Développement d'un procédé de gravure par plasma pour les transistors de puissance à base de matériaux III-V

III-V materials plasma-etching process development for power devices

• Auteur / Autrice : Maxime Pezeril
• Direction : Nicolas Possémé, Patricia Pimenta-Barros, Simon Ruel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• 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, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvon Cordier, David Vaufrey, Mohamed Boufnichel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Vallée, Christophe Cardinaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Nitrure de gallium

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure Plasma

Gravure par couche atomique

Transistors

Electronique de puissance

AlGaN/GaN hétérostructure

Plasma Etching

Transistors

Atomic Layer Etching

Power electronics

AlGaN/GaN heterostructure

Résumé

Dans le secteur de l’électronique de puissance, le Nitrure de Gallium (GaN) émerge comme un matériau prometteur grâce à ses qualités intrinsèques, en particulier son grand gap et sa tenue à fortes tensions. Les transistors qui l’utilisent, appelés HEMT (High Electron Mobility Transistors), reposent sur une propriété particulière d’une hétérostructure AlGaN/GaN: un canal bi-dimensionnel (2DEG). Les différentes technologies sont encore en développement et font face à différentes problématiques liées aux étapes critiques du procédé de fabrication des composants. L’une de ces étapes est la gravure de la grille. Ce doctorat présente différentes études des dégradations induites par la gravure plasma du GaN, ainsi que méthode de réduction de l’endommagement. Le procédé de référence étudié est constitué d’une gravure principale RIE (Reactive Ion Etching) par plasma Cl2/BCl3 puis d’une finition lente et moins dégradante par Atomic Layer Etching (ALE).Les premiers travaux ont souligné l’impact du choix du masque utilisé pour la définition des motifs sur la plaque. Les analyses XPS, AFM et les observations du profil de la grille après gravure ont permis de mettre en avant certains mécanismes impliquant directement la nature du masque. Ainsi, le passage d’un masque en résine photosensible à un masque diélectrique (dit masque dur) a accéleré la gravure, sans modification drastique de l’état de surface. En parallèle, deux mécanismes de passivation de la grille ont été décelé: une passivation latérale par dépôt d’un polymère lors de la gravure du masque de résine, une passivation sur l’ensemble de la grille freinant la deuxième étape de gravure par ALE lors de la gravure d’un masque d’oxyde de silicium. Ce deuxième mécanisme a été contourné via la modification de l’énergie de bombardement ionique.Ces premiers résultats ont servi de base pour l’étude d’approches alternatives au procédé de référence. La nature des espèces chimiques présentes dans le plasma a clairement été mis en exergue, en particulier des espèces comme l’HBr. Ainsi, la suite de l’étude s’est recentrée sur la modification des paramètres du procédé de référence. Confirmée par la modification du bias, la préponderance du bombardement ionique dans le mécanisme de dégradation du GaN a été réduite par le passage d'un bias continu à un bias pulsé. Ainsi, ces premiers résultats électriques ont ajouté de nouvelles options prometteuses.Les derniers travaux ont tenu compte des études du choix du masque et de la modification de certaines caractéristiques du plasma pour proposer une analyse des performances électriques du composant. Via la création de capacité MOS GaN/Al2O3/Ni/Au sur la surface du GaN grave, des caractéristiques importantes d’une grille ont été analysées : la tension de bande plate VFB et l’hystérèse d’une cycle accumulation-décharge C(V). La mise en place du procédé de gravure-dépôts métalliques a souligné l’importance de l’ajout d’étapes de nettoyage : par plasma in situ à la suite de la gravure, par bain acide avant la croissance d’alumine.

In power electronics industry, Gallium Nitride (GaN) is a promising material by his properties, especially the wide gap and high voltage working. The devices, called HEMT (High Electron Mobility Transistors), are based on AlGaN/GaN heterostructure property : the Two-dimensional electron gas (2DEG). The manufacturing of power devices inlcudes several critical steps when the GaN is degraded. This thesis works focused on the plasma induced damages and present several processes to reduce these degradations.We first studied the impact of mask used for patterning with a Cl-based Reactive Ion Etching (RIE) process followed by Atomic Layer Etching (ALE). XPS, AFM and SEM gate profile analysis highlighted degradation mechanisms involving the masks. The comparison between resist mask and dielectric masks, called hard masks, have shown 2 types of passivation. The first one is a polymer deposition on the sidewalls of the gate during resist mask etching. The second one is thin layer deposition on the sidewalls and the bottom of the gate during silicon oxide mask etching. This passivation, slowing the ALE down, has been avoided by ion bombardment energy modification.Considering the first results, we tried several alternative plasma etching processes. The nature of the species used has been clearly identified as a strong factor of degradation, especially HBr. Furthermore, the modification of the bias voltage for the Cl-based process confirms that ion bombardment energy is the main factor of GaN degradation. The use of bias-pulsed processes shows promising results.Finally, the last works focused on MOS (GaN/Al2O3/Ni/Au capacity performances analysis following plasma etching conditions. The Capacity-Voltage C(V) characterizations put emphasis on the add of clean steps between GaN plasma etching and alumine Atomic Layer Deposition (ALD) : in situ O2 dry strip (without bias voltage) and HCL wet strip before furnace loading.