EP4341984A1 - Procédé de préparation d'un composant microélectronique comprenant une couche à base d'un matériau iii-v - Google Patents

Procédé de préparation d'un composant microélectronique comprenant une couche à base d'un matériau iii-v

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Publication number
EP4341984A1
EP4341984A1 EP22730716.2A EP22730716A EP4341984A1 EP 4341984 A1 EP4341984 A1 EP 4341984A1 EP 22730716 A EP22730716 A EP 22730716A EP 4341984 A1 EP4341984 A1 EP 4341984A1
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EP
European Patent Office
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plasma
layer
substrate
equal
bias
Prior art date
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Pending
Application number
EP22730716.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Bassem Salem
Laura VAUCHE
Maxime LEGALLAIS
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Universite Grenoble Alpes, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/28008—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H01L21/28264—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being a III-V compound

Definitions

  • the present invention relates to the preparation of a microelectronic component comprising the cleaning of a layer based on an III-V material. It finds for example for advantageous application the field of micro-electronics and more particularly the fields of power electronics, sensors and optoelectronics.
  • III-V semiconductor materials make these materials particularly attractive for many applications in the field of sensors, optoelectronic components and also power electronics. These materials are generally used in multilayer stacks, at the interface with other materials such as dielectrics. The quality of these interfaces is decisive in the proper functioning of the microelectronic components comprising these stacks.
  • LEDs may comprise one or more layers based on gallium nitride (GaN) and/or indium-gallium nitride (InGaN). Defects at the interface of these layers induce recombination phenomena, degrading the operation of the LEDs.
  • GaN gallium nitride
  • InGaN indium-gallium nitride
  • HEMT high-electron-mobility transistors
  • GaN and/or AIGaN the defects at the interface between the semi- conductor and insulator strongly degrade the electrical performance of the components. In particular, this poor interface quality results in instabilities and a shift of the threshold voltage towards negative values.
  • these transistors display a positive threshold voltage, one then speaks of “normally-off” HEMT transistors.
  • wet and/or dry preparation processes are generally employed.
  • An object of the present invention is therefore to propose a solution for improving the interface between a layer of type III-V material, more particularly of type III-N, and a layer deposited subsequently.
  • a process for preparing a microelectronic component comprising: - a supply of a structure comprising an exposed layer based on an III-V material and having a surface, in a plasma reactor comprising a reaction chamber inside which a substrate comprising said structure is arranged,
  • a cleaning of the surface of the exposed layer by a cyclic plasma treatment comprising several treatment cycles, each treatment cycle comprising at least: o a purge of the reaction chamber, o an injection of at least one gas into the reaction chamber and formation of a plasma from said gas in the reaction chamber, during which a bias voltage V bias-substrate is applied to the substrate,
  • a layer based on a III-V or III-N material in interface with a layer based on an III-V material and/or based on a metal oxide, the structural defects at the layer interfaces, such as dislocations, element implantation, dangling bonds or gaps, as well as surface contamination such as oxidation of III-V and III-N materials or carbon contamination will degrade the properties of the microelectronic component obtained.
  • a cyclic plasma treatment allows a considerably improved cleaning of the surface of the exposed layer while minimizing, and preferably avoiding, a possible degradation of the structure as it can be observed for existing cleaning solutions, in particular those using continuous plasma.
  • the exposed layer is thus particularly suitable for receiving the deposition of a second layer, to form a good quality interface.
  • the preparation process thus makes it possible to improve the quality of the interface between the layer based on an III-V material and the subsequent layer, compared to existing solutions.
  • the application of a bias voltage to the substrate makes it possible to increase the energy of the plasma ions in a precise, controlled manner and independent of the plasma potential V piasma .
  • the control of the energy of the ions by the plasma source is limited and unreliable.
  • the efficiency of the cyclic plasma treatment can thus be modulated in a precise and 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, and in particular for HEMT type transistors.
  • the process allows a reduction in the interface states, which can induce parasitic recombinations reducing the light emission efficiency of the LEDs.
  • a second aspect relates to a microelectronic component obtained by the method according to the first aspect.
  • the component is an LED.
  • the component is a transistor, an active layer of which is the layer based on a cleaned III-V material, preferably the microelectronic component is a power transistor, and more preferably a transistor of the HEMT type.
  • FIG. 1 schematically represents a cyclic plasma treatment cycle, according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically represents an example of a deposition reactor that can be used to implement the method according to the invention.
  • FIG. 3 represents a cross-sectional view of an example of a capacitive electronic component of the metal-insulator-semiconductor type obtained by the method according to the invention.
  • FIGS. 4A and 4B represent a graph of the electrical characteristics of the electronic component illustrated in FIG. 3, after treatment by an in-situ N2-H2 plasma, respectively cyclic and continuous on the surface of the GaN-based layer.
  • FIG. 5 represents a graph of the evolution of the parameters extracted from FIGS. 4A and 4B, as a function of a cyclic or contained plasma treatment, these parameters being (A): the voltage V3 of the forward curve extracted at a capacity of 8 ⁇ 10 10 F; (B) the hysteresis H between forward and reverse scan extracted for the same capacitance; (C) the slope S of the forward curve calculated between a capacity of 5x10 10 F and 8x10 10 F.
  • FIGS. 6A and 6B represent a graph of the electrical characteristics of the electronic component illustrated in FIG. 3, for different gases from which the plasma is formed, according to various embodiments of the method.
  • the method includes fabricating the structure.
  • the structure is a layer.
  • 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 along 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 substrate. Thus, a face of the substrate extends mainly in a plane and nanostructures extend from this face and in a direction perpendicular to this plane. These nanostructures are therefore discontinuous.
  • V bias-substrate and V piasma S have independent.
  • V bias-substrate and V piasma are controlled independently.
  • the bias voltage V bias-substrate is applied to the platter.
  • the bias voltage V bias-substrate is applied only to the platter.
  • the bias voltage V bias-substrate is non-zero.
  • is substantially greater than or equal to 0 Volts, preferably greater than or equal to 10 Volts. According to an example, the absolute value of the bias voltage
  • the bias voltage V bias-subst r at is applied for at least 70% of the plasma formation time TP, preferably at least 90%. According to one example, the bias voltage V bias-subst r at is applied throughout the duration TP of plasma formation.
  • the at least one gas injected is based on nitrogen, hydrogen, ammonia, argon, helium or a mixture thereof.
  • Neutral gases such as argon or helium can have a physical effect of controlled bombardment of surfaces leading to an improvement in the quality of interfaces by the process.
  • Nitrogen and hydrogen can have a physical effect, and also a chemical one, in particular at the level of the vacancies of the III-V material, for example in a GaN network.
  • the at least one injected gas is based on at least one of nitrogen and hydrogen, preferably the at least one injected gas comprises dinitrogen, dihydrogen, ammonia , argon or a mixture thereof.
  • the gas injected is a mixture of dinitrogen and dihydrogen. It was observed during the development of the invention that this mixture made it possible to improve the electrical properties of the electronic component obtained.
  • the at least one injected gas comprises dihydrogen.
  • the dihydrogen fraction can be substantially greater than 1%.
  • the dihydrogen fraction can be substantially less than 99%.
  • the dihydrogen fraction can be substantially between 1% and 99%, preferably substantially equal to 33%.
  • the duration of the formation of the plasma is substantially greater than 7 seconds, preferably substantially greater than or equal to 10 seconds. According to one example, the duration of plasma formation is substantially equal to 15 seconds.
  • the duration of the purge is substantially greater than or equal to 1 second, preferably substantially greater than or equal to 3 seconds. According to one example, the duration of the purge is substantially equal to 6 seconds.
  • the cleaning of the surface comprises a number of cycles less than or equal to 20 cycles, preferably less than or equal to 10 cycles. So, the properties electrical properties of the electronic component obtained are further improved.
  • the cleaning cycle comprises only the purge, the injection of the gas and the formation of the plasma from this gas.
  • the cycle is preferably free of an additional injection of additional gas during which no plasma is generated.
  • the cleaning of the surface comprises a number of cycles greater than or equal to 3 cycles, preferably greater than or equal to 5 cycles, preferably greater than 10 cycles.
  • the formation of the plasma is carried out by a remote source.
  • the energy of the ions is better controlled, which ensures good cleaning efficiency and good reproducibility of the process.
  • the source is an inductive radio frequency source.
  • the power of the inductive radiofrequency source is between 100 W and 300 W, preferably 300 W,
  • the temperature of the substrate is substantially between 200°C and 350°C.
  • the temperature of the substrate is substantially equal to 300°C.
  • the temperature of the substrate is substantially equal to the deposition temperature of the second layer.
  • the pressure in the reaction chamber is less than or equal to 50 mTorr, preferably equal to 10 mTorr, at least during the formation of the plasma, preferably during cleaning.
  • each cycle includes at least one stabilization of the gases injected into the reaction chamber.
  • the stabilization is preferably carried out at least before the formation of the plasma.
  • each cycle only comprises the steps of purging, stabilizing and forming the plasma.
  • the structure is taken from: a layer, a three-dimensional structure, a plurality of three-dimensional structures.
  • the exposed layer is based on or made of an III-N material. According to one example, the exposed layer is based on or made of gallium nitride.
  • the second layer deposited on the cleaned surface is based on a dielectric material, for example a metal oxide or a metal nitride, for example based on alumina.
