EP4179563A1 - Procédé de réalisation d'une couche diélectrique sur une structure en matériaux iii-v - Google Patents

Procédé de réalisation d'une couche diélectrique sur une structure en matériaux iii-v

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EP4179563A1
EP4179563A1 EP21743407.5A EP21743407A EP4179563A1 EP 4179563 A1 EP4179563 A1 EP 4179563A1 EP 21743407 A EP21743407 A EP 21743407A EP 4179563 A1 EP4179563 A1 EP 4179563A1
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EP
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plasma
dielectric film
alumina
reaction chamber
layer
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Pending
Application number
EP21743407.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Maxime LEGALLAIS
Bassem Salem
Thierry Baron
Romain Gwoziecki
Marc Plissonnier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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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    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface

Definitions

  • the present invention relates to the production of a dielectric layer, for example based on alumina (Al 2 0 3 ) on a structure, such as a layer or nanostructures based on III-V materials. It finds, for example, for advantageous application the field of microelectronics and more particularly the fields of power electronics, sensors and optoelectronics.
  • One of the particularly advantageous applications concerns the production of alumina gate dielectrics to manufacture high electron mobility transistors (HEMTs).
  • HEMTs high electron mobility transistors
  • HEMTs based on gallium nitride GaN
  • an alumina layer is produced by atomic layer deposition, usually designated by the acronym ALD for the English term “atomic layer deposition”.
  • ALD techniques are based on a process of self-limiting growth in which the material is deposited layer by layer. It is thus possible to design films at the nanometric scale.
  • the ALD technique consists of sequentially injecting precursors of a first species (reagent A), then precursors of a second species (reagent B) into the reaction chamber of a reactor.
  • Figure 1 illustrates different steps of an example of cycle 1 of ALD deposition.
  • a first step 10 consists in injecting reagent A which reacts with the uncovered surface of the substrate by chemisorption.
  • a purge step 20 is then carried out to eliminate the unreacted reagents A as well as the reaction products.
  • Reagent B is then injected which reacts with the exposed surface by chemisorption.
  • a purge step 40 is then carried out to eliminate the unreacted reagents B as well as the reaction products.
  • this cycle 1 is repeated sequentially.
  • the dotted arrow and the number N illustrate this iterative nature and the number of cycles carried out.
  • alumina (Al 2 0 3 ) by ALD can be done; either by so-called “thermal” ALD, in this case the oxygen-based precursor is water (H 2 0) or ozone (0 3 ); or by so-called “plasma” ALD, in this case the oxygen-based precursor is a plasma based on dioxygen (0 2 ).
  • Document US 2015/0137138 A1 discloses a method for manufacturing a transistor comprising the deposition, on a layer of GaN surmounted by an AIGaN layer, of a first gate layer and a second gate layer of alumina.
  • Document US2016/0013282 A1 discloses a method for depositing, on a GaN layer, a first gate layer and a second gate layer, for example of alumina.
  • the properties of the deposited alumina layers can still be improved.
  • a method for producing, on a structure based on a III-V material, a dielectric layer comprising at least one dielectric material capable of being deposited by layer deposition (ALD) using a precursor based on water (H 2 0), ozone (0 3 ) or dioxygen (0 2 ).
  • the method comprises the following sequences performed in a plasma reactor comprising a reaction chamber inside which said structure is arranged: producing a first dielectric film by ALD by performing a plurality of first cycles each comprising at least:
  • the first dielectric film includes at least the first material and oxygen.
  • Plasma-assisted ALD by performing a plurality of second cycles each comprising at least:
  • the second film dielectric comprising at least the second material and said species.
  • the dielectric layer thus composed of a "thermal” film surmounted by a “plasma” film has significantly improved electrical properties. Furthermore, the quality of the interface between this dielectric layer and the structure underlying it is also significantly improved.
  • the thermal dielectric film acts as a protective layer with respect to the surface of the underlying structure and on the other hand that the deposit in plasma mode allows to improve the electrical characteristics of the overall dielectric layer. More precisely, the film deposited in thermal mode limits the oxidation by the plasma of the exposed surface of the underlying structure. On the contrary, it would seem that the deposition in plasma mode oxidizes and passives the underlying structure. For example, in the case of the production of an alumina layer on GaN, the thermal alumina avoids, or even prevents, the oxidation of the exposed surface of GaN at the level of the Al 2 0 3 /GaN interface.
  • a precursor based or made of water (H 2 0) is injected into the reaction chamber.
  • the water-based precursor is less oxidizing than an ozone-based precursor, and therefore less reactive with the underlying layer.
  • the water-based precursor made it possible to limit and preferably to avoid degradation of the underlying layer of the structure with respect to the existing solutions, in particular those implementing an ozone-based precursor.
  • the properties of the dielectric layer deposited on the underlying layer based on III-V materials, as well as the interface between these layers, are improved.
  • the process can also have at least one of the following characteristics, which can be taken separately or in combination:
  • the first material is identical to the second material.
  • the first material is different from the second material.
  • the plasma based on said species is a plasma based on oxygen (O) created from a precursor consisting of dioxygen (0 2 ) or comprising dioxygen (0 2 ).
  • the plasma based on said species is a plasma based on nitrogen (N) created from a precursor consisting of dinitrogen (N 2 ) or comprising dinitrogen (N 2 ).
  • N nitrogen
  • at least one of the first material and the second material is taken from one of the following materials: aluminum (Al), titanium (Ti), Tantalum (Ta), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf ), silicon (Si).
  • the first dielectric film is taken from the following materials: Al 2 0 3 , Hf0 2 , Ti0 2 , Ta 2 0 5 , Zr0 2 , Si0 2 , and SiN.
  • the second dielectric film is taken from the following materials: Al 2 0 3 , Hf0 2 , Ti0 2 , Ta 2 0 5 , Zr0 2 , Si0 2 , SiN and AlN.
  • the first material and the second material are aluminum, the first dielectric film and the second dielectric film are made of Al 2 0 3 .
  • the precursor based on the first material and the precursor based on the second material are taken from trimethylaluminium and aluminum trichloride.
  • the first dielectric film has a thickness e 71A and the second dielectric film has a thickness e 71B , with e 71A ⁇ e 71B .
  • e 71A is between 0.5 and 2 nm.
  • the first dielectric film has a thickness e 71A , such that e 71A 3 0.5 nm. This thickness makes it possible to effectively limit the oxidation of the surface of the structure underlying the electrical layer.
  • the first dielectric film has a thickness e 71A , such that e 71A £ 2 nm (10 9 meters). This thickness allows the characteristics of the dielectric layer to be mainly dictated by the layer produced by plasma deposition.
  • the thickness of the first dielectric film is strictly less than 2 nm, and preferably less than or equal to 1.7 nm. Surprisingly, a thickness strictly less than 2 nm, and preferably less than or equal to 1.7 nm, makes it possible to obtain satisfactory electrical qualities for layer 71.
  • each second cycle comprises at least one reaction chamber purge step, the purge step comprising the injection into the reaction chamber of an inert gas, the at least one purge step being carried out at least one and preferably at each of the following instants: after the injection of the precursor based on the second material and before the formation of the plasma, and after the formation of the plasma.
  • each second cycle comprises at least one step of stabilizing the gases present in the reaction chamber, the stabilization step being carried out at least before the formation of the plasma.
  • the injection of the precursor based on the first material is carried out after the injection into the reaction chamber of the precursor based on water (H 2 0) or ozone (0 3 ).
  • the injection of the precursor based on the second material is carried out after the injection into the reaction chamber of the precursor based on basis of the given species and the formation in the reaction chamber of a plasma.
  • the structure is one of: a layer, a three-dimensional structure, a plurality of three-dimensional structures.
  • the structure is based on a material taken from among the III-N materials.
  • the material may be GaN. So the structure is made of
  • the second dielectric film is formed directly in contact with the first dielectric film.
  • the first dielectric film is formed directly in contact with the structure.
  • the structure is a layer.
  • it has a face that extends over the entire plate. It may have a flat face. Alternatively, it can take on the shape of reliefs which are underlying it.
  • the structure may not be a layer. It can comprise a nanostructure or a plurality of nanostructures.
  • a nanostructure is a structure of which at least one dimension 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). It may for example be a pad or a wire extending in a main direction perpendicular to one 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.
  • the nanostructure can also be a structure intended to be part of or to form a device such as a transistor or a micromechanical or electromechanical device (MEMS, NEMS, etc.) or even an optical or optoelectronic device (MOEMS, etc.).
  • the nanostructure is point-like. It does not extend over the entire plate. Thus, one face of the plate extends mainly in one plane and nanostructures extend from this face and in a direction perpendicular to this plane. It's nanostructures are therefore discontinuous.
  • the structure is arranged on a substrate located in the reaction chamber, and, during the formation of the plasma, a bias voltage Vbias is applied to the substrate, in the following designated V iaS-substrate, preferably non-zero .
  • the energy of the ions which arrive on the exposed surface of the substrate is perfectly controlled.
  • the polarization of the structure during the injection of the precursor based on the given species makes it possible to considerably improve the quality of the second dielectric layer.
  • the application of a bias voltage V biaS-substrate to the substrate makes it possible to increase the energy of the plasma ions in a controlled manner and independent of the bias voltage V piaSma induced by the source used to generate the 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 in particular 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, having good electrical properties.
  • the structure is made of GaN and is intended to form at least part of a GaN-based device such as a HEMT
  • the application of a bias voltage thus makes it possible to considerably increase the performance of such devices. This is the case when the dielectric layer forms a gate dielectric for this type of transistor.
  • the bias voltage V ias _substrate is controlled independently of a voltage V piasma induced by a source of said plasma.
  • the absolute value of the bias voltage IV ias.SU bstrat I is less than or equal to 160 Volts.
  • the absolute value of the bias voltage IV ias.SU bstrat I is greater than or equal to 10 Volts.
  • IV bias.SUbstrat l is between 10 Volts and 130 Volts and preferably V ias.SUbstrat is between -10 Volts and -130 Volts. According to one example, IV iaS-substrate l is equal to 85 Volts.
  • the bias voltage V biaS-substrate is applied for at least 70%, and preferably 90%, of the duration T 0 of plasma formation. According to one example, the bias voltage V ias -substrate is applied throughout the duration T 0 of the formation of the plasma.
  • the bias voltage V ias _substrate is not applied during the injection into the reaction chamber of the precursor based on the second material.
  • the bias voltage V ias _substrate is applied only during the plasma formation.
  • V ias _substrate is applied throughout the duration of each second cycle.
  • each first and second cycle comprises at least one step of purging the reaction chamber, the purging step comprising the injection into the reaction chamber of an inert gas, the at least one step purging being carried out at least one and preferably at each of the following instants: - after the injection of the precursor based on the first material, after the injection of the precursor based on water, after the injection of the precursor based on the second material, and before the formation of the plasma, and after the formation of the plasma.
  • the method comprises at least ten first cycles and preferably at least fifty first cycles. Preferably it comprises at least one hundred first cycles and preferably approximately five hundred first cycles.
