35V (curve 702), -70V (curve 703) and -130V (curve 704), respectively.
  • FIG. 7A schematically illustrates the device obtained.
  • This device comprises a GaN layer, for example forming a substrate 70, surmounted by an AlN layer 71 obtained by applying or not a bias voltage during successive deposition cycles. On and preferably directly in contact with the AlN layer 71 include Al 2 0 layer 3.
  • the pins 73 of nickel and gold overcome the AI 2 0 3 layer.
  • the various devices are characterized by electrical measurements of the “Capacitance-Voltage” (C-V) type at a frequency of 10 kHz and on a pad size of 600 ⁇ m.
  • FIG. 7B illustrates the results of these electrical measurements.
  • the curves 701 correspond to the substrates obtained without applying a bias voltage during the cycles of formation of the nitrogen-based plasma.
  • the curves 702, 703 and 704 correspond respectively to the results obtained with substrates produced by applying, during the formation of the nitrogen-based plasma, an average polarization voltage of -35V, -70V and -130V.
  • the formation of the nitrogen-based plasma is carried out before the injection of the aluminum-based precursor.
  • steps 10 and 30 of Figure 1 can be reversed.
  • this order of the sequences is identical for all the cycles of the formation of the AIN layer.
  • the purge phase uses a neutral gas such as dinitrogen (N 2 ) OR argon (Ar).
  • the purge time is long enough to remove the excess reagent and / or the reaction by-products.
  • the purge face lasts several seconds. It lasts for example about 3s.
  • the aluminum-based precursors can be trimethylaluminum or aluminum trichloride. The duration of injection of the precursor must be sufficient to saturate the surface of the GaN-based layer or the surface already deposited with AIN. This injection duration is typically about 50 ms (10 6 seconds).
  • the pressure of the reaction chamber of the reactor during the plasma must be adjusted so as to have a non-collisional cladding.
  • the pressure is less than 50 mTorr (ie 6.67 Pa) and preferably equal to 10 mTorr.
  • the RF-ICP power must be large enough to have a stable plasma. This power is greater than 100W. Preferably this power is between 100-300W.
  • the nitrogen-based precursor can be a mixture of dinitrogen and dihydrogen (N 2 -H 2 ), ammonia (NH 3 ), or a mixture of these gases.
  • Argon can be added with all of these gases.
  • the duration of the nitrogen-based plasma must be long enough to allow nitriding of the film or of the layer previously formed.
  • the bias voltage of the substrate during the nitrogen-based plasma is between -10 V and -130 V.
  • the proposed process thus confers considerable advantages, in particular for the manufacture of HEMTs based on GaN and AIGaN.
  • the GaN-based layer on which the AlN-based layer is formed consists of GaN.
  • the present invention also extends to embodiments in which the GaN-based layer on which the AlN-based layer is formed is a layer made of a gallium nitride and at least one among indium and aluminum.
  • this GaN-based layer can be GaN, AIGaN, InGaN or AlinGaN.
  • the invention also extends to embodiments in which the structure on which the AIN layer is deposited is silicon-based.
  • the invention also extends to embodiments in which the structure on which the ANI layer is deposited is based on a material taken from the III-V materials. Preferably it is an III-N material.
  • the structure is a layer.
  • the structure can be a nanostructure or include a plurality of nanostructures.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'une couche à base de nitrure d'aluminium (AlN) sur une structure à base de silicium (Si) ou à base d'un matériau III-V, le procédé comprenant plusieurs cycles (1) de dépôt effectués dans un réacteur plasma (200) comportant une chambre de réaction (210) à l'intérieur de laquelle est disposé un substrat (70) comportant ladite structure, chaque cycle (1) de dépôt comprenant au moins les étapes suivantes: • dépôt (10) d'espèces à base d'aluminium sur une surface exposée (70a) de la structure, l'étape de dépôt comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'aluminium (Al), • nitruration de la surface exposée (70a) de la structure, l'étape de nitruration comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'azote (N) et la formation (32) dans la chambre de réaction (210) d'un plasma à base d'azote, Lors de la formation (32) du plasma à base d'azote, on applique au substrat (70) une tension de polarisation Vbias_substrat non nulle.

Description

Procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AIN) sur une structure à base de silicium ou de matériaux lll-V DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AIN) sur une structure, telle qu’une couche ou des nanostructures, à base des matériaux lll-N et lll-V, et préférentiellement à base de nitrure de gallium (GaN). Elle trouve par exemple pour application avantageuse le domaine de la micro- électronique et plus particulièrement les domaines de l’électronique de puissance, des capteurs et de l’optoélectronique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les multiples propriétés du nitrure d’aluminium (AIN) telles que sa grande bande interdite, sa permittivité diélectrique, sa bonne stabilité en température ou également sa piézoélectricité rendent ce matériau particulièrement attractif pour de nombreuses applications dans le domaine des capteurs, des composants optoélectroniques et également des composants à haute fréquence et à haute puissance. Plus particulièrement, en raison de sa structure cristalline proche du nitrure de gallium (GaN), l’AIN est un matériau particulièrement utile pour réaliser des dispositifs basés sur le GaN. Par exemple, GAIN peut être utilisé comme couche de passivation et ainsi former, dans le cas idéal, une interface AIN/GaN de bonne qualité. Pour une application relative à la réalisation de transistors à base de GaN, tels que les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs), lorsque cette couche de passivation d’AIN précède le diélectrique de grille du transistor, la qualité de l’interface AIN/GaN et de la couche d’AIN sont alors déterminantes dans le bon fonctionnement de ces transistors. En effet, la qualité de l’interface AIN/GaN et de la couche d’AIN affectent directement les performances électriques des dispositifs telles que la mobilité des électrons, l’hystérésis et également la tension de seuil. Ainsi, pour ce type applications liées aux HEMTs, mais également pour de nombreuses autres applications, il existe donc un besoin général consistant à proposer une solution permettant d’obtenir une interface AIN/GaN et une couche d’AIN de haute qualité.
Les techniques de dépôt chimique en phases vapeur (CVD) ou dépôt physique en phases vapeur (PVD) sont couramment utilisées pour la réalisation d’AIN. Bien que la technique CVD à partir de précurseurs organo-métalliques (MOCVD) permette d’atteindre des couches d’excellentes qualité, elle requiert des hautes températures de dépôt supérieures à 700°C ce qui ne permet d’envisager cette technique durant un procédé d’intégration avec des structures qui présentent un budget thermique limité. Les techniques de dépôt physique en phases vapeur (PVD) présentent comme inconvénient de générer des problèmes d’uniformité et de conformité.
