FR3107782A1 - Procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure à base de silicium ou de matériaux III-V - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure à base de silicium ou de matériaux III-V L’invention concerne un procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure à base de silicium (Si) ou à base d’un matériau III-V, le procédé comprenant plusieurs cycles (1) de dépôt effectués dans un réacteur plasma (200) comportant une chambre de réaction (210) à l’intérieur de laquelle est disposé un substrat (70) comportant ladite structure, chaque cycle (1) de dépôt comprenant au moins les étapes suivantes : dépôt (10) d’espèces à base d’aluminium sur une surface exposée (70a) de la structure, l’étape de dépôt comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’aluminium (Al), nitruration de la surface exposée (70a) de la structure, l’étape de nitruration comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction (210) d’un précurseur à base d’azote (N) et la formation (32) dans la chambre de réaction (210) d’un plasma à base d’azote, Lors de la formation (32) du plasma à base d’azote, on applique au substrat (70) une tension de polarisation Vbias non nulle. Figure pour l’abrégé : Fig.3B

Description

Procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure à base de silicium ou de matériaux III-V
La présente invention concerne la réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure, telle qu’une couche ou des nanostructures, à base des matériaux III-N et III-V, et préférentiellement à base de nitrure de gallium (GaN). Elle trouve par exemple pour application avantageuse le domaine de la micro-électronique et plus particulièrement les domaines de l’électronique de puissance, des capteurs et de l’optoélectronique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les multiples propriétés du nitrure d’aluminium (AlN) telles que sa grande bande interdite, sa permittivité diélectrique, sa bonne stabilité en température ou également sa piézoélectricité rendent ce matériau particulièrement attractif pour de nombreuses applications dans le domaine des capteurs, des composants optoélectroniques et également des composants à haute fréquence et à haute puissance. Plus particulièrement, en raison de sa structure cristalline proche du nitrure de gallium (GaN), l’AlN est un matériau particulièrement utile pour réaliser des dispositifs basés sur le GaN.
Par exemple, l’AlN peut être utilisé comme couche de passivation et ainsi former, dans le cas idéal, une interface AlN/GaN de bonne qualité. Pour une application relative à la réalisation de transistors à base de GaN, tels que les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs), lorsque cette couche de passivation d’AlN précède le diélectrique de grille du transistor, la qualité de l’interface AlN/GaN et de la couche d’AlN sont alors déterminantes dans le bon fonctionnement de ces transistors. En effet, la qualité de l’interface AlN/GaN et de la couche d’AlN affectent directement les performances des dispositifs telles que la mobilité des électrons, l’hystérésis et également la tension de seuil.
Ainsi, pour ce type applications liées aux HEMTs, mais également pour de nombreuses autres applications, il existe donc un besoin général consistant à proposer une solution permettant d’obtenir une interface AlN/GaN et une couche d’AlN de haute qualité.
Les techniques de dépôt chimique en phases vapeur (CVD) ou dépôt physique en phases vapeur (PVD) sont couramment utilisées pour la réalisation d’AlN. Bien que la technique CVD à partir de précurseurs organo–métalliques (MOCVD) permette d’atteindre des couches d’excellentes qualité, elle requiert des hautes températures de dépôt supérieures à 700°C ce qui ne permet d’envisager cette technique durant un procédé d’intégration avec des structures qui présentent un budget thermique limité.
Les techniques de dépôt physique en phases vapeur (PVD) présentent comme inconvénient de générer des problèmes d’uniformité et de conformité.
Dans la littérature, le dépôt par couche atomique assisté par plasma (PEALD) apparait comme une technique envisageable pour la fabrication de couches d’AlN. En effet, elle repose sur un procédé de croissance auto-limitant dans lequel le matériau est déposé couche par couche. D’une manière générale, la technique PEALD consiste à injecter séquentiellement des précurseurs d’aluminium, puis de nitrure, dans la chambre de réaction d’un réacteur plasma. Pour réaliser cette croissance séquentielle, ces réactions sont répétées de façon cyclique.
En dépit de l’existence de ces techniques connues de dépôt par CVD, PVD, PEALD, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une interface AlN/GaN et/ou d’une couche d’AlN.
De manière plus générale, il demeure un besoin consistant à proposer une solution permettant d’améliorer les propriétés d’une couche d’AlN déposée sur une couche ou des nanostructures à base de silicium, ou à base des matériaux III-V, en particulier à base des matériaux III-N et en particulier à base de GaN.
