Brevet FR2959595A1 — publié le 20111104

B10056 - 09-T0-440 1 PROCÉDÉ DE GRAVURE D'UNE COUCHE DE NITRURE DE GALLIUM Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de gravure d'une couche semiconductrice. Elle vise plus particulièrement un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium, en vue de la réalisation de composants électroniques de puissance. Exposé de l'art antérieur On a proposé de réaliser des composants électroniques de puissance dans et sur une couche de nitrure de gallium. Le nitrure de gallium est un matériau semiconducteur dont l'utilisation est susceptible de permettre de réaliser des composants résistant à de plus fortes tensions et à de plus hautes fréquences que les composants classiques en silicium. On a notamment proposé de réaliser des diodes Schottky dans et sur une couche de nitrure de gallium. Toutefois, en pratique, la fabrication de composants de puissance en nitrure de gallium est peu aisée, notamment en raison du fait que le nitrure de gallium est un matériau particulièrement difficile à graver. Il en résulte qu'à ce jour, la fabrication de diodes Schottky en nitrure de gallium n'est pas possible à l'échelle industrielle. En effet, pour fabriquer de telles diodes, il est nécessaire d'amincir une couche de nitrure de gallium sur une épaisseur de plusieurs micromètres. B10056 - 09-T0-440 2 De plus, pour assurer un contact de bonne qualité avec des couches métalliques, et donc garantir la tenue en puissance de la diode, il faut que la surface de la couche amincie présente une excellente planéité. Il n'existe actuellement pas de procédé de gravure adapté à réaliser un tel amincissement de façon industrielle. Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium, adapté à la fabrication industrielle de composants électroniques de puissance, et notamment de diodes Schottky. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium palliant au moins en partie certains des inconvénients des procédés existants. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé permettant d'amincir la couche de nitrure de gallium et garantissant que la surface de la région amincie présente une bonne planéité. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium à structure cristalline hexagonale orientée selon un plan cristallin (0001), cette couche comprenant des dislocations et des nanotubes, ce procédé comprenant les étapes suivantes amincir la couche par gravure sèche, dans des conditions aptes à favoriser l'apparition de défauts de planéité en forme de protubérances cylindriques liées à la présence des dislocations et des nanotubes, et à éviter l'apparition de défauts de planéité en forme de creux liés à la présence des dislocations ; et éliminer les protubérances par gravure humide. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape d'amincissement est réalisée dans une enceinte de gravure comprenant de l'oxygène. B10056 - 09-T0-440 3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le plasma de gravure utilisé à l'étape d'amincissement comprend du chlore et 2 à 10% d'oxygène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 le plasma de gravure utilisé à l'étape d'amincissement comprend un gaz neutre tel que l'argon. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lors de l'étape d'amincissement, la couche de nitrure de gallium est montée sur un support comprenant de l'oxyde de silicium. 10 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape d'élimination des protubérances est réalisée à l'aide d'une solution à base d'acide phosphorique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lors de l'étape d'élimination des protubérances, la solution de 15 gravure est maintenue à une température supérieure à 100°C. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 20 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de diode Schottky formée dans et sur une couche de nitrure de gallium ; la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon 25 schématique une couche de nitrure de gallium revêtant un support, susceptible de servir de base à la fabrication de la diode Schottky de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique la couche de nitrure de gallium de la figure 2, 30 après une étape d'amincissement selon un exemple de procédé de gravure sèche ; la figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique la couche de nitrure de gallium de la figure 2, après une étape d'amincissement selon un autre exemple de 35 procédé de gravure sèche ; et B10056 - 09-T0-440 4 les figures 5 et 6 sont des vues en coupe illustrant deux étapes successives d'un procédé de gravure adapté à la fabrication de diodes Schottky selon un mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants semiconducteurs, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une diode Schottky 1 de type mésa constituée par la jonction entre une couche 3a de nitrure de gallium faiblement dopé (N-), et une métallisation d'anode 5 comprenant par exemple du nickel et/ou de l'or, formée à la surface de la couche 3a. Dans cet exemple, la couche de nitrure de gallium faiblement dopé 3a est formée à la surface d'une couche 3b de nitrure de gallium plus fortement dopé (N+). On considère ici le cas où le plan supérieur