  • the method comprises at least ten second cycles and preferably at least fifty second cycles. Preferably it comprises at least one hundred second cycles and preferably approximately five hundred second cycles.
  • FIG. 1 schematically represents a cycle classic of an ALD deposit.
  • FIG. 2 schematically represents an example of a method according to the invention. This figure shows that this method comprises a first sequence during which a first cycle is repeated then a second sequence during which a second cycle is repeated.
  • FIG. 3 is a diagram of a capacitive device of the Metal-Insulator-Semiconductor type comprising metallic contacts (nickel/gold), a dielectric layer, for example of alumina, surmounting a structure, for example a layer of GaN .
  • FIG. 4 schematically represents an example of a deposition reactor that can be used to implement the method according to the invention.
  • Figure 5A is a graph illustrating the capacitance - voltage (C-V) characteristics of a device such as that of Figure 3 and comprising a layer of thermal alumina only.
  • FIG. 5B is a graph illustrating the measurements of the capacitance-voltage (C-V) characteristics of devices such as that of FIG. 3 and comprising a plasma alumina layer only. These curves also make it possible to compare the impact of the bias voltages used for the deposition.
  • C-V capacitance-voltage
  • Figure 6 includes graphs, taken from the measurements of Figures 5B and 5A, illustrating the forward curve voltage for a given capacitance, the hysteresis between the forward and reverse sweep for a given capacitance, and the slope of the forward curve .
  • FIG. 7 is a graph illustrating the capacitance-voltage (CV) characteristics of devices comprising a thermal alumina layer only or a plasma alumina layer only or even a bilayer formed of a thermal alumina film and a plasma alumina film.
  • CV capacitance-voltage
  • Figure 8 has graphs, taken from the measurements in Figure 6, illustrating the voltage of the forward curve for a given capacitance, the hysteresis between the forward and reverse sweep for a given capacitance, and the slope of the forward curve.
  • Figure 9 is a graph illustrating the capacitance - voltage (C-V) characteristics of devices comprising an alumina bilayer formed of a thermal alumina film and a plasma alumina film.
  • the devices studied differ by the relative proportion of the plasma alumina film compared to the thermal alumina film, as well as by the bias voltage used for the deposition of the plasma alumina film.
  • thermal dielectric film thermal alumina film or thermal alumina, we mean respectively a dielectric film, an alumina film and alumina produced by a so-called thermal deposition.
  • Plasma dielectric film, plasma alumina film or plasma alumina are understood to mean respectively a dielectric film, an alumina film and alumina produced by a so-called plasma deposit.
  • a substrate comprising a structure such as a layer or nanostructures based on III-V materials can be: either, preferably, a stack comprising the structure based on III-V material and a layer, typically a support layer on which the structure rests, or a stack comprising only the structure based on III-V material.
  • the structure can be self-supporting, i.e. it supports its own weight.
  • a substrate based on an III-V material also designates a substrate whose layer based on the III-V material is surmounted by one or more layers deposited during the process described below.
  • an exposed surface of the substrate based on the III-V material can be a surface formed by the structure or formed by one or more layers or films deposited on the structure.
  • an oxygen-based plasma can be based on a chemistry comprising only oxygen or comprising oxygen and possibly one or more other species, for example neutral gases.
  • a nitrogen-based plasma can be based on a chemistry comprising only nitrogen or comprising nitrogen and possibly one or more other species, for example neutral gases.
  • a structure based on a III-V material is a structure made from 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 of, or comprising a material comprising at least one species from column III of the periodic table and nitrogen (N).
  • a III-N material can therefore for example be taken from among GaN, AlGaN, AlInGaN, InN.
  • step refers to the performance of part of the process, and may designate a set of sub-steps.
  • stage does not necessarily mean that the actions carried out during a stage are simultaneous or immediately successive. Certain actions of a first step can in particular be followed by actions linked to a different step, and other actions of the first step can be repeated later. Thus, the term step does not necessarily mean unitary and inseparable actions in time and in the sequence of the phases of the process.
  • dielectric describes 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.
  • HEMT type transistors (acronym for "High Electron Mobility Transistor”) field effect transistors with high mobility of electrons, sometimes also referred to by the term 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 electron gas. For reasons of high voltage and temperature resistance, the materials of these transistors are chosen so as to have a wide forbidden energy band.
  • microelectronic device any type of device made with the means of microelectronics. These devices include in particular, in addition to devices for purely electronic purposes, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS, etc.) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS, etc.).
  • MEMS micromechanical or electromechanical devices
  • MOEMS optical or optoelectronic devices
  • 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 along a direction perpendicular to the main faces of the substrate on which the various layers rest.
  • the terms “over”, “overcomes”, “covers”, “underlying”, “opposite” and their equivalents do not necessarily mean “over”. contact of”.
  • depositing, transferring, gluing, assembling or applying a first layer to a second layer does not necessarily mean that the two layers are directly in contact with each other, 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. 2 illustrates the different steps involved in each production of a dielectric layer 71 on a structure 70 based on an III-V material. These steps are repeated several times until this dielectric layer has the desired thickness.
  • Figure 3 illustrates an example of a structure that can be obtained by implementing the method of Figure 2.
  • the proposed method is based on the deposition of the dielectric layer 71 in the form of a stack of two films 71 A and 71 B thus forming a bilayer 71.
  • the first film 71 A is deposited in so-called “thermal” mode, that is to say with a precursor based on water (H 2 0) or ozone (0 3 ).
  • This first film 71 A has the effect of limiting the oxidation of the surface 70' of the structure 70 on which the dielectric layer is deposited.
  • a precursor based on or made of water (H 2 0) is used.
  • the oxidation of the surface 70' of the structure 70 on which the dielectric layer is deposited is then still limited, the water (H 2 0) being less oxidizing than the ozone (0 3 ) for the surface 70' of the underlying structure 70.
  • the second film 71B is deposited in so-called “plasma” mode, that is to say with the formation of a plasma. It is a plasma based on a given species, taken from oxygen (O) and nitrogen (N). The plasma is formed by injecting a gas comprising said species. It may for example be dioxygen (0 2 ) or dinitrogen (N 2 ).
  • This second film 71 B has the advantage of improving the electrical properties of the dielectric layer 71 with respect to thermal deposition. This second film 71 B therefore makes it possible to improve the performance of the device comprising this dielectric layer 71.
  • these two films 71 A, 71 B are produced in-situ in the same plasma deposition reactor configured to perform deposition by atomic layer plasma-assisted (PEALD).
  • PEALD atomic layer plasma-assisted
  • a substrate comprising the structure 70 intended to receive these two films 71A, 71B is placed in a reaction chamber of the reactor. based on a III-V material, for example based on a III-N material.
  • this structure 70 is based on GaN. More precisely, this structure 70 will be described as being a layer of GaN. All the characteristics, steps and technical effects that will be described later are perfectly applicable to a structure based on an III-V material other than GaN. Furthermore, all the characteristics, steps and technical effects which will be described subsequently 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 can be formed solely from this structure 70 in III-V material.
  • this substrate may comprise a support layer surmounted by at least one such structure 70.
  • the structure 70 has a free surface 70', exposed to the species present in the reaction chamber.
  • the method comprises the following main sequences and steps illustrated in FIG. 2. The method comprises two sequences.
  • a first sequence aims to produce the first film 71 A deposited in “thermal” mode.
  • a second sequence aims to produce the second film 71 B deposited in “plasma” mode.
  • the first sequence comprises the iteration of several cycles referenced 1A in FIG. 2.
  • Each cycle 1A comprises at least the following steps.
  • a first step comprises the injection 10A into the reaction chamber 210 of a precursor based on a first material.
  • This first material is taken from one of of the following materials: aluminum (Al), titanium (Ti), Tantalum (Ta), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), silicon (Si).
  • a second step is a purge step 20A.
  • This purge 20A is carried out to eliminate the excess of the precursor based on the first material, that is to say to evacuate the reagents of the precursor based on the first material which would not have reacted, as well as the reaction products.
  • inert gas such as argon (Ar) or dinitrogen (N 2 ) is injected into the reaction chamber. This step, although advantageous, is only optional.
  • a third step comprises an injection 30A into the reaction chamber 210 of a water-based precursor (H 2 0), preferably in the form of vapor. Alternatively or in combination, it may be an injection of an ozone-based precursor (0 3 ).
  • a fourth step is a purge step 40A.
  • This purge 40A is carried out to eliminate the excess of the water-based precursor (H 2 0), as well as the reaction products or ozone (0 3 ).
  • the solid arrow gives an indication, by way of example only, of the relative durations of the cycle and each of its stages.
  • the first stage and the third stage can be reversed, each being accompanied by a purge stage.
  • the method can be implemented on the following chronology: 30A, 40A, 10A, 20A.
  • Each 1A cycle allows the formation of a portion of the “thermal” dielectric film.
  • This first sequence includes the iteration of several cycles referenced 1B in figure 2.
  • the 1B cycles are carried out after all the 1A cycles have been carried out and completed.
  • Each 1B cycle includes at least the following steps.
  • a first step comprises the injection 10B into the reaction chamber 210 of a precursor based on a second material.
  • This second material is taken from one of the following materials: aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), zirconium (Zr), hafnium (Hf), silicon (Si).
  • a second step is a purge step 20B. This purge 20B is carried out to eliminate the excess of the precursor based on the second material. Typically, this step includes the injection into the reaction chamber 210 of an inert gas.
  • a third step 30B comprises the injection into the reaction chamber of a precursor based on a given species, then the formation of a plasma 32B whose chemistry includes this species.
  • This species may be oxygen.
  • the injected gas can for example be dioxygen or comprise dioxygen.
  • this species can be nitrogen.
  • the injected gas can for example be dinitrogen or comprise dinitrogen.
  • This third step 30B can include a stabilization phase 31B of the gases used for the plasma based on the given species. This stabilization phase 31 is carried out after injection of a precursor based on the given species and before the formation 32B of the plasma.
  • a fourth step is a purge step 40B. This 40B purge is performed to remove excess precursor based on the given species.
  • the first stage and the third stage can be reversed, each being accompanied by a purge stage.
  • the method can be implemented on the following chronology: 30B, 40B, 10B, 20B. Each 1B cycle allows the formation of a portion of the “plasma” dielectric film.
  • this cycle 1B is repeated N B times as shown in FIG. 2.
  • the dielectric film 71 B produced has a thickness e 71B .
  • All purge steps 40A, 20B, 30B can be performed as described with reference to purge step 20A.
  • the plasma sequence is performed only after the thermal sequence.
  • the thickness of the film 71A or 71B formed is less than 1.5 Angstroms (10 1 ° meters). Preferably this thickness is less than 1.2 Angstroms. Preferably, this thickness is between 0.8 Angstrom and 1.2 Angstrom.
  • the dielectric layer 71 thus produced and composed of the thermal film 71 A surmounted by the plasma film 71 B has significantly improved electrical properties. Furthermore, the quality of the interface between this dielectric layer 71 and the structure 70 which is underlying it is also markedly improved.
