Brevet FR3018629A1 — publié le 20150918

STRUCTURE SEMICONDUCTRICE FORMANT TRANSISTOR HEMT L'invention concerne une structure semiconductrice en couches superposées déposées sur un substrat et formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction ou HEMT (de l'anglais « High Electronic Mobility Transistor »), les couches superposées étant composées de matériaux semiconducteurs à cristal hexagonal de type Ga(i_p_q)Al(p)In(q)N, où p et q peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme p+q étant inférieure ou égale à 1, et le doublet {p,q} étant spécifique à chaque couche. Le matériau du substrat peut être par exemple du GaN, de l'AIN, du SiC, du Si, du diamant ou du saphir. Ce transistor pourra être utilisé dans un MMIC, ou dans un autre circuit. Un transistor HEMT (dit aussi H FET, de l'anglais « Heterostructure Field Effect Transistor » ou MODFET, de l'anglais « Modulation Doped Field Effect Transistor ») comprend typiquement: - une couche canal, réalisée en un premier matériau semiconducteur, par exemple GaN, - une couche barrière sur la couche canal, réalisée dans un matériau semiconducteur avec un gap plus grand que le premier matériau, et une affinité électronique plus petite que le premier matériau, par exemple AIN ou A1GaN, - une électrode de grille formant avec la couche barrière une jonction Schottky, et - une électrode de source et une électrode de drain de part et d'autre de l'électrode de grille. Il est connu de déposer aux emplacements correspondants aux électrodes de source et de drain, avant le dépôt de ces électrodes, une couche de GaN dopée avec des atomes de Si par croissance épitaxiale. Cette couche de GaN dopée peut permettre de concevoir des transistors avec des dimensions plus faibles. Pour délimiter ces emplacements, on utilise une couche de masquage. Les documents K.Shinohara et al, « Electron Velocity Enhancement in laterraly Scaled GaN DH-HEMTs with fT of 260 GHz », IEEE Electron Device Letters, Vol. 32, No 8, Août 2011 et T.Fujiwara, 7 « Low Ohmic Contact resistance m-Plane A1GaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistors with Enhancement-Mode Operations », Applied Physics Express 3 (2010) décrivent deux exemples de procédés de fabrication de transistors HEMT sur substrat GaN, avec des étapes de croissance épitaxiales localisées de couches dopées au Silicium. Il existe un besoin pour un procédé permettant une meilleure définition des bords des couches d'épitaxie localisées. Il est proposé un procédé de fabrication d'une structure semiconductrice en couches superposées formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction, comprenant : a) prévoir sur un substrat une couche tampon composée d'un matériau semiconducteur à cristal hexagonal Ga(i_x_y)AlNIn(y)N, où x et y sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x+y étant inférieure ou égale à 1, une couche canal sur la couche tampon, cette couche canal étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z_w)A1(z)In(w)N, où z et w peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z+w étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z et w étant différent de x ou y, respectivement, une couche barrière sur cette couche canal, cette couche barrière étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z,_,e)A1(z,)In(wIN, où z' et w' peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z'+w' étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z' et w' étant différent de z ou w, respectivement, b) déposer une couche de masquage sur la couche barrière, c) former une ouverture dans la couche de masquage, d) faire croître par épitaxie un matériau semiconducteur à cristal hexagonal Ga(i_.,y)Al(X')In(y)N dopé au Germanium, où x' et y' sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x'+y' étant inférieure ou égale à 1, sur une zone de croissance correspondant à l'emplacement de l'ouverture formée dans la couche de masquage, e) déposer une électrode de contact, source ou drain, sur le matériau déposé par épitaxie à l'étape d), f) déposer une électrode de grille à un emplacement en dehors de la zone de croissance. Ce procédé peut permettre d'obtenir des bords de la couche de matériau déposé par épitaxie plus francs que dans l'art antérieur, ce qui 7 peut être intéressant dans la mesure où ces bords peuvent