Brevet FR3009129A1 — publié le 20150130

B12665 - 12-T0-0809 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN COMPOSANT ÉLECTRONIQUE AU NITRURE DE GALLIUM Domaine La présente demande concerne la fabrication de composants électroniques, et notamment de composants électroniques de puissance, dans et sur des couches de nitrure de gallium. Elle vise plus particulièrement un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium en vue de la fabrication d'une diode Schottky. Exposé de l'art antérieur On a déjà proposé de réaliser des composants électroniques de puissance, et notamment des diodes Schottky, dans et sur des couches de nitrure de gallium. En effet, 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 que les composants classiques en silicium. Toutefois, en pratique, la fabrication de composants de puissance au nitrure de gallium est peu aisée, notamment en raison du fait que le nitrure de gallium est difficile à graver. A ce jour, la fabrication de diodes Schottky au nitrure de gallium à l'échelle industrielle pose problème. En effet, pour fabriquer de telles diodes, on prévoit d'amincir une portion B12665 - 12-T0-0809 2 d'une couche de nitrure de gallium sur une épaisseur de plusieurs micromètres. Les procédés de gravure actuellement utilisés pour réaliser un tel amincissement présentent divers inconvénients. Résumé Pour pallier tout ou partie de ces inconvénients, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un composant électronique dans et sur une couche de nitrure de gallium, comportant une étape d'amincissement d'une portion de ladite couche par usinage ionique. Selon un mode de réalisation, lors de l'étape d'usinage ionique, la portion est bombardée par un faisceau d'ions de gravure d'angle d'incidence non nul. Selon un mode de réalisation, la couche de nitrure de gallium a une structure cristalline hexagonale orientée selon un plan cristallin, et comprend des dislocations, l'angle d'incidence étant choisi de façon à éviter l'apparition, sur la surface de la portion amincie, de défauts de planéité liés à la présence des dislocations. Selon un mode de réalisation, l'angle d'incidence est compris dans la plage allant de 23 à 37 degrés. Selon un mode de réalisation, l'angle d'incidence est d'environ 30 degrés. Selon un mode de réalisation, les ions de gravure sont 25 des ions argon. Selon un mode de réalisation, l'étape d'usinage ionique est mise en oeuvre au moyen d'un plasma dépourvu d'espèces chimiquement réactives avec le nitrure de gallium. Selon un mode de réalisation, la portion est délimitée 30 par un masque de gravure formé sur une face de ladite couche. Selon un mode de réalisation, le masque a une forme de mésa à flancs non verticaux. Selon un mode de réalisation, sur au moins une partie de l'épaisseur du masque, la tangente au flanc du masque forme B12665 - 12-T0-0809 3 un angle supérieur à 120 degrés avec la surface de ladite couche non revêtue par le masque. Selon un mode de réalisation, le motif du masque est défini par gravure chimique par voie humide à l'aide d'une 5 solution de gravure attaquant le matériau du masque de façon isotrope. Selon un mode de réalisation, le masque est en oxyde de silicium. Brève description des dessins 10 Ces caractéristiques et leurs avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe représentant de façon 15 schématique un exemple de diode Schottky formée dans et sur une couche de nitrure de gallium ; et les figures 2A et 2B sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un mode de réalisation préféré d'un procédé de gravure d'une couche de 20 nitrure de gallium adapté à la réalisation d'une diode Schottky. 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 25 circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "approximativement", "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près", et des références directionnelles telles que recouvrant, 30 surmontant, latérales, au-dessus, en dessous, supérieur, inférieur, vertical, horizontal, etc. s'appliquent à des circuits orientés de la façon illustrée dans les vues en coupe des figures correspondantes. La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon 35 schématique un exemple de réalisation d'une diode Schottky 1 de B12665 - 12-T0-0809 4 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 (Nt). 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 1 mm, et l'empilement 3 a une épaisseur comprise entre 7 et 25 gm. 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. La réalisation d'une telle diode nécessite 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 dopé a une épaisseur comprise entre 5 et 12 gm. Ainsi, l'amincissement porte par exemple sur une épaisseur légèrement supérieure à 5 à 12 gm. 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. B12665 - 12-T0-0809 On considère ici, à titre d'exemple, le cas où la couche 3 de nitrure de gallium est formée en une ou plusieurs étapes de croissance épitaxiale, et présente une structure cristalline hexagonale de type wurtzite, le plan supérieur de la 5 couche 3 de nitrure de gallium ayant une orientation cristalline (0001). Ce type de couche est en effet relativement facile à se procurer dans la mesure ou de telles couches sont couramment utilisées pour la fabrication de diodes électroluminescentes (LED) ou de diodes Schottky au nitrure de gallium. 