  • the film thermal dielectric 71 A plays the role of a passivation layer with respect to the surface 70' of the underlying structure 70 and that the plasma dielectric film 71 B makes it possible to improve the electrical characteristics of the overall dielectric layer . More precisely, the thermal film 71 A limits the oxidation by the plasma of the exposed surface 70' of the structure 70. On the contrary, it would seem that the plasma deposit oxidizes and passives the underlying structure 70.
  • a thickness strictly less than 2 nm, and preferably less than or equal to 1.7 nm makes it possible to obtain satisfactory electrical qualities for the layer 71, for example with regard to the mobility of the charge carriers.
  • the thickness of the plasma film e 71B is greater than or equal to 5 nm. This makes it possible to have an overall dielectric layer exhibiting very good electrical performance.
  • a bias is applied to the structure 70 based 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 polarization voltage V piaSma which is induced, in a perfectly conventional way, by the source of the plasma in order to generate the ions and radicals and thus initiate the deposition of dielectric.
  • the bias voltage V bias-substrate is controlled independently of the bias voltage V ias-piasma induced by the source.
  • the reaction chamber comprises a tray for receiving the substrate.
  • the plate is electrically conductive and the bias voltage V ias _ substrate is applied to this plate also designated sample holder, supporting the substrate. It can thus be said that this voltage is transmitted to the substrate and thus to the structure 70. It will be noted that the expression “applied to the substrate” means that the V iaS-substrate bias voltage is applied to the plate on which the substrate rests, whether the substrate is conductive or not.
  • the plasma generated by a main source (ICP or CCP) is remote from the substrate 70.
  • a zone of positive space charge called the sheath forms between the plasma and the substrate due to the difference in mobility between heavy ions and electrons. This sheath quite simply corresponds to the difference between the potential of the plasma Vpiasma and the potential of the substrate.
  • the bias voltage applied to the substrate V ias _ substrate may be zero, which is not equivalent to not applying a voltage to the substrate.
  • the substrate can be biased intrinsically to a voltage different from 0. It is understood with this example that a bias voltage can be applied to the substrate so that V ias -substrate is equal to 0V.
  • V ias-SU bstrat preferably non-zero, for example strictly less than 0 ( ⁇ 0). It is therefore possible to increase/adjust the energy of the ions independently of V piasma since the energy of the ions indeed depends on the voltage of the plasma and the bias voltage of the substrate V ias-SU bstrat, according to the following relationship, with q the charge of the ion:
  • V ias.SU bstrat brings considerable advantages.
  • this polarization makes it possible to improve the quality of the second film 71 B.
  • V ias-SU bstrat bias voltage By applying a non-zero V ias-SU bstrat bias voltage, the effectiveness of the surface ion bombardment can be increased and adjusted, while preserving the surface 70a of the substrate 70.
  • the quality of the second film 71B and the quality of the interface of this second film 71B and the first film 71A are considerably improved.
  • the repeatability of this method is also improved compared to existing solutions, in particular those having recourse to 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 bias voltage V ias.SU bstrat applied is less than 160 volts, preferably less than 130 volts. It will be noted that this bias voltage is much lower than the bias voltages usually used to perform etchings or implantations by plasma. Furthermore, this process is preferably implemented in a plasma deposition reactor. Etching plasma reactors are not configured to apply such low bias voltages to the substrate.
  • the bias voltage V iaS-substrate is applied only during the plasma based on nitrogen or oxygen and not during the deposition of species based on aluminium.
  • the alumina precursor (TMA for example) decomposes thermally. Nitrogen or oxygen require much more energy and therefore require plasma to break it down. Therefore, it is possible to apply V bias-substrate only during nitrogen- or oxygen-based plasma. Alternatively, V bias-substrate is applied throughout the second cycle.
  • Figure 4 illustrates a diagram of a plasma reactor that can be used to implement the proposed method.
  • the deposition sequences in thermal mode and in plasma mode are carried out in situ in this same reactor.
  • 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 arranged a plate 220.
  • This plate 220 is configured to receive the substrate.
  • the substrate rests on the plate 220 by a rear surface.
  • the surface 70a of the substrate, opposite its rear surface, is exposed to the species present in the reaction chamber 210.
  • the substrate forms the structure on which it is desired to deposit the dielectric layer, for example a layer of alumina .
  • This front surface 70a of the substrate therefore constitutes the surface 70' of the structure 70.
  • the plate 220 is electrically conductive.
  • the reactor comprises a gas inlet 230 making it possible to inject inside the chamber 210 the gases intended to form the chemistry of the plasma as well as the gases intended for the purge phases.
  • the reactor 200 also includes a valve 240 for isolating the reaction chamber 210.
  • the reactor 200 also includes a pump 250 to extract the 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 a radiofrequency inductive source, which makes it possible to have a stable plasma at a much lower power P piaS ma 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 280 configured to allow the application of the V iaS-substrate bias voltage to the plate 220.
  • 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 bias device 280 comprises a control device 281 and makes it possible to apply an alternating voltage to the plate 220.
  • an automatic adaptation unit qualified by its English term of auto match unit
  • This bias device 280 is configured to allow the application to the plate 220 of the bias voltage Vbias_substrate, the amplitude of which is low, typically less than 160 volts, preferably less than 130 volts.
  • the bias device 280 and the plasma source 260 are configured so as to be able to adjust the bias voltage V biaS-substrate applied to the plate 220 independently of the voltage of the plasma Vpi aS ma ⁇ V ias-SU bstrat and V piasma are independent.
  • V bias-SU bstrat and V piasma are independently controlled.
  • FIGS. 5A to 9 illustrate the electrical properties of the dielectric layers produced by implementing the proposed method. More specifically, in FIGS. 5A, 5B, 7 and 9, these properties are illustrated by curves resulting from the measurement of the capacitance as a function of the voltage on capacitive devices of the Metal-Insulator-Semiconductor type. An example of these capacitive devices is shown in Figure 3.
  • the capacitive device illustrated in FIG. 3 comprises a layer of GaN, for example forming said structure 70 which can be assimilated in this example to a substrate.
  • the structure 70 is surmounted, preferably being directly in contact, with a dielectric layer 71 of alumina.
  • the first film 71A is an alumina layer deposited in thermal mode and the second film 71B is an alumina layer deposited in plasma mode.
  • Nickel and gold studs 72 surmount the alumina layer 71.
  • Spikes 73, 74 are placed on the studs 72 to carry out the electrical measurements.
  • the capacitive device illustrated in FIG. 3 may comprise only one of the films 71 A and 71 B. Such is the case for the curves of FIGS. 5A, 5B, 6 in particular.
  • Figures 5A and 5B illustrate the capacitance/voltage (C-V) characteristic for a thermal alumina film ( Figure 5A) and for a plasma alumina film ( Figure 5B).
  • curve 501 corresponds to a plasma alumina film deposited with zero bias voltage
  • curve 502 corresponds to a plasma alumina film deposited with a bias voltage of -170 volts (V)
  • curve 503 corresponds to a plasma alumina film deposited with a bias voltage of -130V
  • curve 504 corresponds to a plasma alumina film deposited with a bias voltage of -85V
  • curve 505 corresponds to a plasma alumina film deposited with a bias voltage of -50V.
  • the number N B of cycles (cycle 1B illustrated in FIG. 2) is constant.
  • N B 125.
  • the measurement frequency is 10 kHz, the sweep was performed from -5V to +5V then from +5V to -5V.
  • the size of the measured spots is 600 ⁇ m. It emerges from these curves that the electrical characteristics of the alumina films strongly depend on the following conditions: nature of the deposit: deposit in thermal mode or deposit in plasma mode
  • the electrical characteristics impacted by these conditions are in particular: the voltage of the curves, modification of the slope in the desertion regime, the hysteresis and also the maximum capacity.
  • V of i a ⁇ urbe aiier increases up to a bias voltage of -85 V then decreases sharply.
  • the hysteresis (graph 602) and the slope in the desertion regime (graph 601) both decrease monotonically.
  • the use of a bias voltage of -85V is judicious to positively shift the CV characteristics.
  • Figure 8 makes it possible to compare the properties of the alumina bilayer comprising the thermal alumina film 71A and the plasma alumina film 71B with the alumina layers obtained by conventional thermal process or conventional plasma.
  • This figure 8 illustrates the CV measurements for: alumina deposited by a thermal process (curve 701). a plasma process (curve 702). processes combining thermal and plasma deposition (curves 703, 704).
  • the abscissa axis indicates the fraction of plasma alumina in the overall alumina layer. Thus, when the plasma alumina fraction is zero, this means that the alumina layer is entirely formed by thermal deposition.
  • the total number of cycles is here again 125.
  • the alumina layer of curve 703 was obtained by carrying out 10 thermal 1A cycles and 115 plasma 1B cycles.
  • the alumina layer of curve 704 was obtained by carrying out 45 thermal 1A cycles and 80 plasma 1B cycles.
  • This figure 8 shows a significant variation in the C-Vs for the different bilayers tested. To quantify these variations, the same parameters as previously were extracted from the C-Vs of figure 8 and brought together in figure 8 in the form of graphs 801, 802, 803.
  • This graph shows the marked improvement in the electrical properties of the alumina layer produced by implementing the proposed method combining deposition in thermal mode and deposition in plasma mode.
  • the presence of a thin layer of thermal alumina formed before the deposition of the plasma alumina makes it possible to obtain markedly improved performance.
  • this two-layer structure makes it possible to obtain an increase V of the forward curve (graph 803) while maintaining an excellent slope of the forward curve (graph 801) and a very low hysteresis (graph 802).
  • the layer of thermal alumina 71 A is thin. It is formed by performing 10 to 15 cycles. This leads to a thickness of about 0.8 to 1.2 nm for this layer.
  • thermal dielectric film here thermal alumina
  • thermal alumina plays the role of a protective layer with respect to the surface 70' of the structure 70, here GaN.
  • This thermal film limits the oxidation of the GaN surface by the plasma and thus preserves the Al 2 0 3 /GaN interface. It is then possible to improve the parameter V of the forward curve while retaining the advantages of plasma alumina seen previously (excellent slope and low hysteresis).
  • the properties of the total dielectric layer of alumina approach those of thermal alumina and are then found to be degraded.
  • the alumina layer composed of thermal and plasma films makes it possible to improve the electrical qualities of this layer as well as the interface between this alumina layer and the underlying GaN structure.
  • Figure 9 illustrates the CV characteristics for two different alumina layers.
  • Curve 901 illustrates the CV characteristic for an alumina layer deposited solely by plasma with an average bias voltage of ⁇ 130V. This alumina layer therefore does not comprise a thermal alumina film.
  • Curve 902 illustrates the CV characteristic for an alumina layer, forming a bilayer of thermal alumina and plasma alumina.
  • the thermal alumina film was deposited by performing 15 thermal alumina cycles.
