Brevet FR3068511A1 — publié le 20190104

Procédé de réalisation de contact intermétallique à base de Ni sur In,GaiAs Le domaine de l'invention est celui des composants en matériaux III-V et plus précisément celui des composants InxGai,As avec 0 x 1, comprenant la réalisation de contacts intermétalliques. La figure 1 illustre ainsi un exemple de transistor comprenant un canal en InxGai,As mettant en évidence la source, la grille et le drain, nécessitant la reprise de contacts. La figure 2 illustre un autre type de configuration pour des applications photoniques nécessitant également la reprise de contacts et dans lequel la présente invention peut être particulièrement d'intérêt. Les contacts sur InxGai,As avec 0 x 1 compatibles avec une technologie Si-CMOS sont généralement réalisés par réaction à l'état solide entre un métal (Ni) ou un alliage métallique NiyMi_y et le semi-conducteur (InGaAs) comme décrit dans la publication de S. H. Kim et al., IEDM 2010, 26.6. Cette réaction réalisée entre 200 et 500 °C par un recuit rapide sous atmosphère contrôlée conduit à l'obtention d'un composé intermétallique Ni-InGaAs, comme décrit dans la publication de Ivana et al., J. Vac. Sci. Technol., B 31 (2013) 012202 et dans la publication de P. Shekter et al., J. Vac. Sci. Technol., B 31(2013) 031205, qui peut être utilisé pour la reprise de contacts des S/D du transistor comme décrit dans la publication de S. H. Kim et al., IEEE Trans. Electron. Devices 60 (2013) 2512 ou contacter l'électrode servant de pompage électrique du laser comme décrit dans la publication de E. Ghegin et al., IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop 2016, 214. Jusqu'à ce jour, la nature des phases et des textures obtenues lors de la réaction à l'état solide entre le Ni et InGaAs était mal connue 30 comme décrit dans la publication de S. Zhiou et al., J. Appl. Phys. 120 (2016) 13530. Or une maitrise de ces dernières peut conduire à l'obtention d'un composé intermétallique optimisé, notamment en termes de stabilité morphologique, d'épaisseur et de résistivité de contact permettant une 35 maitrise de l'élaboration des contacts. 2 C'est pourquoi dans ce contexte, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de contact intermétallique optimisé. Le Demandeur propose un procédé permettant de contrôler les 5 phases et les textures du composé intermétallique Ni-InGaAs , basé sur une étude approfondie de la réaction à l'état solide entre le métal Ni et le composé InxGai,As avec 0 x 1 et ce afin de favoriser : - une texture conduisant à une interface de contact et une morphologie optimisées ; 10 - une phase hexagonale à stoechiométrie bien définie favorable en termes de résistivité de contact. L'intérêt de la présente invention réside dans le fait de réaliser un procédé d'obtention de composé intermétallique qui permette de rester en dessous de la barrière de nucléation de la texture non favorable tant que tout 15 le Ni n'a pas été consommé. Par rapport à l'état de l'art, la présente invention apporte une solution permettant de maitriser de façon reproductible la morphologie des contacts au travers du contrôle de la texture et de la phase et donc de favoriser une plus faible résistivité. 20 Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de fabrication de contact intermétallique à la surface d'une couche ou d'un substrat de matériau InxGai,As orientée (100) avec 0 x 1, ledit contact comprenant un composé intermétallique de Ni-InGaAs ayant une structure cristallographique hexagonale pouvant présenter : 25 - une première texture dont des plans (1010) du composé intermétallique sont parallèles à la surface de ladite couche ou dudit substrat et formée à une première température de nucléation ou - une seconde texture dont les plans (0001) du composé intermétallique sont parallèles aux plans (111) de ladite couche ou dudit substrat et formée à une seconde température de nucléation supérieure à ladite première température de nucléation ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : 3 - l'élaboration d'abaques définissant pour une épaisseur de Ni déposé sur ledit matériau InxGai,As, le temps nécessaire pour consommer totalement l'épaisseur initiale de Ni déposé sur ledit matériau In,Gai_xAs en fonction de la température de 5 recuit, ladite température de recuit étant inférieure à ladite température de nucléation de ladite seconde texture ; - le dépôt localisé de Ni à la surface dudit matériau InxGai,As pour former une couche de Ni présentant une épaisseur de contact ; 10 - une étape de recuit appliquant le couple de paramètres : temps nécessaire/température de recuit, déduit desdites abaques en corrélation avec ladite épaisseur de contact de manière à former par réaction à l'état solide une couche de composé intermétallique de première texture. 