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 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 chimique par voie sèche ou 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 a été expliqué en détail dans un brevet 35 antérieur FR2959595 de la demanderesse, de tels procédés de B12665 - 12-T0-0809 6 gravure plasma à base de chlore ne sont pas directement applicables au type de gravure que l'on souhaite réaliser ici. En effet, ces procédés conduisent, lorsqu'ils portent sur des épaisseurs supérieures au micromètre, à la formation, à la surface des régions amincies, de défauts de planéité de type creux et/ou protubérance liés à la présence de dislocations dans la structure cristalline de la couche 3. Les travaux antérieurs de la demanderesse ont montré qu'avec de tels procédés de gravure plasma à base de chlore, on peut, en jouant sur les conditions de gravure, favoriser la formation de protubérances et éviter la formation de creux, ou, à l'inverse, favoriser la formation de creux et éviter la formation de protubérances, mais qu'il n'existe pas de compromis permettant d'éviter à la fois la formation de protubérances et la formation de trous à la surface de la région amincie. Dans le brevet FR2959595 susmentionné, il a été proposé de réaliser l'amincissement de la couche de nitrure de gallium en deux étapes : une première étape de gravure sèche à base de chlore dans des conditions aptes à favoriser l'apparition de défauts de planéité en forme de protubérances et à éviter l'apparition de défauts de planéité en forme de creux ; et une seconde étape de gravure par voie humide apte à éliminer les protubérances. Lors de la deuxième étape, les protubérances peuvent en effet facilement être gravées par voie humide car elles sont attaquées par la solution de gravure dans un plan cristallin différent du plan (0001) de la structure hexagonale. Toutefois, un problème qui peut se poser est que, pendant la première étape de gravure plasma à base de chlore, la couche de nitrure de gallium reçoit une dose importante de rayons ultraviolets. Bien que la face supérieure de la portion de la couche 3 destinée à recevoir le contact Schottky, ou face supérieure du mésa, soit protégée par un masque pendant cette étape, des rayons ultraviolets du plasma sont susceptibles de traverser le masque et de créer des défauts sur la face B12665 - 12-T0-0809 7 supérieure du mésa. Ceci peut dégrader les performances de la diode. Un autre problème est que la gravure plasma à base de chlore est une gravure très fortement anisotrope. Il en résulte que les parois latérales du mésa formé dans la couche de nitrure de gallium sont très abruptes (quasiment verticales). De plus, une sur-gravure localisée peut se produire entraînant l'apparition, au pied du mésa, d'une tranchée verticale (non représentée) s'étendant dans la région amincie de la couche de nitrure de gallium (phénomène couramment désigné dans la technique par le terme anglais "trenching"). Le profil très abrupt du mésa et la présence possible d'une tranchée entourant la base du mésa, rendent délicate la formation d'une éventuelle couche isolante de passivation (non représentée) sur les surfaces non-métallisées de la couche de nitrure de gallium. Selon un aspect d'un mode de réalisation, on prévoit de réaliser l'opération de gravure de la couche 3 de nitrure de gallium par usinage ionique ou meulage ionique, selon un procédé couramment désigné dans la technique par le sigle IBE, de l'anglais "Ion Beam Etching" - gravure par faisceau d'ions. Lors d'une telle gravure, la surface à graver est bombardée par un faisceau d'ions d'un gaz rare tel que l'argon. La gravure est une gravure sèche purement physique, c'est-à-dire que, à la différence des procédés de gravure plasma à base de chlore du type susmentionné, les ions de gravure ne réagissent pas chimiquement avec le nitrure de gallium. La demanderesse a en effet constaté que la présence d'espèces chimiquement réactives, telles que du chlore, pendant l'opération de gravure du nitrure de gallium, ne permet pas de trouver des conditions de gravure permettant d'éviter la formation de défauts de planéité en forme de creux à la surface de la région amincie. Pendant la gravure, le substrat est de préférence incliné par rapport à la direction de propagation des ions de gravure, de façon que le faisceau de gravure atteigne la couche 35 de nitrure de gallium avec un angle d'incidence non nul. Pendant B12665 - 12-T0-0809 8 la gravure, le substrat peut être en rotation autour d'un axe approximativement orthogonal à la couche de nitrure de gallium, de façon que toutes les régions non masquées de la couche de nitrure de gallium soient exposées de la même manière aux ions de gravure. Un avantage de ce mode de réalisation est que la gravure par usinage ionique, bien qu'anisotrope, permet d'obtenir un mésa ayant un profil moins abrupt que les mésas obtenus par des procédés de gravure plasma chimique à base de chlore. En d'autres termes, la pente des flancs périphériques du mésa est plus douce que lorsque l'amincissement est réalisé par gravure plasma chimique à base de chlore. En outre, l'utilisation d'une gravure par usinage ionique évite la formation d'une tranchée