Etude de la gravure du carbure de silicium : application à la réalisation de composants de puissance

= Study of silicon carbide etching : Use to power devices realization

• Auteur / Autrice : Frederic Lanois
• Direction : Jean-Pierre Chante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électronique
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône1992-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Électronique de puissance

Microélectronique

Résumé

En électronique, en général, et en électronique de puissance, en particulier, les composants à base de silicium commencent à montrer des limites directement imputables au matériau. Avec ses excellentes propriétés physiques, le carbure de silicium (SiC) est potentiellement un concurrent sérieux du silicium. Les récents développements, en ce qui concerne la croissance de ce matériau, font de la fabrication de dispositifs de puissance en SiC un objectif à moyen terme. Dans ce cadre, la mise au point d'un procédé de gravure est importante puisqu'elle intervient dans la réalisation de protections périphériques (MESA) et de certains composants (MOSFET en tranchée). La gravure a été réalisée dans un réacteur DECR dans un mélange gazeux à base de SF6 et d'02. Une étude paramétrique a d'abord permis la détermination des grandeurs plasma pertinentes : la concentration en fluor et le bombardement ionique. Le développement d'un modèle proposé dans la littérature a permis d'aboutir à une expression mathématique de la vitesse de gravure. Les prédictions de ce modèle ont été confrontées avec les résultats expérimentaux. Les surfaces de gravure ont ensuite été étudiées d'un point de vue morphologique, chimique, et électrique. La rugosité des surfaces avant et après gravure ont été comparées. Un procédé de contrôle de la pente de la gravure a été mis au point. Des analyses XPS ont permis de comparer les compositions chimiques de la surface, avant et après gravure, pour deux types de plasma (SF6 pur et SF6/02). Enfin, des condensateurs MOS ont permis de caractériser électriquement l’effet de la gravure sur les surfaces planes et sur les flancs. La simulation et la réalisation de diodes bipolaires protégées par MESA font l’objet du dernier chapitre. Les simulations électriques des composants ont été réalisées avec les logiciels TSUPREM4 et MEDICI de la société TMA. La profondeur et l'angle de la gravure ont ainsi pu être optimisés. Les tenues en tension observées sur les diodes ainsi réalisées et les simulations ont été comparées. L'origine des écarts a été discutée au moyen d'observations au MEB et de mesures électriques.

In electronics, and especially in power electronics, silicon based devices are showing limits directly related to silicon. With its excellent physical properties, Silicon Carbide (SiC) is potentially a serious competitor to silicon. Recent advancements, in growing of SiC, make of the realization in SiC power devices a mid-term goal. In this context, developing an etch process is important as it is involved in the realization of peripheral protection (MESA) and of some devices (trench MOSFET). The etching was performed in a DECR reactor in a SF6 / O2 gas mixture. Firstly a parameters study enabled us to determine the main plasma figures: the Fluor concentration and the ioniC bombardment. The study of a model reported in a paper lead us to express the etch rate as a formula. Predictions of the model have been compared to the experimental results. Then, the etched surfaces have been studied from morphological, chemical and electrical points of view. The surface roughness before and after etching have been compared. A process to control the slope of the sidewalls has been applied to silicon carbide. Etched surfaces obtained after two types of plasma (SFr, and SFr/02) have been analyzed by the mean of XPS. Finally MOS capacitors have allowed us to characterize the effect of the etching on planar and sloped surfaces. The last chapter deals with the simulation and the realization of MESA protected bipolar diodes. Electrical simulations of the device have been performed using TSUPREM4 and MEDICI software’s of the TMA Society Etching slope and depth have been optimized thanks to simulations. The measured and simulated breakdown voltages have been compared. The origin of the misfits have been discussed with the help of SEM observations and electrical measurements.