  • the plasma alumina film was deposited by performing 110 plasma alumina cycles with an average bias voltage of -135V. It has been observed that the application of the bias voltage to the substrate V ias - substrate makes it possible to change the charge plane at the interface between the GaN and the gate stack and makes it possible to shift the threshold voltage towards the positive voltages .
  • Aluminum-based precursors commonly used for ALD or PEALD can be used such as trimethylaluminum or aluminum trichloride. These precursors can be used for cycles in thermal mode 1A and in plasma mode 1B.
  • the precursor based on the given species can be dioxygen (0 2 ). injection time
  • the precursor injection time must be long enough to saturate the exposed surface.
  • the duration of injection of the aluminum-based precursor is greater than or equal to 20 ms.
  • the water or ozone injection time is for example greater than 50 ms (10 3 seconds), preferably greater than or equal to 100 ms.
  • the duration of the dioxygen-based plasma is for example greater than 2 s, preferably greater than or equal to 5 s. These values make it possible to obtain a particularly high quality for the plasma film.
  • the pressure of the chamber during the injection of the precursors is at least 10 mTorr. Preferably the pressure is about 80 mTorr.
  • the pressure of the chamber during the plasma must be adjusted so as to have a non-collision sheath.
  • the chamber pressure during the injection of the aluminum-based precursor is at least 10 mTorr. Preferably the pressure is about 80 mTorr.
  • the chamber pressure during plasma based on the given species is less than 50 mTorr. It is preferably between 5 and 20 mTorr. For example, it is around 15 mTorr.
  • the RF-ICP power must be large enough to have a stable plasma. This power is preferably between 100-300W. Preferably is equal to 300W.
  • the plasma duration must be long enough to allow the oxidation of the layer preceding the plasma.
  • a bias voltage is only optional. If a bias voltage is applied, it is between -10 V and -160 V, preferably between -10 V and -130 V. Preferably, it is between -75 V and -95 V. Preferably it is of the order of -85V.
  • the purge steps use an inert gas, preferably dinitrogen (N 2 ) or argon (Ar).
  • the purge time should be long enough to remove excess reagent and/or reaction by-products. Typically, it is several seconds, about 1.5 seconds for the step following the injection of the aluminum-based precursor. This purge duration is for example:
  • the temperature range of the substrate on which the structure 70 rests is preferably between 200°C and 350°C.
  • the substrate temperature is 300°C.
  • the thermal alumina thickness e 71A is preferably less than the thickness of the plasma alumina thickness e 71B .
  • the thickness of thermal alumina e 71A is less than or equal to 2 nm. It is preferably greater than or equal to 0.5 nm. Preferably, it is equal to 1.2 nm. These values make it possible to have effective protection against the oxidation of the underlying layer, typically of GaN.
  • the plasma alumina thickness e 71B is greater than or equal to 5 nm. This makes it possible to have an overall dielectric layer exhibiting very good electrical performance.
  • the proposed method offers a particularly effective solution for improving the quality of a dielectric layer, for example of alumina, and for improving the quality of the interface of this dielectric layer with the underlying structure.
  • the proposed method is then particularly advantageous for producing alumina gate dielectrics in order to manufacture high electron mobility transistors (HEMTs).
  • HEMTs high electron mobility transistors
  • the GaN-based layer on which the alumina-based layer is formed consists of GaN.
  • the present invention also extends to embodiments in which the GaN-based layer on which the alumina-based layer is formed is a layer made of a gallium nitride and of at least one among indium and aluminum.
  • this GaN-based layer can be GaN, AIGaN, InGaN or AlinGaN.
  • the structure on which the dielectric layer, for example the alumina layer, is deposited is based on a material taken from among the III-N materials other than a layer based on GaN.
  • all the examples, characteristics, steps and technical advantages mentioned above with reference to a structure based on GaN are applicable to a structure based on a material chosen from among the III-V materials.
  • the dielectric layer is an alumina layer
  • the invention also extends to processes which allow the production of a dielectric layer other than alumina.
  • this process can be implemented to produce a layer made of one of the following materials or comprising one of the following materials: Hf0 2 , Zr0 2 , Ta 2 0 5 , or Ti0 2 , Si0 2 , SiN and AIN.
  • the precursor used for thermal deposition for plasma deposition can be taken from one of the following materials: Hafnium (Hf), titanium (Ti), Zirconium (Zr), Tantalum (Ta), silicon (Si) .
  • the dielectric layer is formed by two films composed of identical materials (alumina in this non-limiting example)
  • the invention also extends to the embodiments in which the first film is made of a different material than the second film.
  • the first film/second film pair can be formed from one of the following pairs: Al 2 0 3 /Hf0 2 , Al 2 0 3 /Zr0 2 , Al 2 0 3 /Ti0 2 , Al 2 0 3 /Si0 2.
  • the given species on which the chemistry of the plasma is based is oxygen-based
  • the invention extends to the case where this plasma is based nitrogen.
  • the structure is a layer. Nevertheless, all the examples, characteristics, steps and technical advantages mentioned above with reference to a structure forming a layer are applicable to a structure not forming a layer but forming a point structure, for example a three-dimensional relief.
  • the structure can be a nanostructure or comprise a plurality of nanostructures.

Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation, sur une structure (70) à base d'un matériau lll-V, d'une couche diélectrique (71), le procédé comprenant les séquences suivantes effectuées : • - réaliser un premier film diélectrique (71A) par ALD en effectuant une pluralité de premiers cycles (IA) comprenant chacun au moins: • •une injection (10A) dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'un premier matériau, • • une injection (30A) dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'eau (H 2O) ou d'ozone (0 3), • - réaliser, sur le premier film diélectrique (71A), un deuxième film diélectrique (71 B) par ALD assisté par plasma en effectuant une pluralité de deuxièmes cycles (1 B) comprenant chacun au moins : • • une injection (10B) dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'un deuxième matériau, • • une injection (30B) dans la chambre de réaction (210) d'un précurseur à base d'oxygène (O) ou d'azote (N).

Description

« Procédé de réalisation d’une couche diélectrique sur une structure en matériaux lll-V » DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne la réalisation d’une couche diélectrique, par exemple à base d’alumine (Al203) sur une structure, telle qu’une couche ou des nanostructures à base de matériaux lll-V. 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.
L’une des applications particulièrement avantageuses concerne la réalisation des diélectriques de grille en alumine pour fabriquer des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE L’alumine est un diélectrique de grille classiquement utilisé pour les transistors
HEMTs à base de nitrure de gallium (GaN).
Habituellement, la réalisation d’une couche alumine s’effectue par dépôt par couche atomique, habituellement désigné par l’acronyme ALD du vocable anglais « atomic layer déposition ». Les techniques d’ALD reposent sur un procédé de croissance autolimitant dans lequel le matériau est déposé couche par couche. Il est ainsi possible de concevoir des films à l’échelle nanométrique.
D’une manière générale, la technique ALD consiste à injecter séquentiellement des précurseurs d’une première espèce (réactif A), puis des précurseurs d’une deuxième espèce (réactif B) dans la chambre de réaction d’un réacteur. La figure 1 illustre différentes étapes d’un exemple de cycle 1 de dépôt ALD.
Une première étape 10 consiste à injecter le réactif A qui réagit avec la surface découverte du substrat par chimisorption. On effectue ensuite une étape de purge 20 pour éliminer les réactifs A n’ayant pas réagi ainsi que les produits réactionnels. On injecte 30 ensuite le réactif B qui réagit avec la surface découverte par chimisorption. On effectue ensuite une étape de purge 40 pour éliminer les réactifs B n’ayant pas réagi ainsi que les produits réactionnels.
Pour obtenir une couche d’épaisseur souhaitée, ce cycle 1 est répété de manière séquentielle. En figure 1, la flèche en pointillés et le nombre N illustrent ce caractère itératif et le nombre de cycles effectués.
Le dépôt d’alumine (Al203) par ALD, peut se faire ; soit par l’ALD dite « thermique », dans ce cas le précurseur à base d’oxygène est de l’eau (H20) ou de l’ozone (03) ; soit par l’ALD dite « plasma», dans ce cas le précurseur à base d’oxygène est un plasma à base de dioxygène (02).
Le document US 2015/0137138 A1 divulgue un procédé de fabrication d’un transistor comprenant le dépôt, sur une couche de GaN surmontée d’une couche AIGaN, d’une première couche de grille et d’une deuxième couche de grille en alumine.
Le document US2016/0013282 A1 divulgue un procédé de dépôt, sur une couche GaN, d’une première couche de grille et d’une deuxième couche de grille, par exemple en alumine.
Les propriétés des couches d’alumine déposées restent toutefois améliorables.
En dépit de l’existence de ces techniques connues de dépôt par ALD, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une couche diélectrique, telle qu’une couche d’alumine déposée par ALD.
De manière plus générale, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une couche diélectrique déposée sur une couche ou des nanostructures à base de 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 DE L'INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de réalisation, sur une structure à base d’un matériau lll-V, d’une couche diélectrique comprenant au moins un matériau diélectrique susceptible d’être déposé par dépôt par couche atomique (ALD) en utilisant un précurseur à base d’eau (H20), d’ozone (03) ou de dioxygène (02). Le procédé comprend les séquences suivantes effectuées dans un réacteur plasma comportant une chambre de réaction à l’intérieur de laquelle est disposée ladite structure : réaliser un premier film diélectrique par ALD en effectuant une pluralité de premiers cycles comprenant chacun au moins :
• une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’un premier matériau,
• une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’eau (H20) OU d’ozone (03). Le premier film diélectrique comprend au moins le premier matériau et de l’oxygène. réaliser, sur le premier film diélectrique, un deuxième film diélectrique par
ALD assisté par plasma en effectuant une pluralité de deuxièmes cycles comprenant chacun au moins :
• une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’un deuxième matériau,
• une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’une espèce donnée, prise parmi l’oxygène et l’azote et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma à base de ladite espèce, le deuxième film diélectrique comprenant au moins le deuxième matériau et ladite espèce.
Il été constaté, que, de manière surprenante, la couche diélectrique ainsi composée d’un film « thermique » surmonté d’un film « plasma » présente des propriétés électriques significativement améliorées. Par ailleurs, la qualité de l’interface entre cette couche diélectrique et la structure qui lui est sous-jacente est également nettement améliorée.