Dans la littérature, le dépôt par couche atomique assisté par plasma (PEALD) apparaît comme une technique envisageable pour la fabrication de couches d’AIN. En effet, elle repose sur un procédé de croissance auto-limitant dans lequel le matériau est déposé couche par couche. D’une manière générale, la technique PEALD consiste à injecter séquentiellement des précurseurs d’aluminium, puis de nitrure, dans la chambre de réaction d’un réacteur plasma. Pour réaliser cette croissance séquentielle, ces réactions sont répétées de façon cyclique.
En dépit de l’existence de ces techniques connues de dépôt par CVD, PVD, PEALD, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une interface AIN/GaN et/ou d’une couche d’AIN.
De manière plus générale, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une couche d’AIN déposée sur une couche ou des nanostructures à base de silicium, ou à base des matériaux lll-V, en particulier à base des matériaux lll-N et en particulier à base de GaN. Un objet de la présente invention consiste à répondre à au moins l’un de ces besoins.
RÉSUMÉ
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AIN) sur une structure à base d’un au moins l’un des matériaux suivants : le silicium (Si) ou un matériau pris parmi les matériaux lll-V. Le procédé comprend plusieurs cycles effectués dans un réacteur plasma comportant une chambre de réaction à l’intérieur de laquelle est disposé un substrat comportant la structure. Chaque cycle comprend au moins les étapes suivantes :
• dépôt d’espèces à base d’aluminium sur une surface exposée de la structure, l’étape de dépôt comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’aluminium (Al) réagissant avec la surface exposée de la structure,
• nitruration de la surface exposée de la structure, l’étape de nitruration comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma à base d’azote réagissant avec la surface exposée de la structure.
Lors de la formation du plasma à base d’azote, on applique au substrat une tension de polarisation V iaS-substrat non nulle.
De manière inattendue et particulièrement avantageuse, la polarisation de la structure lors de l’injection du précurseur à base de nitrure permet d’une part d’améliorer considérablement la qualité de la couche d’AIN et d’autre part d’améliorer la qualité de l’interface entre cette couche d’AIN et la structure à base de silicium ou d’un matériau pris parmi les matériaux lll-V. En particulier, l’obtention d’une couche cristalline d’AIN de cette qualité était parfaitement inattendue. Le procédé reprend ainsi le principe des dépôts de type PEALD en le modifiant pour prévoir une tension de polarisation appliquée au substrat lors de l’étape de nitruration.
On notera que ce procédé permet, outre l’obtention d’une couche d’AIN de qualité particulièrement élevée, de favoriser une orientation cristallographique (002). Grâce à ce contrôle de la polarisation du substrat, l’énergie des ions qui arrivent sur la surface exposée du substrat est parfaitement maîtrisée, ce qui permet de modifier la qualité cristalline de l’AIN, en particulier l’orientation cristalline. Cette couche d’AIN peut ensuite être utilisée comme une couche d’amorce suivie par un dépôt de l’AIN par une technique de dépôt relativement rapide, tel qu’un dépôt physique en phases vapeur PVD) par exemple.
Pour la préparation d’un transistor dont la couche active est à base d’un matériau lll-V, le procédé évite notamment de décalage de la tension de seuil vers des tensions négatives, et améliore la pente sous le seuil. Le procédé est ainsi particulièrement avantageux pour la préparation de transistors, en particulier de transistors de puissance, présentant de bonnes propriétés électriques. En particulier, lorsque la structure est faite de GaN et est destinée à former une partie au moins d’un dispositif à base de GaN tel qu’un HEMT, le procédé permet d’augmenter considérablement les performances de tels dispositifs.
Cette couche d’AIN peut également être utilisée comme couche de passivation pour des LEDs à base des matériaux lll-N.
L’application d’une tension de polarisation V iaS-substrat au substrat permet d’augmenter l’énergie des ions du plasma de façon contrôlée et indépendante de la tension VpiaSma induite par la source utilisée pour générer le plasma à base d’azote. L’efficacité du traitement par plasma peut ainsi être modulée de façon contrôlée pour améliorer encore les propriétés de l’interface obtenue. Les performances électriques du composant sont par conséquent améliorées.
De manière facultative, le procédé peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes qui peuvent être prises séparément ou en combinaison :
Selon un exemple, la structure est à base de silicium.
Selon un autre exemple, la structure est à base d’un matériau pris parmi les matériaux lll-V. Selon un exemple le matériau est pris parmi les matériaux lll-N. Selon un exemple le matériau est du GaN. Ainsi la structure est faite de GaN ou est à base de GaN.
Selon un exemple, la structure est une couche. Elle présente par exemple une face qui s’étend sur toute la plaque. Elle peut présenter une face plane. Alternativement, elle peut épouser la forme de reliefs qui lui sont sous-jacents. Selon un autre exemple, la structure peut ne pas être une couche. Elle peut comprendre une nanostructure ou une pluralité de nanostructures. Une nanostructure est une structure dont au moins une dimension est inférieure à 1 millimètre et de préférence inférieure à 500 nm (109 mètres) et de préférence inférieure à 100 nm. Une nanostructure peut être en trois dimensions (3D). Il peut par exemple s’agir d’un plot ou d’un fils s’étendant selon une direction principale perpendiculaire à une face du substrat de support et présentant, dans un plan perpendiculaire à cette direction principale, une section inférieure à 1 millimètre, de préférence inférieure à 500 nm, et de préférence inférieure à 100 nm. La nano structure peut également être une tranchée ou une nervure. Elle peut également être une structure destinée à faire partie ou à former un dispositif qu’un transistor ou un dispositif micromécanique ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ou encore un dispositif optique ou optoélectronique (MOEMS...). La nanostructure est ponctuelle. Elle ne s’étend pas sur toute la plaque. Ainsi, une face de la plaque s’étend principalement dans un plan et des nano structures s’étendent à partir de cette face et selon une direction perpendiculaire à ce plan. Ces nano structures sont donc discontinues.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation | V ias-substrat | est inférieure ou égale à 160 Volts.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation | V ias-substrat | est supérieure ou égale à 10 Volts. Selon un exemple, lequel | V ias-substrat | est comprise entre 10 Volts et 130 Volts et de préférence V iaS-substrat est comprise entre -10 Volts et -130 Volts.