  • the second layer deposited on the cleaned surface is based on a semiconductor material, for example based on a III-V material, and preferably based on aluminum nitride.
  • the microelectronic component is a transistor, an active layer of which is the layer based on a cleaned III-V material, preferably the microelectronic component is a power transistor, and more preferably a transistor of the HEMT type.
  • the microelectronic component is a light-emitting diode.
  • the microelectronic component being a light-emitting diode, the second layer deposited on the cleaned surface is based on a semiconductor material.
  • a substrate, a film, a layer, a gaseous mixture, a plasma "based" on a species A we mean a substrate, a film, a layer, a gaseous mixture, a plasma comprising this species A only or this species A and possibly other species.
  • a substrate comprising a structure with an exposed layer can be:
  • - either, preferably, a stack in which the structure is a layer deposited on a support layer
  • the structure can be self-supporting, i.e. it supports its own weight.
  • a plasma based on nitrogen and/or hydrogen can be based on a chemistry comprising only nitrogen and/or hydrogen or comprising nitrogen and/or hydrogen and optionally one or more several other species, for example neutral gases.
  • a structure based on a III-V material is a structure made of, 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 an 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 lll-N material can therefore for example be taken from among GaN, AIGaN, AlinGaN, InN.
  • a structure based on a metal oxide is a structure made of, or comprising a material comprising at least one metal or one metalloid and oxygen.
  • a structure based on a metal nitride is a structure made of, or comprising a material comprising at least one metal or one metalloid and nitrogen.
  • successive steps of the manufacturing method are described below.
  • the adjective “successive” does not necessarily imply, even if this is generally preferred, that the stages follow each other immediately, intermediate stages possibly separating them.
  • the term “step” means the performance of part of the method, and can 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.
  • a gas mixture when expressed with percentages, these percentages correspond to fractions of the total flow rate of the gases injected into the reactor.
  • a gas mixture for example intended to form a plasma, comprises x% of gas A, this means that the injection rate of gas A corresponds to x% of the total rate of gas injected into the reactor to form the plasma. .
  • HEMT type transistors (English acronym for “High Electron Mobility Transistor”) field effect transistors with high electron mobility, sometimes also referred to by the term field effect transistor with heterostructure.
  • 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, LED, etc.).
  • MEMS micromechanical or electromechanical devices
  • MOEMS optical or optoelectronic devices
  • It can be a device intended to provide an electronic, optical, mechanical function, etc. It can also be an intermediate product intended solely for the production of another microelectronic device.
  • the thickness of a layer or of the substrate is measured in a direction perpendicular to the surface along which this layer or this substrate has its maximum extension. The thickness is thus taken along a direction perpendicular to the main faces of the substrate on which the various layers rest.
  • the thickness of a layer extending over a side of this element can be measured perpendicular to this side.
  • 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.
  • a parameter “substantially equal/greater/less than” a given value means that this parameter is equal/greater/less than the given value, to plus or minus 10%, close to this value.
  • a parameter “substantially between” two given values means that this parameter is at least equal to the smallest given value, to plus or minus 10%, close to this value, and at most equal to the largest given value, plus or minus 10%, close to this value.
  • Figure 1 illustrates the different steps of a cyclic plasma treatment cycle 1.
  • this cycle 1 of steps is repeated several times.
  • Each cycle 1 comprises a sequence of purging 10 and formation of a plasma 11 in a plasma reactor 200.
  • This reactor can be a plasma deposition reactor such as that illustrated in FIG. 2 and which will be described later.
  • it is a reactor configured to perform atomic layer deposition (PEALD).
  • PEALD atomic layer deposition
  • a substrate comprising a structure 3 comprising an exposed layer 30 based on a III-X material and having a surface 30a is placed in a reaction chamber 210 of the reactor 200.
  • Such a structure is for example based on a III-N material.
  • this structure is based on or made of GaN. More precisely, this structure will be described as being a layer of GaN. All the characteristics, steps and technical effects which will be described subsequently are perfectly applicable to a structure based on or made of a 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 3 in III-V material.
  • this substrate may comprise a support layer surmounted by at least one such structure 3.
  • the structure has a free surface 30a, exposed to the species present in the reaction chamber 210.
  • Each cycle 1 comprises at least two, and preferably three, main steps.
  • Each cycle includes a step 10, usually referred to as purging.
  • the function of the purge 10 is to evacuate any gaseous species present in the reaction chamber 210, for example to evacuate the reaction by-products following the plasma treatment.
  • the purge is carried out before the formation of the plasma 11.
  • This purge 10 generally consists of injecting a neutral gas such as argon (Ar) into the reaction chamber 210.
  • Each cycle 1 further comprises an injection of at least one gas into the reaction chamber 210 and a formation of a plasma 11 from this gas. During the formation of the plasma 11, the gases are preferably injected continuously.
  • Each cycle comprising an alternation of a purge 10 and the formation of a plasma 11, and this cycle being repeated several times during cleaning, the application of the plasma is split over time. This treatment is therefore referred to as cyclic plasma, as opposed to a treatment where the cleaning is carried out by applying a plasma continuously.
  • a bias voltage V bias-subst r at is applied to the substrate, for example via a voltage regulation device such as a radiofrequency power generator.
  • the bias voltage of the substrate can be zero, which is not equivalent to not applying a voltage to the substrate.
  • the substrate can be biased intrinsically at a voltage different from 0. It is understood that a bias voltage can be applied to the substrate so that V bias-subst r at is zero.
  • the bias voltage V bias-subst r at can for example be strictly less than 0 ( ⁇ 0 V).
  • This bias voltage V bias-subst r at applied to the substrate is distinct from the potential of the plasma Vpi as m a .
  • the bias voltage V bias-subst r at differs indeed of the potential of the plasma V pias m a which is induced, in a perfectly conventional manner by the source of the plasma in order to generate the ions and radicals and thus to initiate the deposition of dielectric.
  • the bias voltage V bias-subst r at is controlled independently of the potential of the plasma Vpi as m a induced by the source.
  • the bias voltage V bias-subst r at is more particularly applied to a plate for receiving the substrate.
  • the reaction chamber 210 comprises a tray 220 for receiving the substrate. This tray can also be qualified as a sample holder.
  • the bias voltage V bias-subst r at is applied to the platter.
  • the bias voltage V bias-subst r at is applied only to the plate.
  • the plate 220 is electrically conductive and the bias voltage V bias-subst r at is applied to this plate 220 by a voltage regulator device 270 to be transmitted to the substrate 3.
  • this bias voltage V bias-subst r brings considerable advantages.
  • this polarization makes it possible to modulate the energy of the plasma ions in a controlled manner thanks to the regulation device 270.
  • the energy of the ions depends in fact on the potential of the plasma and on the polarization voltage of the substrate, according to the following relationship:
  • V bias-subst r By applying a bias voltage V bias-subst r at , the effectiveness of the surface ion bombardment can be increased, while preserving the exposed surface 30a. Surface cleaning is thus improved, and therefore the quality of the interface between the exposed layer 30a of III-V material and a subsequent layer 40 is improved. Its repeatability is also improved compared to existing solutions, in particular those using the potential of the plasma V pias m a induced by the plasma source to modulate the ion bombardment which are in practice difficult to control in order to obtain a repeatable result.
  • applied is less than 160 V (volts), preferably less than 130 V. It will be noted that this bias voltage is much lower than the bias voltages usually used to carry out etchings or implantations by plasma. Furthermore, this method is preferably implemented in a plasma deposition reactor. Etching plasma reactors are not configured to apply such low bias voltages to the substrate.
  • is between 0 volts and 130, for example between is between 10 volts and 130 volts, preferably substantially 40 volts.
  • the bias voltage V bias-subst r at is applied for at least 70% of the plasma 11 formation duration TP, preferably at least 90%, and even more preferably for the entire plasma 11 formation duration TP. an example, the bias voltage V bias-subst r at is applied only during the formation of the plasma 11.
  • the cycle 1 comprises a stabilization phase 12 of the injected gases.
  • This phase is configured in particular to stabilize the flow rate of the gases injected into the reaction chamber 210.
  • the gases are injected into the reaction chamber 210 without plasma formation, preferably until their flow rate is stabilized. 'injection.
  • the subsequent formation of plasma 11 is better controlled.
  • the pressure in the reaction chamber 210 is less than or equal to 50 mTorr, preferably equal to 10 mTorr (with 1
  • the chamber pressure during the plasma is adjusted so as to have a non-collision sheath.
  • the mean free path of the ions is greater than the thickness of the plasma sheath.
  • the pressure in the reaction chamber 210 can in particular be adjusted according to the flow rate of gas injected and the suction by the pump 250.
  • the flow rate of injected gas(es) is substantially between 5 and 100 sccm (unit of standard cubic centimeters per minute, abbreviated from English Standard Cubic Centimeters per Minute, and commonly used in the field to measure the flow rate of a gas).
  • the flow rate of injected gas(es) is substantially equal to 30 sccm.
  • FIG. 2 illustrates a schematic of a plasma reactor 200 that can be used to implement the method.
  • the method is implemented in a plasma deposition reactor, in particular to allow the deposition of a dielectric just after the cleaning of the exposed layer.
  • the reactor 200 comprises a plasma source 260 offset with respect to the reaction chamber 210.
  • the potential of V pias m a is offset from the substrate.