Il est probable que ces résultats inattendus soient d’une part dus au fait que le film diélectrique thermique joue le rôle d’une couche protectrice vis-à-vis de la surface de la structure sous-jacente et d’autre part que le dépôt en mode plasma permette d’améliorer les caractéristiques électriques de la couche diélectrique globale. Plus précisément, le film déposé en mode thermique limite l’oxydation par le plasma de la surface exposée de la structure sous-jacente. Au contraire, il semblerait que le dépôt en mode plasma oxyde et passive la structure sous-jacente. Par exemple, dans le cas de la réalisation d’une couche d’alumine sur du GaN, l’alumine thermique évite, voire empêche, l’oxydation de la surface exposée de GaN au niveau de l’interface AI203/GaN, alors que l’alumine plasma aurait tendance à oxyder le GaN. En outre, la présence d’une épaisseur conséquente d’alumine plasma dans la couche diélectrique permet d’améliorer les propriétés électriques de cette dernière. De préférence, dans la pluralité de premiers cycles, un précurseur à base ou fait d’eau (H20) est injecté dans la chambre de réaction. Le précurseur à base d’eau est moins oxydant qu’un précurseur à base d’ozone, et donc moins réactif avec la couche sous-jacente. Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence, de façon surprenante, que le précurseur à base d’eau permettait de limiter et de préférence d’éviter une dégradation de la couche sous-jacente de la structure par rapport aux solutions existantes, notamment celles mettant en œuvre un précurseur à base d’ozone. Les propriétés de la couche diélectrique déposée sur la couche sous-jacente à base de matériaux lll-V, ainsi que l’interface entre ces couches, sont 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, le premier matériau est identique au deuxième matériau. Alternativement, le premier matériau est différent du deuxième matériau.
Selon un exemple, le plasma à base de ladite espèce est un plasma à base d’oxygène (O) crée à partir d’un précurseur constitué de dioxygène (02) ou comprenant du dioxygène (02).
Selon un exemple, le plasma à base de ladite espèce est un plasma à base d’azote (N) crée à partir d’un précurseur constitué de diazote (N2) ou comprenant du diazote (N2). Selon un exemple, au moins l’un parmi le premier matériau et le deuxième matériau est pris parmi l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), Tantale (Ta), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), silicium (Si).
Selon un exemple, le premier film diélectrique est pris parmi les matériaux suivants : Al203, Hf02, Ti02, Ta205, Zr02, Si02, et SiN. Selon un exemple, le deuxième film diélectrique est pris parmi les matériaux suivants : Al203, Hf02, Ti02, Ta205, Zr02, Si02, SiN et AIN.
Selon un exemple, le premier matériau et le deuxième matériau sont de l’aluminium, le premier film diélectrique et le deuxième film diélectrique sont en Al203. Selon un exemple, le précurseur à base du premier matériau et le précurseur à base du deuxième matériau sont pris parmi le triméthylaluminium et le trichlorure d’aluminium.
Selon un exemple, le premier film diélectrique présente une épaisseur e71A et le deuxième film diélectrique présente une épaisseur e71B, avec e71A<e71B. De préférence, e71A est compris entre 0,5 et 2 nm.
De préférence e71B>1,5*e71A, et de préférence e71B>3*e71A. Selon un exemple, le premier film diélectrique présente une épaisseur e71A, telle que e71A ³ 0.5 nm. Cette épaisseur permet de limiter efficacement l’oxydation de la surface de la structure sous- jacente la couche électrique. Selon un exemple, le premier film diélectrique présente une épaisseur e71A, telle que e71A £ 2 nm (109 mètres). Cette épaisseur permet que les caractéristiques de la couche diélectrique soient principalement dictées par la couche réalisée par dépôt plasma. Selon un exemple, l’épaisseur du premier film diélectrique est strictement inférieure à 2 nm, et de préférence inférieure ou égale à 1,7 nm. De façon surprenante, une épaisseur strictement inférieure à 2 nm, et de préférence inférieure ou égale à 1,7 nm, permet d’obtenir des qualités électriques satisfaisantes pour la couche 71.
Selon un exemple, le deuxième film diélectrique présente une épaisseur e71B, telle que e71B ³ 5 nm. Cette épaisseur permet que les caractéristiques de la couche diélectrique soient principalement dictées par la couche réalisée par dépôt plasma. Selon un exemple, chaque deuxième 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 du deuxième matériau et avant la formation du plasma, et après la formation du plasma.
Selon un exemple, chaque deuxième cycle comprend, au moins une étape de stabilisation des gaz présents dans la chambre de réaction, l’étape de stabilisation étant effectuée au moins avant la formation du plasma. Selon un exemple, au cours de certains au moins des premiers cycles, et de préférence au cours de chaque premier cycle, l’injection du précurseur à base du premier matériau est effectuée après l’injection dans la chambre de réaction du précurseur à base d’eau (H20) ou d’ozone (03). Selon un exemple, au cours de certains au moins des deuxièmes cycles, et de préférence au cours de chaque deuxième cycle, l’injection du précurseur à base du deuxième matériau est effectuée après l’injection dans la chambre de réaction du précurseur à base à base de l’espèce donnée et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma. Selon un exemple, la structure est une prise parmi : une couche, une structure en trois dimensions, une pluralité de structures en trois dimensions.
Selon un exemple, la structure est à base d’un matériau pris parmi les matériaux lll-N. Selon un exemple le matériau peut être du GaN. Ainsi la structure est faite de
GaN ou est à base de GaN. Selon un exemple, le deuxième film diélectrique est formé directement au contact du premier film diélectrique. Selon un exemple, le premier film diélectrique est formé directement au contact de la structure.
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’étendant pas sur toute la plaque. Ainsi, une face de la plaque s’étend principalement dans un plan et des nanostructures s’étendent à partir de cette face et selon une direction perpendiculaire à ce plan. C’est nanostructures sont donc discontinues.
Selon un exemple, la structure est disposée sur un substrat situé dans la chambre de réaction, et, lors de la formation du plasma, on applique au substrat une tension de polarisation Vbias, dans la suite désignée V iaS-substrat, de préférence non nulle.
Grâce à ce contrôle de la polarisation du substrat, l’énergie des ions qui arrivent sur la surface exposée du substrat est parfaitement maîtrisée. De manière inattendue et particulièrement avantageuse, la polarisation de la structure lors de l’injection du précurseur à base de l’espèce donnée permet d’améliorer considérablement la qualité de la deuxième couche diélectrique.
L’application d’une tension de polarisation VbiaS-substrat au substrat permet d’augmenter l’énergie des ions du plasma de façon contrôlée et indépendante de la tension de polarisation VpiaSma induite par la source utilisée pour générer le plasma. 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.
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 former une partie au moins d’un dispositif à base de GaN tel qu’un HEMT, l’application d’une tension de polarisation permet ainsi d’augmenter considérablement les performances de tels dispositifs. Tel est le cas lorsque la couche diélectrique forme un diélectrique de grille pour ce type de transistors.
Selon un exemple, la tension de polarisation V ias_substrat est contrôlée de manière indépendante d’une tension Vpiasma induite par une source dudit plasma. Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation IV ias.SUbstrat I est inférieure ou égale à 160 Volts.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation IV ias.SUbstrat I est supérieure ou égale à 10 Volts.
Selon un exemple, lequel IVbias.SUbstratl est comprise entre 10 Volts et 130 Volts et de préférence V ias.SUbstratest comprise entre -10 Volts et -130 Volts. Selon un exemple, IV iaS-substratl est égale à 85 Volts.
Selon un exemple, la tension de polarisation VbiaS-substrat est appliquée pendant au moins 70%, et de préférence 90%, de la durée T0 de la formation du plasma. Selon un exemple, la tension de polarisation V ias-substrat est appliquée pendant toute la durée T0 de la formation du plasma.
Selon un exemple, la tension de polarisation V ias_substrat n’est pas appliquée durant l’injection dans la chambre de réaction du précurseur à base du deuxième matériau. De préférence, la tension de polarisation V ias_substrat est appliquée uniquement durant la formation plasma. Alternativement, V ias_substrat est appliquée durant toute la durée de chaque deuxième cycle.
Selon un exemple, lequel chaque premier et deuxième 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 du premier matériau, après l’injection du précurseur à base d’eau, après l’injection du précurseur à base du deuxième matériau, et avant la formation du plasma, et après la formation du plasma. Selon un exemple, le procédé comprend au moins dix premiers cycles et de préférence au moins cinquante premiers cycles. De préférence il comprend au moins cents premiers cycles et de préférence environ cinq cents premiers cycles.
Selon un exemple, le procédé comprend au moins dix deuxièmes cycles et de préférence au moins cinquante deuxièmes cycles. De préférence il comprend au moins cents deuxièmes cycles et de préférence environ cinq cents deuxièmes 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 classique d’un dépôt ALD.
La figure 2 représente schématiquement un exemple de procédé selon l’invention. Cette figure fait apparaître que ce procédé comprend une première séquence au cours de laquelle un premier cycle est réitéré puis une deuxième séquence au cours de laquelle un deuxième cycle est réitéré. La figure 3 est un schéma d’un dispositif capacitif de type Métal-lsolant-Semi- conducteur comprenant des contacts métalliques (nickel/or), une couche diélectrique, par exemple d’alumine, surmontant une structure, par exemple une couche de GaN.
La figure 4 représente de manière schématique un exemple de réacteur de dépôt pouvant être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.
La figure 5A est un graphe illustrant les caractéristiques capacité - tension (C-V) d’un dispositif tel que celui de la figure 3 et comportant une couche d’alumine thermique uniquement.
La figure 5B est un graphe illustrant les mesures des caractéristiques capacité - tension (C-V) de dispositifs tel que celui de la figure 3 et comportant une couche d’alumine plasma uniquement. Ces courbes permettent également de comparer l’impact des tensions de polarisation utilisées pour le dépôt.
La figure 6 comporte des graphes, tirés des mesures des figures 5B et 5A et illustrant la tension de la courbe aller pour une capacité donnée, l’hystérésis entre le balayage aller et retour pour une capacité donnée, ainsi que la pente de la courbe aller.
La figure 7 est un graphe illustrant les caractéristiques capacité - tension (C-V) de dispositifs comportant une couche d’alumine thermique uniquement ou une couche d’alumine plasma uniquement ou encore une bicouche formée d’un film d’alumine thermique et d’un film d’alumine plasma.
La figure 8 comporte des graphes, tirés des mesures de la figure 6 et illustrant la tension de la courbe aller pour une capacité donnée, l’hystérésis entre le balayage aller et retour pour une capacité donnée, ainsi que la pente de la courbe aller.
La figure 9 est un graphe illustrant les caractéristiques capacité - tension (C-V) de dispositifs comportant une bicouche d’alumine formée d’un film d’alumine thermique et d’un film d’alumine plasma. Les dispositifs étudiés diffèrent par la proportion relative du film d’alumine plasma par rapport au film d’alumine thermique, ainsi que par la tension de polarisation utilisée pour le dépôt du film d’alumine plasma.
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 3, les épaisseurs des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION On entend par film diélectrique thermique, film d’alumine thermique ou alumine thermique, respectivement un film diélectrique, un film d’alumine et de l’alumine réalisés par un dépôt dit thermique.
On entend par film diélectrique plasma, film d’alumine plasma ou alumine plasma, respectivement un film diélectrique, un film d’alumine et de l’alumine réalisés par un dépôt dit plasma.