des couches de nitrure de gallium a une orientation cristalline (0001). L'ensemble, ou couche 3, constitué par l'empilement des couches 3a et 3b de nitrure de gallium repose sur un support 7, par exemple un support de saphir ou de silicium. De plus, une couche tampon 9, par exemple en AlGaN, fait interface entre le support 7 et la couche 3b. A titre d'exemple, le support 7 a une épaisseur d'environ 600 pm, et l'empilement 3 a une épaisseur comprise entre 10 et 25 pm. Pour former un contact de cathode, l'empilement 3 a été aminci dans la région périphérique de la diode, jusqu'à rendre accessible la surface de la couche 3b de nitrure de gallium plus fortement dopé. Une métallisation de contact 11, formant un contact ohmique avec la couche 3b, est prévue à la surface de la région amincie. Dans cet exemple, la métallisation 11 a la forme d'une couronne entourant la partie centrale de la diode. B10056 - 09-T0-440 La réalisation d'une telle diode nécessite donc un amincissement de la région périphérique de la couche 3 de nitrure de gallium sur une épaisseur relativement importante. A titre d'exemple, la couche 3a de nitrure de gallium faiblement 5 dopé a une épaisseur comprise entre 6 et 12 pm. Ainsi, l'amincissement porte par exemple sur une épaisseur légèrement supérieure à 6 à 12 pm. La face supérieure de la zone amincie doit présenter une excellente planéité. En effet, cette face étant destinée à supporter la métallisation de cathode 11, la présence de rugosités ou d'aspérités conduirait à une dégradation des performances du contact ohmique, et par conséquent à une diminution de la tenue en puissance de la diode. La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique et agrandie une portion de la couche 3 de nitrure de gallium susceptible de servir de base à la réalisation de la diode 1 de la figure 1. Sur cette figure, la distinction entre la couche inférieure 3b, fortement dopée, et la couche supérieure 3a, faiblement dopée, de l'empilement 3 n'apparaît pas. Comme sur la figure 1, l'empilement ou couche 3 repose sur une base constituée par le support 7 et la couche tampon 9. Dans cet exemple, la couche 3 de nitrure de gallium, préalablement formée en une ou plusieurs étapes de croissance épitaxiale, présente une structure cristalline hexagonale de type wurtzite. Comme cela est illustré de façon très schématique sur la figure, les inventeurs ont observé que cette structure cristalline présente des défauts, et notamment des dislocations 21 et des formations de type nanotube 23. Les dislocations 21 et les nanotubes 23 correspondent à des formations de structure générale approximativement cylindrique verticale, de quelques nanomètres de diamètre, présentant une orientation cristalline nettement distincte de l'orientation normale de la couche 3. Les procédés usuels de gravure chimique par voie humide ne permettent pas de graver la couche 3. Ceci est notamment lié à l'orientation cristalline de cette couche. En B10056 - 09-T0-440 6 effet, les solutions chimiques connues susceptibles d'attaquer le nitrure de gallium, par exemple des solutions à base d'acide phosphorique ou d'hydroxyde de potassium, sont inefficaces dans le plan cristallin que l'on souhaite graver, c'est-à-dire le plan (0001) de la structure hexagonale. Dans le domaine de l'optique, notamment en vue de la réalisation de diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrure de gallium, on a proposé d'utiliser des procédés de gravure sèche (gravure plasma). Les plasmas utilisés sont généralement des mélanges à base de chlore. Ces procédés sont relativement efficaces, mais ils concernent des gravures très différentes de celle que l'on cherche à réaliser ici. En effet, dans le domaine des LEDs, les couches à graver sont des couches très minces, de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. De plus, généralement, dans les régions gravées, la totalité de l'épaisseur de la couche de nitrure de gallium est éliminée. Il ne s'agit pas, comme dans le cas d'une diode Schottky, d'un amincissement de la couche de nitrure de gallium avec prise de contact sur la surface gravée. Dans ce cas, une bonne planéité de la surface après gravure est plus facile à obtenir. Comme cela sera expliqué plus en détail ci-après, de tels procédés de gravure sèche ne sont pas directement applicables au type de gravure que l'on souhaite réaliser ici. Les inventeurs ont notamment constaté que ce type de procédé conduit, lorsqu'il porte sur des épaisseurs supérieures au micromètre, à la formation, à la surface des régions amincies, de défauts de planéités liés à la présence des dislocations 21 et des nanotubes 23. La figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique la structure de la figure 2, après amincissement, par gravure sèche (gravure plasma) de la couche 3 de nitrure de gallium. Dans cet exemple, l'amincissement a porté sur une épaisseur de l'ordre de 6 à 12 pm. Des procédés de gravure sèche à base de chlore permettent de réaliser un tel amincissement en un temps relativement court, par exemple de l'ordre de 10 à 60 B10056 - 09-T0-440 7 minutes. Toutefois, on observe, à la surface de la région amincie, des creux 31 et des protubérances cylindriques ou colonnes 33, respectivement liés à la