  • the effect of the bias voltage V bias-subst r at increases the energy of the plasma ions at the level of the substrate. In the absence of V bias-subst r at , for a zero voltage, the energy of the ions is equal to the product of the charge of the ion by the potential of the plasma V pias m a .
  • the effectiveness of the ion bombardment on the surface 30a can thus be better controlled than with respect to a non-remote source or a remote source which is not associated with the application of a bias voltage V bias-subst r at , for example by a second device for regulating the voltage of the substrate.
  • the repeatability of cleaning is therefore improved.
  • the use of a remote source makes it possible to avoid any direct contact between the plasma in its formation zone and the substrate, which could damage the substrate.
  • the use of a remote plasma source also minimizes the directivity of the plasma treatment. The processing of a three-dimensional structure 3, in particular of a nanostructure, is facilitated.
  • 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 compared to other sources, for example a microwave source, typically from 1500 W to 2000 W.
  • the power of the inductive radiofrequency source is between 100 and 300 W, preferably 300 W. The more the power of the inductive radiofrequency source is increased, the more the flow of ions which can reach the substrate is increased.
  • the reactor 200 comprises a reaction chamber 210 inside which is arranged a plate 220.
  • This plate 220 is configured to receive the substrate comprising the structure 3.
  • the substrate rests on the plate 220 via a rear surface.
  • the front surface 30a of the structure 3 is exposed to the species present in the reaction chamber 210.
  • the substrate forms the structure 3 whose exposed surface 30a is to be cleaned.
  • the front surface of the substrate therefore constitutes the surface 30a of the structure 3.
  • 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 10.
  • the plasma source 260 is according to one example, an induction coupling device 260, one coil of which is illustrated in FIG. 2, and which allows the formation of the plasma.
  • the reactor 200 also includes a valve 240 insulation of the reaction chamber 210.
  • the reactor 200 also includes a pump 250 to control the pressure inside the reaction chamber 210 synergistically with the flow rate of the gases injected, and to extract the species present in the chamber reaction 210.
  • this reactor 200 comprises a bias device 270 configured to allow the application of the bias voltage V bias-subst r at to the plate 220, for example via a radiofrequency power generator.
  • This voltage can ultimately be applied to the substrate 3, at least to its face facing the plate 220, whether this face is electrically conductive or not.
  • This polarization device 270 is preferably separate from the plasma source 260.
  • This polarization device 270 comprises a control device 271 and makes it possible to apply an alternating voltage to the plate 220.
  • this control device 271 comprises a control unit automatic adaptation (qualified by its English term of auto match unit) which adapts the impedance in the chamber and of the ion source to that of the radiofrequency generator.
  • This bias device 270 is configured to allow the application to the plate 220 of the bias voltage V bias-subst r at whose amplitude is low, typically less than 160 volts, preferably less than 130 volts.
  • the bias device 270 and the plasma source 260 are configured so as to be able to adjust the bias voltage V bias-subst r at applied to the plate 220 independently of the potential of the plasma V pias m a .
  • V bias-subst r at and V pias m a Are independent.
  • V bias-subst r at and V pias m a are independently controlled.
  • the second layer 40 is directly deposited on the cleaned surface.
  • the second layer 40 can be deposited by the reactor 200, and more particularly without removing the substrate 3 from the chamber 210 between the cleaning and the deposition of this layer.
  • the deposition of this layer 40 can be done by deposition of atomic layers, and preferably by deposition of atomic layers assisted by plasma.
  • the second layer 40 can be based on or made of a material based on a chemical element chosen from an element of column III and an element of column V of the periodic table and/or based on a metal oxide.
  • the second layer 40 can be based on S1O2 silica.
  • the second layer 40 can be based on or made of a dielectric material, for example based on hafnium oxide HfC>2 and preferably based on alumina.
  • a layer 30 of GaN is deposited on a silicon substrate and comprises a superficial layer of NID-GaN (NID being the abbreviation for “Unintentionally doped”) with a thickness of 100 nm deposited on a layer of 1 ⁇ m of n-GaN doped at 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 2 .
  • NID being the abbreviation for “Unintentionally doped”
  • the samples were covered with a layer 40 of alumina produced in-situ by atomic layer deposition (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • the alumina layer 40 is obtained thermally during deposition with water vapor as an oxidizing source.
  • Nickel then gold electrical contacts 41 are then deposited.
  • ALD atomic layer deposition
  • the components 4 are characterized by electrical measurements of the "Capacitance-Voltage” (C-V) type at a frequency of 10 kHz and on a plot size of 600 ⁇ m.
  • C-V Capacitance-Voltage
  • Vi indicates high voltage
  • V2 indicates low voltage to represent the polarities for making C-V measurements.
  • FIGS. 4A and 4B are graphs respectively illustrating the effect of cyclic plasma (4A) compared to a continuous plasma (4B), for zero bias voltage.
  • Figures 4A and 4B compare the effect of a cyclic or continuous N2-H2 chemistry plasma with application of a bias voltage V bias-substrate on the electrical performance of CAPAMIS.
  • the plasma duration 11 is 15s and the purge duration 10 is 6s.
  • the total duration of the plasma for all the repeated cycles is equal to the duration of the continuous plasma applied to the components, and its duration in seconds is indicated for each curve.
  • the plasma duration per cycle is 15 s, i.e. a number of cycles of 0, 5, 10, 20 and 40.
  • the curves labeled 0 correspond to curves without plasma cleaning. Parameters of plasma chemistry, purge times 10 and plasma formation 11 are described later.
  • a first difference is induced heating of the substrate 3.
  • a continuous plasma can induce a significant increase in the temperature of the substrate whereas, during In a cyclic plasma, the purge phases 10 allow it to be cooled between each plasma formation phase 11.
  • the cyclic plasma therefore offers better preservation of the structure 3, while allowing effective cleaning of its surface.
  • Another notable difference can be observed at the level of the voltage shift of the curves and the slope in the desertion regime. Under the same experimental conditions, continuous plasma treatment induces a shift in the CV curves towards negative voltages, and therefore a decrease in the threshold voltage towards negative values.
  • the voltage of the forward curve (V 3 ) taken for a capacitance taken arbitrarily at 8.10 10 F, the hysteresis (H) between the outward and return sweep for the same capacitance and finally the slope of the forward curve (S) taken between a capacity of 5 and 8.10 10 F, are extracted from the CV curves.
  • Curves 5a correspond to cyclic plasmas and curves 5b correspond to continuous plasmas.
  • the voltage V 3 stagnates up to a total plasma duration of 75 s (ie 5 cycles), gradually decreases and then ends up reaching a new plateau for durations greater than 300 s (ie 20 cycles).
  • this voltage V 3 drops abruptly and monotonously when the plasma duration increases.
  • the hysteresis H improves and is found to be less than 0.2 V.
  • the slope S improves to a duration of 75s then degrades slightly until reaching a plateau.
  • it is constant for low plasma durations, improves and stagnates beyond 150 s.
  • a continuous plasma or a cyclic plasma therefore each makes it possible to considerably reduce the hysteresis and to improve the slope S of the CAPAMIS.
  • the major disparities between these two plasmas appear at the level of the shift in voltage characteristics. Indeed, continuous plasma treatment generates a systematic shift of the CVs towards negative voltages. It is now considered that the underlying mechanism is probably linked to the formation, at the interface, of positive fixed charges whose density would be correlated with the voltage shift and would then increase sharply with the duration of the plasma.
  • this voltage reduction should be avoided for many microelectronic components, in particular for the preparation of “normally-off” HEMT type transistors.
  • the total plasma formation time T iotai(P) has an influence on the cleaning of the GaN layer.
  • the cleaning of the surface comprises a number of cycles less than or equal to 20 cycles, and preferably less than or equal to 10 cycles.
  • the total duration of the plasma that is to say the duration of formation of the plasma 11 over all the repeated cycles is less than 150 s, and preferably less than 100 s.
  • the duration of plasma formation is greater than 7 seconds, preferably greater than or equal to 10 seconds, and preferably equal to 15 seconds.
  • the plasma duration is thus long enough to allow effective cleaning of the layer, while limiting heating of the structure 3.
  • the duration of the purge 10 is substantially greater than or equal to 1 second.
  • the duration of the purge 10 is substantially greater than or equal to 3 seconds, and more preferably substantially equal to 6 seconds.
  • the purge phase is thus long enough to remove the by-products of the reaction between the plasma and the surface 30a of the treated layer.
  • Figures 6A and 6B compare the effect of a cyclic plasma on the electrical performance of CAPAMIS, on a GaN layer formed by epitaxy (6A) or on an etched GaN layer (6B), for different plasma chemistries, for a number of cycles of 5, the plasma duration per cycle being 15 s, ie a total plasma duration of 75 s.
  • the total gas flow rate was set at 30 sccm to keep constant the residence time of the species formed during the formation of the plasma 11 in the reaction chamber 210.
  • the injected gas, or the mixture of injected gases can be based on at least one of nitrogen and hydrogen.
  • the at least one injected gas comprises dinitrogen, dihydrogen, ammonia, argon or a mixture thereof.
  • the injected gas can be based on nitrogen and hydrogen. It has been observed that treatment with a cyclic plasma based on a mixture of dinitrogen N 2 and dihydrogen H 2 , or ammonia NH 3 made it possible to reduce the hysteresis of the CV curves compared to a plasma based on of dinitrogen without hydrogen, as illustrated by Figures 6A and 6B.
