Développement de procédés de gravure plasma sans dommage pour l'électronique de puissance à base de GaN

Development of damage-free plasma etching processes for GaN based power electronics

• Auteur / Autrice : Frédéric Le roux
• Direction : Nicolas Possémé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 24/06/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Boufnichel, Jean-Pierre Landesman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Tillocher, Patrice Raynaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Nitrure de gallium

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure plasma

Electronique de puissance

Hemt

Procédés ALE

Hétérostructure AlGaN/GaN

Dégradation induites par le plasma

Plasma etching

Power electronics

Hemt

ALE process

AlGaN/GaN heterostructure

Plasma induced degradations

Résumé

En électronique de puissance, le GaN est devenu un matériau de choix : il répond à des enjeux de haute performance énergétique, tout en favorisant une compacité et une légèreté des composants. Lors de la fabrication de dispositifs de puissance basés sur une hétérostructure AlGaN/GaN, la gravure plasma induit des dégradations dans le matériau et réduit les propriétés électroniques des composants notamment les diodes et les HEMT (High Electron Mobility Transistors). Ces travaux de thèses se sont focalisés sur l’étude de ces dégradations et proposent des procédés de gravure industrialisables qui diminuent l’impact de ces plasmas. Nous nous sommes concentrés dans un premier temps sur les mécanismes de dégradation intervenant pendant la gravure du SiN avec arrêt sur AlGaN, en fonction de différents paramètres plasma. Les caractérisations électriques et physico-chimiques (notamment l’XPS) ont permis de mettre en avant différents mécanismes de dégradations et d’en proposer un modèle synthétique. Nous avons identifié deux facteurs principaux de dégradation électrique : d’une part, le bombardement ionique énergétique qui modifie les stœchiométries de surface, favorise l’implantation de contaminants, perturbe la qualité cristalline de la maille et provoque la pulvérisation de l’AlGaN. Un seuil en énergie, sous lequel les dégradations restent limitées, a cependant été démontré et éprouvé. Le second facteur identifié est l’épaisseur modifiée. Plus l’épaisseur modifiée est importante, plus elle a une influence sur le canal électronique et ses propriétés. Cette épaisseur peut être augmentée par une haute énergie de bombardement ou par l’utilisation d’éléments légers qui s’implantent en profondeur dans l’AlGaN. Dans un second temps, ces résultats ont servi de cadre pour le développement de procédés innovants afin de limiter l’endommagement lors de la gravure GaN. Nous avons étudié trois procédés cycliques de type ALE : O2-BCl3, Cl2-Ar et Cl2-He. Leurs études ont permis de mettre en évidence leurs différentes caractéristiques d’autolimitations et de sélectivités ainsi que de proposer des modèles de mécanismes de gravure. La caractérisation et la comparaison avec les procédés standards ont soulignés leurs performances et notamment leurs capacités à diminuer les dégradations électriques induites pendant la gravure.

In power electronics, GaN has become a material of choice: it meets the challenges of high energy performance, while promoting compactness and lightness of the components. When manufacturing power devices based on an AlGaN / GaN heterostructure, plasma etching induces degradations in the material and reduces the electronic properties of the components, in particular diodes and HEMT (High Electron Mobility Transistors). These thesis works focused on the study of these degradations and proposes industrializable etching processes which reduce these plasma impacts. We first focused on the degradation mechanisms involved during the etching of SiN with stop on AlGaN, according to different plasma parameters. The electrical and physicochemical characterizations (in particular the XPS) made it possible to highlight various degradation mechanisms and to propose a synthetic model. We have identified two main factors of electrical degradation: the first one is the energy ion bombardment which modifies the surface stoichiometries, favors the implantation of contaminants, disturbs the crystal quality of the lattice and causes the sputtering of AlGaN. An energy threshold, below which degradations remain limited, has however been demonstrated and tested. The second factor identified is the modified thickness. The greater the modified thickness, the more it has an influence on the electronic channel and its properties. This thickness can be increased by high bombardment energy or by the use of light elements which are deeply implanted in AlGaN. These results then served as a framework for the development of innovative processes in order to limit the damage during GaN etching. We studied three cyclic processes of the ALE type: O2-BCl3, Cl2-Ar and Cl2-He. These studies made it possible to highlight their different self-limiting and selectivity characteristics as well as to propose etching mechanisms models. Characterization and comparison with standard processes have highlighted their performance and in particular their ability to reduce the electrical degradation induced during etching.