Un objet de la présente invention consiste à répondre à au moins l’un de ces besoins.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de réalisation d’une couche à base de nitrure d’aluminium (AlN) sur une structure à base d’un au moins l’un des matériaux suivants: le silicium (Si) ou un matériau pris parmi les matériaux III-V. Le procédé comprend plusieurs cycles effectués dans un réacteur plasma comportant une chambre de réaction à l’intérieur de laquelle est disposé un substrat comportant la structure. Chaque cycle comprend au moins les étapes suivantes :
  • dépôt d’espèces à base d’aluminium sur une surface exposée de la structure, l’étape de dépôt comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’aluminium (Al) réagissant avec la surface exposée de la structure,
  • nitruration de la surface exposée de la structure, l’étape de nitruration comprenant au moins une injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma à base d’azote réagissant avec la surface exposée de la structure.
Lors de la formation du plasma à base d’azote, on applique au substrat une tension de polarisation Vbias non nulle.
De manière inattendue et particulièrement avantageuse, la polarisation de la structure lors de l’injection du précurseur à base de nitrure permet d’une part d’améliorer considérablement la qualité de la couche d’AlN et d’autre part d’améliorer la qualité de l’interface entre cette couche d’AlN et la structure à base de silicium ou d’un matériau pris parmi les matériaux III-V. Le procédé reprend ainsi le principe des dépôts de type PEALD en le modifiant pour prévoir une tension de polarisation lors de l’étape de nitruration.
Lorsque la structure est faite de GaN et est destinée à former une partie au moins d’un dispositif à base de GaN tel qu’un HEMT, le procédé permet d’augmenter considérablement les performances de tels dispositifs.
On notera que ce procédé permet, outre l’obtention d’une couche d’AlN de qualité particulièrement élevée, de favoriser une orientation cristallographique (002). Cette couche d’AlN peut ensuite être utilisée comme une couche d’amorce suivie par un dépôt de l’AlN par une technique de dépôt relativement rapide, tel qu’un dépôt physique en phases vapeur PVD) par exemple.
Cette couche d’AlN peut également être utilisée comme couche de passivation pour des LEDs à base des matériaux III-N.
De manière facultative, le procédé peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes qui peuvent être prises séparément ou en combinaison :
Selon un exemple, la structure est à base de silicium.
Selon un autre exemple, la structure est à base d’un matériau pris parmi les matériaux III-V. Selon un exemple le matériau est pris parmi les matériaux III-N. Selon un exemple le matériau est du GaN. Ainsi la structure est faite de GaN ou est à base de GaN.
Selon un exemple, la structure est une couche. Elle présente par exemple une face qui s’étend sur toute la plaque. Elle peut présenter une face plane. Alternativement, elle peut épouser la forme de reliefs qui lui sont sous-jacents.
Selon un autre exemple, la structure peut ne pas être une couche. Elle peut comprendre une nanostructure ou une pluralité de nanostructures. Une nanostructure est une structure dont au moins une dimension est inférieure à 1 millimètre et de préférence inférieure à 500 nm (10-9mètres) et de préférence inférieure à 100 nm. Une nanostructure peut être en trois dimensions (3D). Il peut par exemple s’agir d’un plot ou d’un fils s’étendant selon une direction principale perpendiculaire à une face du substrat de support et présentant, dans un plan perpendiculaire à cette direction principale, une section inférieure à 1 millimètre, de préférence inférieure à 500 nm, et de préférence inférieure à 100 nm. La nano structure peut également être une tranchée ou une nervure. Elle peut également être une structure destinée à faire partie ou à former un dispositif qu’un transistor ou un dispositif micromécanique ou électromécaniques (MEMS, NEMS…) ou encore un dispositif optique ou optoélectronique (MOEMS…). La nanostructure est ponctuelle. Elle ne s’étend pas sur toute la plaque. Ainsi, une face de la plaque s’étend principalement dans un plan et des nano structures s’étendent à partir de cette face et selon une direction perpendiculaire à ce plan. Ces nano structures sont donc discontinues.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation │Vbias│ est inférieure ou égale à 160 Volts.
Selon un exemple, la valeur absolue de la tension de polarisation │Vbias│ est supérieure ou égale à 10 Volts.
Selon un exemple, lequel │Vbias│ est comprise entre 10 Volts et 130 Volts et de préférence Vbias est comprise entre -10 Volts et -130 Volts.
Selon un exemple, │Vbias│ est égale à 35 Volts.
Ces valeurs de Vbias permettent d’obtenir une qualité de la couche d’AlN particulièrement élevée. En outre elles induisent une orientation cristallographique (002). Cette couche d’AlN de très haute qualité peut ensuite être utilisée comme une couche d’amorce suivie par un dépôt de l’AlN par PVD par exemple. Cette couche pourra également être utilisée comme couche de passivation pour des LEDs à base des matériaux III-N.
Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias est appliquée pendant au moins 70%, et de préférence 90%, de la durée TNde la formation du plasma à base azote. Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias est appliquée pendant toute la durée TNde la formation du plasma à base azote.
Selon un exemple, lequel la durée TNde la formation du plasma à base azote est suffisante pour permettre la nitruration de tout le film formé à la surface de la structure.
