Brevet FR3111470A1 — publié le 20211217

Procédé de gravure d’au moins une portion d’une couche de matériau III-N, comportant la mise en œuvre des étapes suivantes : - première gravure (102) d’une première partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N, mise en œuvre en utilisant un premier plasma comportant du chlore ; - deuxième gravure (104) d’une épaisseur restante de la portion de la couche de matériau III-N, mise en œuvre en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor et soumis à une tension de polarisation non nulle et inférieure ou égale à 150 V. Figure pour l’abrégé : figure 1. PROCEDE DE GRAVURE D’UNE COUCHE DE MATERIAU III-N L’invention concerne un procédé de gravure d’une couche de matériau III-N. L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un ou plusieurs composants électroniques de puissance au cours duquel ce procédé de gravure est mis en œuvre. ART ANTERIEUR Grâce à leurs propriétés électriques meilleures que celles des structures à base de silicium ou de SiC, les hétérostructures AlGaN/GaN, qui permettent la formation d’un gaz d’électrons bi-dimensionnel, représentent un choix judicieux pour la réalisation de composants électroniques de puissance tels que des transistors de type HEMT (« High-Electron-Mobility Transistor » en anglais, ou transistor à haute mobilité d’électrons) ou des diodes. Les avantages apportés par ce type d’hétérostructure sont notamment une taille réduite des composants pouvant être réalisés, une bonne tenue en tension, une importante mobilité de porteurs ainsi qu’une faible résistance série. Cette hétérostructure, lorsqu’elle est utilisée pour réaliser un transistor ou une diode, est gravée pour former les emplacements de la grille et des contacts électriques du transistor, ou pour former les emplacements des contacts électriques de la diode. Pour cela, une gravure par plasma est mise en œuvre dans un équipement de type ICP (“Inductive Coupled Plasma”, ou plasma à couplage inductif) en utilisant un plasma chloré, par exemple à base de SiCl 4 ou de BCl 3 . La vitesse d’une telle gravure est élevée grâce à la désorption des espèces GaCl 3 et AlCl 3 qui sont volatiles. Toutefois, elle induit des défauts dans l'hétérostructure gravée, comme par exemple : création de défauts structurels, modification de stœchiométrie ou encore implantation d'éléments et génération de charges dans les matériaux gravés. Ces défauts modifient les propriétés électriques des matériaux gravés et dégradent celles du dispositif réalisé à partir de l'hétérostructure gravée, comme par exemple le canal du transistor lorsque cette gravure est mise en œuvre pour réaliser la grille du transistor. De plus, une telle gravure plasma ne permet pas un bon contrôle de la profondeur de matériau gravé en raison de l’absence de couche d’arrêt de gravure dans la structure gravée, cette profondeur étant déterminée par la durée pendant laquelle la gravure est mise en œuvre. Les documents “Reactive ion etching of gallium nitride using hydrogen bromide plasmas” de A. T. Ping et al. Electron. Lett., vol. 30, no. 22, pp. 1895–1897, 1994, et “Reactive ion etching of GaN using CHF 3 /Ar and C 2 ClF 5 /Ar plasmas” de H. Lee et al., Appl. Phys. Lett., vol. 67, p. 1754, 1995, décrivent la possibilité de graver du GaN en utilisant des plasmas à base de brome ou de fluor. Les vitesses de gravure obtenues sont toutefois bien inférieures à celles obtenues en utilisant des plasmas à base de chlore en raison des espèces formées qui sont plus difficiles à désorber que celles formées par les plasmas à base de chlore. Une augmentation de l’énergie ionique du plasma utilisé permet d’augmenter la vitesse de gravure, mais engendre des défauts dans le matériau gravé. Pour pallier à ces problèmes, le document “Atomic layer etching of GaN and AlGaN using directional plasma-enhanced approach,” de T. Ohba et al., Jpn. J. Appl. Phys., vol. 56, no. 6, 2017 propose de mettre en œuvre une gravure plasma chlorée classique suivie d’une sur-gravure de type ALE (“Atomic Layer