  • the gas injected is a mixture of dinitrogen and dihydrogen.
  • a plasma formed from a mixture of dinitrogen and dihydrogen was particularly advantageous for cleaning the surface of a layer of GaN , in particular by limiting the offset of the CV curves, and therefore of the threshold voltage, towards negative values, as illustrated by FIGS. 6A and 6B.
  • One explanation considered for this would be a better efficiency of a plasma of an N 2 -H 2 mixture to clean the GaN surface, passivate the GaN nitrogen vacancies and fill the dangling bonds. Together with a sufficient plasma duration, the plasma treatment makes it possible to further improve the nitriding of the surface of the GaN layer.
  • the dihydrogen fraction is substantially between 1% and 99%, preferably substantially equal to 33%.
  • Very low hysteresis was observed for a dihydrogen fraction of substantially 7% (2H 2 -28N 2 ) to 80% (24H 2 -6N 2 ).
  • the smallest shift in the CV curves was observed for a dihydrogen fraction of substantially 33% (IOH 2 -2ON 2 ).
  • the invention proposes a solution improving the interface of a layer of material of type III-V and more particularly III-N and a layer deposited consecutively.
  • the invention is not limited to the embodiments previously described and extends to all the embodiments covered by the invention.
  • the present invention is not limited to the examples described above. Many other variant embodiments are possible, for example by combining features previously described, without departing from the scope of the invention. Furthermore, features described in relation to one aspect of the invention may be combined with another aspect of the invention.
  • the exposed GaN-based layer is made of GaN.
  • the present invention also extends to embodiments in which the GaN-based layer is a layer based on an III-V material.
  • the III-N material layer may include at least one of indium and aluminum.
  • this GaN-based layer can be GaN, AIGaN, InGaN or AUnGaN.
  • the second layer is made of alumina.
  • the present invention also extends to the embodiments in which the second layer is based on a metal oxide and/or based on a chemical element chosen from an element of column III and an element of column V of the periodic table.
  • all the examples, characteristics, steps and technical advantages mentioned above with reference to a second layer of alumina are applicable to a second layer based on a metal oxide and/or based on a chemical element chosen from one element from column III and one element from column V of the periodic table.
  • the invention also extends to embodiments in which the structure is deposited on a silicon-based substrate. Furthermore, in the examples described above, the structure is a layer.
  • the structure can be a nanostructure or comprise a plurality of nanostructures.
  • the second layer can be a nanostructure or include a plurality of nanostructures.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation d'un composant microélectronique comprenant un nettoyage de la surface d'une couche exposée à base d'un matériau lll-V par un traitement par plasma cyclique, chaque cycle comprenant une phase de purge et une phase de traitement par un plasma. Lors de la formation du plasma, une tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au substrat. Le procédé comprend en outre le dépôt, sur la surface nettoyée, d'une couche subséquente. Le procédé permet un nettoyage optimal de la couche exposée tout en minimisant, et de préférence évitant, une éventuelle dégradation de la structure. Le procédé de préparation permet ainsi d'améliorer la qualité de l'interface entre la couche à base d'un matériau lll-V et la couche subséquente. Les propriétés électriques du composant sont par conséquent améliorées.

Description

« Procédé de préparation d’un composant microélectronique comprenant une couche à base d’un matériau lll-V »
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne la préparation d’un composant microélectronique comprenant le nettoyage d’une couche à base d’un matériau 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.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les propriétés des matériaux semi-conducteurs lll-V rendent ces matériaux particulièrement attractifs pour de nombreuses applications dans le domaine des capteurs, des composants optoélectroniques et également de l’électronique de puissance. Ces matériaux sont généralement utilisés dans des empilements multicouches, à l’interface avec d’autres matériaux tels que des diélectriques. La qualité de ces interfaces est déterminante dans le bon fonctionnement des composants microélectroniques comprenant ces empilements.
Par exemple, les diodes électroluminescentes (LED, abrégé de l’anglais Light- Emitting Diode) peuvent comprendre une ou plusieurs couches à base de nitrure de gallium (GaN) et/ou de nitrure d'indium-gallium (InGaN). Les défauts à l’interface de ces couches induisent des phénomènes de recombinaison, dégradant le fonctionnement des LED.
Selon un autre exemple, dans les transistors à haute mobilité d’électrons (abrégé HEMT, de l’anglais High-Electron-Mobility Transistor) à base de GaN et/ou d’AIGaN, les défauts à l’interface entre le semi-conducteur et l’isolant dégradent fortement les performances électriques des composants. Notamment, cette mauvaise qualité d’interface se traduit par des instabilités et par un décalage de la tension de seuil vers des valeurs négatives. Or, pour certaines applications, pour des conditions de sécurité, il est préférable que ces transistors affichent une tension de seuil positive, on parle alors de transistors HEMT « normally-off ».
Ainsi, pour ce type applications liées aux HEMT ou aux LED, mais également pour de nombreuses autres applications, il existe un besoin général consistant à proposer une solution permettant d’améliorer la qualité des interfaces de couches de matériaux lll-V, par exemple entre une couche d’un matériau lll-V et une autre couche d’un matériau lll-V, ou entre une couche d’un matériau lll-V et une couche d’un matériau diélectrique.
Afin d’améliorer la qualité des interfaces de couches à base de matériau lll-V, des procédés de préparation par voie humide et/ou sèche sont généralement employés.
Dans la littérature, des traitements de surface d’une couche exposée de matériau III- N sont décrits, généralement réalisés in-situ juste avant le dépôt du diélectrique de grille pour la préparation d’HEMT. Ces traitements visent à retirer et/ou réparer la surface de la couche exposée. L’efficacité de ces traitements plasmas à base d’azote a été démontrée pour la préparation de surface des matériaux lll-V avant le dépôt du diélectrique de grille. Les performances électriques des HEMT qui en découlent sont alors nettement améliorées, telles que la pente sous le seuil, le rapport du courant On sur Off et la tension de seuil.
En dépit de l’existence de ces techniques connues de traitement par plasma, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer la qualité des interfaces de couches de matériaux lll-V, et plus particulièrement de matériaux lll-N.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution pour améliorer l’interface entre une couche de matériau de type lll-V, plus particulièrement de type lll-N, et une couche déposée consécutivement.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME DE L’INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit un procédé de préparation d’un composant microélectronique comprenant : - une fourniture d’une structure comprenant une couche exposée à base d’un matériau lll-V et présentant une surface, dans un réacteur plasma comportant une chambre de réaction à l’intérieur de laquelle un substrat comportant ladite structure est disposé,
- un nettoyage de la surface de la couche exposée par un traitement par plasma cyclique comprenant plusieurs cycles de traitement, chaque cycle de traitement comprenant au moins : o une purge de la chambre de réaction, o une injection d’au moins un gaz dans la chambre de réaction et une formation d’un plasma à partir dudit gaz dans la chambre de réaction, lors de laquelle une tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au substrat,
- un dépôt, sur la surface nettoyée, d’une deuxième couche d’un matériau à base d’au moins un élément chimique choisi parmi un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique et/ou à base d’un oxyde métallique.
Pour une couche à base d’un matériau lll-V ou lll-N, en interface avec une couche à base d’un matériau lll-V et/ou à base d’un oxyde métallique, les défauts structuraux aux interfaces de couches, tels que des dislocations, l’implantation d’éléments, des liaisons pendantes ou des lacunes, ainsi que la contamination de surface telle que l’oxydation des matériaux lll-V et lll-N ou la contamination carbonée vont dégrader les propriétés du composant microélectronique obtenu. Lors du développement de l’invention, il a été observé qu’un traitement par plasma cyclique permet un nettoyage considérablement amélioré de la surface de la couche exposée tout en minimisant, et de préférence évitant, une éventuelle dégradation de la structure comme cela peut être observé pour les solutions de nettoyage existantes, notamment celles mettant en œuvre un plasma continu.
La couche exposée est ainsi particulièrement apte à recevoir le dépôt d’une deuxième couche, pour former une interface de bonne qualité. Le procédé de préparation permet ainsi d’améliorer la qualité de l’interface entre la couche à base d’un matériau lll-V et la couche subséquente, par rapport aux solutions existantes.
L’application d’une tension de polarisation au substrat permet d’augmenter l’énergie des ions du plasma de façon précise, contrôlée et indépendante du potentiel du plasma Vpiasma. En pratique, il s’avère en effet que le contrôle de l’énergie des ions par la source plasma est limité et peu fiable. L’efficacité du traitement par plasma cyclique peut ainsi être modulée de façon précise et 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 III- 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, et notamment pour des transistors de type HEMT.
Pour la préparation d’une LED, par l’amélioration de la qualité des interfaces, le procédé permet une diminution des états d’interfaces, ceux-ci pouvant induire des recombinaisons parasites diminuant l’efficacité d’émission lumineuse des LED.
Un deuxième aspect concerne un composant microélectronique obtenu par le procédé selon le premier aspect. Selon un exemple, le composant est une LED. Selon un autre exemple, le composant est un transistor dont une couche active est la couche à base d’un matériau lll-V nettoyée, de préférence le composant microélectronique est un transistor de puissance, et plus préférentiellement un transistor de type HEMT.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 représente schématiquement un cycle de traitement par plasma cyclique, selon un exemple de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente de manière schématique un exemple de réacteur de dépôt pouvant être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.
