Brevet FR2803433A1 — publié le 20010706

PROCEDE DE REALISATION D'UNE GRILLE METALLIQUE ENTERREE DANS STRUCTURE EN MATERIAU SEMICONDUCTEUR L'invention concerne un procédé de réalisation d'une grille métallique dans un matériau semiconducteur et son application à réalisation de composants électroniques. nitrures de gallium (indium ou aluminium) et leurs alliages sont des semiconducteurs à large bande interdite. La flexibilité apportée la réalisation d'alliages de composition d'éléments III permet de modifier la largeur de bande interdite de 2eV pour l'InN jusqu'à 6eV pour l'AIN. Cette particularité, commune au semiconducteur III-V, permet d'appliquer l'ingénierie de bande interdite ouvrant à la réalisation de dispositifs optoélectroniques (Laser, LED) ou électronique (FET, MODFET, ... ). Cette classe de matériaux est en plus dotée d'une extraordinaire stabilité thermique, bien supérieure aux matériaux III-V classiques à base d'arsenic et de phosphore, ce qui prédestine ce matériau aux applications de puissance. L'un des problèmes qui maintient les dispositifs à base de nitrure en phase de pré-développement (excepté pour les LED) est l'absence de substrats adaptés en maille au GaN pour la croissance de matériaux de bonne qualite. A l'heure actuelle, les substrats les plus couramment employés sont A1203 (15 % de désaccord) ou le SiC (4 % de désaccord) avec une nette préférence pour le premier. Cette préférence s'explique tout d'abord par coût du substrat ; le saphir est disponible en 2" voire 3", d'excellente qualité cristalline et d'un coût abordable. Ces considérations économiques auraient un moindre poids si la croissance de GaN sur SiC était plus aisee mais ce n'est pas le cas. L'absence de substrats est en passe d'être résolu par l'apparition sur le marché de pseudo-substrats de GaN. Ces pseudo-substrats consistent en une couche épaisse de GaN (plusieurs dizaines de microns) épitaxiée sur saphir par des techniques croissance permettant de fortes vitesses de croissance (ex : Vapor Phase Epitaxy (VPE)). II cependant clair que les applications de puissance sur ne sont envisageables qu'à partir du moment où l'on peut dissiper correctement la chaleur produite par le fonctionnement du dispositif. Le substrat de saphir est, de ce point de vue, une étape limitante du développement de l'optoélectronique de puissance sur GaN. S'il est possible de contourner ce problème en effectuant un collage du dispositif (planar) epi-clown sur un radiateur, cette option reste délicate et coûteuse. L'objet de l'invention concerne un procédé de réalisation de grilles enterrées métalliques de qualité compatible avec réalisation d'un composant hyperfréquence de puissance. L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'une grille métallique enterrée dans une structure en matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - réalisation sur une surface d'un substrat en matériau semiconducteur d'une couche de masquage réalisation dans cette couche d'ouvertures délimitant les zones dans lesquelles doit être réalisée une grille métallique - dépôt d'une couche métallique ; retrait du matériau de masquage et du métal déposé sur ce masque conservant ainsi que la grille métallique à la surface du substrat ; réalisation à la surface de la grille d'une couche en matériau tel qu'il ne pourra y avoir ni nucléation ni croissance de matériau semiconducteur ; croissance hépitaxiale d'un matériau semiconducteur à partir des zones de substrat situé entre les grilles, cette croissance étant telle qu'elle est plus rapide selon une direction parallèle au plan du substrat que perpendiculaire à ce plan. Cette invention exploite le phénomène de croissance latérale observée lors de l'épitaxie sélective de GaN à travers des masques diélectriques (Si02, Si3N4) par les méthodes MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition) et CBE (Chemical Beam Epitaxy). La difficulté d'obtenir grille métallique enterrée réside en deux points 1) L'obtention d'une sélectivité de croissance parfaite sur le métal 2) L'obtention d'un ratio vitesse de croissance laterale sur vitesse de croissance perpendiculaire le plus grand possible. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple ainsi que dans les figures annexées qui représentent - les figures 1 a à l e, un exemple de procédé de réalisation selon l'invention ; - les figures 2a à 2b, une variante du procédé des figures 1 a à 1c; - la figure 3, une grille constituée d'un réseau de bandes ; - les figures 4a, 4b, un transistor à base perméable ; - les figures 5a à 5d, la réalisation d'un dissipateur thermique ; - la figure 6, un exemple de composant avec dissipateur thermique. En se reportant aux figures 1 a à 1 e, on va donc décrire exemple du procédé de réalisation selon l'invention. Ce procédé comporte les différentes étapes suivantes 1) Réalisation d'une première épitaxie (ou hétérostructure) sur substrat hôte (dans le cas du GaN par ex A1203, SiC etc), ou réalisation substrat semiconducteur 1 ; 2) Réalisation d'un masque (figure 1 a) par dépôt d'une couche de résine dans laquelle on définit la géométrie de la grille à obtenir