15 Avantageusement la fraction molaire x du substrat est comprise entre 0,25 et 0,80. Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend un premier recuit à une première température durant une première durée pour former un premier composé intermétallique de première texture et présentant 20 une première phase et un second recuit à une température plus élevée que ladite première température pour former un second composé intermétallique de première texture et présentant une seconde phase. Le composé intermétallique Ni-InGaAs peut typiquement être un composé Ni2InGaAs ou un composé Ni3InGaAs. 25 Selon des variantes de l'invention le procédé comprend un recuit effectué à une température comprise entre 185 °C et 270 °C pendant une durée dépendante de l'épaisseur de Ni déposée, pour former un composé intermétallique de Ni3InGaAs. Typiquement pour une épaisseur initiale de Ni comprise entre 30 quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres, la durée de recuit peut varier entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes. Selon des variantes de l'invention, ledit recuit effectué à une température comprise entre 185 °C et 270 °C est suri d'un recuit effectué à une température comprise entre 250 °C et 550 °C potn modifier la résistivité 35 dudit contact intermétallique formé. 4 Selon des variantes de l'invention, ledit recuit effectué à une température comprise entre 185 °C et 270 °C est suri d'un recuit effectué à une température comprise entre 350 °C et 500 °C potn former un composé de Ni2InGaAs. 5 Il est à noter que les 2 phases Ni3InGaAs et Ni2InGaAs présentent la même structure avec des compositions variables selon le taux d'occupation des sites interstitiels. Selon des variantes de l'invention, les abaques sont élaborés en mesurant les épaisseurs de composé intermétallique formées en fonction du 10 temps. Selon des variantes de l'invention, les mesures d'épaisseur sont réalisées par rayons X. Selon des variantes de l'invention, les mesures d'épaisseur sont réalisées par ellipsométrie. 15 Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend le dépôt d'une couche protectrice à la surface du dépôt localisé de Ni, préalablement à(aux) l'opération(s) de recuit. L'invention a aussi pour objet le contact intermétallique obtenu selon le procédé de l'invention. 20 L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un transistor comprenant le procédé de fabrication de contact intermétallique de l'invention. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un composant photonique comprenant le procédé de fabrication de contact 25 intermétallique de l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures parmi lesquelles : 30 - La figure 1 illustre un exemple de structure de transistor selon l'art connu pouvant comprendre des contacts intermétalliques ; - La figure 2 illustre un exemple de structure photonique selon l'art connu pouvant comprendre des contacts intermétalliques ; 5 - la figure 3 schématise les deux textures du composé intermétallique Ni-InGaAs pouvant être obtenues lors d'une opération de recuit ; - la figure 4 illustre les différentes phases de composés 5 intermétalliques formés en fonction de la température dans le cas d'une réaction solide entre Ni et InxGai,As ; - la figure 5 illustre l'évolution du paramètre de maille du substrat InxGai_xAs en fonction de la teneur en indium (x) ; - la figure 6 illustre l'évolution du désaccord de maille pour les 2 10 textures de l'intermétallique Ni31n0.53Ga0.47As en fonction de la teneur en indium du substrat ; - la figure 7 illustre l'évolution de la résistance carrée de contact d'un exemple de couche formée de Ni-In0.53Ga0.47As en fonction de la température de recuit ; 15 - la figure 8 illustre l'évolution de la résistivité de contact d'un exemple de couche formée de Ni-In0.53Ga0.47As en fonction de la température de recuit. De manière générale, lorsque l'on réalise un contact 20 intermétallique à partir du dépôt de Ni à la surface d'une couche ou d'un substrat de InxGai,As, la réaction à l'état solide entre Ni et InxGai,As conduit à l'obtention de plusieurs composés intermétalliques Ni-InGaAs présentant une structure cristallographique : hexagonale type B8. Comme certains composés intermétalliques, cette phase hexagonale présente 2 25 textures (A et B) qui se caractérisent par leurs orientations par rapport au substrat. Pour la texture A, les plans (1010) de