Selon un exemple, lequel la durée TNde la formation du plasma à base azote est supérieure à 7 secondes, de préférence, TNest supérieure ou égale à 10 secondes, et de préférence TN= 15 secondes. Ces valeurs permettent d’obtenir une qualité de la couche d’AlN particulièrement élevée.
Selon un exemple, lequel chaque cycle comprend, au moins une étape de purge de la chambre de réaction, l’étape de purge comprenant l’injection dans la chambre de réaction d’un gaz neutre, l’au moins une étape de purge étant effectuée à au moins l’un et de préférence à chacun des instants suivants :
  • après l’injection du précurseur à base d’aluminium et avant la formation du plasma à base azote, et
  • après la formation du plasma à base azote.
Selon un exemple, lequel chaque cycle comprend, au moins une étape de stabilisation des gaz présents dans la chambre de réaction, l’étape de stabilisation étant effectuée au moins à l’instant suivant : avant la formation du plasma à base azote. De préférence après l’étape de purge.
Selon un exemple, lequel le précurseur à base d’aluminium (Al) est pris parmi le triméthylaluminium et le trichlorure d’aluminium.
Selon un exemple, lequel la durée d’injection TAldu précurseur à base d’aluminium est suffisante pour saturer la surface exposée de la structure, e.g., de la couche à base de GaN, de préférence, TAlest supérieure ou égale à 20 ms, de préférence TAlest de l’ordre de 50 ms.
Selon un exemple, lequel le précurseur à base d’azote (N) est pris parmi:
  • un mélange de diazote et dihydrogène (N2-H2),
  • de l’ammoniac (NH3),
  • un mélange d’ammoniac (NH3), de diazote et dihydrogène (N2-H2).
Selon un exemple, lequel au cours de certains au moins des cycles, et de préférence au cours de chaque cycle, l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’aluminium (Al) est effectuée avant l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote (N). Ainsi, le dépôt du film d’aluminium est effectué avant la nitruration.
Selon un exemple, au cours de certains au moins des cycles, et de préférence au cours du premier desdits plusieurs cycles, on effectue l’étape de nitruration de la surface exposée de la structure, avant l’étape d’injection du précurseur à base d’aluminium (Al).
Selon un exemple, le procédé comprend au moins dix cycles et de préférence au moins cinquante cycles. De préférence il comprend au moins cents cycles et de préférence environ cinq cents cycles.
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 formation d’un film d’AlN, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 2 représente de manière schématique un exemple de réacteur de dépôt pouvant être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.
Les figures 3A et 3B sont des graphes illustrant l’effet de la polarisation du substrat, durant un plasma à base d’azote, sur l’environnement chimique de l’azote. La figure 3A illustre des mesures par spectrométrie des photoélectrons des rayons X de l’environnement N1s pour différents dépôts d’AlN à différentes tensions moyennes de polarisation.
La figure 3B illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec une contribution ‘a’ et avec une contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation.
La figure 4A illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation et de la durée d’application de la polarisation.
La figure 4B illustre le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation et de la durée d’application de la polarisation.
La figure 5A illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 5B illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 6 illustre l’effet de la polarisation sur la cristallinité de l’AlN déposé sur un substrat de GaN.
La figure 7A est un schéma d’un dispositif capacitif de type Métal-Isolant-Semi-conducteur comprenant des contacts métalliques (nickel/or), une couche d’alumine, une couche d’AlN déposée sans ou avec une tension de polarisation et surmontant une couche de GaN.
La figure 7B est un graphe illustrant les mesures Capacitance - Tension (C-V) pour des échantillons comprenant une couche d’AlN déposée sans polarisation (0V) et avec une tension de polarisation moyenne de -35V, -70V et -130V.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, en figure 7A, les épaisseurs des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
On entend par un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma «à base» d’une espèce A, un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma comprenant cette espèce A uniquement ou cette espèce A et éventuellement d’autres espèces. Ainsi, un substrat comprenant une structure telle qu’une couche ou des nanostructures à base de Si de matériaux III-V peut être:
  • soit, préférentiellement, un empilement comprenant la structure à base de Si ou de matériau III-V est une couche, typiquement une couche de support sur laquelle repose la structure,
  • soit un empilement comprenant uniquement la structure à base de Si ou de matériau III-V. Dans ce cas, la structure peut être autoportante c’est-à-dire qu’elle supporte son propre poids.
En outre un substrat à base de Si ou d’un matériau III-V désigne également un substrat dont la couche à base de Si ou de matériau III-V est surmontée d’une ou de plusieurs couches déposées au cours du procédé décrit ci-dessous. Ainsi, une surface exposée du substrat à base de Si ou du matériau III-V peut être une surface formée par la structure ou formée par une ou plusieurs couches ou films déposés sur la structure.