Selon un exemple, | Vbias-substrat | est égale à 35 Volts.
Ces valeurs de V ias_substrat permettent d’obtenir une qualité de la couche d’AIN particulièrement élevée. En outre, de manière inattendue, elles induisent une orientation cristallographique (002). Cette couche d’AIN de très haute qualité peut ensuite être utilisée comme une couche d’amorce suivie par un dépôt de l’AIN par PVD par exemple. Cette couche pourra également être utilisée comme couche de passivation pour des LEDs à base des matériaux lll-N.
Selon un exemple, la tension de polarisation V ias-SUbstrat est appliquée pendant au moins 70%, et de préférence 90%, de la durée TN de la formation du plasma à base azote. Selon un exemple, la tension de polarisation V ias-SUbstrat est appliquée pendant toute la durée TN de la formation du plasma à base azote.
Selon un exemple, la durée TN de la formation du plasma à base azote est suffisante pour permettre la nitruration de tout le film formé à la surface de la structure. Selon un exemple, la tension de polarisation V ias-SUbstrat n’est pas appliquée durant le dépôt d’espèces à base d’aluminium. De préférence, la tension de polarisation V ias-SUbstrat est appliquée uniquement durant le plasma à base d’azote. Alternativement, V ias-SUbstrat est appliquée durant tout le cycle.
Selon un exemple, la durée TN de la formation du plasma à base azote est supérieure à 7 secondes, de préférence, TN est supérieure ou égale à 10 secondes, et de préférence TN = 15 secondes. Ces valeurs permettent d’obtenir une qualité de la couche d’AIN particulièrement élevée.
Selon un exemple, chaque cycle comprend, au moins une étape de purge de la chambre de réaction, l’étape de purge comprenant l’injection dans la chambre de réaction d’un gaz neutre, l’au moins une étape de purge étant effectuée à au moins l’un et de préférence à chacun des instants suivants :
• après l’injection du précurseur à base d’aluminium et avant la formation du plasma à base azote, et
• après la formation du plasma à base azote. Selon un exemple, chaque cycle comprend, au moins une étape de stabilisation des gaz présents dans la chambre de réaction, l’étape de stabilisation étant effectuée au moins à l’instant suivant : avant la formation du plasma à base azote. De préférence après l’étape de purge.
Selon un exemple, le précurseur à base d’aluminium (Al) est pris parmi le triméthylaluminium et le trichlorure d’aluminium.
Selon un exemple, la durée d’injection TAi du précurseur à base d’aluminium est suffisante pour saturer la surface exposée de la structure, e.g., de la couche à base de GaN, de préférence, TAi est supérieure ou égale à 20 ms, de préférence TA| est de l’ordre de 50 ms. Selon un exemple, le précurseur à base d’azote (N) est pris parmi :
• un mélange de diazote et dihydrogène (N2-H2),
• de l’ammoniac (NH3),
• un mélange d’ammoniac (NH3), de diazote et dihydrogène (N2-H2).
Selon un exemple, au cours de certains au moins des cycles, et de préférence au cours de chaque cycle, l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’aluminium (Al) est effectuée avant l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote (N). Ainsi, le dépôt du film d’aluminium est effectué avant la nitruration.
Selon un exemple, au cours de certains au moins des cycles, et de préférence au cours du premier desdits plusieurs cycles, on effectue l’étape de nitruration de la surface exposée de la structure, avant l’étape d’injection du précurseur à base d’aluminium (Al).
Selon un exemple, le procédé comprend au moins dix cycles et de préférence au moins cinquante cycles. De préférence il comprend au moins cents cycles et de préférence environ cinq cents cycles. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un cycle de formation d’un film d’AIN, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 2 représente de manière schématique un exemple de réacteur de dépôt pouvant être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.
Les figures 3A et 3B sont des graphes illustrant l’effet de la polarisation du substrat, durant un plasma à base d’azote, sur l’environnement chimique de l’azote. La figure 3A illustre des mesures par spectrométrie des photoélectrons des rayons X de l’environnement N1s pour différents dépôts d’AIN à différentes tensions moyennes de polarisation.
La figure 3B illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec une contribution ‘a’ et avec une contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation.
La figure 4A illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation et de la durée d’application de la polarisation. La figure 4B illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation et de la durée d’application de la polarisation.
La figure 5A illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 5B illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 6 illustre l’effet de la polarisation sur la cristallinité de l’AIN déposé sur un substrat de GaN.
La figure 7A est un schéma d’un dispositif capacitif de type Métal-lsolant-Semi- conducteur comprenant des contacts métalliques (nickel/or), une couche d’alumine, une couche d’AIN déposée sans ou avec une tension de polarisation et surmontant une couche de GaN. La figure 7B est un graphe illustrant les mesures Capacitance - Tension (C-V) pour des échantillons comprenant une couche d’AIN déposée sans polarisation (0V) et avec une tension de polarisation moyenne de -35V, -70V et -130V.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, en figure 7A, les épaisseurs des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE On entend par un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma
« à base » d’une espèce A, un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma comprenant cette espèce A uniquement ou cette espèce A et éventuellement d’autres espèces. Ainsi, un substrat comprenant une structure telle qu’une couche ou des nanostructures à base de Si de matériaux lll-V peut être : - soit, préférentiellement, un empilement comprenant la structure à base de Si ou de matériau lll-V est une couche, typiquement une couche de support sur laquelle repose la structure, soit un empilement comprenant uniquement la structure à base de Si ou de matériau lll-V. Dans ce cas, la structure peut être autoportante c’est-à-dire qu’elle supporte son propre poids.
En outre un substrat à base de Si ou d’un matériau lll-V désigne également un substrat dont la couche à base de Si ou de matériau lll-V est surmontée d’une ou de plusieurs couches déposées au cours du procédé décrit ci-dessous. Ainsi, une surface exposée du substrat à base de Si ou du matériau lll-V peut être une surface formée par la structure ou formée par une ou plusieurs couches ou films déposés sur la structure.