servir de repère d'alignement lors d'étapes supplémentaires du procédé de fabrication. Ce procédé peut ainsi permettre l'alignement précis de la grille à proximité du contact ohmique de source et/ou du contact ohmique de drain, ce qui permet d'obtenir des résistances série plus faibles, et d'améliorer le gain des transistors. Ce procédé permet ainsi de produire des structures semiconductrice en couches superposées formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction, les couches semiconductrices étant composées essentiellement de matériaux III-V, les atomes de la colonne V de la classification périodique étant des atomes d'azote, et les atomes de la colonne III de cette classification étant choisis parmi le Gallium, l'Aluminium et l'Indium. Le matériau du substrat peut être par exemple du GaN, de l'AIN, du SiC, du Si, du diamant, du saphir, ou autre. L'un au moins parmi x' et y' peut être différent de z' ou w', respectivement, c'est-à-dire que x' a une valeur différente de z' et/ou que y' a une valeur différente de w'. Dit autrement, le matériau de la couche de croissance est différent du matériau de la couche barrière. Le matériau de la couche canal est différent du matériau de la couche tampon, c'est-à-dire que z a une valeur différente de x et/ou w a une valeur différente de y. Le matériau de la couche barrière est différent du matériau de la couche canal, c'est-à-dire que z' a une valeur différente de z et/ou w' a une valeur différente de w. En outre, les matériaux des couches barrière et canal sont choisis de façon à permettre ma fabrication d'un transistor HEMT. Le gap du matériau de la couche barrière est plus grand que le gap du matériau de la couche canal, et l'affinité électronique du matériau de la couche barrière est plus petite que celle du matériau de la couche canal, de sorte qu'il se forme un gaz bidimensionnel d'électrons dans la couche canal. Les matériaux des couches canal et barrière sont ainsi choisis de façon à provoquer une accumulation d'électrons à l'interface entre ces deux couches. L'électrode de grille peut alors former avec cette couche barrière une jonction Shottky. 7 Les matériaux des couches tampon, canal et barrière peuvent être non dopés, ou bien être dopés. La structure peut comprendre une ou plusieurs couches tampon, c'est-à-dire que, de façon connue en soi, l'épaisseur tampon peut être multicouches. De la même façon, la structure peut comprendre une ou plusieurs couches canal, une ou plusieurs couches barrière. Par « dopé au Germanium », on entend que le matériau de croissance comprend un nombre d'atomes de Germanium par centimètre cube supérieur ou égal à 1018. A l'étape c), les ouvertures dans la couche barrière peuvent être formées en retirant par gravure du matériau de la couche barrière. Avantageusement et de façon non limitative, la couche de masquage peut être retirée, sur la totalité de l'emplacement correspondant à cette couche, ou bien sur une partie seulement de cet emplacement. Cette étape de retrait peut intervenir avant le dépôt de l'électrode de grille. Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape de gravure, préalable à l'étape d) de croissance épitaxiale, pour retirer du matériau à l'emplacement de l'ouverture formée dans la couche de masquage, de façon à supprimer la partie de la couche barrière correspondant à cet emplacement. La distance parcourue par les électrons circulant entre les électrodes de source et de drain lors du fonctionnement du transistor est ainsi relativement faible. Le matériau épitaxié peut être dopé uniquement au Germanium, ou bien comprendre en outre d'autres atomes assurant un dopage, par exemple des atomes de silicium, le nombre d'atomes par centimètre cube de l'ensemble de ces autres dopants étant inférieur ou égal au nombre d'atomes par centièmes cube de Germanium. Dit autrement, le Germanium représente au moins 50% en nombre des dopants, avantageusement au moins 80%, avantageusement prés de 100%. Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut inclure une étape préalable d'isolation pour rendre non-conductrice une zone autour du transistor. On s'assure ainsi que lors du fonctionnement du transistor, les électrons circulant entre la source et le drain passent bien par la couche barrière contrôlée par la tension de grille. Des méthodes courantes, par exemple gravure des couches 7 actives ou implantation ionique, pourront être mises en oeuvre. Ceci est habituel pour tout transistor à effet de champ, et connu de l'homme de l'art. Avantageusement et de façon non limitative, à l'étape d) on peut prévoir de mettre en oeuvre une technique d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques ou MOVPE (de l'anglais « metalorganic vapor phase epitaxy »), ou encore ou MOCVD (de l'anglais « metalorganic chemical vapor deposition »). Cette technique peut être relativement avantageuse en ce sens que le procédé peut être relativement facile à industrialiser. L'invention n'est bien entendu pas limitée à un choix de technique d'épitaxie particulière pour cette étape d). On pourra par exemple prévoir de mettre en oeuvre une technique d'épitaxie par jets moléculaires ou MBE (de l'anglais « Molecular Beam Epitaxy »), ou toute autre technique permettant de faire croitre par épitaxie un matériau III- V, les atomes de la colonne V de la classification périodique étant des atomes d'azote, et les atomes de la colonne III de cette classification étant choisis parmi le Gallium, l'Aluminium et l'Indium. Avantageusement et de façon non limitative, au cours de l'étape e), on dépose plusieurs couches métalliques, par exemple : - une couche d'accrochage, par exemple de Titane, déposée sur le matériau épitaxié, - une couche barrière, par exemple de Platine, déposée sur la couche d'accrochage, et - une couche de conduction, par exemple d'Or, déposée sur la couche barrière. Alternativement, l'électrode de contact peut être formée d'une seule couche, par exemple de Tungstène. Avantageusement et de façon non limitative, l'étape e) de dépose de l'électrode de contact peut être effectuée sans recuit d'alliage. Cette électrode de contact peut comprendre une électrode de source. Au cours de cette étape, on peut prévoir de déposer en outre une électrode de drain. Il est en outre proposé une structure semiconductrice en couches superposées formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction, comprenant dans l'ordre d'empilage sur un substrat : 7 - une couche tampon composée d'un matériau semiconducteur à cristal hexagonal Ga(i_x_y)AlNIn(y)N, où x et y sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x+y étant inférieure ou égale à 1, - une couche canal, cette couche canal étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z_w)A1(z)In(w)N, où z et w peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z+w étant inférieure ou égale à 1, z étant différent de x et/ou w étant différent de y, - une couche barrière, cette couche barrière étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z,_,e)A1(z,)In(wIN, où z' et w' peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z'+w' étant inférieure ou égale à 1, z' étant différent de z et/ou w' étant différent de w, cette structure comprenant en outre - une couche de matériau de croissance, déposé par épitaxie sur une zone de croissance correspondant à l'emplacement d'une ouverture formée dans une couche de masquage, ce matériau de croissance étant composé de Ga(i-.,y)Al(X')In(y)N dopé au Germanium et à cristal hexagonal, où x' et y' sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x'+y' étant inférieure ou égale à 1, - une électrode de contact, source ou drain, sur la couche de matériau de croissance et une électrode de grille à un emplacement extérieur à la zone de croissance. Ce transistor HEMT peut présenter des bords de la couche de matériau de croissance relativement nets. Il est en outre proposé un circuit intégré, comprenant une structure telle que décrite ci-dessus. Ce circuit peut être un circuit intégré monolithique hyperfréquences (MMIC), ou autre. Dans la présente demande, on entend par « sur » aussi bien « directement sur » qu' »indirectement sur », c'est-à-dire qu'une couche déposée sur une autre peut être en contact avec cette autre couche, ou bien séparée de cette autre couche par une ou plusieurs couches intermédiaires. L'invention sera mieux comprise en référence aux figures, lesquelles illustrent un mode de réalisation donné à titre d'exemple et non limitatifs. 