Par ailleurs, un plasma à base d’azote peut être basé sur une chimie comprenant uniquement de l’azote ou comprenant de l’azote et éventuellement une ou plusieurs autres espèces, par exemple des gaz neutres.
De manière parfaitement classique, une structure à base d’un matériau III-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 III-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 III-N peut donc par exemple être pris parmi le GaN, l’AlGaN, AlInGaN, l’InN.
Plusieurs modes de réalisation de l’invention mettant en œuvre des étapes successives du procédé de fabrication sont décrits ci-après. Sauf mention explicite, l’adjectif « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les étapes se suivent immédiatement, des étapes intermédiaires pouvant les séparer.
Par ailleurs, le terme « étape » s’entend de la réalisation d’une partie du procédé, et peut désigner un ensemble de sous-étapes.
Par ailleurs, le terme «étape» ne signifie pas obligatoirement que les actions menées durant une étape soient simultanées ou immédiatement successives. Certaines actions d’une première étape peuvent notamment être suivies d’actions liées à une étape différente, et d’autres actions de la première étape peuvent être reprises ensuite. Ainsi, le terme étape ne s’entend pas forcément d’actions unitaires et inséparables dans le temps et dans l’enchaînement des phases du procédé.
Le mot « diélectrique » qualifie un matériau dont la conductivité électrique est suffisamment faible dans l’application donnée pour servir d’isolant. Dans la présente invention, un matériau diélectrique présente de préférence une constante diélectrique supérieure à 4. Les espaceurs sont typiquement formés en un matériau diélectrique.
Dans la présente demande de brevet lorsque l’on exprime un mélange gazeux avec des pourcentages, ces pourcentages correspondent à des fractions du débit total des gaz injectés dans le réacteur. Ainsi, si un mélange gazeux, par exemple destiné à former un plasma, comprend x% du gaz A, cela signifie que le débit d’injection du gaz A correspond à x% du débit total des gaz injectés dans le réacteur pour former le plasma.
Dans la présente invention, on entend par «transistors de type HEMT» (acronyme anglais de «High Electron Mobility Transistor») des transistors à effet de champ à haute mobilité d'électrons, parfois également désignés par le terme de transistor à effet de champ à hétérostructure. Un tel transistor inclut la superposition de deux couches semi-conductrices ayant des bandes interdites différentes qui forment un puits quantique à leur interface. Des électrons sont confinés dans ce puits quantique pour former un gaz bidimensionnel d’électrons. Pour des raisons de tenue en haute tension et en température, les matériaux de ces transistors sont choisis de façon à présenter une large bande d'énergie interdite.
Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS…) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS…).
Il peut s’agir d’un dispositif destiné à assurer une fonction électronique, optique, mécanique etc. Il peut aussi s’agir d’un produit intermédiaire uniquement destiné à la réalisation d’un autre dispositif microélectronique.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, l’épaisseur d’une couche ou du substrat se mesure selon une direction perpendiculaire à la surface selon laquelle cette couche ou ce substrat présente son extension maximale. L’épaisseur est ainsi prise selon une direction perpendiculaire aux faces principales du substrat sur lequel repose les différentes couches.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, les termes «sur», «surmonte», «recouvre», «sous-jacent», en «vis-à-vis» et leurs équivalents ne signifient pas forcément «au contact de». Ainsi par exemple, le dépôt, le report, le collage, l’assemblage ou l’application d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l’une de l’autre, mais signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact, soit en étant séparée d’elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près ».
Le principe général de la présente invention va maintenant être décrit en référence à la figure 1.
La figure 1 illustre les différentes étapes qui interviennent à chaque cycle de réalisation d’un film d’AlN sur une structure à base de silicium ou à base d’un matériau III-V. Ce cycle d’étapes est répété plusieurs fois jusqu’à ce que l’empilement de ces films forme une couche d’AlN présentant l’épaisseur souhaitée.
Chaque cycle comprend une injection séquentielle de précurseurs dans un réacteur plasma de dépôt tel que celui illustré en figure 2 et qui sera décrit par la suite. De préférence il s’agit d’un réacteur configuré pour effectuer des dépôts par couche atomique (PEALD). Afin de procéder à ces cycles, on dispose, dans une chambre de réaction du réacteur, un substrat 70 comprenant une structure à base de silicium ou à base d’un matériau III-V.
Une telle structure est par exemple à base d’un matériau III-N. Dans l’exemple non limitatif qui va être décrit en détail cette structure est à base de GaN. Plus précisément, cette structure sera décrite comme étant une couche de GaN. Toutes les caractéristiques, étapes et effets techniques qui seront décrits par la suite sont parfaitement applicables à une structure à base de silicium ou d’un matériau III-V autre que le GaN. Par ailleurs, Toutes les caractéristiques, étapes et effets techniques qui seront décrits par la suite sont parfaitement applicables à une structure, possiblement autre qu’une couche, telle qu’une nanostructure, par exemple en trois dimensions, ou une pluralité de telles structures.