Par ailleurs, un plasma à base d’azote peut être basé sur une chimie comprenant uniquement de l’azote ou comprenant de l’azote et éventuellement une ou plusieurs autres espèces, par exemple des gaz neutres. De manière parfaitement classique, une structure à base d’un matériau lll-V est une structure faite, ou comprenant un matériau comprenant au moins une espèce de la colonne III du tableau périodique et au moins une espèce de la colonne V de ce tableau. De même, une structure à base d’un matériau lll-N est une structure faite, ou comprenant un matériau comprenant au moins une espèce de la colonne III du tableau périodique et de l’azote (N). Un matériau lll-N peut donc par exemple être pris parmi le GaN, l’AIGaN, AlInGaN, l’InN.
Plusieurs modes de réalisation de l’invention mettant en œuvre des étapes successives du procédé de fabrication sont décrits ci-après. Sauf mention explicite, l’adjectif « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les étapes se suivent immédiatement, des étapes intermédiaires pouvant les séparer.
Par ailleurs, le terme « étape » s’entend de la réalisation d’une partie du procédé, et peut désigner un ensemble de sous-étapes. Par ailleurs, le terme « étape » ne signifie pas obligatoirement que les actions menées durant une étape soient simultanées ou immédiatement successives. Certaines actions d’une première étape peuvent notamment être suivies d’actions liées à une étape différente, et d’autres actions de la première étape peuvent être reprises ensuite. Ainsi, le terme étape ne s’entend pas forcément d’actions unitaires et inséparables dans le temps et dans l’enchaînement des phases du procédé.
Le mot « diélectrique » qualifie un matériau dont la conductivité électrique est suffisamment faible dans l’application donnée pour servir d’isolant. Dans la présente invention, un matériau diélectrique présente de préférence une constante diélectrique supérieure à 4. Les espaceurs sont typiquement formés en un matériau diélectrique. Dans la présente demande de brevet lorsque l’on exprime un mélange gazeux avec des pourcentages, ces pourcentages correspondent à des fractions du débit total des gaz injectés dans le réacteur. Ainsi, si un mélange gazeux, par exemple destiné à former un plasma, comprend x% du gaz A, cela signifie que le débit d’injection du gaz A correspond à x% du débit total des gaz injectés dans le réacteur pour former le plasma.
Dans la présente invention, on entend par « transistors de type HEMT » (acronyme anglais de « High Electron Mobility Transistor ») des transistors à effet de champ à haute mobilité d'électrons, parfois également désignés par le terme de transistor à effet de champ à hétérostructure. Un tel transistor inclut la superposition de deux couches semi-conductrices ayant des bandes interdites différentes qui forment un puits quantique à leur interface. Des électrons sont confinés dans ce puits quantique pour former un gaz bidimensionnel d’électrons. Pour des raisons de tenue en haute tension et en température, les matériaux de ces transistors sont choisis de façon à présenter une large bande d'énergie interdite. Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).
Il peut s’agir d’un dispositif destiné à assurer une fonction électronique, optique, mécanique etc. Il peut aussi s’agir d’un produit intermédiaire uniquement destiné à la réalisation d’un autre dispositif microélectronique.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, l’épaisseur d’une couche ou du substrat se mesure selon une direction perpendiculaire à la surface selon laquelle cette couche ou ce substrat présente son extension maximale. L’épaisseur est ainsi prise selon une direction perpendiculaire aux faces principales du substrat sur lequel repose les différentes couches.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, les termes « sur », « surmonte », « recouvre », « sous-jacent », en « vis-à-vis » et leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt, le report, le collage, l’assemblage ou l’application d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l’une de l’autre, mais signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d’elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près ».
Le principe général de la présente invention va maintenant être décrit en référence à la figure 1.
La figure 1 illustre les différentes étapes qui interviennent à chaque cycle de réalisation d’un film d’AIN sur une structure à base de silicium ou à base d’un matériau lll-V. Ce cycle d’étapes est répété plusieurs fois jusqu’à ce que l’empilement de ces films forme une couche d’AIN présentant l’épaisseur souhaitée. Chaque cycle comprend une injection séquentielle de précurseurs dans un réacteur plasma de dépôt tel que celui illustré en figure 2 et qui sera décrit par la suite. De préférence il s’agit d’un réacteur configuré pour effectuer des dépôts par couche atomique (PEALD). Afin de procéder à ces cycles, on dispose, dans une chambre de réaction du réacteur, un substrat 70 comprenant une structure à base de silicium ou à base d’un matériau lll-V. Une telle structure est par exemple à base d’un matériau lll-N. Dans l’exemple non limitatif qui va être décrit en détail cette structure est à base de GaN. Plus précisément, cette structure sera décrite comme étant une couche de GaN. Toutes les caractéristiques, étapes et effets techniques qui seront décrits par la suite sont parfaitement applicables à une structure à base de silicium ou d’un matériau lll-V autre que le GaN. Par ailleurs, toutes les caractéristiques, étapes et effets techniques qui seront décrits par la suite sont parfaitement applicables à une structure, possiblement autre qu’une couche, telle qu’une nanostructure, par exemple en trois dimensions, ou une pluralité de telles structures. Le substrat 70 peut être formé uniquement de cette structure en Si ou en matériau lll-V. De manière alternative, ce substrat 70 peut comprendre une couche de support surmontée au moins d’une telle structure. La structure présente une surface libre, exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction.
Chaque cycle comprend de préférence cinq étapes principales : Une première étape consiste à déposer 10 des espèces à base d’aluminium sur la surface exposée 70a de la structure formant ou reposant sur le substrat 70. Cette étape est référencée 10 en figure 1. Elle étape comprend l’injection dans la chambre de réaction du réacteur d’un précurseur à base d’aluminium. Le réactif à base d’aluminium réagit avec la surface exposée 70a par chimisorption. Si cette injection est effectuée lors du premier cycle de réalisation de la couche d’AIN, la surface exposée 70a est la face supérieure d’une structure en Si ou en matériau lll-V, dans cet exemple non limitatif une couche de GaN. Si cette injection est effectuée lors d’un cycle ultérieur, la surface exposée 70a correspond à la face supérieure du film d’AIN formé au cours du cycle précédent ou en formation lors du cycle en cours de réalisation.