présence des dislocations 21 et des nanotubes 23 dans la couche de nitrure de gallium. A titre d'exemple, les protubérances 33 peuvent atteindre 1 à 2 pm de hauteur, pour une profondeur de gravure de 5 pm. De tels défauts interdisent toute prise de contact à la surface de la région amincie. Les inventeurs ont étudié en détail les mécanismes conduisant à la formation des creux 31 et des colonnes 33. Ils ont notamment déterminé qu'il existe des conditions de gravure susceptibles de favoriser la formation de colonnes 33 et d'éviter la formation de creux 31, et, à l'inverse, qu'il existe des conditions de gravure susceptibles de favoriser la formation de creux 31 et d'éviter la formation de colonnes 33. On notera qu'on pourrait essayer de se placer à un point milieu, dans des conditions de gravure aptes à éviter à la fois la formation de creux 31 et la formation de colonnes 33. Toutefois, il apparaît que même si de telles conditions de gravure existent, elles sont difficiles à obtenir et difficilement répétables, et par conséquent, peu adaptées à une mise en oeuvre industrielle. Dans la pratique, tous les essais visant à se placer dans de telles conditions ont échoués et ont conduit à la formation de creux 31 et de colonnes 33 à la surface de la région amincie. La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique la structure de la figure 2 après amincissement de la couche 3 par gravure sèche, dans des conditions adaptées à favoriser la formation de creux 31 au niveau des dislocations 21, et à limiter la formation de protubérances au niveau des nanotubes 23. La figure 5 est une vue en coupe représentant de façon schématique la structure de la figure 2 après amincissement de la couche 3 par gravure sèche, dans des conditions adaptées à favoriser la formation de protubérances 33 au niveau des nanotubes 23 et à éviter la formation de creux au niveau des B10056 - 09-T0-440 8 dislocations 21. Les inventeurs ont constaté que dans ces conditions, non seulement il ne se forme pas de creux au niveau des dislocations 21, mais il se forme en fait à la place, des protubérances en colonne 33 du même type que celles qui se forment au niveau de nanotubes 23. Dans la pratique, la structure de la figure 2, constituée d'une couche de nitrure de gallium revêtant un support, a la forme d'une pastille, par exemple de quelques millimètres à dix centimètres de diamètre. Pour s'adapter aux dimensions des équipements existants de gravure, une ou plusieurs pastilles sont collées sur un support de grande taille, par exemple une tranche de silicium ou d'oxyde de silicium. Les inventeurs ont notamment déterminé que lorsque le support est une tranche de silicium, et que le plasma de gravure est constitué d'un mélange de chlore et, optionnellement, d'un gaz neutre tel que l'argon, les défauts de planéité qui apparaissent à la surface de la couche gravée sont principalement des creux 31 liés à la présence des dislocations 21. Il ne se forme alors pas ou peu de protubérances au niveau des nanotubes 23 (figure 4). En revanche, lorsqu'on utilise le même plasma de gravure mais que les pastilles sont disposées sur un support d'oxyde de silicium, les défauts de planéité sont principalement des protubérances 33 liées à la présence des nanotubes 23 mais aussi des dislocations 21. Il ne se forme alors pas ou peu de creux au niveau des dislocations 21 (figure 5). Par ailleurs, si les pastilles sont disposées sur un support de silicium, mais que le plasma de gravure est un mélange de chlore, d'argon et d'oxygène, les défauts de planéité sont principalement des protubérances 33 liées à la présence des nanotubes 23 mais aussi des dislocations 21. Il ne se forme alors pas ou peu de creux au niveau des dislocations 21 (figure 5) . B10056 - 09-T0-440 9 Plus généralement, il apparaît que la présence d'oxygène dans l'enceinte de gravure favorise la formation de protubérances en colonne au niveau des défauts cristallins (nanotubes et dislocations) de la couche de nitrure de gallium, et permet d'éviter la formation de creux au niveau des dislocations. Une autre source d'oxygène dans l'enceinte pourra être le masque de gravure surmontant les portions non gravées de la couche de nitrure de gallium, ou des pièces, par exemple en quartz ou en alumine, du réacteur de gravure. Selon un aspect d'un mode de réalisation de l'invention, les inventeurs proposent de réaliser l'opération de gravure de la couche 3 de nitrure de gallium en deux étapes. Lors d'une première étape, l'amincissement de la couche 3 est réalisé par gravure sèche, dans des conditions aptes à favoriser la formation de protubérances en colonne et à éviter la formation de creux à la surface de la zone gravée (figure 5). On notera qu'au cours de cette étape, il peut en outre se former des protubérances supplémentaires, non représentées, positionnées de façon aléatoire à la surface de la région amincie, ces protubérances n'étant liées ni aux dislocations 21 ni aux nanotubes 23. Lors d'une seconde étape consécutive à la première étape, on procède à une gravure humide. Les inventeurs ont en effet constaté que les protubérances 33 peuvent aisément être éliminées par gravure humide, en raison de leur forme et de leur petite taille. En effet, la