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 matériaux lll-V peut être : soit, préférentiellement, un empilement comprenant la structure à base de matériau lll-V et une couche, typiquement une couche de support sur laquelle repose la structure, - soit un empilement comprenant uniquement la structure à base 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 d’un matériau lll-V désigne également un substrat dont la couche à base du 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 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’oxygène peut être basé sur une chimie comprenant uniquement du dioxygène ou comprenant du dioxygène et éventuellement une ou plusieurs autres espèces, par exemple des gaz neutres.
De même, 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 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 ».
Description des figures
Le principe général de la présente invention va maintenant être décrit en référence aux figures 2 et 3.
La figure 2 illustre les différentes étapes qui interviennent à chaque réalisation d’une couche diélectrique 71 sur une structure 70 à base d’un matériau lll-V. Ces étapes sont répétées plusieurs fois jusqu’à ce que cette couche diélectrique présente l’épaisseur souhaitée. La figure 3 illustre un exemple de structure que l’on peut obtenir en mettant en œuvre le procédé de la figure 2.
Le procédé proposé repose sur le dépôt de la couche diélectrique 71 sous forme d’un empilement de deux films 71 A et 71 B formant ainsi une bicouche 71.
Le premier film 71 A est déposé en mode dit « thermique », c’est-à-dire avec un précurseur à base d’eau (H20) ou d’ozone (03). Ce premier film 71 A a pour effet de limiter l’oxydation de la surface 70’ de la structure 70 sur laquelle est déposée la couche diélectrique. De préférence, un précurseur à base ou fait d’eau (H20) est utilisé. L’oxydation de la surface 70’ de la structure 70 sur laquelle est déposée la couche diélectrique est alors encore limitée, l’eau (H20) étant moins oxydante que l’ozone (03) pour la surface 70’ de la structure 70 sous-jacente.
Le deuxième film 71B est déposé en mode dit « plasma », c’est-à-dire avec formation d’un plasma. Il s’agit d’un plasma à base d’une espèce donnée, prise parmi l’oxygène (O) et l’azote (N). La plasma est formé par injection d’un gaz comprenant ladite espèce. Il peut s’agir par exemple de dioxygène (02) ou de diazote (N2). Ce deuxième film 71 B a pour avantage d’améliorer les propriétés électriques de la couche diélectrique 71 par rapport au dépôt thermique. Ce deuxième film 71 B permet donc d’améliorer les performances du dispositif comprenant cette couche diélectrique 71. Préférentiellement, ces deux films 71 A, 71 B sont réalisés in-situ dans un même réacteur plasma de dépôt configuré pour effectuer des dépôts par couche atomique assisté par plasma (PEALD). Un exemple de réacteur plasma de dépôt sera décrit par la suite en référence à la figure 4.
Avant de procéder à la réalisation de ces deux films 71A, 71 B, on dispose, dans une chambre de réaction du réacteur, un substrat comprenant la structure 70 destinée à recevoir ces deux films 71 A, 71 B. Une telle structure 70 est à base d’un matériau III- V, par exemple à base d’un matériau lll-N.
Dans l’exemple non limitatif illustré en figure 3 et qui va être décrit en détail par la suite, cette structure 70 est à base de GaN. Plus précisément, cette structure 70 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 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 peut être formé uniquement de cette structure 70 en matériau lll-V. De manière alternative, ce substrat peut comprendre une couche de support surmontée au moins d’une telle structure 70. La structure 70 présente une surface libre 70’, exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction. Le procédé comprend les séquences et étapes principales suivantes illustrées en figure 2. Le procédé comprend deux séquences.
Une première séquence vise à réaliser le premier film 71 A déposé en mode « thermique ». Une deuxième séquence vise à réaliser le deuxième film 71 B déposé en mode « plasma». Chacune de ces séquences est détaillée ci-dessous.
La première séquence comprend l’itération de plusieurs cycles référencées 1A en figure 2. Chaque cycle 1A comprend au moins les étapes suivantes.
Une première étape comprend l’injection 10A dans la chambre de réaction 210 d’un précurseur à base d’un premier matériau. Ce premier matériau est pris parmi l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), Tantale (Ta), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), silicium (Si).
Une deuxième étape est une étape de purge 20A. Cette purge 20A est effectuée pour éliminer l’excès du précurseur à base du premier matériau, c’est-à-dire pour évacuer les réactifs du précurseur à base du premier matériau 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) ou du diazote (N2). Cette étape, bien qu’avantageuse, est uniquement optionnelle.
Une troisième étape comprend une injection 30A dans la chambre de réaction 210 d’un précurseur à base d’eau (H20), de préférence sous forme de vapeur. De manière alternative ou combinée, il peut s’agir d’une injection d’un précurseur à base d’ozone (03).
Une quatrième étape est une étape de purge 40A. Cette purge 40A est effectuée pour éliminer l’excès du précurseur à base d’eau (H20), ainsi que les produits réactionnels ou d’ozone (03).
La flèche en trait plein donne une indication, à titre d’exemple uniquement, des durées relatives du cycle et de chacune de ses étapes.
On notera que la première étape est la troisième étape peuvent être inversées en étant chacune accompagnée d’une étape de purge. Ainsi, en alternative aussi qu’illustré en figure 2, le procédé peut être mis en œuvre sur la chronologie suivante : 30A, 40A, 10A, 20A.
Chaque cycle 1A permet la formation d’une portion du film diélectrique « thermique ».
Au cours de cette séquence, ce cycle 1A est répété NA fois comme l’illustre la figure 2. Au terme de cette séquence, le film 71 A diélectrique réalisé présente une épaisseur e71A.
À l’issue de cette première séquence, et donc à l’issue du dernier cycle 1A, on effectue une deuxième séquence. Cette première séquence comprend l’itération de plusieurs cycles référencées 1 B en figure 2. Les cycles 1 B sont effectués après que tous les cycles 1A ont été effectués et achevés. Chaque cycle 1B comprend au moins les étapes suivantes.
Une première étape comprend l’injection 10B dans la chambre de réaction 210 d’un précurseur à base d’un deuxième matériau. Ce deuxième matériau est pris parmi l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), Tantale (Ta), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf), silicium (Si). Une deuxième étape est une étape de purge 20B. Cette purge 20B est effectuée pour éliminer l’excès du précurseur à base du deuxième matériau. Typiquement, cette étape comprend l’injection dans la chambre de réaction 210 d’un gaz neutre.
Une troisième étape 30B comprend l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’une espèce donnée, puis la formation d’un plasma 32B dont la chimie comprend cette espèce. Cette espèce peut être de l’oxygène. Dans ce cas, le gaz injecté peut par exemple être du dioxygène ou comprendre du dioxygène. Alternativement, cette espèce peut être de l’azote. Dans ce cas, le gaz injecté peut par exemple être du diazote ou comprendre du diazote. Cette troisième étape 30B, peut comprendre une phase de stabilisation 31 B des gaz utilisés pour le plasma à base de l’espèce donnée. Cette phase de stabilisation 31 est effectuée après injection d’un précurseur à base de l’espèce donnée et avant la formation 32B du plasma.
Une quatrième étape est une étape de purge 40B. Cette purge 40B est effectuée pour éliminer l’excès du précurseur à base de l’espèce donnée.
On notera que la première étape est la troisième étape peuvent être inversées en étant chacune accompagnée d’une étape de purge. Ainsi, en alternative aussi qu’illustré en figure 2, le procédé peut être mis en œuvre sur la chronologie suivante : 30B, 40B, 10B, 20B. Chaque cycle 1B permet la formation d’une portion du film diélectrique «plasma».
Au cours de cette séquence, ce cycle 1B est répété NB fois comme l’illustre la figure 2. Au terme de cette séquence, le film 71 B diélectrique réalisé présente une épaisseur e71B.
Toutes les étapes de purge 40A, 20B, 30B peuvent être effectuées de la manière décrite en référence à l’étape de purge 20A.
La séquence plasma est effectuée uniquement après la séquence thermique.
Typiquement, à l’issue d’un cycle l’épaisseur du film 71A ou 71 B formé est inférieure à 1,5 Angstrom (101° mètres). De préférence cette épaisseur est inférieure à 1,2 Angstrom. De préférence, cette épaisseur est comprise entre 0,8 Angstrom et 1,2 Angstrom.
De manière particulièrement avantageuse, la couche diélectrique 71 ainsi réalisée et composée du film thermique 71 A surmonté du film plasma 71 B présente des propriétés électriques significativement améliorées. Par ailleurs, la qualité de l’interface entre cette couche diélectrique 71 et la structure 70 qui lui est sous-jacente est également nettement améliorée. Ces résultats semblent dus au fait que le film diélectrique thermique 71 A joue le rôle d’une couche de passivation vis-à-vis de la surface 70’ de la structure 70 sous-jacente et que le film diélectrique plasma 71 B permette d’améliorer les caractéristiques électriques de la couche diélectrique globale. Plus précisément, le film thermique 71 A limite l’oxydation par le plasma de la surface exposée 70’ de la structure 70. Au contraire, il semblerait que le dépôt plasma oxyde et passive la structure 70 sous-jacente.
Afin de ne pas dégrader les qualités électriques de la couche diélectrique 71 il est préférable que l’épaisseur e71Adu film thermique 71 A soit inférieure à l’épaisseur du film diélectrique plasma 71 B. Ainsi e71B>e71A. De préférence e71A>0,5 nm. De préférence e71B>1 ,5*e71A, et de préférence e71B>3*e71A. De préférence, e71A est inférieure ou égale à 2 nm. Selon un exemple, l’épaisseur du premier film 71A est strictement inférieure à 2 nm, et de préférence inférieure ou égale à 1 ,7 nm. Lors du développement de l’invention il a été mis en évidence que, de façon surprenante, qu’une épaisseur strictement inférieure à 2 nm, et de préférence inférieure ou égale à 1 ,7 nm, permet d’obtenir des qualités électriques satisfaisantes pour la couche 71, par exemple en ce que qui concerne la mobilité des porteurs de charge. De préférence, l’épaisseur du film plasma e71B est supérieure ou égale à 5 nm. Cela permet d’avoir une couche diélectrique globale présentant de très bonnes performances électriques.
Par ailleurs, afin que le film diélectrique thermique 71 A limite efficacement l’oxydation de la structure 70, il faut que son épaisseur e71A soit suffisante. De préférence e71A ³ à 0.5 nm. De préférence elle est égale à 1.2 nm.
Selon un mode de réalisation optionnel, lors de la formation 32B du plasma, on applique une polarisation sur la structure 70 à base 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 de polarisation 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 de polarisation V ias-piasma induite par la source. En pratique, la chambre de réaction comprend un plateau de réception du substrat. Le plateau est conducteur électriquement et la tension de polarisation V ias_ substrat est appliquée à ce plateau également désigné porte échantillon, supportant le substrat. On peut ainsi dire que cette tension est transmise au substrat et ainsi à la structure 70. 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, que le substrat 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. La tension de polarisation appliquée au substrat V ias_ substrat peut être nulle, ce qui n’est pas équivalent à ne pas appliquer une tension au substrat. Par exemple, le substrat peut être polarisé intrinsèquement à une tension différente de 0. On comprend avec cet exemple qu’une tension de polarisation peut être appliquée au substrat de sorte que V ias-substrat soit égale à 0V. Dans le cadre du procédé proposé, on applique une polarisation sur V ias-SUbstrat de préférence non nulle, par exemple 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 :
Eion — ( Yplasma Vbias-substrat)
L’application de cette tension de polarisation, V ias.SUbstrat apporte des avantages considérables. En particulier, cette polarisation permet d’améliorer la qualité du deuxième film 71 B. 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 70a du substrat 70. La qualité du deuxième film 71 B et la qualité de l’interface de ce deuxième film 71 B et le premier film 71 A 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.