La figure 3 représente une vue en coupe transversale d’un exemple de composant électronique capacitif de type métal-isolant-semi-conducteur obtenu par le procédé selon l’invention.
Les figures 4A et 4B représentent un graphique des caractéristiques électriques du composant électronique illustré en figure 3, après traitement par un plasma in-situ N2-H2, respectivement cyclique et continu sur la surface de la couche à base de GaN.
La figure 5 représente un graphique de l’évolution des paramètres extraits des figures 4A et 4B, en fonction d’un traitement plasma cyclique ou contenu, ces paramètres étant (A) : la tension V3 de la courbe aller extraite à une capacité de 8x1010 F ; (B) l’hystérésis H entre le balayage aller et retour extraite pour la même capacité ; (C) la pente S de la courbe aller calculée entre une capacité de 5x1010 F et 8x1010 F.
Les figures 6A et 6B représentent un graphique des caractéristiques électriques du composant électronique illustré en figure 3, pour différents gaz à partir desquels le plasma est formé, selon différents exemples de réalisation du procédé.
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 figures 2 et 3, les épaisseurs des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
Selon un exemple, le procédé comprend la fabrication de la structure. Selon un exemple, la structure est une couche.
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 fil 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 nanostructure peut également être une tranchée ou une nervure. Elle peut également être une structure destinée à faire partie ou à former un dispositif qu’un transistor ou un dispositif micromécanique ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ou encore un dispositif optique ou optoélectronique (MOEMS...). La nanostructure est ponctuelle. Elle ne s’étend pas sur tout le substrat. Ainsi, une face du substrat s’étend principalement dans un plan et des nanostructures s’étendent à partir de cette face et selon une direction perpendiculaire à ce plan. Ces nanostructures sont donc discontinues.
Selon un exemple, Vbias-substratet Vpiasma Sont indépendantes.
Selon un exemple, Vbias-substratet Vpiasma sont contrôlées de manière indépendante.
Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au plateau. De préférence, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée uniquement au plateau.
Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est non nulle.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est sensiblement supérieure ou égale à 0 Volts, de préférence supérieure ou égale à 10 Volts. Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est sensiblement inférieure ou égale 130 Volts. Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est sensiblement comprise entre 0 Volts et 130 Volts, de préférence entre 10 Volts et 130 Volts. De préférence, la valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est sensiblement égale à 40 Volts. Ces valeurs de Vbias-substrat permettent d’obtenir une énergie des ions du plasma particulièrement adaptée pour améliorer l’efficacité du nettoyage de la surface de la couche exposée. Une interface de particulièrement bonne qualité est ainsi obtenue.
Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée pendant au moins 70% de la durée TP de formation du plasma, de préférence au moins 90%. Selon un exemple la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée pendant toute la durée TP de formation du plasma.
Selon un exemple, l’au moins un gaz injecté est à base d’azote, d’hydrogène, d’ammoniac, d’argon, d’hélium ou leur mélange. Des gaz neutres tels que l’argon ou l’hélium peuvent avoir un effet physique de bombardement contrôlé des surfaces conduisant à une amélioration de la qualité des interfaces par le procédé. L’azote et l’hydrogène peuvent avoir un effet physique, et également chimique, notamment au niveau des lacunes du matériau lll-V, par exemple dans un réseau de GaN.
Selon un exemple, l’au moins un gaz injecté est à base d’au moins un parmi de l’azote et de l’hydrogène, de préférence l’au moins un gaz injecté comprend du diazote, du dihydrogène, de l’ammoniac, de l’argon ou leur mélange.
Selon un exemple, le gaz injecté est un mélange de diazote et de dihydrogène. Il a été observé lors du développement de l’invention que ce mélange permettait d’améliorer les propriétés électriques du composant électronique obtenu.
Selon un exemple, l’au moins un gaz injecté comprend du dihydrogène. La fraction de dihydrogène peut être sensiblement supérieure à 1%. La fraction de dihydrogène peut être sensiblement inférieure à 99%. La fraction de dihydrogène peut être sensiblement comprise entre 1% et 99%, de préférence sensiblement égale à 33%.
Selon un exemple, la durée de la formation du plasma est sensiblement supérieure à 7 secondes, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 10 secondes. Selon un exemple, la durée de la formation du plasma est sensiblement égale à 15 secondes.
Selon un exemple, la durée de la purge est sensiblement supérieure ou égale à 1 seconde, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 3 secondes. Selon un exemple, la durée de la purge est sensiblement égale à 6 secondes.
Selon un exemple, le nettoyage de la surface comprend un nombre de cycles inférieur ou égal à 20 cycles, de préférence inférieure ou égale à 10 cycles. Ainsi, les propriétés électriques du composant électronique obtenu sont encore améliorées.
Selon un exemple, le cycle de nettoyage comprend uniquement la purge, l'injection du gaz et la formation du plasma à partir de ce gaz. Le cycle est de préférence exempt d’une injection additionnelle de gaz additionnel durant laquelle aucun plasma n’est généré.
Selon un exemple, le nettoyage de la surface comprend un nombre de cycles supérieur ou égal à 3 cycles, de préférence supérieur ou égal à 5 cycles, de préférence supérieur à 10 cycles.
Selon un exemple, la formation du plasma est réalisée par une source déportée. Ainsi, l’énergie des ions est mieux contrôlée, ce qui assure une bonne efficacité du nettoyage et une bonne reproductibilité du procédé.
De préférence, la source est une source radiofréquence inductive. Selon un exemple, lors de la formation du plasma, la puissance de la source radiofréquence inductive est comprise entre 100 W et 300 W, de préférence 300 W,
Selon un exemple, lors de la formation du plasma, et de préférence lors du nettoyage, la température du substrat est sensiblement comprise entre 200 °C et 350°C. De préférence la température du substrat est sensiblement égale à 300°C. Selon un exemple, la température du substrat est sensiblement égale à la température de dépôt de la deuxième couche.
Selon un exemple, la pression dans la chambre de réaction est inférieure ou égale à 50 mTorr, de préférence égale à 10 mTorr, au moins lors de la formation du plasma, de préférence lors du nettoyage.
Selon un exemple, chaque cycle comprend au moins une stabilisation des gaz injectés dans la chambre de réaction. La stabilisation est de préférence effectuée au moins avant la formation du plasma.
Selon un exemple particulier, chaque cycle comprend uniquement les étapes de purge, de stabilisation et de formation du plasma.
Selon un exemple, la structure est prise parmi : une couche, une structure en trois dimensions, une pluralité de structures en trois dimensions.
Selon un exemple, la couche exposée est à base ou faite d’un matériau lll-N. Selon un exemple, la couche exposée est à base ou faite de nitrure de gallium.
Selon un exemple, la deuxième couche déposée sur la surface nettoyée est à base d’un matériau diélectrique, par exemple d’un oxyde métallique ou d’un nitrure métallique, par exemple à base d’alumine. Selon un exemple, la deuxième couche déposée sur la surface nettoyée est à base d’un matériau semi-conducteur, par exemple à base d’un matériau lll-V, et de préférence à base de nitrure d’aluminium. Selon un exemple, le composant microélectronique est un transistor dont une couche active est la couche à base d’un matériau lll-V nettoyée, de préférence le composant microélectronique est un transistor de puissance, et plus préférentiellement un transistor de type HEMT.
Selon un exemple, le composant microélectronique est une diode électroluminescente. Selon un exemple, le composant microélectronique étant une diode électroluminescente, la deuxième couche déposée sur la surface nettoyée est à base d’un matériau semi-conducteur.
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 avec une couche exposée peut être :
- soit, préférentiellement, un empilement dans lequel la structure est une couche déposée sur une couche de support,
- soit un empilement comprenant uniquement la structure. Dans ce cas, la structure peut être autoportante c’est-à-dire qu’elle supporte son propre poids.
Par ailleurs, un plasma à base d’azote et/ou d’hydrogène peut être basé sur une chimie comprenant uniquement de l’azote et/ou d’hydrogène ou comprenant de l’azote et/ou d’hydrogène 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.
De manière parfaitement classique, une structure à base d’un oxyde métallique est une structure faite, ou comprenant un matériau comprenant au moins un métal ou un métalloïde et de l’oxygène. Une structure à base d’un nitrure métallique est une structure faite, ou comprenant un matériau comprenant au moins un métal ou un métalloïde et de l’azote.
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.
Dans la présente demande de brevet lorsque l’on exprime un mélange gazeux avec des pourcentages, ces pourcentages correspondent à des fractions du débit total des gaz injectés dans le réacteur. Ainsi, si un mélange gazeux, par exemple destiné à former un plasma, comprend x % du gaz A, cela signifie que le débit d’injection du gaz A correspond à x % du débit total des gaz injectés dans le réacteur pour former le plasma.
Dans la présente invention, on entend par « transistors de type HEMT » (acronyme anglais de « High Electron Mobility Transistor») des transistors à effet de champ à haute mobilité d'électrons, parfois également désignés par le terme de transistor à effet de champ à hétérostructure. Un tel transistor inclut la superposition de deux couches semi- conductrices ayant des bandes interdites différentes qui forment un puits quantique à leur interface. Des électrons sont confinés dans ce puits quantique pour former un gaz bidimensionnel d’électrons. Pour des raisons de tenue en haute tension et en température, les matériaux de ces transistors sont choisis de façon à présenter une large bande d'énergie interdite.
Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS, LED...).
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. Dans le cas d’un élément en trois dimensions, par exemple un motif de la structure, l’épaisseur d’une couche s’étendant sur un flanc de cet élément peut être mesurée perpendiculairement à ce flanc.
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.
On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 %, près de cette valeur. On entend par un paramètre « sensiblement compris entre » deux valeurs données que ce paramètre est au minimum égal à la plus petite valeur donnée, à plus ou moins 10 %, près de cette valeur, et au maximum égal à la plus grande valeur donnée, à plus ou moins 10 %, près de cette valeur.
Le principe général de la présente invention va maintenant être décrit en référence à la figure 1.
La figure 1 illustre les différentes étapes d’un cycle 1 de traitement par plasma cyclique. Lors du nettoyage de la surface 30a de la couche exposée 30, ce cycle 1 d’étapes est répété plusieurs fois.
Chaque cycle 1 comprend une séquence de purge 10 et de formation d’un plasma 11 dans un réacteur plasma 200. Ce réacteur peut être un réacteur plasma de dépôt tel que celui illustré en figure 2 et qui sera décrit par la suite. De préférence, il s’agit d’un réacteur configuré pour effectuer des dépôts par couche atomique (PEALD). Afin de procéder à ces cycles 1, on dispose, dans une chambre de réaction 210 du réacteur 200, un substrat comprenant une structure 3 comprenant une couche exposée 30 à base d’un matériau lll-X et présentant une surface 30a.
Une telle structure est par exemple à base d’un matériau lll-N. Dans l’exemple non limitatif qui va être décrit en détail, cette structure est à base ou fait de GaN. Plus précisément, cette structure sera décrite comme étant une couche de GaN. Toutes les caractéristiques, étapes et effets techniques qui seront décrits par la suite sont parfaitement applicables à une structure à base ou fait de 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 3 en matériau lll-V. De manière alternative, ce substrat peut comprendre une couche de support surmontée au moins d’une telle structure 3. La structure présente une surface libre 30a, exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 210.
Chaque cycle 1 comprend au moins deux, et de préférence trois, étapes principales. Chaque cycle comprend une étape 10, habituellement qualifiée de purge. La purge 10 a pour fonction d’évacuer les espèces gazeuses éventuellement présentes dans la chambre de réaction 210, par exemple d’évacuer les sous-produits réactionnels suite au traitement par plasma. Selon un exemple, dans le cycle 1, la purge est réalisée avant la formation du plasma 11. Ainsi, la composition du plasma 11 formé est mieux contrôlée, pour s’assurer de la qualité du plasma obtenu. Cette purge 10 consiste généralement à injecter dans la chambre de réaction 210 un gaz neutre tel que de l’argon (Ar).
Chaque cycle 1 comprend en outre une injection d’au moins un gaz dans la chambre de réaction 210 et une formation d’un plasma 11 à partir de ce gaz. Durant la formation du plasma 11 , les gaz sont de préférence injectés en continu. Chaque cycle comprenant une alternance d’une purge 10 et de la formation d’un plasma 11, et ce cycle étant répété plusieurs fois lors du nettoyage, l’application du plasma est fractionnée dans le temps. Ce traitement est donc désigné par le terme de plasma cyclique, par opposition à un traitement où le nettoyage est effectué par un l’application d’un plasma de façon continue.
Lors de la formation du plasma 11 , une tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au substrat, par exemple via un dispositif de régulation de la tension tel qu’un générateur de puissance radiofréquence. La tension de polarisation du 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 qu’une tension de polarisation peut être appliquée au substrat de sorte que Vbias-substrat soit nulle. Par ailleurs, les résultats expérimentaux qui seront présentés par la suite montrent que même à 0V, les avantages liés à l’application d’une tension de polarisation Vbias-substrat sont bien visibles. La tension de polarisation Vbias-substrat peut par exemple être strictement inférieure à 0 (<0 V). Cette tension de polarisation Vbias-substrat appliquée au substrat est distincte du potentiel du plasma Vpiasma. La tension de polarisation Vbias-substrat, se distingue en effet du potentiel du plasma Vpiasma qui est induit, 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 du potentiel du plasma Vpiasma induit par la source. La tension de polarisation Vbias-substrat est plus particulièrement appliquée sur un plateau de réception du substrat. « Appliquée au substrat » signifie que la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au plateau qui supporte le substrat 3, de préférence qui est au contact du substrat, que le substrat 3 soit conducteur ou non. En pratique, comme par exemple illustré par la figure 2, la chambre de réaction 210 comprend un plateau de réception 220 du substrat. Ce plateau peut également être qualifié de porte-échantillon. Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée au plateau. De préférence, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée uniquement au plateau. Selon cet exemple, le plateau 220 est conducteur électriquement et la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée à ce plateau 220 par un dispositif de régulation de la tension 270 pour être transmise au substrat 3.
L’application de cette tension de polarisation Vbias-substrat, apporte des avantages considérables. En particulier, cette polarisation permet de moduler l’énergie des ions du plasma de façon contrôlée grâce au dispositif de régulation 270. Dans une gaine non- collisionnelle, l’énergie des ions dépend en effet du potentiel du plasma et de la tension de polarisation du substrat, selon la relation suivante :
Eion — (Yplasma ~ ^bias- substrat) avec q la charge de l’ions.
En appliquant une tension de polarisation Vbias-substrat, l’efficacité du bombardement ionique en surface peut être augmentée, tout en préservant la surface exposée 30a. Le nettoyage de la surface est ainsi amélioré, et par conséquent la qualité de l’interface entre la couche exposée 30a de matériau lll-V et une couche subséquente 40 est améliorée. Sa répétabilité est en outre améliorée par rapport aux solutions existantes, notamment celles ayant recours au potentiel du plasma Vpiasma induit par la source plasma pour moduler le bombardement ionique qui sont en pratique difficile à maîtriser pour obtenir un résultat répétable.
La valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| appliquée est inférieure à 160 V (volts), de préférence inférieure à 130 V. 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 valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est comprise entre 0 Volts et 130, par exemple entre est comprise entre 10 Volts et 130 Volts, de préférence de sensiblement 40 Volts. Lors du développement de l’invention, il a en effet été mis en évidence qu’une valeur absolue de tension de polarisation |Vbias-substrat| sensiblement égale à 40 Volts était particulièrement efficace pour améliorer la qualité de l’interface avec la couche 40 subséquente, et par conséquent les propriétés électroniques du composant microélectronique obtenu.
La tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée pendant au moins 70% de la durée TP de formation du plasma 11 , de préférence au moins 90%, et encore plus préférentiellement pendant toute la durée TP de formation du plasma 11. Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée uniquement lors de la formation du plasma 11.
De préférence, préalablement à la formation du plasma 11 , le cycle 1 comprend une phase de stabilisation 12 des gaz injectés. Cette phase est notamment configurée pour stabiliser le débit des gaz injectés dans la chambre de réaction 210. Lors de cette stabilisation 12, les gaz sont injectés dans la chambre de réaction 210 sans formation du plasma, de préférence jusqu’à stabilisation de leur débit d’injection. Ainsi, la formation subséquente du plasma 11 est mieux contrôlée.
Selon un exemple, lors de la formation du plasma 11 , la pression dans la chambre de réaction 210 est inférieure ou égale à 50 mTorr, de préférence égale à 10 mTorr (avec 1
Torr = 1 mmHg = 133,322 Pa, de façon connue dans le domaine des traitements par plasma). Ainsi, la pression de la chambre durant le plasma est ajustée de telle sorte à avoir une gaine non-collisionnelle. A ces faibles pressions, le libre parcours moyen des ions est supérieur à l’épaisseur de la gaine du plasma. Ainsi, les ions sont accélérés à travers la gaine sans subir de collisions. La pression dans la chambre de réaction 210 peut notamment être ajustée en fonction du débit de gaz injecté et de l’aspiration par la pompe 250.
Selon un exemple, le débit de gaz injecté(s) est sensiblement compris entre 5 et 100 sccm (unité de centimètres cubes standards par minutes, abrégée de l’anglais Standard Cubic Centimeters per Minute, et couramment employée dans le domaine pour mesurer le débit d’un gaz). De préférence, le débit de gaz injecté(s) est sensiblement égal à 30 sccm.
La figure 2 illustre un schéma d’un réacteur plasma 200 qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé. De préférence, le procédé est mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt, notamment pour permettre le dépôt d’un diélectrique juste après le nettoyage de la couche exposée. Selon un exemple, le réacteur 200 comprend une source plasma 260 déportée par rapport à la chambre de réaction 210. Ainsi, le potentiel du Vpiasma est déporté du substrat. L’effet de la tension de polarisation Vbias-substrat augmente l’énergie des ions du plasma au niveau du substrat. En l’absence de Vbias-substrat, pour une tension nulle, l’énergie des ions est égale au produit de la charge de l’ion par le potentiel du plasma Vpiasma. L’efficacité du bombardement ionique sur la surface 30a peut ainsi être mieux contrôlée que par rapport à une source non-déportée ou une source déportée qui n’est pas associée à l’application d’une tension de polarisation Vbias-substrat, par exemple par un second dispositif de régulation de la tension du substrat. La répétabilité du nettoyage est par conséquent améliorée. En outre, l’utilisation d’une source déportée permet d’éviter tout contact direct entre le plasma dans sa zone de formation et le substrat, pouvant endommager le substrat. L’utilisation d’une source plasma déportée minimise en outre la directivité du traitement par plasma. Le traitement d’une structure 3 en trois-dimensions, notamment d’une nanostructure, est facilité.