forme cylindrique, par exemple à section circulaire ou hexagonale, éventuellement creuse, des protubérances, permet que le nitrure de gallium soit attaqué selon des plans cristallins distincts du plan (0001), et notamment selon des plans cristallins pour lesquels il existe des solutions chimiques de gravure efficaces. En outre, du fait de leur faible diamètre, les protubérances 33 peuvent être éliminées en un temps relativement court, même si le plan d'attaque de la gravure n'est pas optimal. Les éventuelles B10056 - 09-T0-440 10 protubérances supplémentaires aléatoires seront aisément éliminées lors de cette seconde étape. A titre d'exemple, lors de la première étape de gravure sèche, le plasma est produit par un générateur de champ magnétique RF à une puissance comprise entre 600 et 800 W, par exemple à une puissance de l'ordre de 700 W, et comprend un flux de chlore de l'ordre de 60 sccm (de l'anglais "standard cubic centimeter per minute"), un flux d'argon de l'ordre de 20 sccm, et un flux d'oxygène de l'ordre de 5 sccm. Dans cet exemple, la pression totale est comprise entre 0,3 et 0,7 Pa, par exemple égale à 0,5 Pa et la température est d'approximativement 20° C. Plus généralement, on utilisera un plasma comprenant une proportion d'oxygène supérieure à 1% et de préférence comprise entre 2 et 10%, ce plasma contenant environ deux à quatre fois plus de chlore que d'argon. La seconde étape de gravure humide est de préférence réalisée dans une solution à base d'acide phosphorique à relativement haute température, par exemple à une température comprise entre 100 et 200°C. Les protubérances 33 sont alors éliminées en un temps relativement court, par exemple de l'ordre de 2 à 10 minutes selon leur diamètre. D'autres solutions de gravure pourront être utilisées pour la seconde étape, par exemple une solution à base d'hydroxyde de potassium à une température comprise entre 150 et 250°C, une solution à base d'hydroxyde de potassium et d'éthylène à une température comprise entre 100 et 200°C, une solution à base d'hydroxyde de sodium à une température de l'ordre de 180°C, ou toute autre solution susceptible d'attaquer les colonnes de nitrure de gallium. La figure 6 est une vue en coupe représentant de façon schématique la structure de la figure 2 après amincissement de la couche 3 par un procédé de gravure en deux étapes du type décrit ci-dessus. Comme l'illustre la figure, la surface de la région amincie présente une bonne planéité, et est par B10056 - 09-T0-440 11 conséquent adaptée à recevoir des électrodes de contact d'une diode Schottky. Un avantage du procédé décrit ci-dessus est que les étapes de gravure sèche et de gravure humide proposées peuvent être mise en oeuvre de façon industrielle. En effet, si il est difficile de maintenir et de répéter des conditions de gravure plasma adaptées à éviter à la fois la formation de creux et de protubérances en colonne, il est en revanche aisé de se placer dans des conditions adaptées à favoriser la formation de colonnes et à éviter la formation de creux. Ainsi, un tel procédé permet la fabrication industrielle de diodes Schottky de puissance en nitrure de gallium. Plus généralement, un tel procédé pourra être utilisé pour fabriquer tout type de composant électronique, et notamment des composants électro- niques de puissance, dont la réalisation comprend une étape de gravure d'une couche de nitrure de gallium. On notera qu'un tel procédé de gravure en deux étapes pourra être mis en oeuvre pour graver d'autres matériaux que le nitrure de gallium, et notamment des matériaux dont la structure cristalline présente des défauts de type dislocations et nanotubes susceptibles de conduire à la formation de défauts à la surface de la région gravée. REVENDICATIONS1. Procédé de gravure d'une couche (3) de nitrure de gallium à structure cristalline hexagonale orientée selon un plan cristallin (0001), cette couche comprenant des dislocations (21) et des nanotubes (23), ce procédé comprenant les étapes suivantes : a) amincir la couche par gravure sèche, dans des conditions aptes à favoriser l'apparition de défauts de planéité en forme de protubérances cylindriques (33) liées à la présence des dislocations et des nanotubes, et à éviter l'apparition de défauts de planéité en forme de creux (31) liés à la présence des dislocations (21) ; et b) éliminer les protubérances (33) par gravure humide. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) est réalisée dans une enceinte de gravure comprenant de l'oxygène. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le plasma de gravure utilisé à l'étape a) comprend du chlore et 2 à 10% d'oxygène. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 3, dans lequel le plasma de gravure utilisé à l'étape a) comprend un gaz neutre tel que l'argon. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lors de l'étape a), la couche de nitrure de gallium est montée sur un support comprenant de l'oxyde de 25 silicium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape b) est réalisée à l'aide d'une solution à base d'acide phosphorique. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lors 30 de l'étape b), la solution de gravure est maintenue à une température supérieure à 100°C.