Le substrat 70 peut être formé uniquement de cette structure en Si ou en matériau III-V. De manière alternative, ce substrat 70 peut comprendre une couche de support surmontée au moins d’une telle structure. La structure présente une surface libre, exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction.
Chaque cycle comprend de préférence cinq étapes principales:
Une première étape consiste à déposer 10 des espèces à base d’aluminium sur la surface exposée 70a de la structure formant ou reposant sur le substrat 70. Cette étape est référencée 10 en figure 1. Elle étape comprend l’injection dans la chambre de réaction du réacteur d’un précurseur à base d’aluminium. Le réactif à base d’aluminium réagit avec la surface exposée 70a par chimisorption.
Si cette injection est effectuée lors du premier cycle de réalisation de la couche d’AlN, la surface exposée 70a est la face supérieure d’une structure en Si ou en matériau III-V, dans cet exemple non limitatif une couche de GaN. Si cette injection est effectuée lors d’un cycle ultérieur, la surface exposée 70a correspond à la face supérieure du film d’AlN formé au cours du cycle précédent ou en formation lors du cycle en cours de réalisation.
Une deuxième étape, référencée 20, habituellement qualifiée de purge a pour fonction d’évacuer les réactifs du précurseur à base d’aluminium qui n’aurait pas réagi ainsi que les produits réactionnels. Cette purge consiste généralement à injecter dans la chambre de réaction un gaz neutre tel que de l’argon (Ar).
Une troisième étape, référencée 30 consiste à effectuer une nitruration de la surface exposée 70a du substrat 70. Cette étape comprend l’injection dans la chambre de réaction d’un précurseur à base d’azote (N) puis la formation d’un plasma 32 dont la chimie comprend des espèces à base d’azote. Ce plasma est configuré pour permettre la nitruration de la surface exposée 70a.
Cette troisième étape 30, peut comprendre une phase de stabilisation 31 des gaz utilisés pour le plasma à base d’azote. Cette phase de stabilisation 31 est de préférence effectuée avant la formation 32 du plasma à base d’azote.
Lors de la formation 32 du plasma à base azote, on applique une polarisation sur la structure à base de Si ou de matériau III-V, dans cet exemple une couche à base de GaN. En pratique, la chambre de réaction comprend un plateau de réception du substrat 70. Le plateau est conducteur électriquement et la tension de polarisation est appliquée à ce plateau pour être transmise au substrat 70 à la structure.
L’application de cette tension de polarisation, que l’on peut désigner Vbias par correspondance avec les réacteurs plasma de gravure, apporte des avantages considérables. En particulier, cette polarisation permet d’améliorer la qualité de la couche d’AlN formée. D’autre part, elle permet d’améliorer la qualité de l’interface entre la structure à base de Si ou de matériau III-V et la couche d’AlN. Les figures 3A à 7B, qui seront décrites par la suite en détail, explicitent les avantages conférés par l’application de cette tension de polarisation lors de l’étape de formation 32 du plasma à base d’azote.
La tension de polarisation appliquée est inférieure à 160 volts. On notera que cette tension de polarisation est bien plus faible que les tensions de polarisation habituellement utilisées pour réaliser des gravures ou des implantations par plasma. En outre, ce procédé est de préférence mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt. Les réacteurs plasma de gravure ne sont pas configurés pour appliquer au substrat des tensions de polarisation aussi faibles.
Une quatrième étape, référencée 40, consiste à effectuer une purge de sorte à évacuer les réactifs du précurseur à base d’azote qui n’auraient pas réagi ainsi que les produits réactionnels. Au cours de cette purge, on injecte dans la chambre de réaction du gaz neutre tel que de l’argon (Ar). Cette étape, bien qu’avantageuse, est uniquement optionnelle.
On notera que dans le procédé illustré en figure 1, l’injection du précurseur à base d’aluminium est effectuée avant l’injection du précurseur à base d’azote et la formation 32 du plasma à base d’azote. Néanmoins, on peut prévoir que l’ordre de ces groupes d’étapes soit inversé. Ainsi, la séquence comprenant l’injection du précurseur à base d’aluminium peut être effectuée après la séquence comprenant l’injection et la formation du plasma 32 à base d’azote
Typiquement, à l’issue d’un cycle l’épaisseur d’AlN formée est inférieure à 1Ångström (10-10mètres). De préférence cette épaisseur est inférieure à 0,7 Ångström. De préférence, cette épaisseur est comprise entre 0,4 Ångström et 0,7 Ångström.
La figure 2 illustre un schéma d’un réacteur plasma qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé proposé.
De préférence, le procédé proposé est mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt. Plus particulièrement dans un réacteur plasma à couplage inductif, habituellement qualifié par son acronyme ICP du vocable anglais Inductively Coupled Plasma.