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 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. Plus la puissance de la source radiofréquence inductive est augmentée, plus on augmente le flux d’ions pouvant atteindre le substrat.
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 comprenant la structure 3. Le substrat repose sur le plateau 220 par une surface arrière. La surface avant 30a de la structure 3 est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 210. Dans cet exemple non limitatif, le substrat forme la structure 3 dont on souhaite nettoyer la surface exposée 30a. La surface avant du substrat constitue donc la surface 30a de la structure 3. 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 10. La source plasma 260 est selon un exemple un dispositif de couplage par induction 260, dont une bobine est illustrée en figure 2, et qui permet la formation du plasma. 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 contrôler la pression à l’intérieur de la chambre de réaction 210 de façon synergique avec le débit des gaz injectés, et extraire les espèces présentes dans la chambre de réaction 210.
De manière avantageuse, ce réacteur 200 comprend un dispositif de polarisation 270 configuré pour permettre l’application de la tension de polarisation Vbias-substrat au plateau 220, par exemple via un générateur de puissance radiofréquence. Cette tension peut in fine être appliquée au substrat 3, tout au moins à sa face tournée au regard du plateau 220, que cette face soit électriquement conductrice ou non. Ce dispositif de polarisation 270 est de préférence distinct de la source plasma 260. Ce dispositif de polarisation 270 comprend un dispositif de contrôle 271 et permet d’appliquer une tension alternative sur le plateau 220. De préférence ce dispositif de contrôle 271 comprend une unité d’adaptation automatique (qualifiée par son vocable anglais d’auto match unit) qui adapte l’impédance dans la chambre et de la source d’ions à celle du générateur radiofréquence. Ce dispositif de polarisation 270 est configuré pour permettre l’application au plateau 220 de la tension de polarisation Vbias-substrat dont l’amplitude est faible, typiquement inférieure à 160 volts, de préférence inférieure à 130 volts.
Le dispositif de polarisation 270 et la source plasma 260 sont configurés de sorte à pouvoir régler la tension de polarisation Vbias-substrat appliquée au plateau 220 indépendamment du potentiel du plasma Vpiasma. Vbias-substrat et Vpiasma Sont indépendantes. Vbias-substrat et Vpiasma sont contrôlées de manière indépendante.
Selon un exemple, la deuxième couche 40 est directement déposée sur la surface nettoyée. La deuxième couche 40 peut être déposée par le réacteur 200, et plus particulièrement sans retirer le substrat 3 de la chambre 210 entre le nettoyage et le dépôt de cette couche. Ainsi, on évite une éventuelle dégradation de la qualité de l’interface pouvant être induite par ce retrait. Le dépôt de cette couche 40 peut être fait par dépôt de couches atomiques, et de préférence par dépôt de couches atomiques assisté par plasma. La deuxième couche 40 peut être à base ou faite d’un matériau à base d’un élément chimique choisi parmi un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique et/ou à base d’un oxyde métallique. Par exemple, la deuxième couche 40 peut être à base de silice S1O2. La deuxième couche 40 peut être à base ou faite d’un matériau diélectrique, par exemple à base d’oxyde d’hafnium HfC>2 et de préférence à base d’alumine.
Les effets du procédé sur les performances électriques d’un composant microélectronique 4 sont maintenant décrits en référence aux figures 3 à 5. L’étude de l’effet des traitements plasma sur une couche exposée 30 de GaN a été réalisée grâce à des mesures électriques Capacitance-Voltage sur un composant de type Métal-lsolant-Semi- conducteur (couramment abrégé CAPAMIS), illustré schématiquement en figure 3. Pour obtenir le composant 4, une couche 30 de GaN est déposée sur un substrat de silicium et comprend une couche superficielle de NID-GaN (NID étant l’abrégé pour « Non- intentionnellement dopé ») d’épaisseur 100 nm déposée sur une couche de 1 pm de n-GaN dopé à 5.1017 cm-2.
Une fois le nettoyage de la surface 30a de la couche superficielle 30 réalisé, les échantillons ont été recouverts par une couche 40 d’alumine réalisée in-situ par dépôt par couche atomique (ALD, de l’anglais Atomic Layer Déposition). La couche d’alumine 40 est obtenue par voie thermique lors du dépôt avec de la vapeur d’eau comme source oxydante. Des contacts électriques 41 nickel puis or sont ensuite déposés. Les mêmes conditions expérimentales sont utilisées pour toutes les études, sauf mention contraire.
Les composants 4 sont caractérisés par des mesures électriques de type « Capacitance- Voltage » (C-V) à une fréquence de 10 kHz et sur une taille de plot de 600 pm. Sur la figure 3, Vi indique une haute tension et V2 indique une basse tension pour représenter les polarités pour réaliser les mesures C-V.
Les figures 4A et 4B sont des graphes illustrent respectivement l’effet de plasma cyclique (4A) par rapport à un plasma continu (4B), pour une tension de polarisation nulle.
Les figures 4A et 4B comparent l’effet d’un plasma de chimie N2-H2 cyclique ou continu avec application d’une tension de polarisation Vbias-substrat sur les performances électriques des CAPAMIS. Dans cet exemple, par cycle du plasma cyclique, la durée de plasma 11 est de 15s et la durée de purge 10 de 6s. La durée totale du plasma pour l’ensemble des cycles répétés est égale à la durée du plasma continu appliqué sur les composants, et sa durée en seconde est indiquée pour chaque courbe. Pour la figure 4A, la durée de plasma par cycle est de 15 s soit un nombre de cycles de 0, 5, 10, 20 et 40. Les courbes étiquetées 0 correspondent à des courbes sans nettoyage plasma. Les paramètres de la chimie du plasma, des temps de purge 10 et de formation du plasma 11 sont décrits ultérieurement.
Entre un plasma cyclique et un plasma continu avec application d’une tension de polarisation nulle Vbias-substrat, une première différence est réchauffement induit du substrat 3. Un plasma continu peut induire une augmentation importante de la température du substrat alors que, lors d’un plasma cyclique, les phases de purge 10 permettent son refroidissement entre chaque phase de formation du plasma 11. Le plasma cyclique offre donc une meilleure préservation de la structure 3, tout en permettant un nettoyage efficace de sa surface. Une autre différence notable peut être observée au niveau du décalage en tension des courbes et de la pente dans le régime de désertion. Dans les mêmes conditions expérimentales, un traitement par plasma continu induit un décalage des courbes C-V vers les tensions négatives, et donc une diminution de la tension de seuil vers des valeurs négatives. Ainsi, pour quantifier ces variations, la tension de la courbe aller (V3) prise pour une capacité prise arbitrairement à 8.1010 F, l’hystérésis (H) entre le balayage aller et retour pour la même capacité et enfin la pente de la courbe aller (S) prise entre une capacité de 5 et 8.1010 F, sont extraits des courbes C-V.
Ces paramètres sont regroupés dans la figure 5, qui est maintenant décrite. Les courbes 5a correspondent à des plasmas cycliques et les courbes 5b correspondent à des plasmas continus. Pour un plasma cyclique, la tension V3 stagne jusqu’à une durée totale de plasma de 75 s (soit 5 cycles), diminue progressivement puis finit par atteindre un nouveau plateau pour des durées supérieures à 300 s (soit 20 cycles). À l’inverse, pour un plasma continu, cette tension V3 chute brusquement et de façon monotone lorsque la durée de plasma augmente. Par ailleurs, pour un plasma continu ou cyclique et quelle que soit sa durée, tout au moins jusqu’à 600 s, l’hystérésis H s’améliore et se retrouve inférieure à 0,2 V. Pour un plasma cyclique, la pente S s’améliore jusqu’à une durée de 75 s puis se dégrade légèrement jusqu’à atteindre un plateau. Pour un plasma continu, elle est constante pour des faibles durées de plasma, s’améliore et stagne au-delà de 150 s.
Avec application d’une tension nulle de polarisation Vbias-substrat, un plasma continu ou un plasma cyclique permet donc chacun de réduire considérablement l’hystérésis et d’améliorer la pente S des CAPAMIS. Toutefois, les disparités majeures entre ces deux plasmas apparaissent au niveau du décalage des caractéristiques en tension. En effet, un traitement par plasma continu engendre un décalage systématique des C-V vers des tensions négatives. Il est envisagé aujourd’hui que le mécanisme sous-jacent est probablement lié à la formation, à l’interface, de charges fixes positives dont la densité serait corrélée au décalage en tension et augmenterait alors fortement avec la durée de plasma. Cependant, comme nous l’avons énoncé en introduction, cette diminution de tension est à éviter pour de nombreux composants microélectroniques, notamment pour la préparation de transistor de type HEMT « normally-Off ».
De manière inattendue, dans le cadre du développement de la présente invention il a été observé qu’un plasma cyclique couplé à l’application d’une tension de polarisation offre les mêmes avantages en termes de pente et d’hystérésis tout en limitant encore le décalage systématique et négatif en tension des C-V.