l'intermétallique sont parallèles à la surface (lorsque cette dernière est orientée selon les plans (100)) de la couche ou du substrat de InxGai,As tandis que pour la texture B 30 ce sont les plans (0001) qui sont parallèles aux plans (1 1 1) de ladite surface. Cela conduit dans le premier cas à l'obtention d'un hexagone dont l'axe c est parfaitement parallèle à la surface de la couche ou du substrat (texture A) et donc une interface Ni-InGaAs / InxGai,As parfaitement plane, 35 et dans l'autre cas à un hexagone qui est orienté selon les plans (1 1 1) de la 6 couche ou du substrat donnant une interface très rugueuse et pouvant entrainer des défauts électriques (percement de jonction, augmentation de résistivité de contact). Ceci est schématisé sur la figure 3. Le Demandeur a mené des expériences permettant de démontrer 5 que la texture du composé intermétallique peut être contrôlée par le budget thermique ou l'épaisseur de métal (si l'on est amené à fixer le budget thermique) mis en oeuvre lors de la réaction à l'état solide entre le Ni et InxGai_xAs et a conclu qu'il convient de consommer la totalité du Ni avant de dépasser la température de nucléation de la texture B. Cette température est 10 comprise entre 270 et 320 °C selon la teneur en In dans InxGai,As. La durée du recuit à appliquer pour consommer totalement le Ni dépend de la température du recuit et de l'épaisseur initiale de Ni déposé. Selon la présente invention, il est proposé d'élaborer des abaques qui permettent de déterminer en fonction de l'épaisseur initiale de Ni et de la 15 température du recuit, le temps nécessaire pour consommer tout le Ni. Une méthode globale consiste à mesurer l'épaisseur de composé intermétallique (ou du Ni consommé) formé en fonction du temps pour différentes températures de recuit. Cette mesure d'épaisseur peut être réalisée par différentes méthodes de caractérisation : par une analyse par 20 diffraction de rayons X (couramment dénommée XRD, pour X-Ray Diffraction), par ellipsométrie, microscopie, etc... ou toutes méthodes permettant d'extraire l'épaisseur du composé intermétallique et celle du Ni. L'épaisseur L de composé intermétallique formé est généralement proportionnelle à la racine carrée du taux de formation D multiplié par le 25 temps t comme défini ci-après : L = (D.t)1/2 Suivant la méthode décrite précédemment, on peut donc aisément déterminer des taux de formation pour différentes températures et par modélisation obtenir le temps nécessaire pour consommer totalement le 30 nickel pour une épaisseur initiale et une température de recuit données. Ainsi, suivant cette méthodologie et à partir de données recueillies dans la littérature, telles que décrites dans les publications de J. S. Solomon and S. R. Smith, J. Vac. Sci. Technol. A 5 (1987) 1809 et de H. F. Chuang et al., J. Electron. Mater. 24 (1995) 767, 7 Plus précisément, Chuang et al. mesurent des épaisseurs de GaAs consommé pour une température et différents temps, Solomon et Smith mesurent des gradients de concentration de Ni en fonction de la température pour un temps donné. Les deux en déduisent des coefficients de diffusion du 5 Ni dans GaAs (ou taux de formation), le Demandeur fournit une estimation du temps de recuit nécessaire pour consommer totalement une couche de Ni à différentes températures de recuit (150, 200, 250 et 300 °C) pour le système Ni-GaAs (cas où x = 0). En effet, il existe une proportionnalité entre l'épaisseur de composé intermétallique et l'épaisseur initiale de Ni déposée. 10 Le Tableau 1 ci-dessous répertorie l'ensemble des résultats pour différentes épaisseurs initiales de Ni. Épaisseur de Ni initiale Température de recuit 5 nm 10 nm 50 nm 150 °C 2,8 min 11,2 min 277,4 min 200 °C 1,4 min 5,8 min 140,4 min 250 °C 0,8 min 3,2 min 75,6 min 300 °C 0,6 min 1,8 min 43,2 min Tableau 1 15 Il est à noter que l'on trouve des taux de formation différents selon les publications qui peuvent s'expliquer par l'incertitude sur la mesure de l'épaisseur et l'incertitude sur la température de recuit. Il donc nécessaire de réaliser ces abaques en tenant compte des 20 équipements utilisés. Il a par ailleurs, était reporté que la diffusion du Ni dans le composé GaAs ou celle du Ni dans le composé In0.53Ga0.47As étaient très similaires dans l'article de Y. Ashizawa et al., J. Electron. Mater. 