ainsi que des zones de contacts. Deux techniques peuvent être utilisées : e-beam et photolithographie. # e-beam : dans cette approche, la première épitaxie est recouverte d'un film de PMMA (résine photosensible). reseau ainsi que les zones de contact sont alors dessinées. Après révélation des motifs, le métal de grille est déposé pleine plaque et l'on procède au lift-off du PMMA (procédé realisation des réseaux au premier ordre pour les lasers à couplage par le gain). # Holographie : dans cette technique, le réseau est dessiné par holographie dans une couche de résine déposée sur la surface. Dans une deuxième étape, par photolithographie classique, on définit les zones de contacts. On révèle ensuite les motifs, et oh procède au dépôt du métal de grille. Comme dans l'approche précédente on procède finalement au lift-off de la résine. 3) Métallisation de l'ensemble (figure 1 b) puis retrait du masque par lift-off On obtient ainsi les éléments de grille métallique 3. 4) Traitement de la grille métallique pour garantir la sélectivité de croissance (figure 1). Ce traitement peut être fait par trois méthodes possibles. - Oxydation du métal de grille à partir par exemple d'un traitement ozone ; Nitruration du métal de grille par exposition à un flux de NH3 à haute température. Cette étape peut être intégrée au procédé d'épitaxie. Encapsulation du métal de grille par dépôt de dielectrique selon le procédé décrit dans la demande de brevet français n 97 12132. Reprise d'épitaxie (figure l d) d'une couche de matériau semiconducteur 5. Le phénomène de croissance latérale nécessite sélectivité de croissance sur le métal de grille. La sélectivité de croissance en MOCVD et CBE est garantie sur la plupart des diélectriques (oxydes, nitrures ... ). La croissance n'est effective que dans les zones découverte GaN. Lorsque l'on atteint l'épaisseur de grille, la croissance latérale du film permet de recouvrir la grille. Ce processus de croissance latérale permet également d'éviter la formation de défauts cristallins (par ex. dislocations) obtenus par croissance directe au-dessus du métal de grille. Les paramètres de croissance sont optimisés pour augmenter l'anisotropie de la croissance c'est-à-dire augmenter la vitesse de croissance latérale par rapport à la vitesse de croissance perpendiculaire à la surface du substrat. Ceci est obtenu par l'utilisation d'une température de croissance élevée (> 800 C) ou par l'adjonction d'un élément surfactant. On obtient ainsi une grille métallique enterrée dans un matériau semiconducteur. De préférence, le substrat est en GaN et le matériau que l'on fait croître par épitaxie est également du GaN. Selon une variante de réalisation de ce procédé de réalisation, avant de réaliser la métallisation on prévoit (figure 2a) de graver le substrat dans les espaces laissés libres par le masque 2. Ensuite la métallisation consiste à combler la profondeur des gravures réalisées. La grille obtenue affleure alors la surface supérieure du substrat (figure 2b). On va maintenant décrire l'application du procédé de l'invention à différents composants électroniques. Application au transistor à base perméable Une application directe du procédé décrit réside en la fabrication de transistors (AI, Ga, In)N homo-polaires à base métallique perméable (PBT : Permeable Base Transistor). Dans ce dispositif, la base est constituée d'une grille métallique enterrée entre deux couches de GaN utilisées respectivement comme émetteur et collecteur. Les électrons se déplaçant de l'émetteur vers le collecteur sont forcés de passer à travers la grille métallique (la base) qui forme barrière Schottky avec le GaN et contrôle le flux d'électrons émetteur/collecteur. La grille (figure est constituée d'un réseau de bandes métalliques de largeur d,, espacees les unes des autres de d2 et d'épaisseur L dans la direction d'injection comme montré sur la figure 3. Le niveau de dopage de la couche de GaN-n est Nd. L'un des paramètres qui contrôle le fonctionnement du dispositif est largeur de la zone de charge d'espace au niveau de la base où Vb; est le built-in voltage de la barrière Schottky non polarisée. Typiquement, les dimensions la grille d'un transistor PBT obéissent à l'inégalité Le potentiel Vb; est première approximation égal à la hauteur de la barrière Schottky de l'ordre de 1.2eV. Le dopage typique est de l'ordre de 1017 cm"3, soit en prenant pour la constante diélectrique statique g -- 10, on obtient W - 350 A. Avec ces paramètres la période du reseau de grille est d'environ 1500 A et l'épaisseur L inférieure à 300 A. Les dimensions de la grille sont du point de vue technologie tout à fait réalisable lithographie e- beam ou par réseaux holographiques. Dans ce type de transistor, la résistance de base le paramètre primordial pour atteindre un fonctionnement à haute fréquence. Dans le cas où la grille est contactée des deux côtés du réseau (figure 3), la résistance de base est donnée par où p est la résistivité du métal, n est le nombre de doigts de grille de longueur D. Un transistor est réalisé selon le procédé décrit précédemment en se reportant aux figures 1 a à 