Le réacteur 200 comprend une chambre de réaction 210 à l’intérieur de laquelle est disposé un plateau 220. Ce plateau 220 est configuré pour accueillir le substrat 70 comprenant du GaN. Le substrat 70 repose sur le plateau 220 par une surface arrière. La surface avant du substrat 70, opposée à sa surface arrière, est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 210. Dans cet exemple non limitatif, le substrat 70 forme la structure sur laquelle on souhaite déposer la couche à base d’AlN. Cette surface avant du substrat 70 constitue donc la surface 70a de la structure. Le plateau 220 est électriquement conducteur. De manière relativement classique, le réacteur comprend une entrée 230 des gaz permettant d’injecter à l’intérieur de la chambre 210 les gaz destinés à former la chimie du plasma ainsi que les gaz destinés aux phases de purge. Il comprend également un dispositif de couplage par induction 260, dont une bobine est illustrée en figure 2, et qui permet la formation du plasma. Une paroi de la chambre de réaction 210 est électriquement connectée à la terre 270. Le réacteur 200 comprend également une valve 240 d’isolation de la chambre de réaction 210. Le réacteur 200 comprend également une pompe 250 pour extraire les espèces présentes dans la chambre de réaction 210.
De manière avantageuse, ce réacteur 200 comprend un dispositif de polarisation 270 configuré pour permettre l’application de la tension de polarisation au plateau 220 et in fine au substrat 70. Ce dispositif de polarisation 270 comprend un dispositif de contrôle 281 et permet d’appliquer une tension alternative sur le plateau 220. De préférence ce dispositif de contrôle 281 comprend une unité d’adaptation automatique (qualifiée par son vocable anglais d’auto match unit) qui adapte l’impédance dans la chambre et de la source d’ions à celle du générateur radiofréquence.
Ce dispositif de polarisation 270 est configuré pour permettre l’application d’une tension de polarisation dont l’amplitude est faible typiquement inférieure à 160 volts, de préférence inférieure à 130 volts.
En référence aux figures 3A à 7B, les effets et avantages de l’application d’une tension de polarisation lors de la formation du plasma à base d’azote vont maintenant être décrits en détail.
Les figures 3A et 3B sont des graphes illustrant l’effet de la polarisation du substrat, durant un plasma à base d’azote, sur l’environnement chimique de l’azote. Plus précisément, dans cet exemple, le plasma est un plasma de N2-H2avec 33% d’hydrogène lors du dépôt de l’AlN sur une couche de silicium d’orientation (100).
La figure 3A illustre des mesures par spectrométrie des photoélectrons des rayons X de l’environnement N1s pour différent dépôts d’AlN, réalisés sur la couche de silicium d’orientation (100), ceci à différentes tensions de polarisation (V) de substrat. Trois contributions sont observées. Une première contribution correspond aux liaisons N-Al à environ 396,7 eV. Deux autres contributions ‘a’ et ‘b’, non désirées et correspondant à des impuretés, sont observées. Ces contributions ‘a’ et ‘b’ sont référencées 310 et 320.
La figure 3B illustre, sur la courbe 330 le rapport du pourcentage atomique de liaisons N1s avec l’Al sur le pourcentage atomique de liaisons N1s avec la contribution ‘a’. La courbe 340 de cette figure 3B illustre le rapport du pourcentage atomique de liaisons N1s avec l’Al sur le pourcentage atomique de liaisons N1s avec la contribution ‘b’. L’angle d’analyse par XPS (spectrométrie des photoélectrons des rayons X) est de 23,75°. D’après ces mesures par XPS, le rapport du pourcentage atomique des liaisons N1s N-Al par rapport aux autres contributions ‘a’ et ‘b’ augmente puis diminue. Cela montre ainsi que la qualité de la couche peut être améliorée avec la polarisation du substrat dans une gamme d’environ 0 à -70V avec un optimum émergeant à environ -35V. Des résultats similaires peuvent être obtenus avec des couches plus épaisses d’environ 25 nm et également sur une couche de GaN au lieu d’une couche de silicium (Si).
La durée du plasma à base d’azote doit être suffisamment longue pour permettre la nitruration, de préférence la nitruration complète, de la surface exposée au plasma et ainsi bénéficier des effets de la polarisation du substrat. De préférence, cette durée du plasma, notée TPest supérieure ou égale à 70% et de préférence supérieure égale à 90 % de la durée TNde formation 32 du plasma à base d’azote. De préférence TP=TN.
Les figures 4A et 4B illustrent, le rapport du pourcentage atomique de la contribution de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘a’ (Figure 4A) et avec la contribution ‘b’ (Figure 4B) en fonction de la tension moyenne de polarisation pour une durée TPde 5s (secondes) (courbes 41a et 41b) et pour une durée TPde 15s (courbes 42a et 42b), TPétant la durée du plasma, ici un plasma basé sur une chimie de N2-H2avec 33% d’hydrogène.