25 (1996) 715, c'est pourquoi, il est possible de considérer que les ordres de grandeur 25 des données reportées dans le Tableau 1 peuvent également être valables, de manière plus générale, pour le composé intermétallique générique de NiInGaAs. Selon la présente invention, il est donc proposé d'établir des abaques définissant pour une épaisseur donnée de Ni, le couple de 8 paramètres : température de recuit/temps de recuit pour consommer complètement une épaisseur donnée de Ni et d'appliquer ces couples de paramètres pour conduire à la formation d'un composé intermétallique de bonne texture, c'est-à-dire la première texture A présentant des propriétés 5 optimales de surface de contact. Selon le procédé de la présente invention, il est ainsi possible de contrôler la texture permettant de garantir le meilleur contact, la résistance de contact métal/semi-conducteur (InxGai,As dans le cas présent) dépendant de la hauteur de barrière de Schottky et donc de la phase, donc 10 de la stoechiométrie, en contact avec le semi-conducteur. Le Demandeur a montré que dans le système considéré plusieurs phases peuvent se former : Ni3InGaAs, Ni2InGaAs, NiAs. Le Demandeur s'est intéressé à la première phase et la texture A. L'obtention de la texture A se fait avec un faible budget thermique et la 15 phase Ni3InGaAs nécessite un recuit dont la température est inférieure à 350 °C. La figure 4 illustre à cet effet, l'évolution cb la formation des différentes phases pouvant être obtenues lors des réactions solides en présence de Ni et de In0.53Ga0.47As, encore appelée séquence de phases. 20 Le Demandeur a également analysé l'évolution du paramètre de maille du substrat InxGai_xAs en fonction de la teneur en indium (x) reportée en figure 5 afin d'estimer une gamme de fractions molaires privilégiées au niveau de la composition du substrat pour laquelle la présente invention est particulièrement adaptée. 25 Cette évolution est basée sur l'application de la loi de Vegard entre les 2 cas extrêmes GaAs et InAs ainsi que la composition intermédiaire In0.53Ga0.47As. A l'aide de l'équation de droite extraite de la figure A, le paramètre de maille du substrat InxGai_xAs a pu être calculé pour x variant de 0 à 100 puis 30 la distance interréticulaire entre les plans (110) et (111) a été calculée selon la formule usuelle pour une maille cubique : 1h2+k2+12 - = d2 a2 9 Les résultats sont reportés dans le tableau A qui fournit la valeur des distances interréticulaires pour les plans (110) et (111) du substrat InxGai,As en fonction de la teneur en indium (x). %I n a d(110) d(111) 5.6543 3.9981 3.2645 5 5.6743 4.0123 3.2760 10 5.6943 4.0264 3.2876 15 5.7143 4.0406 3.2991 20 5.7343 4.0547 3.3106 25 5.7543 4.0689 3.3222 30 5.7743 4.0830 3.3337 5.7943 4.0971 3.3453 5.8143 4.1113 3.3568 5.8343 4.1254 3.3684 5.8543 4.1396 3.3799 5.8743 4.1537 3.3915 5.8943 4.1678 3.4030 5.9143 4.1820 3.4146 5.9343 4.1961 3.4261 5.9543 4.2103 3.4377 5.9743 4.2244 3.4492 5.9943 4.2386 3.4608 6.0143 4.2527 3.4723 6.0343 4.2668 3.4839 6.0543 4.2810 3.4954 5 Tableau A L'intermétallique de référence Ni31n0.53Ga0.47As / In0.53Ga0.47As présente les paramètres de maille (maille hexagonale) suivants : a = 3.87 et 10 c = 5.03. A partir de ces paramètres, on peut calculer les distances interréticulaires pour les plans (1010) et (0001) de l'intermétallique qui correspondent respectivement aux textures A et B : 3.3515 À et 5.03 À. Pour cet intermétallique de référence, on peut calculer le désaccord de maille pour chacune des deux textures en fonction de la teneur en indium 15 du substrat. Ceci est illustré par la figure 6. Le désaccord de maille pour la texture A est calculé par rapport au plan (110) du substrat. Quant au désaccord de maille de la texture B, il est calculé par rapport au plan (111) du substrat. Plus la valeur absolue du désaccord de maille est importante, plus la probabilité de former telle ou telle texture diminue. En effet, 10 l'augmentation du désaccord de maille entraine une augmentation de la différence d'énergie entre l'intermétallique et le substrat. Deux zones grisées définies sur la figure 6 représentent des domaines où la probabilité pour que la texture concernée existe soit faible. Ainsi, en dessous de 25 % de teneur 5 en indium, la probabilité de former la texture A est plus faible et au-delà de 80 % de teneur en indium, c'est la formation de la texture B qui est la moins favorable. Cette figure est construite à partir d'une approximation : c'est l'intermétallique de référence Ni31n0.53Ga0.47As qui est utilisé pour évaluer le désaccord de maille quelle que soit la teneur en indium. Or la stoechiométrie 10 de l'intermétallique évolue en fonction de la teneur en indium du substrat (par exemple, on forme l'intermétallique Ni31n0.7Ga0.3As sur un substrat contenant 70 % d'indium). Afin de vérifier que cette approximation est valable, deux autres