Une deuxième étape, référencée 20, habituellement qualifiée de purge a pour fonction d’évacuer les réactifs du précurseur à base d’aluminium qui n’aurait pas réagi ainsi que les produits réactionnels. Cette purge consiste généralement à injecter dans la chambre de réaction un gaz neutre tel que de l’argon (Ar). Une troisième étape, référencée 30 consiste à effectuer une nitruration de la surface exposée 70a du substrat 70. Cette étape comprend l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote (N) puis la formation d’un plasma 32 dont la chimie comprend des espèces à base d’azote. Ce plasma est configuré pour permettre la nitruration de la surface exposée 70a. Cette troisième étape 30, peut comprendre une phase de stabilisation 31 des gaz utilisés pour le plasma à base d’azote. Cette phase de stabilisation 31 est de préférence effectuée avant la formation 32 du plasma à base d’azote.
Lors de la formation 32 du plasma à base azote, on applique une polarisation sur la structure à base de Si ou de matériau lll-V, dans cet exemple une couche à base de GaN. La tension de cette polarisation peut être qualifiée de V iaS-substrat, par différenciation avec la tension VpiaSma qui est induite, de manière parfaitement classique par la source du plasma afin de générer les ions et radicaux et donc initier le dépôt de diélectrique. La tension de polarisation VbiaS-substrat est contrôlée de manière indépendante de la tension VpiaSma induite par la source.
En pratique, la chambre de réaction comprend un plateau de réception du substrat 70. Le plateau est conducteur électriquement et la tension de polarisation est appliquée à ce plateau également désigné porte échantillon, supportant le substrat 70. On peut ainsi dire que cette tension est transmise ou appliquée au substrat 70 et à la structure. On notera que, l’expression «appliquée au substrat » signifie que la tension de polarisation V ias_substrat est appliquée au plateau sur lequel repose le substrat 70, que le substrat 70 soit conducteur ou non.
De manière classique, dans une configuration de plasma déportée, le plasma, généré par une source principale (ICP ou CCP), se trouve éloigné du substrat 70. Une zone de charge d’espace positive appelée la gaine se forme entre le plasma et le substrat en raison de la différence de mobilité entre les ions lourds et les électrons. Cette gaine correspond tout simplement à la différence entre le potentiel du plasma Vpiasma et le potentiel du substrat V ias_substrat· Ainsi, lorsqu’aucune tension de polarisation sur le substrat V ias_substrat (à la masse), n’est appliquée, ce qui est le cas standard lors des dépôts par PEALD, V ias_substrat=0. Dans le cadre du procédé proposé, on applique une polarisation sur V ias_substrat non nulle, typiquement strictement inférieure à 0 (<0). On peut donc augmenter/ajuster l’énergie des ions de façon indépendante de VpiaSma puisque l’énergie des ions dépend en effet de la tension du plasma et de la tension de polarisation du substrat V ias_substrat, selon la relation suivante, avec q la charge de l’ion :
L’application de cette tension de polarisation V ias_substrat apporte des avantages considérables. En particulier, cette polarisation permet d’améliorer la qualité de la couche d’AIN formée. D’autre part, elle permet d’améliorer la qualité de l’interface entre la structure à base de Si ou de matériau lll-V et la couche d’AIN. Les figures 3A à 7B, qui seront décrites par la suite en détail, explicitent les avantages conférés par l’application de cette tension de polarisation lors de l’étape de formation 32 du plasma à base d’azote.
En appliquant une tension de polarisation V iaS-substrat non nulle, l’efficacité du bombardement ionique en surface peut être augmentée et ajustée, tout en préservant la surface exposée 70a. La qualité de la couche d’AIN et la qualité de l’interface entre cette couche d’AIN et le substrat 70 sont considérablement améliorées. La répétabilité de ce procédé est en outre améliorée par rapport aux solutions existantes, notamment celles ayant recours à une unique source de plasma qui permet de contrôler uniquement le flux d’ions atteignant le substrat et donc de jouer sur Vpiasma.
La tension de polarisation appliquée est inférieure à 160 volts. On notera que cette tension de polarisation est bien plus faible que les tensions de polarisation habituellement utilisées pour réaliser des gravures ou des implantations par plasma. En outre, ce procédé est de préférence mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt. Les réacteurs plasma de gravure ne sont pas configurés pour appliquer au substrat des tensions de polarisation aussi faibles.
De préférence, la tension de polarisation VbiaS-substrat est appliquée uniquement durant le plasma à base d’azote et non pas durant le dépôt d’espèces à base d’aluminium. Le précurseur de l’alumine (TMA par exemple) se décompose par voie thermique. L’azote quant à lui nécessite beaucoup plus d’énergie et nécessite donc un plasma pour le décomposer. Par conséquent, il est possible d’appliquer V ias_substrat uniquement durant le plasma à base d’azote. Alternativement, V ias-SUbstrat est appliquée durant tout le cycle.
Une quatrième étape, référencée 40, consiste à effectuer une purge de sorte à évacuer les réactifs du précurseur à base d’azote qui n’auraient pas réagi ainsi que les produits réactionnels. Au cours de cette purge, on injecte dans la chambre de réaction du gaz neutre tel que de l’argon (Ar). Cette étape, bien qu’avantageuse, est uniquement optionnelle.
On notera que dans le procédé illustré en figure 1, l’injection du précurseur à base d’aluminium est effectuée avant l’injection du précurseur à base d’azote et la formation 32 du plasma à base d’azote. Néanmoins, on peut prévoir que l’ordre de ces groupes d’étapes soit inversé. Ainsi, la séquence comprenant l’injection du précurseur à base d’aluminium peut être effectuée après la séquence comprenant l’injection et la formation du plasma 32 à base d’azote Typiquement, à l’issue d’un cycle l’épaisseur d’AIN formée est inférieure à lÂngstrôm (101° mètres). De préférence cette épaisseur est inférieure à 0,7 Ângstrom. De préférence, cette épaisseur est comprise entre 0,4 Ângstrom et 0,7 Ângstrom.
La figure 2 illustre un schéma d’un réacteur plasma qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé proposé.