7 Les figures 1 à 5 sont des vues en coupe, et très schématiques, d'un exemple de structure en cours de fabrication, selon un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Des références identiques seront utilisées d'une figure à l'autre pour désigner des éléments identiques ou similaires. En référence à la figure 1, on prévoit une superposition, sur un substrat 1 par exemple composé de Silicium, de couches semiconductrices à cristal hexagonal, composées de matériaux III-V, les atomes de la colonne V de la classification périodique étant des atomes d'azote, et les atomes de la colonne III de cette classification étant choisis parmi le Gallium, l'Aluminium et l'Indium. Cette superposition comprend : - une couche tampon 2, par exemple composée de Ga0,9A10,1N non dopé, - une couche canal 3, par exemple composée de GaN non dopé, - une couche barrière 4, par exemple composée de AIN non dopé, - une couche de masquage 5, par exemple composée de SiN. Sur la figure 1, une étape de gravure, menée de façon connue en soi, a conduit à former des ouvertures dans la couche de masquage 5, de sorte qu'il reste simplement une partie centrale de cette couche 5. En référence à la figure 2, une étape de gravure, menée de façon connue en soi, conduit à retirer du matériau au niveau des ouvertures formées dans la couche de masquage 5, de façon à supprimer la partie de la couche barrière 4 correspondant à ces emplacements. Ainsi, seule la partie de la couche barrière 4 correspondant à l'emplacement de la partie centrale de la couche 5 est conservée. En référence à la figure 3, on fait croitre par une technique MOVPE du matériau de croissance dopé au Germanium 6, 6', aux emplacements correspondants aux ouvertures de la couche de masquage 5. Le matériau de croissance est à cristal hexagonal, composé de GaN dopé N+ au Germanium. Le choix du Germanium permet d'obtenir des interfaces entre les parties 6, 6' et 5 relativement nettes. Un fort dopage de ces zones épilocalisées 6, 6' est avantageux car cela permet d'éviter la nécessité de l'alliage pour réaliser un bon contact ohmique à faible résistance de contact avec les électrodes, et 7 l'amélioration et le meilleur contrôle de la morphologie permet donc de réduire encore davantage les dimensions. Pour ce faire, les conditions suivantes pourront être mises en oeuvre pour l'étape d'épitaxie localisée: - gaz vecteur : H2, et/ou N2 et/ou un autre gaz inerte, - température entre 700 et 1150°C, - réactifs : Triméthylgallium (et/ou d'autres organométalliques de Ga) et NH3 (et/ou d'autres molécules fournisseurs de N, tel que hydrazine, amines etc.), - Gaz dopant : GeH4 (et/ou composés organo-germanium). Les proportions de réactifs et de dopant sont choisies de façon à obtenir un matériau présentant 1018 atomes de Germanium par centimètre cube, ou davantage, par exemple 1020 ou 1021 atomes de Germanium par centimètre cube. Puis on dépose, de façon connue en soi, des contacts 15, 16 sur ces couches de matériau de croissance 6, 6'. Plus précisément, chaque contact 15, 16 comprend : - une couche d'accrochage 7, 10, par exemple une couche de Titane, déposée sur le matériau épitaxié, - une couche barrière 8, 11, par exemple une couche de Platine, déposée sur la couche d'accrochage correspondante 7, 10, et - une couche de conduction 9, 12, par exemple une couche d'Or, déposée sur la couche barrière correspondante 8, 11. On peut relever que ce dépôt des contacts de source 15 et de drain 16 est effectué sans recuit. Puis, en référence à la figure 5, on grave une partie de la couche de masquage 5, de sorte qu'il reste seulement deux portions 5A, 5B, de cette couche de masquage SiN, et dans la nouvelle ouverture ainsi définie on dépose un contact de grille métallique 13. Alternativement, on pourrait bien entendu prévoir de retirer la totalité de la couche de masquage 5 avant le dépôt du contact de grille. Alternativement encore, il est aussi possible de laisser la couche de masquage SiN 5 en place et de poser l'électrode de grille par dessus. De façon connue en soi, ce contact de grille peut également être réalisé en plusieurs couches (accrochage, barrière, conduction) non représentées. Par exemple, on pourrait prévoir une couche d'accrochage en Nickel et une couche de conduction en Or. 7 La structure ainsi obtenue peut présenter des parties dopées au Germanium 6, 6', de relativement bonne qualité. Les matériaux des couches canal 2 et barrière 3 sont choisis de façon à former un gaz bidimentionnel d'électrons, représenté sur la figure 5 par la zone référencée 14. Le dopage au Germanium des couches 6, 6' permet d'obtenir une jonction entre les couches 6, 3, 4 et 6', 3, 4 relativement nette, ce qui contribue à l'amélioration des performances du transistor. Cette structure peut permettre de réaliser un circuit MMIC présentant des performances accrues. 