points ont été ajoutés à la figure 6, il s'agit des valeurs de désaccord de maille pour l'intermétallique Ni3GaAs sur GaAs. Les valeurs obtenues 15 sont relativement proches et en tout cas concordantes avec celles obtenues pour l'intermétallique Ni31n0.53Ga0.47As. Ainsi, malgré l'approximation réalisée, les « bornes » de coexistence des deux textures (25 % REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de contact intermétallique à la surface d'une couche ou d'un substrat de matériau In,GaiAs orientée (100) avec 0 x 1, ledit contact comprenant un composé intermétallique de Ni-InGaAs ledit composé intermétallique ayant une structure cristallographique hexagonale pouvant présenter : - une première texture dont des plans (1010) du composé intermétallique sont parallèles à la surface de ladite couche ou dudit substrat et formée à une première température de nucléation ou - une seconde texture dont les plans (0001) du composé intermétallique sont parallèles aux plans (111) de ladite couche ou dudit substrat et formée à une seconde température de nucléation supérieure à ladite première température de nucléation ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - l'élaboration d'abaques définissant pour une épaisseur de Ni déposé sur ledit matériau InxGai_xAs, le temps nécessaire pour consommer totalement l'épaisseur initiale de Ni déposé sur ledit matériau InxGai_xAs en fonction de la température de recuit, ladite température de recuit étant inférieure à ladite température de nucléation de ladite seconde texture ; - le dépôt localisé de Ni à la surface dudit matériau InxGai_xAs pour former une couche de Ni présentant une épaisseur de contact ; - une étape de recuit appliquant le couple de paramètres : temps nécessaire/ température de recuit, déduit desdites abaques en corrélation avec ladite épaisseur de contact de manière à former par réaction à l'état solide une couche de composé intermétallique de première texture. 2. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon la revendication 1, dans lequel la fraction molaire x du substrat est comprise 35 entre 0,25 et 0,80. 14 3. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant une premier recuit à une première température durant une première durée pour former un premier composé 5 intermétallique de première texture et présentant une première phase et un second recuit à une température plus élevée que ladite première température pour former un second composé intermétallique de première texture et présentant une seconde phase. 10 4. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un recuit effectué à une température comprise entre 18500 et 270 °C pendant une durée dépendante de l'épaisseur de Ni déposée, pour former un composé intermétallique de Ni3InGaAs. 15 5. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon la revendication 4, dans lequel l'épaisseur initiale de Ni étant comprise entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres, la durée de recuit varie entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes. 20 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 4 ou 5 lequel ledit recuit effectué à une température comprise entre 185 °C et 270 °C est suivi d'un recuit effectué à une température comprise entre 250 °C et 550 °C pour modifier la résistivité dudit contact intermétallique 25 formé. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel ledit recuit effectué à une température comprise entre 185 °C et 270 °C est suivi d'un recuit effectué à une température comprise entre 350 °C et 500 °C pour 30 former un composé de Ni2InGaAs. 8. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les abaques sont élaborés en mesurant les épaisseurs de composé intermétallique formées en fonction du 35 temps. 15 9. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon la revendication 8, dans lequel les mesures d'épaisseur sont réalisées par rayons X. 5 10. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon la revendication 8, dans lequel les mesures d'épaisseur sont réalisées pas ellipsométrie. 10 11. Procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant le dépôt d'une couche protectrice à la surface du dépôt localisé de Ni, préalablement à(aux) l'opération(s) de recuit. 12. Contact intermétallique obtenu selon le procédé de l'une des 15 revendications 1 à 11. 13. Procédé de fabrication d'un transistor comprenant le procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 à 11. 20 14. Procédé de fabrication d'un composant photonique comprenant procédé de fabrication de contact intermétallique selon l'une des revendications 1 à 10. 25