De préférence, le procédé proposé est mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt. Plus particulièrement dans un réacteur plasma à couplage inductif, habituellement qualifié par son acronyme ICP du vocable anglais Inductively Coupled Plasma. Le réacteur 200 comprend une chambre de réaction 210 à l’intérieur de laquelle est disposé un plateau 220. Ce plateau 220 est configuré pour accueillir le substrat 70 comprenant du GaN. Le substrat 70 repose sur le plateau 220 par une surface arrière. La surface avant du substrat 70, opposée à sa surface arrière, est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 210. Dans cet exemple non limitatif, le substrat 70 forme la structure sur laquelle on souhaite déposer la couche à base d’AIN. Cette surface avant du substrat 70 constitue donc la surface 70a de la structure. Le plateau 220 est électriquement conducteur. De manière relativement classique, le réacteur comprend une entrée 230 des gaz permettant d’injecter à l’intérieur de la chambre 210 les gaz destinés à former la chimie du plasma ainsi que les gaz destinés aux phases de purge. Il comprend également un dispositif de couplage par induction 260, dont une bobine est illustrée en figure 2, et qui permet la formation du plasma. Une paroi de la chambre de réaction 210 est électriquement connectée à la terre 270. De manière classique, comme cela apparaît clairement sur cette figure 2, la source plasma 260 est déportée par rapport à la chambre de réaction 210. Ainsi, la tension Vpiasma est déportée du substrat 70. Cette tension de polarisation VpiaSma n’est pas appliquée au substrat 70. Le réacteur 200 comprend également une valve 240 d’isolation de la chambre de réaction 210. Le réacteur 200 comprend également une pompe 250 pour extraire les espèces présentes dans la chambre de réaction 210.
Plus particulièrement, le procédé est mis en œuvre dans un réacteur plasma à couplage inductif, habituellement qualifié par son acronyme ICP du vocable anglais Inductively Coupled Plasma. De préférence, la source est une source inductive radiofréquence, qui permet d’avoir un plasma stable à une puissance PpiaSma bien inférieure par rapport à d’autres sources, par exemple une source micro-onde, de typiquement 1500 W à 2000 W. Selon un exemple, la puissance de la source radiofréquence inductive est comprise entre 100 et 300 W, de préférence 300 W. De manière avantageuse, ce réacteur 200 comprend un dispositif de polarisation 270 configuré pour permettre l’application de la tension de polarisation V iaS-substrat au plateau 220. Selon un exemple, cette tension peut in fine être appliquée au substrat 70, tout au moins à sa face tournée au regard du plateau 220, que cette face soit électriquement conductrice ou non. Ce dispositif de polarisation 270 comprend un dispositif de contrôle 281 et permet d’appliquer une tension alternative sur le plateau 220. De préférence ce dispositif de contrôle 281 comprend une unité d’adaptation automatique (qualifiée par son vocable anglais d’auto match unit) qui adapte l’impédance dans la chambre et de la source d’ions à celle du générateur radiofréquence.
Ce dispositif de polarisation 270 est configuré pour permettre l’application au plateau 220 de la tension de polarisation VbiaS-substrat dont l’amplitude est faible, typiquement inférieure à 160 volts, de préférence inférieure à 130 volts.
Le dispositif de polarisation 270 et la source plasma 260 sont configurés de sorte à pouvoir régler la tension de polarisation V ias_substrat appliquée au plateau 220 indépendamment de la tension du plasma VpiaSma· V ias-SUbstrat et Vpiasma sont indépendantes. Vbias-SUbstrat et Vpiasmasont contrôlées de manière indépendante.
En référence aux figures 3A à 7B, les effets et avantages de l’application d’une tension de polarisation lors de la formation du plasma à base d’azote vont maintenant être décrits en détail.
Les figures 3A et 3B sont des graphes illustrant l’effet de la polarisation du substrat, durant un plasma à base d’azote, sur l’environnement chimique de l’azote. Plus précisément, dans cet exemple, le plasma est un plasma de N2-H2 avec 33% d’hydrogène lors du dépôt de l’AIN sur une couche de silicium d’orientation (100). La figure 3A illustre des mesures par spectrométrie des photoélectrons des rayons X de l’environnement N1s pour différent dépôts d’AIN, réalisés sur la couche de silicium d’orientation (100), ceci à différentes tensions de polarisation (V) de substrat. Trois contributions sont observées. Une première contribution correspond aux liaisons N-AI à environ 396,7 eV. Deux autres contributions ‘a’ et ‘b’, non désirées et correspondant à des impuretés, sont observées. Ces contributions ‘a’ et ‘b’ sont référencées 310 et 320.
La figure 3B illustre, sur la courbe 330 le rapport du pourcentage atomique de liaisons N 1s avec l’AI sur le pourcentage atomique de liaisons N 1s avec la contribution ‘a’. La courbe 340 de cette figure 3B illustre le rapport du pourcentage atomique de liaisons N1s avec l’AI sur le pourcentage atomique de liaisons N1s avec la contribution ‘b’. L’angle d’analyse par XPS (spectrométrie des photoélectrons des rayons X) est de 23,75°. D’après ces mesures par XPS, le rapport du pourcentage atomique des liaisons N1s N-AI par rapport aux autres contributions ‘a’ et ‘b’ augmente puis diminue. Cela montre ainsi que la qualité de la couche peut être améliorée avec la polarisation du substrat dans une gamme d’environ 0 à -70V avec un optimum émergeant à environ -35V. Des résultats similaires peuvent être obtenus avec des couches plus épaisses d’environ 25 nm et également sur une couche de GaN au lieu d’une couche de silicium (Si).
La durée du plasma à base d’azote doit être suffisamment longue pour permettre la nitruration, de préférence la nitruration complète, de la surface exposée au plasma et ainsi bénéficier des effets de la polarisation du substrat. De préférence, cette durée du plasma, notée TP est supérieure ou égale à 70% et de préférence supérieure égale à 90 % de la durée TN de formation 32 du plasma à base d’azote. De préférence TP=TN. Les figures 4A et 4B illustrent, le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘a’ (Figure 4A) et avec la contribution ‘b’ (Figure 4B) en fonction de la tension moyenne de polarisation pour une durée TP de 5s (secondes) (courbes 41a et 41b) et pour une durée TP de 15s (courbes 42a et 42b), TP étant la durée du plasma, ici un plasma basé sur une chimie de N2-H2 avec 33% d’hydrogène.
Il ressort de ces figures que pour un plasma N2-H2 avec 33% d’hydrogène, une durée TP de plasma de 5s est trop courte puisqu’elle ne forme que très peu de liaisons AIN. Ainsi, la polarisation du substrat n’a alors que peu d’effet sur la qualité du dépôt si TP n’est pas correctement réglée. Des résultats similaires, illustrés en figures 5A et 5B, ont été obtenus pour des dépôts réalisés avec trois chimies différentes, plus précisément avec respectivement un plasma de NH3, un plasma de N2-H2-Ar, et également avec un plasma de N2H2.