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.
En référence aux figures 4A et 5, on peut constater que la durée totale de formation du plasma Tïotai(P) présente une influence sur le nettoyage de la couche de GaN. Selon un exemple, le nettoyage de la surface comprend un nombre de cycles inférieur ou égal à 20 cycles, et de préférence inférieure ou égale à 10 cycles. De préférence, la durée totale du plasma, c’est-à-dire la durée de formation du plasma 11 sur l’ensemble des cycles répétés est inférieure à 150 s, et de préférence inférieure à 100 s. Ainsi, un éventuel décalage des courbes CV et donc de la tension de seuil est encore minimisé.
Selon un exemple, la durée de la formation du plasma est supérieure à 7 secondes, de préférence supérieure ou égale à 10 secondes, et de préférence égale à 15 secondes. La durée de plasma est ainsi suffisamment longue pour permettre un nettoyage efficace de la couche, tout en limitant réchauffement de la structure 3.
La durée de la purge 10 est sensiblement supérieure ou égale à 1 seconde. De préférence la durée de la purge 10 est sensiblement supérieure ou égale à 3 secondes, et plus préférentiellement sensiblement égale à 6 secondes. La phase de purge est ainsi suffisamment longue pour retirer les sous-produits de la réaction entre le plasma et la surface 30a de la couche traitée.
L’effet de la chimie du plasma est maintenant discutée en référence aux figures 6A et 6B. Les figures 6A et 6B comparent l’effet d’un plasma cyclique sur les performances électriques des CAPAMIS, sur une couche de GaN formée par épitaxie (6A) ou sur une couche de GaN gravée (6B), pour différentes chimies de plasma, pour un nombre de cycles de 5, la durée de plasma par cycle étant de 15 s soit une durée totale de plasma de 75 s. Le débit total de gaz a été fixé à 30 sccm pour garder constant le temps de résidence des espèces formées lors de la formation du plasma 11 dans la chambre de réaction 210.
Le gaz injecté, ou le mélange de gaz injectés, peut être à base d’au moins un parmi de l’azote et de l’hydrogène. De préférence l’au moins un gaz injecté comprend du diazote, du dihydrogène, de l’ammoniac, de l’argon ou leur mélange.
Le gaz injecté, ou le mélange de gaz injectés, peut être à base d’azote et d’hydrogène. Il a été observé qu’un traitement par un plasma cyclique à base d’un mélange de diazote N2 et de dihydrogène H2, ou d’ammoniac NH3 permettait de diminuer l’hystérésis des courbes C-V par rapport à un plasma à base de diazote sans hydrogène, comme illustré par les figures 6A et 6B. Selon un exemple, le gaz injecté est un mélange de diazote et de dihydrogène. Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence, de manière inattendue, qu’un plasma formé à partir d’un mélange de diazote et de dihydrogène était particulièrement avantageux pour le nettoyage de la surface d’une couche de GaN, en limitant notamment le décalage des courbes C-V, et donc de la tension de seuil, vers des valeurs négatives, comme illustré par les figures 6A et 6B. Une explication envisagée pour cela serait une meilleure efficacité d’un plasma d’un mélange N2-H2 pour nettoyer la surface du GaN, passiver les lacunes d’azotes du GaN et remplir les liaisons pendantes. Conjointement avec une durée de plasma suffisante, le traitement par plasma permet d’améliorer encore la nitruration de la surface de la couche de GaN.
Selon un exemple, la fraction de dihydrogène est sensiblement comprise entre 1% et 99%, de préférence sensiblement égale à 33%. De très faibles hystérésis ont été observée pour une fraction de dihydrogène de sensiblement 7 % (2H2-28N2) à 80 % (24H2-6N2). Le plus faible décalage des courbes C-V a été observé pour une fraction de dihydrogène de sensiblement 33 % (IOH2-2ON2).
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention propose une solution améliorant l’interface d’une couche de matériau de type lll-V et plus particulièrement lll-N et une couche déposée consécutivement.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par l’invention. La présente invention ne se limite pas aux exemples précédemment décrits. Bien d’autres variantes de réalisation sont possibles, par exemple par combinaison de caractéristiques précédemment décrites, sans sortir du cadre de l’invention. En outre, les caractéristiques décrites relativement à un aspect de l’invention peuvent être combinées à un autre aspect de l’invention.
Par exemple, dans les exemples précédents, la couche exposée à base de GaN est constituée de GaN. Néanmoins, la présente invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la couche à base de GaN est une couche à base d’un matériau lll-V. De préférence il s’agit d’un matériau lll-N. La couche à base d’un matériau lll-N peut comprendre au moins l’un parmi de l’indium et de l’aluminium. Par exemple, cette couche à base de GaN peut être du GaN, de l’AIGaN, de l’InGaN ou de l’AUnGaN. 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 exemple, dans les exemples précédents, la deuxième couche est constituée d’alumine. Néanmoins, la présente invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la deuxième couche est à base d’un oxyde métallique et/ou à base d’un élément chimique choisi parmi un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique. Ainsi, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une deuxième couche d’alumine sont applicables à une deuxième couche à base d’un oxyde métallique et/ou à base d’un élément chimique choisi parmi un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique.
L’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la structure est déposée sur un substrat à base de silicium. 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. La deuxième couche peut être une nanostructure ou comprendre une pluralité de nanostructures.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d’un composant microélectronique (4) comprenant :
• une fourniture d’une structure (3) comprenant une couche exposée (30) à base d’un matériau lll-V et présentant une surface (30a), dans un réacteur plasma (200) comportant une chambre de réaction (210) à l’intérieur de laquelle un substrat comportant ladite structure (3) est disposé,
• un nettoyage de la surface (30a) de la couche exposée (30) par un traitement par plasma cyclique comprenant plusieurs cycles (1) de traitement, chaque cycle de traitement comprenant au moins: o une purge (10) de la chambre de réaction, o une injection d’au moins un gaz à base d’azote, d’hydrogène, d’ammoniac, d’argon, d’hélium ou leur mélange dans la chambre de réaction et une formation d’un plasma (11) à partir dudit gaz dans la chambre de réaction (210), dans laquelle le plasma est généré à un potentiel Vpiasma, et lors de laquelle une tension de polarisation Vbias- substrat est appliquée au substrat, Vbias-substrat et Vpiasma étant contrôlés de manière indépendante,
• un dépôt, sur la surface nettoyée, d’une deuxième couche (40) d’un matériau à base d’au moins un élément chimique choisi parmi un élément de la colonne III et un élément de la colonne V du tableau périodique et/ou à base d’un oxyde métallique.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la valeur absolue de la tension de polarisation |Vbias-substrat| est comprise entre 0 Volt et 130 Volts, de préférence égale à 40 Volts.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée pendant au moins 70% de la durée TP de formation du plasma, de préférence au moins 90%, et encore plus préférentiellement pendant toute la durée TP de formation du plasma (11).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un gaz injecté est à base d’au moins un parmi de l’azote et de l’hydrogène, de préférence l’au moins un gaz injecté comprend du diazote, du dihydrogène, de l’ammoniac, de l’argon ou leur mélange.
5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le gaz injecté est un mélange de diazote et de dihydrogène.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, l’au moins un gaz injecté comprend du dihydrogène, la fraction de dihydrogène est comprise entre 1% et 99%, de préférence égale à 33%.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée TP de la formation du plasma (11) est supérieure à 7 secondes, de préférence supérieure ou égale à 10 secondes, et de préférence égale à 15 secondes.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de la purge (10) est supérieure ou égale à 1 seconde, de préférence supérieure ou égale à 3 secondes, et de préférence égale à 6 secondes
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nettoyage de la surface (30a) comprend un nombre de cycles inférieur ou égal à 20 cycles, de préférence inférieure ou égale à 10 cycles.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nettoyage de la surface (30a) comprend un nombre de cycles supérieur ou égal à 3 cycles, de préférence supérieur ou égal à 5 cycles.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la formation du plasma (11) est réalisée par une source déportée (260), de préférence une source radiofréquence inductive.
12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel lors de la formation du plasma (11), la puissance de la source radiofréquence inductive est comprise entre 100 et 300W, de préférence 300W,
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de la formation du plasma (11), et de préférence lors du nettoyage, la température du substrat est comprise entre 200 et 350°C, de préférence la température du substrat est égale à 300°C.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de la formation du plasma (11), la pression dans la chambre de réaction est inférieure ou égale à 50 mTorr, de préférence égale à 10 mTorr.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque cycle comprend au moins une stabilisation des gaz injectés (12) dans la chambre de réaction (210), la stabilisation (12) étant effectuée au moins avant la formation du plasma (11).
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure (3) est prise parmi : une couche, une structure en trois dimensions, une pluralité de structures en trois dimensions.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche exposée (30) est à base d’un matériau lll-N.
18. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche exposée (30) est à base de nitrure de gallium.
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième couche (40) déposée sur la surface nettoyée est à base d’un matériau diélectrique, de préférence à base d’alumine.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composant microélectronique (4) est un transistor dont une couche active est la couche à base d’un matériau lll-V nettoyée, de préférence le composant microélectronique (4) est un transistor de puissance, et plus préférentiellement un transistor de type HEMT.
21. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel le composant microélectronique (4) est une diode électroluminescente.
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