Il ressort de ces figures que pour un plasma N2-H2avec 33% d’hydrogène, une durée TPde plasma de 5s est trop courte puisqu’elle ne forme que très peu de liaisons AlN. Ainsi, la polarisation du substrat n’a alors que peu d’effet sur la qualité du dépôt si TPn’est pas correctement réglée.
Des résultats similaires, illustrés en figures 5A et 5B, ont été obtenus pour des dépôts réalisés avec trois chimies différentes, plus précisément avec respectivement un plasma de NH3,un plasma de N2-H2-Ar, et également avec un plasma de N2H2.
La figure 5A illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘a’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
La figure 5B illustre le rapport du pourcentage atomique de l’azote lié à l’aluminium N1s AlN avec la contribution ‘b’ en fonction de la tension moyenne de polarisation pour différentes chimies et durées de plasma.
Les courbes 51a et 51b (légende «5s, NH3») correspondent chacune à un plasma d’ammoniac uniquement d’une durée de 5s.
La courbes 52a et 52b (légende «15s, N2-H2-Ar») correspondent chacune à un plasma composé de 86% de H2, de 7% de N2et de 7% d’Ar et d’une durée de 15s.
Les courbes 53a, 53b (légende «15s,N2-H2») correspondent chacune à un plasma composé de 33% d’hydrogène et d’une durée de 15s.
La figure 6 illustre l’effet de la polarisation sur la cristallinité de l’AlN déposé sur la structure, ici un substrat de GaN. Des dépôts d’AlN à différentes tensions de polarisation ont été réalisés sur substrat de GaN. Plus précisément, dans cet exemple, les substrats de GaN ont été obtenus par croissance MOCVD sur silicium.
Dans cet exemple, la couche d’AlN est obtenue par une succession de 500 cycles. Chaque cycle comprend un plasma de N2-H2(33% d’hydrogène) maintenu pendant une durée de 15 secondes. Les mesures de diffraction des rayons X ont été réalisées en incidence rasante. Le diffractogramme a été indexé suivant la fiche ICDD 00-025-1133 de l’AlN hexagonal.
Les mesures de diffraction des rayons X en incidence rasante montrent que les couches sont poly-cristallines et ont une structure hexagonale. On remarque qu’une orientation préférentielle de croissance suivant l’axe (002) semble être favorisée lors du dépôt à faibles tensions de polarisations. Typiquement, ces tensions de polarisation sont comprises entre -40V et -80V.
Des dépôts d’AlN à différentes tensions de polarisation ont également été réalisés sur substrat de GaN pour étudier l’effet induit par l’application d’une tension de polarisation sur les caractéristiques électriques de capacités.
Dans cet exemple, le dopage du GaN est de type N. Le dopage est effectué de sorte que la concentration en espèce dopante soit de 5x1018cm-3.
Avant leur introduction dans le réacteur PEALD, les échantillons ont été plongés dans une solution d’acide chlorhydrique à 12% pendant 2 minutes puis rincés 1 minute à l’eau déionisée et enfin séchés sous un flux de diazote. Ensuite, une couche d’AlN est formée par 40 cycles. Pour certains substrats, ces cycles sont réalisés sans polarisation lors de la formation 32 du plasma à base azote (courbes 701). Pour d’autre substrat, ces cycles sont réalisés avec une tension de polarisation moyenne de respectivement -35V (courbe 702), -70V (courbe 703) et -130V (courbe 704).
Après ce dépôt, 125 cycles d’alumine (Al2O3) sont déposés sur la couche d’AlN. De préférence, ce dépôt Al2O3est réalisé dans le même réacteur. Enfin des plots circulaires sont définis dans une résine positive photosensible par lithographie. Ensuite, 30 nm de nickel puis 100 nm d’or sont évaporés par faisceau d’électrons. Enfin, le métal excédentaire est retiré par lift-off (soulèvement) dans de l’acétone.
La figure 7A illustre de manière schématique le dispositif obtenu. Ce dispositif comprend une couche de GaN, par exemple formant un substrat 70, surmontée d’une couche d’AlN 71 obtenue en appliquant ou non une tension de polarisation lors des cycles de dépôts successifs. Sur et de préférence directement au contact de la couche d’AlN 71 on retrouve la couche Al2O3.Les plots 73 de nickel et d’or surmontent la couche d’Al2O3.
Les différents dispositifs sont caractérisés par des mesures électriques de type «Capacitance-Voltage» (C-V) à une fréquence de 10 kHz et sur une taille de plot de 600 µm.
La figure 7B illustre les résultats de ces mesures électriques. Les courbes 701 correspondent aux substrats obtenus sans appliquer de tension de polarisation lors des cycles de formation du plasma à base azote. Les courbes 702, 703 et 704 correspondent respectivement aux résultats obtenus avec des substrats réalisés en appliquant, lors de la formation du plasma à base azote, une tension de polarisation moyenne, de -35V, -70V et -130V.