La figure 5A illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 5B illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AIN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
Les courbes 51a et 51b (légende « 5s, NH3») correspondent chacune à un plasma d’ammoniac uniquement d’une durée de 5s. La courbes 52a et 52b (légende « 15s, N2-H2-Ar ») correspondent chacune à un plasma composé de 86% de H2, de 7% de N2 et de 7% d’Ar et d’une durée de 15s.
Les courbes 53a, 53b (légende «15s, N2-H2 ») correspondent chacune à un plasma composé de 33% d’hydrogène et d’une durée de 15s. La figure 6 illustre l’effet de la polarisation sur la cristallinité de l’AIN déposé sur la structure, ici un substrat de GaN. Des dépôts d’AIN à différentes tensions de polarisation ont été réalisés sur substrat de GaN. Plus précisément, dans cet exemple, les substrats de GaN ont été obtenus par croissance MOCVD sur silicium.
Dans cet exemple, la couche d’AIN est obtenue par une succession de 500 cycles. Chaque cycle comprend un plasma de N2-H2 (33% d’hydrogène) maintenu pendant une durée de 15 secondes. Les mesures de diffraction des rayons X ont été réalisées en incidence rasante. Le diffractogramme a été indexé suivant la fiche ICDD 00-025-1133 de l’AIN hexagonal.
Les mesures de diffraction des rayons X en incidence rasante montrent que les couches sont poly-cristallines et ont une structure hexagonale. On remarque qu’une orientation préférentielle de croissance suivant l’axe (002) semble être favorisée lors du dépôt à faibles tensions de polarisations. Typiquement, ces tensions de polarisation sont comprises entre -40V et -80V.
Des dépôts d’AIN à différentes tensions de polarisation ont également été réalisés sur substrat de GaN pour étudier l’effet induit par l’application d’une tension de polarisation sur les caractéristiques électriques de capacités.
Dans cet exemple, le dopage du GaN est de type N. Le dopage est effectué de sorte que la concentration en espèce dopante soit de 5x1018 cm 3.
Avant leur introduction dans le réacteur PEALD, les échantillons ont été plongés dans une solution d’acide chlorhydrique à 12% pendant 2 minutes puis rincés 1 minute à l’eau déionisée et enfin séchés sous un flux de diazote. Ensuite, une couche d’AIN est formée par 40 cycles. Pour certains substrats, ces cycles sont réalisés sans polarisation lors de la formation 32 du plasma à base azote (courbes 701). Pour d’autre substrat, ces cycles sont réalisés avec une tension de polarisation moyenne de respectivement -35V (courbe 702), -70V (courbe 703) et -130V (courbe 704).
Après ce dépôt, 125 cycles d’alumine (Al203) sont déposés sur la couche d’AIN. De préférence, ce dépôt Al203 est réalisé dans le même réacteur. Enfin des plots circulaires sont définis dans une résine positive photosensible par lithographie. Ensuite, 30 nm de nickel puis 100 nm d’or sont évaporés par faisceau d’électrons. Enfin, le métal excédentaire est retiré par lift-off (soulèvement) dans de l’acétone. La figure 7A illustre de manière schématique le dispositif obtenu. Ce dispositif comprend une couche de GaN, par exemple formant un substrat 70, surmontée d’une couche d’AIN 71 obtenue en appliquant ou non une tension de polarisation lors des cycles de dépôts successifs. Sur et de préférence directement au contact de la couche d’AIN 71 on retrouve la couche Al203. Les plots 73 de nickel et d’or surmontent la couche d’AI203.
Les différents dispositifs sont caractérisés par des mesures électriques de type « Capacitance-Voltage » (C-V) à une fréquence de 10 kHz et sur une taille de plot de 600 pm. La figure 7B illustre les résultats de ces mesures électriques. Les courbes 701 correspondent aux substrats obtenus sans appliquer de tension de polarisation lors des cycles de formation du plasma à base azote. Les courbes 702, 703 et 704 correspondent respectivement aux résultats obtenus avec des substrats réalisés en appliquant, lors de la formation du plasma à base azote, une tension de polarisation moyenne, de -35V, -70V et -130V.
Il a été observé que l’application de la tension de polarisation au substrat permet de changer le plan de charge à l’interface entre le GaN et l’empilement de grille et permet de décaler vers les tensions positives la tension seuil.
Il ressort de cette figure 7B que la polarisation du substrat durant le dépôt de l’AIN affecte fortement les caractéristiques électriques. Grâce à la polarisation de substrat, les caractéristiques C-V sont décalées vers des tensions positives, ce qui est l’effet désiré dans le cadre de l’amélioration de nombreux dispositifs et en particulier des HEMTs. Toutefois, si la tension de polarisation est trop élevée en valeur absolue, la commutation entre le régime de déplétion et d’accumulation est moins abrupte et l’hystérésis augmente également (courbes 704). Un optimum émerge alors à une tension de polarisation moyenne de -35V ce qui correspond à l’optimum observé précédemment pour un plasma N2-H2 avec 33% d’hydrogène sur les mesures XPS comme illustré en figures 3A et 3B. Exemples particuliers et variantes de réalisation
Les paragraphes qui suivent visent à décrire des exemples particuliers de réalisation de la présente invention et à proposer certaines variantes. Les caractéristiques et les exemples et variantes proposées ci-dessous sont applicables et combinables à chacun des exemples mentionnés précédemment. Selon un mode de réalisation, au moins pour certains cycles, la formation du plasma à base azote est effectuée avant l'injection du précurseur à base d’aluminium. Ainsi, les étapes 10 et 30 de la figure 1 peuvent être inversées. Selon un mode de réalisation, cet ordre des séquences est identique pour tous les cycles de la formation de la couche AIN.
Selon un exemple, la phase de purge utilise un gaz neutre tels que le diazote (N2) OU l’argon (Ar). Avantageusement, la durée de purge est suffisamment importante pour éliminer les excès de réactif et/ou les sous-produits de la réaction. Typiquement, la face de purge dure plusieurs secondes. Elle dure par exemple environ 3s. Selon un exemple, les précurseurs à base d’aluminium peuvent être le triméthylaluminium ou le trichlorure d’aluminium. La durée d’injection du précurseur doit être suffisante pour saturer la surface de la couche à base de GaN ou la surface déjà déposée d’AIN. Cette durée d’injection est typiquement d’environ 50 ms (106 secondes). Selon un exemple, la pression de la chambre de réaction du réacteur durant le plasma doit être ajustée de telle sorte à avoir une gaine non-collisionnelle. Typiquement la pression est inférieure à 50 mTorr (soit 6,67 Pa) et de préférence égale à 10 mTorr.