7 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une structure semiconductrice en couches superposées formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction, comprenant a) prévoir sur une couche substrat (1) une couche tampon (2) composée d'un matériau semiconducteur à cristal hexagonal Ga(i_x_y)AlNIn(y)N, où x et y sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x+y étant inférieure ou égale à 1, une couche canal (3) sur la couche tampon, cette couche canal étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i-z,)A1(z)InmN, où z et w peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z+w étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z et w étant différent de x ou y, respectivement, une couche barrière (4) sur cette couche canal, cette couche barrière étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z,_,e)A1(z,)In(wIN, où z' et w' peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z'+w' étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z' et w' étant différent de z ou w, respectivement' b) déposer une couche de masquage (5) sur la couche barrière, c) former une ouverture dans la couche de masquage, d) faire croître par épitaxie un matériau semiconducteur à cristal hexagonal (6, 6') Ga(i_.,y)Al(X')In(y)N dopé au Germanium, où x' et y' sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x'+y' étant inférieure ou égale à 1, sur une zone de croissance définie par l'ouverture formée dans la couche de masquage, e) déposer une électrode de contact de source ou drain (15, 16) sur le matériau ainsi déposé par épitaxie à l'étape d), f) déposer une électrode de grille (13) à un emplacement en dehors de la zone de croissance. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l'étape d) on met en oeuvre une technique d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. 7 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l'étape d) on met en oeuvre technique d'épitaxie par jets moléculaires. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau déposé par épitaxie à l'étape d) est un matériau GaN dopé au Germanium. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, l'étape e) de dépose de l'électrode de contact est effectuée sans recuit d'alliage. 6. Structure semiconductrice en couches superposées formant un transistor à effet de champ et à hétérojonction, comprenant dans l'ordre d'empilage sur couche substrat (1) - une couche tampon (2) composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_x_y)AlNIn(y)N, où x et y sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x+y étant inférieure ou égale à 1, - une couche canal (3) sur la couche tampon, cette couche canal étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z_w)A1(z)In(w)N, où z et w peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z+w étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z et w étant différent de x ou y, respectivement, - une couche barrière (4) sur cette couche canal, cette couche barrière étant composée d'un matériau à cristal hexagonal Ga(i_z,_ ,e)A1(z,)In(wIN, où z' et w' peuvent être compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme z'+w' étant inférieure ou égale à 1, l'un au moins parmi z' et w' étant différent de z ou w, respectivement, cette structure comprenant en outre - une couche de matériau de croissance (6, 6'), déposé par épitaxie sur une zone de croissance correspondant à l'emplacement d'une ouverture formée dans une couche de masquage (5), ce matériau de croissance étant à cristal hexagonal et composé de Ga(i_',y)A1(X')In(y)N dopé au Germanium, où x' et y' sont compris sont compris entre 0 inclus et 1 inclus, la somme x'+y' étant inférieure ou égale à 1, 7- une électrode de contact (15 , 16) sur la couche de matériau de croissance et une électrode de grille (13) à un emplacement extérieur à la zone de croissance. 7. Circuit intégré monolithique hyperfréquences comprenant une structure selon la revendication 6. 7