Il ressort de cette figure 7B que la polarisation du substrat durant le dépôt de l’AlN affecte fortement les caractéristiques électriques. Grâce à la polarisation de substrat, les caractéristiques C-V sont décalées vers des tensions positives, ce qui est l’effet désiré dans le cadre de l’amélioration de nombreux dispositifs et en particulier des HEMTs. Toutefois, si la tension de polarisation est trop élevée en valeur absolue, la commutation entre le régime de déplétion et d’accumulation est moins abrupte et l’hystérésis augmente également (courbes 704). Un optimum émerge alors à une tension de polarisation moyenne de -35V ce qui correspond à l’optimum observé précédemment pour un plasma N2-H2avec 33% d’hydrogène sur les mesures XPS comme illustré en figures 3A et 3B.
Exemples particuliers et variantes de réalisation
Les paragraphes qui suivent visent à décrire des exemples particuliers de réalisation de la présente invention et à proposer certaines variantes. Les caractéristiques et les exemples et variantes proposées ci-dessous sont applicables et combinables à chacun des exemples mentionnés précédemment.
Selon un mode de réalisation, au moins pour certains cycles, la formation du plasma à base azote est effectuée avant l‘injection du précurseur à base d’aluminium. Ainsi, les étapes 10 et 30 de la figure 1 peuvent être inversées. Selon un mode de réalisation, cet ordre des séquences est identique pour tous les cycles de la formation de la couche AlN.
Selon un exemple, la phase de purge utilise un gaz neutre tels que le diazote (N2) ou l’argon (Ar). Avantageusement, la durée de purge est suffisamment importante pour éliminer les excès de réactif et/ou les sous-produits de la réaction. Typiquement, la face de purge dure plusieurs secondes. Elle dure par exemple environ 3s.
Selon un exemple, les précurseurs à base d’aluminium peuvent être le triméthylaluminium ou le trichlorure d’aluminium. La durée d’injection du précurseur doit être suffisante pour saturer la surface de la couche à base de GaN ou la surface déjà déposée d’AlN. Cette durée d’injection est typiquement d’environ 50 ms (10-6secondes).
Selon un exemple, la pression de la chambre de réaction du réacteur durant le plasma doit être ajustée de telle sorte à avoir une gaine non-collisionnelle. Typiquement la pression est inférieure à 50 mTorr (soit 6,67 Pa) et de préférence égale à 10 mTorr.
Selon un exemple, la puissance RF-ICP doit être suffisamment importante pour avoir un plasma stable. Cette puissance est supérieure à 100W. De préférence cette puissance est comprise entre 100-300W.
Selon un exemple, le précurseur à base d’azote peut être un mélange de diazote et dihydrogène (N2-H2), de l’ammoniac (NH3), ou un mélange de ces gaz. De l’argon peut être ajouté avec tous ces gaz.
Selon un exemple, la durée du plasma à base d’azote doit être suffisamment longue pour permettre la nitruration du film ou de la couche précédemment formée.
Selon un exemple, la tension de polarisation du substrat lors du plasma à base azote est comprise entre -10 V et -130 V.
Il ressort clairement de la description qui précède, que le procédé proposé permet d’améliorer considérablement la qualité de la couche d’AlN déposée ainsi que la qualité de l’interface entre l’AlN et GaN.
Le procédé proposé confère ainsi des avantages considérables, en particulier pour la fabrication de transistors HEMTs à base de GaN et d’AlGaN.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Par exemple, dans les exemples précédents, la couche à base de GaN sur laquelle est formée la couche à base d’AlN est constituée de GaN. Néanmoins, la présente invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la couche à base de GaN sur laquelle est formée la couche à base d’AlN est une couche faite d’un nitrure de gallium et d’au moins l’un parmi l’indium et l’aluminium. Ainsi, cette couche à base de GaN peut être du GaN, de l’AlGaN, de l’InGaN ou de l’AlInGaN.
L’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la structure sur laquelle la couche d’AlN est déposée est à base de silicium.
L’invention s’étend également aux modes de réalisation dans lesquels la structure sur laquelle la couche d’AlN est déposée est à base d’un matériau pris parmi les matériaux III-V. De préférence il s’agit d’un matériaux III-N.
Ainsi, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une structure à base de GaN sont applicables à une structure à base de silicium ou d’un matériau pris parmi les matériaux III-V.
Par ailleurs, dans les exemples décrits ci-dessus la structure est une couche. Néanmoins, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une structure formant un couche sont applicables à une structure ne formant pas une couche mais formant une structure ponctuelle, par exemple un relief en trois dimensions. La structure peut être une nanostructure ou comprendre une pluralité de nanostructures.

Claims (20)

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