périphérique au pied du mésa. Ceci facilite, le cas échéant, la réalisation d'une couche isolante de passivation sur les surfaces non-métallisées de la couche de nitrure de gallium. Un autre avantage de ce mode de réalisation est que, lors de la gravure par usinage ionique, la couche de nitrure de gallium reçoit une dose de rayons ultraviolets nettement moins importante que lors d'une gravure plasma à base de chlore. Ceci résulte notamment du fait que le plasma de gravure à base d'argon utilisé lors de l'usinage ionique est généré dans une chambre distincte de la chambre de gravure. Ceci permet d'éviter la formation de défauts sur la surface de la couche de nitrure de gallium destinée à recevoir le contact Schottky. Il en résulte une amélioration des performances de la diode. Les essais réalisés ont montré que lors de la gravure par usinage ionique, il n'apparaît pas de défaut de planéité de type protubérance à la surface de la région amincie. Les essais réalisés ont en outre montré qu'en choisissant convenablement l'angle d'incidence du faisceau d'ions de gravure sur la couche de nitrure de gallium, on peut éviter la formation de défauts de planéité de type creux à la surface de la région amincie. B12665 - 12-T0-0809 9 Dans un mode de réalisation préféré, on choisit l'angle d'incidence du faisceau de gravure de façon à éviter la formation de creux à la surface de la région amincie de la couche de nitrure de gallium. Pour cela, l'angle d'incidence du faisceau de gravure sur la couche de nitrure de gallium, c'est-à-dire l'angle entre la direction principale du faisceau de gravure et la normale à la surface supérieure de la couche de nitrure de gallium, peut être compris dans la plage allant de 23 à 37 degrés, et est de préférence d'environ 30 degrés. Selon un autre aspect, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après en relation avec les figures 2A et 2B, on peut en outre optionnellement prévoir, lors de la gravure, d'utiliser, pour protéger la face supérieure du mésa destinée à recevoir le contact Schottky, un masque ayant des flancs latéraux en pente relativement douce. Si le masque est réalisé dans un matériau susceptible d'être partiellement consommé pendant la gravure, par exemple de l'oxyde de silicium, une partie du profil en pente douce du masque est "projetée" dans la couche de nitrure de gallium lors de la gravure. Ceci permet de réaliser un mésa ayant, au moins dans sa partie inférieure, un profil en pente relativement douce. Ceci facilite, le cas échéant, la réalisation d'une couche isolante de passivation sur les surfaces non-métallisées du nitrure de gallium. Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe représentant de façon schématique des étapes d'un mode de réalisation préféré d'un procédé de gravure d'une couche de nitrure de gallium, par exemple en vue de la réalisation d'une diode Schottky du type décrit en relation avec la figure 1. La figure 2A représente l'étape de gravure proprement dite, et la figure 2B représente le profil du mésa formé dans la couche de nitrure de gallium à l'issue de l'étape de gravure. La figure 2A représente une portion de la couche 3 de nitrure de gallium (constituée dans cet exemple d'un empilement d'une couche de nitrure de gallium faiblement dopé 3a et d'une 35 couche de nitrure de gallium plus fortement dopé 3b) susceptible B12665 - 12-T0-0809 10 de servir de base à la réalisation d'une diode Schottky du type décrit en relation avec la figure 1. Comme sur la figure 1, la couche 3 repose, dans cet exemple, sur une base constituée par un support 7 et une couche tampon 9. Sur une partie de la surface supérieure de la couche 3 destinée à recevoir une électrode de contact Schottky, on prévoit de former un masque 13, par exemple en oxyde de silicium. La sélectivité de l'usinage ionique du nitrure de gallium par rapport à l'oxyde de silicium étant relativement faible, typiquement de l'ordre de 1 à 2 pour 1, l'épaisseur du masque 13 est de préférence relativement importante, par exemple de l'ordre de 0,5 à 1,5 fois l'épaisseur de nitrure de gallium que l'on souhaite graver. On notera toutefois que les modes de réalisation décrits ne se limitent pas au cas où le masque 13 est en oxyde de silicium. Si d'autres matériaux sont utilisés pour réaliser le masque, on pourra adapter l'épaisseur du masque en fonction de la sélectivité de l'usinage ionique du nitrure de gallium par rapport à ces matériaux. Les flancs latéraux du masque 13 ont de préférence un profil en pente douce, comme cela apparaît sur la figure 2A. Pour obtenir un tel profil, on peut par exemple graver le motif du masque par gravure chimique par voie humide, à l'aide d'une solution de gravure attaquant le matériau du masque de façon isotrope (on parle alors de profil isotrope des flancs du masque). Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à cet exemple particulier. Tout autre procédé connu permettant de réaliser un masque 13 ayant un profil en pente douce pourra être utilisé. Par profil en pente douce, on entend ici que, au moins dans une partie inférieure des flancs du masque, la ou les tangentes au flan du masque forment des angles obtus, par exemple supérieurs à 120 degrés, avec la surface de la couche de nitrure de gallium 3 non revêtue par le masque 13. Après la formation du masque 13, les régions de la 35 couche de nitrure de gallium non protégées par le masque 13 sont B12665 - 12-T0-0809 11 gravées par usinage ionique. Lors de la gravure, l'ensemble formé par la couche 3 et le masque 13 est bombardé par un faisceau 15 d'ions de gravure physique, par exemple des ions argon. Dans cet exemple, comme cela apparaît sur la figure 2A, 5 le faisceau ionique arrive avec un angle d'incidence non nul sur les surfaces supérieures de la couche 3 et du masque 13. Comme indiqué ci-dessus, l'angle d'incidence du faisceau 15 est de préférence choisi de façon à éviter l'apparition de creux sur la région amincie de la couche de nitrure de gallium. Pendant la 10 gravure, le support 7 peut être mis en rotation autour d'un axe approximativement orthogonal au support 7. A titre d'exemple, le plasma de gravure par usinage ionique est produit par une source à plasma couplé par induction ou source ICP (de l'anglais "Inductively Coupled Plasma") 15 alimentée par un générateur radiofréquence délivrant une puissance comprise entre 200 et 1500 W, par exemple une puissance de l'ordre de 800 W, et comprend un flux d'argon de quelques dizaines de sccm (de l'anglais "standard cubic centimeter per minute"), par exemple d'environ 20 sccm. 20 L'énergie du faisceau d'ions argon est peut être comprise entre 200 et 1000 eV, par exemple de l'ordre de 500 eV. La pression dans l'enceinte de gravure est par exemple comprise entre 10-2 et 10-1 Pa, par exemple de l'ordre de 5*10-2 Pa, et la température du support de gravure est par exemple de l'ordre de 25 5°C. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à cet exemple particulier. La figure 2B représente le profil du mésa formé dans la couche de nitrure de gallium 3 à l'issue de l'étape de gravure de la figure 2A. Comme cela apparaît sur la figure 2B, 30 les flancs du mésa sont approximativement verticaux dans une partie supérieure du mésa (on parle alors de profil anisotrope du mésa), puis leur pente s'atténue progressivement dans la partie inférieure du mésa (on peut alors parler de profil isotrope du mésa). Les flancs de la partie inférieure du mésa 35 suivent un profil qui est fonction du profil d'une partie B12665 - 12-T0-0809 12 inférieure des flancs du masque 13, entièrement éliminée pendant la gravure. A titre d'exemple, la partie supérieure (anisotrope) des flancs du mésa s'étend sur la moitié supérieure de la hauteur du mésa, et la partie inférieure, en pente plus douce (isotrope dans cet exemple), des flancs du mésa s'étend sur la moitié inférieure de la hauteur du mésa. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ces proportions particulières, qui dépendent essentiellement de l'épaisseur et du profil du masque 13, ainsi que de la sélectivité de l'usinage ionique du nitrure de gallium par rapport au matériau du masque. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à la réalisation de diodes Schottky au nitrure de gallium. Plus généralement, le procédé proposé pourra être utilisé pour fabriquer tout autre composant électronique dont la réalisation comprend un amincissement d'une couche de nitrure de gallium. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un composant électronique dans et sur une couche (3) de nitrure de gallium, comportant une étape d'amincissement d'une portion de ladite couche (3) par usinage ionique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lors de l'étape d'usinage ionique, ladite portion est bombardée par un faisceau (15) d'ions de gravure d'angle d'incidence non nul. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la couche (3) de nitrure de gallium a une structure cristalline hexagonale orientée selon un plan cristallin (0001), et comprend des dislocations, ledit angle d'incidence étant choisi de façon à éviter l'apparition, sur la surface de la portion amincie, de défauts de planéité liés à la présence des dislocations. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel 15 ledit angle d'incidence est compris dans la plage allant de 23 à 37 degrés. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ledit angle d'incidence est d'environ 30 degrés. 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel lesdits ions de gravure sont des ions argon. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape d'usinage ionique est mise en oeuvre au moyen d'un plasma dépourvu d'espèces chimiquement réactives avec 25 le nitrure de gallium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite portion est délimitée par un masque de gravure (13) formé sur une face de ladite couche (3). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le 30 masque (13) a une forme de mésa à flancs non verticaux. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel, sur au moins une partie de l'épaisseur du masque, la tangente au flanc du masque forme un angle supérieur à 120 degrés avec la surface de ladite couche (3) non revêtue par le masque (13).B12665 - 12-T0-0809 14 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le motif du masque (13) est défini par gravure chimique par voie humide à l'aide d'une solution de gravure attaquant le matériau du masque (13) de façon isotrope. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel le masque (13) est en oxyde de silicium.