Les figures 5B, 6, 8, 9 qui seront décrites par la suite en détail, explicitent les avantages conférés par l’application de cette tension de polarisation V ias.SUbstrat optionnelle lors de l’étape de formation 32B du plasma.
Selon un exemple, la tension de polarisation V ias.SUbstrat appliquée est inférieure à 160 volts de préférence inférieure à 130 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 V iaS-substrat est appliquée uniquement durant le plasma à base d’azote ou d’oxygène 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 ou l’oxygène nécessitent beaucoup plus d’énergie et nécessite donc un plasma pour le décomposer. Par conséquent, il est possible d’appliquer Vbias-substrat uniquement durant le plasma à base d’azote ou d’oxygène. Alternativement, Vbias-substrat est appliquée durant tout le deuxième cycle. La figure 4 illustre un schéma d’un réacteur plasma qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé proposé. De préférence, les séquences de dépôt en mode thermique et en mode plasma sont effectuées in situ dans ce même réacteur.
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. Le substrat repose sur le plateau 220 par une surface arrière. La surface 70a du substrat, opposée à sa surface arrière, est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 210. Dans cet exemple non limitatif, le substrat forme la structure sur laquelle on souhaite déposer la couche diélectrique par exemple une couche d’alumine. Cette surface 70a avant du substrat constitue donc la surface 70’ de la structure 70. 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 4, la source plasma 260 est déportée par rapport à la chambre de réaction 210. Ainsi, la tension Vpiasma est déportée du substrat. Cette tension de polarisation VpiaSma n’est pas appliquée au substrat. 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 280 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 280 comprend un dispositif de contrôle 281 et permet d’appliquer une tension alternative sur le plateau 220. De préférence on prévoit 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 280 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 280 et la source plasma 260 sont configurés de sorte à pouvoir régler la tension de polarisation VbiaS-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.
Les effets techniques et avantages du procédé proposé vont maintenant être décrits en détail en référence aux figures 5A à 9. Ces figures 5A à 9 illustrent les propriétés électriques des couches diélectriques réalisées en mettant en œuvre le procédé proposé. Plus précisément, sur les figures 5A, 5B, 7 et 9 ces propriétés sont illustrées par des courbes issues de mesure de la capacité en fonction de la tension sur des dispositifs capacitifs de type Métal-lsolant-Semi-conducteur. Un exemple de ces dispositifs capacitifs est illustré en figure 3.
Le dispositif capacitif illustré en figure 3 comprend une couche de GaN, par exemple formant ladite structure 70 assimilable dans cet exemple à un substrat. La structure 70 est surmontée, en étant de préférence directement en contact, d’une couche diélectrique 71 d’alumine. Ainsi, le premier film 71A est une couche d’alumine déposée en mode thermique et le deuxième film 71 B est une couche d’alumine déposée en mode plasma. Des plots 72 de nickel et d’or surmontent la couche d’alumine 71. Des pointes 73, 74 sont posées sur les plots 72 pour réaliser les mesures électriques.
On notera que selon les propriétés que l’on cherche à mettre en avant dans les exemples ci-dessous, le dispositif capacitif illustré en figure 3 peut ne comprendre que l’un seulement des films 71 A et 71 B. Tel est le cas pour les courbes des figures 5A, 5B, 6 notamment.
Les figures 5A et 5B illustrent la caractéristique capacité/tension (C-V) pour un film d’alumine thermique (figure 5A) et pour un film d’alumine plasma (figure 5B).
Pour l’alumine plasma, différentes tensions de polarisation, indiquées sur les courbes 501-505, ont également été appliquées. Ainsi, la courbe 501 correspond à un film d’alumine plasma déposé avec une tension de polarisation nulle; la courbe 502 correspond à un film d’alumine plasma déposé avec une tension de polarisation de - 170 volts (V); la courbe 503 correspond à un film d’alumine plasma déposé avec une tension de polarisation de -130V; la courbe 504 correspond à un film d’alumine plasma déposé avec une tension de polarisation de -85V; la courbe 505 correspond à un film d’alumine plasma déposé avec une tension de polarisation de -50V.
Pour tous les dépôts des films d’alumine plasma, le nombre NB de cycle (cycle 1B illustré en figure 2) est constant. Dans cet exemple NB = 125. La fréquence de la mesure est 10 kHz, le balayage a été réalisé de -5V à +5V puis de +5V à -5V. La taille des plots mesurés est de 600 pm. II ressort de ces courbes que les caractéristiques électriques des films d’alumine, dépendent fortement des conditions suivantes : nature du dépôt : dépôt en mode thermique ou dépôt en mode plasma
- valeur de la tension de polarisation pour le dépôt en mode plasma.
Les caractéristiques électriques impactées par ces conditions sont notamment : la tension des courbes, modification de la pente dans le régime de désertion, l’hystérésis et également la capacité maximale.
Pour quantifier ces variations, les paramètres suivants ont été extraits des C-V des figures 5A et 5B: la tension de la courbe aller pour une capacité prise arbitrairement à 8x10-10 F. Cette caractéristique est illustrée par le graphe 601 de la figure 6 dont l’axe des ordonnées est désigné Vde la courbe aller, que l’on peut traduire en anglais par Vinterp.forward, l’hystérésis entre le balayage aller et retour pour la même capacité. Cette caractéristique est illustrée par le graphe 602 de la figure 6 dont l’axe des ordonnées est désigné (Hystérésis V) ; la pente de la courbe aller entre une capacité de 5 et 8x10-10 F. Cette caractéristique est illustrée par le graphe 603 de la figure 6 dont l’axe des ordonnées est désigné « pente de la courbe avant aller », que l’on peut traduire en anglais par « forward slope ». D’après la figure 6, on constate une nette amélioration des trois paramètres lorsqu’on compare l’alumine thermique avec l’alumine plasma déposée sans tension de polarisation (tension de polarisation^ V). En effet, en passant de l’alumine thermique à l’alumine plasma on note une augmentation Vde ia ¥uG¾b aiier (graphe 603) ce qui indique un décalage vers des tensions positives des C-V. C’est l’effet désiré pour obtenir des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) avec une tension de seuil positive (« normally-off »). On remarque également une diminution de l’hystérésis (graphe 602) et une augmentation de la pente dans le régime de désertion (graphe 601), synonyme d’une amélioration : de la qualité de l’interface AI203/GaN entre l’alumine et la couche de GaN sur laquelle repose l’alumine. de la qualité de l’alumine plasma.
Lorsque la tension de polarisation varie de 0 à -170V, Vde ia ¥urbe aiier (graphe 603) augmente jusqu’à une tension de polarisation de -85 V puis diminue fortement. Quant à l’hystérésis (graphe 602) et la pente dans le régime de désertion (graphe 601), tous deux diminuent de façon monotone. Bien qu’une dégradation de la pente, donc de l’interface AI203/GaN, est observée, l’utilisation d’une tension de polarisation de -85V est judicieuse pour décaler positivement les caractéristiques C-V.
La figure 8 permet de comparer les propriétés de la bicouche d’alumine comportant le film d’alumine thermique 71A et le film d’alumine plasma 71 B aux couches d’alumine obtenues par procédé thermique classique ou plasma classique.
Cette figure 8 illustre les mesures C-V pour : de l’alumine déposée par un procédé thermique (courbe 701). un procédé plasma (courbe 702). des procédés combinant dépôt thermique et plasma (courbes 703, 704). L’axe des abscisses indique la fraction d’alumine plasma dans la couche d’alumine globale. Ainsi, lorsque la fraction d’alumine plasma est nulle, cela signifie que la couche d’alumine est entièrement formée par un dépôt thermique.
Pour tous ces dépôts, le nombre de cycles total est ici encore de 125. Les dépôts avec plasma (courbes 702, 703, 704) ont été réalisés sans polarisation du substrat (tension de polarisation = 0V). La couche d’alumine de la courbe 703 a été obtenue en effectuant 10 cycles 1A thermique et 115 cycles 1B plasma. La couche d’alumine de la courbe 704 a été obtenue en effectuant 45 cycles 1A thermique et 80 cycles 1B plasma. On constate sur cette figure 8 une variation importante des C-V pour les différentes bicouches testées. Pour quantifier ces variations, les mêmes paramètres que précédemment ont été extraits des C-V de la figure 8 et rassemblés en figure 8 sous forme des graphes 801, 802, 803.
Ce graphe permet de constater la nette amélioration des propriétés électriques de la couche d’alumine réalisée en mettant en œuvre le procédé proposé combinant dépôt en mode thermique et dépôt en mode plasma. En effet, la présence d’une fine couche d’alumine thermique formée avant le dépôt de l’alumine plasma permet d’obtenir des performances nettement améliorées. Plus précisément cette structure bi- couche permet d’obtenir une augmentation Vde ia courbe aiier (graphe 803) tout en conservant une excellente pente de la courbe aller (graphe 801) et une très faible hystérésis (graphe 802). Dans cet exemple, la couche d’alumine 71 A thermique est fine. Elle est formée en effectuant 10 à 15 cycles. Cela conduit à une épaisseur d’environ 0,8 à 1,2 nm pour cette couche.
Il est probable que le film diélectrique thermique, ici de l’alumine thermique, joue le rôle d’une couche protectrice vis-à-vis de la surface 70’ de la structure 70, ici du GaN. Ce film thermique limite l’oxydation de la surface du GaN par le plasma et préserve ainsi l’interface AI203/GaN. Il est alors possible d’améliorer le paramètre Vde ia courbe aller tout en conservant les avantages de l’alumine plasma vus précédemment (excellente pente et faible hystérésis). Toutefois, lorsqu’une épaisseur trop importante d’alumine thermique est utilisée, les propriétés de la couche diélectrique totale d’alumine se rapprochent de celles de l’alumine thermique et se retrouvent alors dégradées. Ainsi, la couche d’alumine composée des films thermique et plasma permet d’améliorer les qualités électriques de cette couche ainsi que l’interface entre cette couche d’alumine et la structure de GaN sous-jacente. La figure 9 illustre les caractéristiques C-V pour deux couches d’alumine différentes. La courbe 901 illustre la caractéristique C-V pour une couche d’alumine déposée uniquement par voie plasma avec une tension moyenne de polarisation de - 130V. Cette couche d’alumine ne comporte donc pas de film d’alumine thermique. La courbe 902 illustre la caractéristique C-V pour une couche d’alumine, formant une bicouche d’alumine thermique et d’alumine plasma. Le film d’alumine thermique a été déposé en effectuant 15 cycles d’alumine thermique. Le film d’alumine plasma a été déposé en effectuant 110 cycles d’alumine plasma avec une tension moyenne de polarisation de -135V. II a été observé que l’application de la tension de polarisation au substrat V ias- 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 9 que, bien qu’une forte tension ait été utilisée, la bicouche d’alumine (courbe 902) présente des propriétés bien supérieures à celle de la couche d’alumine plasma (courbe 901). En particulier, on peut observer un net décalage positif, de 2V, tout en conservant une pente et une hystérésis similaires.
