Brevet FR3100923A1 — publié le 20210319

Titre : Procédé de gravure d’une couche à base d’un matériau III-V L’invention concerne notamment un procédé de gravure d’au moins une couche (100) à base d’un matériau III-V (100), le procédé comprenant au moins : fournir au moins ladite couche (100), au moins un cycle comprenant au moins les étapes suivantes: modifier, par implantation (10) d’ions à base d’hydrogène (H) et/ou d’hélium (He), une partie au moins de l’épaisseur (e100) de ladite couche (100) pour former dans ladite couche (100) au moins une portion modifiée (110), oxyder une partie au moins de la portion modifiée (110) en exposant ladite couche (100) à un plasma (20) à base d’oxygène, pour définir dans ladite couche (100) au moins une portion oxydée (120) et au moins une portion non oxydée, graver l’au moins une portion oxydée (120) sélectivement à l’au moins une portion non oxydée Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de gravure d’une couche à base d’un matériau III-V La présente invention concerne en général l’intégration de couches à base de matériaux III-V et notamment à base de matériaux III-N tels que le nitrure de gallium (GaN) au sein de dispositifs micro-électroniques. Elle trouvera pour application avantageuse la réalisation de dispositifs tels que des transistors intégrant une ou plusieurs couches de matériaux III-N. ÉTAT DE LA TECHNIQUE La chasse au gaspillage énergétique et l'augmentation des besoins poussent les fabricants de dispositifs microélectroniques à améliorer les rendements et les performances de leurs systèmes de conversion de l'énergie électrique. Actuellement, les circuits de conversion sont fabriqués à base de silicium et de nombreuses recherches ont été menées pour faire évoluer les architectures dans le but de gagner en rendement et en conductivité. Néanmoins, ces dispositifs connus arrivent aux limites théoriques du silicium et de nouvelles solutions doivent être développées. Grâce à ses propriétés électriques permettant la formation d’un gaz d’électrons bi-dimensionnel, l’hétérostructure AlGaN/GaN, formée d’une couche de nitrure d’aluminium-galium sur une couche de nitrure de galium, présente de bonnes perspectives pour le développement de l'électronique de puissance. Il concurrence le Si et le SiC en termes de taille de dispositif, de tenue en tension, de mobilité de porteurs ainsi que de résistance en série. Néanmoins, l’utilisation pratique de cette hétérostructure AlGaN/GaN par exemple dans un transistor ou une diode pose des problématiques fortes qu’il convient de résoudre afin d’exploiter toutes les performances de ces matériaux à base de GaN. Plus généralement, ces problématiques se posent pour les matériaux III-V et en particulier les matériaux III-N. Il a été notamment identifié que les étapes de gravure, pour les structurations des dispositifs, sont critiques et dégradent les propriétés électriques du canal. Ces étapes de gravure concernent par exemple l’ouverture d’une couche de passivation surmontant l’hétérostructure AlGaN/GaN afin de former les contacts d’une diode ou de former la grille ou les contacts pour les transistors, par exemple des transistors HEMT (acronyme anglais de « High Electron Mobility Transistor » signifiant Transistor à Haute Mobilité Electronique). Ces étapes s’effectuent par gravure plasma traditionnelle avec des chimies chlorées, dans un réacteur plasma à couplage inductif (ICP). Ces solutions présentent de nombreux inconvénients. En particulier le bombardement ionique lors de la gravure plasma entraine généralement une dégradation des matériaux des couches et motifs que l’on souhaite conserver. Par ailleurs, le contrôle de la profondeur de gravure, effectué au temps en l’absence de couche d’arrêt, est peu précis. Tous ces inconvénients conduisent à dégrader la couche d’AlGaN et à réduire les performances du dispositif. Des techniques par gravure cycliques ont été proposées pour limiter ces inconvénients. Ce type de technique a été décrit dans le document brevet US8124505B1 publié le 28 Février 2012. Comme indiqué dans ce document, la gravure cyclique de GaN est constituée des deux étapes suivantes: une première étape d’oxydation par un plasma d’oxygène. Dans ce cas la zone oxydée est de 1-3nm. une deuxième étape de gravure de l’oxyde crée sélectivement au GaN non modifié par un plasma à base de BCl 3 . Si cette technique permet d’améliorer le contrôle de l’épaisseur gravée et de réduire les dommages surfaciques, elle présente pour inconvénient d’induire une durée importante de mise en œuvre, durée qui n’est pas compatible avec les exigences industrielles en termes de productivité. Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution, permettant de graver une couche à base de matériau III-N tel que le GaN avec précision et tout en limitant voire en supprimant les inconvénients des solutions connues. En particulier, il serait avantageux de proposer une solution permettant de graver une couche à base de matériau III-N avec précision et avec une durée réduite par rapport aux solutions connues de gravure cycliques. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUMÉ Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de gravure d’au moins une couche à base d’un matériau III-V, le procédé comprenant au moins : fournir au moins une couche à base d’un matériau III-V présentant une face avant, au moins un cycle comprenant au moins les étapes suivantes: modifier, par implantation d’ions à base d’hydrogène (H) et/ou d’hélium (He), une partie au moins de l’épaisseur (e100) de ladite couche pour former dans ladite couche au moins une portion modifiée s’étendant depuis la face avant, l’implantation étant effectuée à partir d’un plasma, oxyder une partie au moins de la portion modifiée en exposant ladite couche à un plasma à base d’oxygène, pour définir dans ladite couche au moins une portion oxydée et au moins une portion non oxydée, graver l’au moins une portion oxydée sélectivement à l’au moins une portion non oxydée. Ainsi, l’implantation d’ions à base d’ions légers d’hydrogène (H) et/ou d’hélium permet de modifier la couche à base du matériau III-V sur une épaisseur relativement importante, typiquement sur une épaisseur supérieure à 4 nanomètres (10 -9 mètres). L’oxydation s’effectue ensuite de manière privilégiée et beaucoup plus rapide sur les portions modifiées par implantation. Surtout, l’oxydation s’effectue sur une profondeur bien plus importante que dans un procédé qui ne prévoit pas d’étape de modification par implantation d’ions légers. De préférence, toute l’épaisseur des portions modifiées par implantation se trouve oxydée. En effet, il a été remarqué qu’avec les procédés connus de gravure cyclique, le plasma est réalisé sans bombardement ionique ou avec un très faible bombardement pour ne pas pulvériser et endommager la couche d’AlGaN. Ce faible bombardement oblige à ce que l’épaisseur de la couche oxydée soit très faible. Il est alors nécessaire de répéter un grand nombre de fois la procédure pour atteindre l’épaisseur souhaitée de GaN gravé. La durée du procédé est alors très longue. La gravure permet de retirer les portions oxydées sélectivement aux portions non oxydées. La gravure s’arrête ou voit sa vitesse réduire très significativement lorsque tout l’oxyde est consommé. Cette gravure est ainsi autolimitante. Dans certaines conditions de gravure, la sélectivité de la gravure des portions oxydées vis-à-vis des portions non oxydées est infinie ou quasiment infinie. Ce procédé permet de contrôler avec une grande précision la profondeur retirée du matériau III-V tout en retirant à chaque cycle une épaisseur importante. Pour une même épaisseur de matériau III-V à retirer, le procédé proposé permet de réduire considérablement la durée de mise en œuvre. La solution proposée améliore ainsi considérablement la productivité des procédés de gravure des couches à base de matériaux III-V. Par ailleurs, la profondeur gravée est homogène sur toute la surface de la couche. En outre, l’implantation d’ions légers et à l’aide d’un plasma permet de contrôler avec précision la profondeur implantée. Les zones mises à nu à l’issue de la gravure ne sont pas endommagées. Les dispositifs réalisés à partir de ces gravures présentent alors des performances améliorées. L’implantation à partir d’un plasma permet de modifier la couche III-V, depuis sa face avant et de manière continue sur une profondeur contrôlée. Ainsi l’oxydation s’effectue également de manière continue depuis la face avant de ladite couche. Par ailleurs, l’implantation à partir d’un plasma permet d’obtenir une bonne homogénéité de la modification. L’oxydation sera ainsi contrôlée avec précision et sera également homogène sur toute la profondeur modifiée. La gravure qui s’ensuivra sera elle aussi contrôlée avec précision. De préférence, l’ensemble de ces étapes est effectué dans un même réacteur de gravure. Cela permet de limiter le nombre d’étapes et de réduire considérablement la durée du procédé. Un autre aspect concerne un procédé de réalisation d’un transistor comprenant les étapes suivantes : Fournir un empilement comprenant successivement au moins : un substrat, une couche à base d’un matériau III-N et un masque, ladite couche comprenant successivement une couche de GaN, une couche d’AlN et une couche d’AlGaN, Graver la couche à base du matériau III-N à travers le masque, en mettant en œuvre le procédé décrit ci-dessus, de sorte à former au moins trois tranchées au droit d’ouvertures formées par le masque, Remplir les tranchées pour définir dans les tranchées au moins une grille de transistor, une source et un drain. Ce procédé permet de retirer avec précision toute l’épaisseur des couches d’AlGaN et d’AlN et en contrôlant la profondeur gravée dans la couche de GaN. Par ailleurs, le GaN mis à nu en fond de tranchée et qui est conservé n’est pas endommagé. On peut au besoin prévoir un recuit pour désorber des espèces éventuellement implantées dans le GaN, tel que de l’hélium. Le procédé proposé permet ainsi d’améliorer les performances du transistor obtenu. Par ailleurs ce procédé est fiable, aisément reproductible et peu coûteux. Il est en outre compatible avec les contraintes de productivité industrielle. Un autre aspect de la description concerne un transistor comprenant: un empilement comprenant successivement au moins : un substrat, une couche à base d’un matériau III-N et un masque, la couche à base dun matériau III-N comprenant successivement une couche de GaN, une couche d’AlN et une couche d’AlGaN, une source, un drain et une grille s’étendant chacun au travers de toute l’épaisseur de la couche d’AlN et de toute l’épaisseur de la couche d’AlGaN pour déboucher dans la couche de GaN. Un autre aspect concerne un dispositif microélectronique obtenu par un procédé mettant en œuvre le procédé ci-dessus de gravure d’une couche à base d’un matériau III-N. Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec des moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS…), ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS…). BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : Les figures 1A à 1E illustrent de manière schématique les étapes principales d’un procédé selon un premier mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente, sous forme d’un ordinogramme, les étapes principales d’un procédé selon le mode de réalisation illustré en figure 1. La figure 3 est une photo du résultat obtenu après mise en œuvre d’un procédé selon l’état de la technique. La figure 4 est une photo du résultat obtenu après mise en œuvre d’un exemple de procédé selon l’invention. La figure 5 représente, sous forme d’un ordinogramme, les étapes principales d’un procédé selon un mode de réalisation alternatif. Les figures 6A à 6C illustrent de manière schématique certaines étapes appliqué à une structure dans laquelle la couche de matériau III-N est un empilement de plusieurs couches. La figure 7 est une illustration schématique du dispositif microélectronique obtenu après remplissage des ouvertures réalisée par gravure dans la couche de matériau III-N représentée en figure 6A à 6C. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs relatives des différentes couches ne sont pas représentatives de la réalité. Procédé de gravure d’au moins une couche (100) à base d’un matériau III-V (100), le procédé comprenant au moins : fournir au moins une couche (100) à base d’un matériau III-V présentant une face avant (101), au moins un cycle comprenant au moins les étapes suivantes: modifier, par implantation (10) d’ions à base d’hydrogène (H) et/ou d’hélium (He), une partie au moins de l’épaisseur (e100) de ladite couche (100) pour former dans ladite couche (100) au moins une portion modifiée (110) s’étendant depuis la face avant (101), l’implantation (10) étant effectuée à partir d’un plasma, oxyder une partie au moins de la portion modifiée (110) en exposant ladite couche (100) à un plasma (20) à base d’oxygène, pour définir dans ladite couche (100) au moins une portion oxydée (120) et au moins une portion non oxydée, graver l’au moins une portion oxydée (120) sélectivement à l’au moins une portion non oxydée: Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’étape de gravure est effectuée à l’aide d’un plasma, l’étape de modification, l’étape d’oxydation et l’étape de gravure étant de préférence effectuées dans un même réacteur de gravure. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’étape de gravure est effectuée à l’aide d’un plasma à base de trichlorure de bore (BCl3). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel avant d’effectuer ledit cycle, la face avant (101) de la couche (100) à base d’un matériau III-V est surmontée d’un masque (210). Procédé selon la revendication précédente dans lequel le masque (210) est à base de nitrure et de préférence à base de nitrure de silicium SixNy, x et y étant des entiers non nuls. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la modification par implantation (10) est effectuée de sorte à ce que la portion modifiée (110) s’étende depuis la face avant (101) et sur une profondeur e110 supérieure à 4 nm (10 -9 mètres), avec de préférence 5nm Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’étape d’oxydation est effectuée de sorte à oxyder toute la portion modifiée (110). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel ladite couche (110) est destinée à former une couche active d’un transistor. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau III-V est un matériau III-N, et de préférence un matériau à base de nitrure de gallium (GaN) ou à base de nitrure d’aluminium (AlN). Procédé selon la revendication précédente dans lequel le matériau III-N est pris parmi : le GaN, l’AlGaN, l’InGaN, l’AlInGaN, l’AlN. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant après l’au moins un cycle, une étape de recuit effectuée de sorte à désorber une partie au moins des ions à base d’hydrogène (H) et/ou d’hélium (He). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de cycles et comprenant, uniquement après le dernier cycle, une étape de recuit effectuée de sorte à désorber une partie au moins des ions à base d’hydrogène (H) et/ou d’hélium (He), le recuit étant effectué à une température d’au moins 500°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de cycles, le nombre de cycles étant de préférence supérieur à 8, de préférence supérieur à 10 et de préférence compris entre 8 et 40. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les étapes de modification et d’oxydation sont effectuées à l’aide d’un même plasma comprenant lesdits ions à base d’H et/ou d’He et l’oxygène. Procédé de réalisation d’un transistor comprenant les étapes suivantes : Fournir un empilement comprenant successivement au moins : un substrat (400), une couche (100) à base d’un matériau III-N et un masque (210), la couche (100) à base du matériau III-N comprenant successivement une couche (100a) de GaN, une couche (100b) d’AlN et une couche (100c) d’AlGaN au contact du masque (210), Graver la couche (100) à base du matériau III-N à travers le masque (210), en mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, de sorte à former au moins trois tranchées au droit d’ouvertures formées par le masque (210), remplir les tranchées pour définir au moins une grille (603) de transistor, une source (601) et un drain (602).