1 e et éventuellement 2a et 2b. Le procédé est completé par la réalisation d'électrodes de contacts de collecteur 7 et d'émetteur 6. On obtient ainsi un transistor tel que représenté par les figures 4a et . Application à un radiateur enterré pour transistor de puissance La fabrication du radiateur enterré décrit dans cette invention exploite comme précédemment le phénomène de croissance latérale observe lors de l'épitaxie sélective de GaN à travers des masques diélectriques. Le procédé de fabrication est décrit brièvement sur la figure 5 et consiste en les étapes suivantes a) Croissance d'une couche 10 de GaN sur saphir (ou tout autre substrat) (figure 5a). b) Réalisation d'éléments 13 bons conducteurs thermiques recouverts d'un matériau 14 ne permettant ni nucléation ni croissance d'un matériau semiconducteur. Cette étape équivalente à celle des figures 1 b et 1 c précédentes (figure 5b). c) Reprise d'épitaxie. L'épitaxie est initiée aux endroits de la couche de GaN laissés libres par les éléments 13. La croissance débute sur les surfaces ouverte de GaN et rapidement déborde en dehors des ouvertures : c'est la croissance latérale (figure 5c). d) A partir d'une certaine épaisseur (plusieurs microns) les cristallites issues des diverses ouvertures, coalescent pour former un film continu GaN (figure 5d). Le matériau ayant poussé latéralement possède une densité de dislocations bien plus faible que le GaN de la première épitaxie (une réduction d'un facteur 10000 dans la densité de dislocations). Le fait d'imposer une croissance localisée dans les ouvertures permet en effet de filtrer les dislocations, cette technique est connue sous le ELOG. De ce fait, en plus d'obtenir un radiateur enterré, on obtient un pseudo-substrat de GaN d'excellente qualité cristalline (faible densité de dislocations). Après ces étapes technologiques, le dispositif optoélectronique peut être réalisé sur le substrat. Après réalisation du dispositif, le radiateur enterré est découvert (on enlève la couche de GaN), comme indiqué sur la figure 6. A ce stade, le dispositif peut être monté sur dissipateur thermique classique. Application au transistor à effet de champ à canal accordable La réalisation d'une grille enterrée, outre l'aspect dissipation thermique peut être utilisée pour contrôler les courants de fuite à travers la couche de nucléation 1 de GaN. En effet, la grille et le forment une barrière Schottky qu'il est possible de polariser de manière à produire une zone de charge d'espace qui confinera les porteurs dans la zone du canal du transistor. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une grille métallique enterrée dans une structure en matériau semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - réalisation sur une surface d'un substrat (1) en matériau semiconducteur d'une couche de masquage (2) et réalisation dans cette couche d'ouvertures (20) délimitant les zones dans lesquelles doit être réalisée une grille ; - dépôt d'une couche métallique (3) ; retrait du matériau de masquage (2) et du métal déposé sur masque conservant ainsi que la grille métallique (3) à la surface du substrat ; réalisation à la surface de la grille (3) d'une couche (4) matériau tel qu'il ne pourra y avoir ni nucléation ni croissance de matériau semiconducteur ; croissance hépitaxiale d'un matériau semiconducteur à partir des zones de substrat situé entre les grilles, cette croissance étant telle qu'elle est plus rapide selon une direction parallele au plan du substrat que perpendiculaire à ce plan. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de la réalisation à la surface de la grille (3) d'une couche (4) en matériau ne permettant ni nucléation ni croissance peut être faite selon l'un ou plusieurs des procédés suivants - oxydation du métal de grille ; - nitruration du métal de grille ; - encapsulation du métal de grille par un diélectrique Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'avant métallisation, on grave le matériau du substrat dans les espaces laissés libre par le masque. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat et en GaN. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur faisant l'objet d'une croissance épitaxiale est du GaN. 6. Procédé selon la revendication , caractérisé en ce que le matériau du substrat et le matériau faisant l'objet d'une croissance épitaxiale sont un même matériau semiconducteur. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille est un réseau d'éléments linéaires. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il prévoit la réalisation d'électrodes de contacts (6, 7) de et d'autre du substrat et du matériau ayant fait l'objet d'une croissance épitaxiale, de façon à réaliser un transistor à base perméable. 9. Procédé selon la revendication caractérisé en ce qu'il prévoit - de réaliser un composant électronique sur la couche ayant fait l'objet d'une croissance épitaxiale ; - d'enlever le substrat (1) et d'accoler la grille ainsi mise à jour à un dispositif de refroidissement. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la croissance épitaxiale se fait à une température supérieure à 800 C.