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.
Injection des précurseurs :
Nature des précurseurs
Les précurseurs à base d’aluminium couramment utilisés pour l’ALD ou le PEALD peuvent être utilisés tels que le triméthylaluminium ou le trichlorure d’aluminium. Ces précurseurs peuvent être utilisés pour les cycles en mode thermique 1A et en mode plasma 1B.
Pour la formation de l’alumine plasma, le précurseur à base de l’espèce donnée peut être du dioxygène (02). Durée d’injection
La durée d’injection des précurseurs doit être suffisamment longue pour saturer la surface exposée.
Par exemple, la durée d’injection du précurseur à base d’aluminium est supérieure ou égale à 20 ms. Pour l’alumine thermique, la durée d’injection de l’eau ou de l’ozone est par exemple supérieure à 50 ms (103 secondes), de préférence supérieure ou égale à 100 ms.
Pour l’alumine plasma, la durée du plasma à base de dioxygène est par exemple supérieure à 2 s, de préférence supérieure ou égale à 5 s. Ces valeurs permettent d’obtenir une qualité particulièrement élevée pour le film plasma.
Pression
Lors de la formation de l’alumine thermique, la pression de la chambre durant l’injection des précurseurs (eau ou précurseur, ozone ou à base d’aluminium) est d’au moins 10 mTorr. De préférence la pression est d’environ 80 mTorr.
Lors de la formation de l’alumine plasma, la pression de la chambre durant le plasma doit être ajustée de telle sorte à avoir une gaine non-collisionnelle. La pression de la chambre durant l’injection du précurseur à base d’aluminium est d’au moins 10 mTorr. De préférence la pression est d’environ 80 mTorr. La pression de la chambre durant le plasma à base de l’espèce donnée est inférieure à 50 mTorr. Elle est de préférence comprise entre 5 et 20 mTorr. Par exemple, elle est d’environ 15 mTorr.
Autres paramètres du plasma
La puissance RF- ICP doit être suffisamment importante pour avoir un plasma stable. Cette puissance est de préférence comprise entre 100-300W. De préférence est égale à 300W. La durée de plasma doit être suffisamment longue pour permettre l’oxydation de la couche précédant le plasma.
Comme indiqué ci-dessus, l’application d’une tension de polarisation est uniquement optionnelle. Si une tension de polarisation est appliquée, elle est comprise entre -10 V et -160 V, de préférence entre-10 V et -130 V. De préférence, elle est comprise entre -75V et -95V. De préférence elle est de l’ordre de -85V.
Etapes de purge
Les étapes de purge utilisent un gaz neutre, de préférence du diazote (N2) ou de l’argon (Ar). La durée de purge doit être suffisamment importante pour éliminer les excès de réactif et/ou les sous-produits de la réaction. Typiquement, elle est de plusieurs secondes, environ 1,5 secondes pour l’étape suivant l’injection du précurseur à base d’aluminium. Cette durée de purge est par exemple de :
- 4 secondes après l’injection de l’eau, - Au moins 4 secondes après l’injection de l’ozone, 1 ,5 seconde après le plasma à base de dioxygène.
La gamme de température du substrat sur laquelle repose la structure 70 est de préférence comprise entre 200°C et 350°C. Préférentiellement, la température de substrat est de 300°C. Paramètres de la couche diélectrique formant une bicouche:
L’épaisseur d’alumine thermique e71A est de préférence inférieure à l’épaisseur de l’épaisseur d’alumine plasma e71B.
De préférence, l’épaisseur d’alumine thermique e71A est inférieure ou égale à 2 nm. Elle est de préférence supérieure ou égale à 0.5 nm. De préférence, elle est égale à 1.2 nm. Ces valeurs permettent d’avoir une protection efficace contre l’oxydation de la couche sous-jacente, typiquement de GaN.
De préférence, l’épaisseur d’alumine plasma e71B est supérieure ou égale à 5 nm. Cela permet d’avoir une couche diélectrique globale présentant de très bonnes performances électriques. Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que le procédé proposé offre une solution particulièrement efficace pour améliorer la qualité d’une couche diélectrique, par exemple d’alumine, et pour améliorer la qualité de l’interface de cette couche diélectrique avec la structure qui lui est sous-jacente. Le procédé proposé est alors particulièrement avantageux pour réaliser des diélectriques de grille en alumine afin de fabriquer des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs).
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’alumine 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’alumine 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 diélectrique, par exemple la couche d’alumine, est déposée est à base d’un matériau pris parmi les matériaux lll-N autre qu’une couche à base de GaN. 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 d’un matériau pris parmi les matériaux lll-V.
Par ailleurs, bien que dans les exemples décrits en référence aux figures 3 à 8, la couche diélectrique est une couche d’alumine, l’invention s’étend également aux procédés qui permettent la réalisation d’une couche diélectrique autre que l’alumine. Ainsi, ce procédé peut être mis en œuvre pour réaliser une couche faite de l’un des matériaux suivants ou comprenant l’un des matériaux suivants : Hf02, Zr02, Ta205, ou de Ti02, Si02, SiN et AIN. Dans ce cas, le précurseur utilisé pour le dépôt thermique pour le dépôt plasma peut être pris parmi l’un des matériaux suivants : Hafnium (Hf), titane (Ti), Zirconium (Zr), Tantale (Ta), silicium (Si).
Par ailleurs, bien que dans les exemples décrits en référence aux figures 3 à 8, la couche diélectrique est formée par deux films composés de matériaux identiques (alumine dans cet exemple non limitatif), l’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels le premier film est composé d’un matériau différent de celui du deuxième film. Par exemple le couple premier film / deuxième film peut être formé de l’un des couples suivants : Al203/Hf02, Al203/Zr02, Al203/Ti02, Al203/Si02.
Par ailleurs, bien que dans les exemples décrits en référence aux figures 3 à 8, l’espèce donnée sur laquelle est basée la chimie du plasma est à base d’oxygène, l’invention s’étend au cas où ce plasma est à base d’azote.
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 une 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, sur une structure (70) à base d’un matériau lll-V, d’une couche diélectrique (71) comprenant au moins un matériau diélectrique susceptible d’être déposé par dépôt par couche atomique (ALD) le procédé comprenant les séquences suivantes effectuées dans un réacteur plasma (200) comportant une chambre de réaction (210) à l’intérieur de laquelle est disposée ladite structure (70): réaliser un premier film diélectrique (71 A) par ALD en effectuant une pluralité de premiers cycles (1 A) comprenant chacun au moins :
• une injection (10A) dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’un premier matériau,
• une injection (30A) dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’eau (H20), le premier film diélectrique (71A) comprenant au moins le premier matériau et de l’oxygène, réaliser, sur le premier film diélectrique (71A), un deuxième film diélectrique (71 B) par ALD assisté par plasma en effectuant une pluralité de deuxièmes cycles (1B) comprenant chacun au moins :
• une injection (10B) dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’un deuxième matériau,
• une injection (30B) dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’une espèce donnée, prise parmi l’oxygène (O) et l’azote (N) et la formation (32B) dans la chambre de réaction (210) d’un plasma à base de ladite espèce, le deuxième film diélectrique (71 B) comprenant au moins le deuxième matériau et ladite espèce.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le premier matériau est identique au deuxième matériau.
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier matériau est différent du deuxième matériau.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins l’un parmi le premier matériau et le deuxième matériau est pris parmi l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), hafnium (Hf), Tantale (Ta), zirconium (Zr), silicium (Si).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le premier film diélectrique (71 A) est pris parmi les matériaux suivants : Al203, Hf02, Ti02, Ta205, Zr02, Si02, SiN.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ou 5 dans lequel le deuxième film diélectrique (71 B) est pris parmi les matériaux suivants : Al203, Hf02,
Ti02, Ta205, Zr02, Si02, SiN et AIN.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le premier matériau et le deuxième matériau sont de l’aluminium, le premier film diélectrique (71A) et le deuxième film diélectrique (71 B) sont en Al203.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ou 7 dans lequel, le plasma à base de ladite espèce est un plasma à base d’oxygène (O) crée à partir d’un précurseur constitué de dioxygène (02) ou comprenant du dioxygène (02).
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ou 7 dans lequel, le plasma à base de ladite espèce est un plasma à base d’azote (N) crée à partir d’un précurseur constitué de diazote (N2) ou comprenant du diazote (N2).
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ou 7 dans lequel le précurseur à base du premier matériau et le précurseur à base du deuxième matériau sont pris parmi le triméthylaluminium et le trichlorure d’aluminium.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 ou 7 dans lequel le premier film diélectrique (71A) présente une épaisseur e71A et le deuxième film diélectrique (71 B) présente une épaisseur e71B, avec e71A<e71B, de préférence e71B >1,5*e71A, et de préférence e71B>3*e71A.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, 7 ou 11, dans lequel le premier film diélectrique (71 A) présente une épaisseur e71A, telle que e71A ³ 0.5 nm.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, 7, 11 ou 12, dans lequel le premier film diélectrique (71A) présente une épaisseur e71A, telle que e71A £ 2 nm (109 mètres).
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, 7, 11, 12 ou 13, dans lequel le deuxième film diélectrique (71 B) présente une épaisseur e71B, telle que e71B ³ 5 nm.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque deuxième cycle (1B) comprend, au moins une étape de purge (20B, 40B) de la chambre de réaction (210), l’étape de purge (20B, 40B) comprenant l’injection dans la chambre de réaction (210) d’un gaz neutre, l’au moins une étape de purge (20B, 40B) étant effectuée à au moins l’un et de préférence à chacun des instants suivants : après l’injection du précurseur à base du deuxième matériau et avant la formation (32B) du plasma, et - après la formation (32B) du plasma.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque deuxième cycle (1B) comprend, au moins une étape de stabilisation (31 B) des gaz présents dans la chambre de réaction (210), l’étape de stabilisation (31 B) étant effectuée au moins avant la formation (32B) du plasma.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel ladite structure est disposée sur un substrat (70) situé dans la chambre de réaction (210), et, lors de la formation (32B) du plasma, on applique au substrat (70) une tension de polarisation V iaS-substrat, de préférence non nulle.
18. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la valeur absolue de la tension de polarisation IVbiaS-substratl est inférieure ou égale à 160 Volts et de préférence dans lequel IV ias-substratl est comprise entre 10 Volts et 130 Volts.
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes 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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