Procédés de gravure à faible endommagement des surfaces : application à la gravure SiN sur AlGaN/GaN pour les transistors à haute mobilité électronique

Les semi-conducteurs en Nitrure de Gallium (GaN), constituent des matériaux prometteurs pour la fabrication de transistors à haute mobilité électronique (HEMT) pour les prochaines générations de dispositifs de puissance, grâce à leurs propriétés physiques exceptionnelles adaptées aux applications à haute tension, température, et fréquence. Lors de la fabrication de HEMT à basé d'une hétérostructure AlGaN/GaN, la formation de la grille est reconnue comme l'étape la plus critique pouvant entraîner une dégradation électrique du transistor. Cette étape vise le retrait de la couche de cap SiN protégeant l'hétérostructure en s'arrêtant précisément sur la couche barrière AlGaN sans l'endommager. L'objectif de cette thèse est de développer et d'optimiser des procédés de gravure plasma de la couche cap SiN et des procédés humides post-gravure permettant de préserver l'intégrité de la couche barrière AlGaN.Dans cette étude, deux approches de gravure du SiN ont été évaluées : 1) l'approche traditionnelle utilisant des plasmas fluorés développés dans un réacteur ICP, 2) une approche alternative utilisant un réacteur équipé d'un plasma capacitif et d'un plasma post-décharge (RPS) dans le lequel peut être mis en œuvre le concept de gravure Smart Etch. Ce concept vise la gravure du SiN en deux étapes : une étape de modification de la couche SiN par implantations d'ions H2 suivie d'une étape de retrait utilisant la voie humide (BOE) ou la voie plasma (RPS) impliquant des espèces neutres réactives (fluorées) interagissant avec le substrat.Plusieurs techniques de caractérisation des matériaux ont été combinées (AR-XPS, AFM, TEM) pour évaluer l'impact du procédé de gravure ainsi que des traitements post-gravure sur les propriétés physicochimiques de la couche barrière AlGaN. Ces propriétés incluent la stœchiométrie, la composition chimique, la position du niveau de Fermi, la rugosité et l'évolution de l'épaisseur. Les modifications physicochimiques identifiées à la surface de l'AlGaN ont ensuite été corrélées à des mesures de capacitance et de tension (C-V) réalisées sur des capacités MOS-HEMT. Cette démarche a permis d'évaluer l'impact des procédés mentionnés sur des paramètres électriques tels que la tension de seuil, l'hystérésis et la dispersion fréquentielle.Les études ont révélé que, indépendamment de l'approche de gravure employée, l'arrêt de la gravure du SiN en plasma fluoré modifie la surface de la couche AlGaN, la convertissant en une couche réactive de type AlGaNFx (d'une épaisseur entre 0,8 et 2 nm). Cette épaisseur augmente lorsque des plasmas avec des flux et des énergies d'ions plus élevés sont utilisés. Cette transformation induit des modifications de la stœchiométrie, de la composition chimique, du niveau de Fermi, et de la morphologie de la couche AlGaN.Plusieurs traitements post-gravure humide ont été évalués afin de retirer la couche modifiée. Les études démontrent que l'utilisation de traitements humides à base de KOH s'avère efficace pour éliminer la couche fluorée tout en restaurant l'intégrité de la couche d'AlGaN en termes de stœchiométrie, de rugosité et de position du niveau de Fermi. Cependant, le retrait de la couche modifiée l'induit une réduction de l'épaisseur de la couche AlGaN.En termes de résultats électriques, les études révèlent que tous les procédés de gravure impliquant des ions à forte énergie (plasmas conventionnelle ou Smart Etch) engendrent des dommages irréversibles aux dispositifs, allant jusqu'à l'ancrage du niveau de Fermi. En contraste, l'utilisation de procédés conventionnels à faible énergie ionique (15 eV) ne provoque pas de changements significatifs sur les caractéristiques électriques des dispositifs. L'application du procédé RPS sans implantation d'H2 modifie la tension de seuil sans affecter les autres caractéristiques électriques, ouvrant ainsi une voie prometteuse pour la fabrication de HEMT « Normally OFF ».