Selon un exemple, la puissance RF-ICP doit être suffisamment importante pour avoir un plasma stable. Cette puissance est supérieure à 100W. De préférence cette puissance est comprise entre 100-300W.
Selon un exemple, le précurseur à base d’azote peut être un mélange de diazote et dihydrogène (N2-H2), de l’ammoniac (NH3), ou un mélange de ces gaz. De l’argon peut être ajouté avec tous ces gaz. Selon un exemple, la durée du plasma à base d’azote doit être suffisamment longue pour permettre la nitruration du film ou de la couche précédemment formée.
Selon un exemple, la tension de polarisation du substrat lors du plasma à base azote est comprise entre -10 V et -130 V.
Il ressort clairement de la description qui précède, que le procédé proposé permet d’améliorer considérablement la qualité de la couche d’AIN déposée ainsi que la qualité de l’interface entre l’AIN et GaN.
Le procédé proposé confère ainsi des avantages considérables, en particulier pour la fabrication de transistors HEMTs à base de GaN et d’AIGaN.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. Par exemple, dans les exemples précédents, la couche à base de GaN sur laquelle est formée la couche à base d’AIN est constituée de GaN. Néanmoins, la présente invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la couche à base de GaN sur laquelle est formée la couche à base d’AIN est une couche faite d’un nitrure de gallium et d’au moins l’un parmi l’indium et l’aluminium. Ainsi, cette couche à base de GaN peut être du GaN, de l’AIGaN, de l’InGaN ou de l’AlinGaN.
L’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la structure sur laquelle la couche d’AIN est déposée est à base de silicium.
L’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la structure sur laquelle la couche d’AIN est déposée est à base d’un matériau pris parmi les matériaux lll-V. De préférence il s’agit d’un matériaux lll-N.
Ainsi, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une structure à base de GaN sont applicables à une structure à base de silicium ou d’un matériau pris parmi les matériaux lll-V. Par ailleurs, dans les exemples décrits ci-dessus la structure est une couche.
Néanmoins, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une structure formant un couche sont applicables à une structure ne formant pas une couche mais formant une structure ponctuelle, par exemple un relief en trois dimensions. La structure peut être une nanostructure ou comprendre une pluralité de nanostructures.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AIN) sur une structure à base de silicium (Si) ou à base d’un matériau lll-V, le procédé comprenant plusieurs cycles (1) de dépôt effectués dans un réacteur plasma (200) comportant une chambre de réaction (210) à l’intérieur de laquelle est disposé un substrat (70) comportant ladite structure, chaque cycle (1) de dépôt comprenant au moins les étapes suivantes :
• dépôt (10) d’espèces à base d’aluminium sur une surface exposée (70a) de la structure, l’étape de dépôt comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’aluminium (Al),
• nitruration de la surface exposée (70a) de la structure, l’étape de nitruration comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’azote (N) et la formation
(32) dans la chambre de réaction (21 0) d’un plasma à base d’azote, caractérisé en ce que lors de la formation (32) du plasma à base d’azote, on applique au substrat (70) une tension de polarisation V ias_substrat non nulle.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la valeur absolue de la tension de polarisation | Vbias_substrat | est inférieure ou égale à 160
Volts.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes la valeur absolue de la tension de polarisation | V iaS_substrat | est supérieure ou égale à 10 Volts. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel | V ias_substrat | est comprise entre 10 Volts et 130 Volts et de préférence Vbias-substrat est comprise entre -10 Volts et -130 Volts.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel | Vbias_substrat | est égale à 35 Volts. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la tension de polarisation V iaS_substrat est appliquée pendant au moins 70%, de pendant préférence 90%, et encore plus préférentiellement pendant toute la durée TN de la formation (32) du plasma à base d’azote.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la durée TN de la formation (32) du plasma à base d’azote est suffisante pour permettre la nitruration de toute la surface exposée (70a) de la structure.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la tension de polarisation V ias_substrat est contrôlée de manière indépendante d’une tension VpiaSma induite par une source dudit plasma à base d’azote. 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque cycle (1) comprend, au moins une étape de purge (20, 40) de la chambre de réaction (210), l’étape de purge (20, 40) comprenant l’injection dans la chambre de réaction (210) d’un gaz neutre, l’au moins une étape de purge (20, 40) étant effectuée à au moins l’un et de préférence à chacun des instants suivants :
• après l’injection du précurseur à base d’aluminium et avant la formation (32) du plasma à base d’azote, et
• après la formation (32) du plasma à base d’azote.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque cycle (1) comprend, au moins une étape de stabilisation (31) des gaz présents dans la chambre de réaction (210), l’étape de stabilisation (31) étant effectuée au moins à l’instant suivant :
• avant la formation (32) du plasma à base d’azote.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le précurseur à base d’aluminium (Al) est pris parmi le triméthylaluminium et le trichlorure d’aluminium.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la durée d’injection TAi du précurseur à base d’aluminium est suffisante pour saturer la surface exposée (70a) de la structure, de préférence, TAi est supérieure ou égale à 20 ms, de préférence TA! est de l’ordre de 50 ms.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le précurseur à base d’azote (N) est pris parmi : • un mélange de diazote et dihydrogène (N2-H2),
• de l’ammoniac (NH3),
• un mélange d’ammoniac (NH3), de diazote et dihydrogène (N2-H2).
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au cours de certains au moins des cycles (1), et de préférence au cours de chaque cycle (1), l’injection du précurseur à base d’aluminium est effectuée avant la nitruration comprenant la formation (32) du plasma à base d’azote.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au cours de certains au moins des cycles (1), et de préférence au cours du premier desdits plusieurs cycles (1), on effectue l’étape de nitruration de la surface exposée (70a) de la structure, avant l’injection du précurseur à base d’aluminium.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la structure est une prise parmi : une couche, une structure en trois dimensions, une pluralité de structures en trois dimensions.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la structure est à base de silicium.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 16 dans lequel la structure est à base d’un matériau lll-V. 19. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la structure est à base d’un matériau lll-N.
20. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la structure est à base de nitrure de gallium (GaN).
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