Etching”, ou gravure de couche atomique) pour graver une couche de GaN. Cette sur-gravure est obtenue répétant de manière cyclique les deux étapes suivantes : - une chloration par un plasma Cl 2 /BCl 3 de la surface de GaN destinée à être gravée, modifiant le GaN sur une faible épaisseur et formant une fine couche à base de Cl 2 ; - une gravure de la couche à base de Cl 2 sélectivement par rapport au GaN se trouvant sous la couche à base de Cl 2 et qui n’a pas été modifié par l’étape de chloration précédente, mise en œuvre par un plasma à base d’Ar avec une faible polarisation. Entre chacune des deux étapes de chaque cycle de la sur-gravure, il est nécessaire de réaliser une purge et une stabilisation des gaz pendant environ 10 secondes. Pendant cette phase, le plasma est coupé afin d’éviter les interactions et les mélanges de gaz. Compte tenu des nombreux cycles de sur-gravure à mettre en œuvre pour graver l’épaisseur souhaitée, le temps nécessaire pour mettre en œuvre ce procédé représente un inconvénient majeur. De plus, la gamme de valeurs de l’énergie ionique avec laquelle la gravure des couches à base de Cl 2 doit être mise en œuvre pour graver complètement la couche à base de Cl 2 sans endommager le GaN sous-jacent est très restreinte. Enfin, même si la résistance carrée de la couche gravée avec ce procédé est inférieure à celle obtenue avec une gravure par un plasma chloré, le matériau gravé est tout de même endommagé par la sur-gravure mise en œuvre. Par exemple, en considérant que la résistance carrée du matériau non gravé est égale à 1, la résistance carrée de ce même matériau gravé avec la sur-gravure de type ALE est égale à 1,41 et celle de ce même matériau gravé avec une gravure utilisant un plasma chloré est égale à 2,35. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de gravure d’au moins une portion d’une couche de matériau III-N ne présentant pas les inconvénients des procédés de gravure de l’art antérieur, c’est-à-dire qui endommage moins le matériau gravé qu’une gravure mise en œuvre avec un plasma chloré, qui soit plus rapide qu’une gravure mise en œuvre avec un plasma à base de brome ou de fluor ou qui met en œuvre une sur-gravure de type ALE, et qui améliore la résistance carrée du matériau restant de la couche de matériau III-N après la gravure. Pour cela, la présente invention propose un procédé de gravure d’au moins une portion d’une couche de matériau III-N, comportant la mise en œuvre des étapes suivantes : - première gravure d’une première partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N, mise en œuvre en utilisant un premier plasma comportant du chlore ; - deuxième gravure d’une épaisseur restante de la portion de la couche de matériau III-N, mise en œuvre en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor et soumis à une tension de polarisation non nulle et inférieure ou égale à 200 V. Ce procédé propose de mettre en œuvre une première gravure de la portion de la couche de matériau III-N en utilisant un premier plasma comportant du chlore afin de graver rapidement une première partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N à graver. La deuxième gravure qui est ensuite mise en œuvre achève la gravure de la portion de la couche de matériau III-N en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor et avec une faible tension de polarisation afin de ne pas endommager le matériau III-N restant sous la portion gravée. Etant donné que la première gravure est stoppée avant d’avoir gravé toute l’épaisseur souhaitée de matériau III-N, cette première gravure n’endommage pas le matériau III-N restant à l’issue du procédé de gravure. De plus, pour une même épaisseur gravée de matériau III-N, ce procédé permet de graver plus rapidement le matériau qu’une unique gravure mise en œuvre avec un plasma à base de brome ou de fluor, ou qui met en œuvre, après une gravure par plasma chloré, une sur-gravure de type ALE du fait que le procédé selon l’invention ne nécessite pas de phase de purge et de stabilisation de gaz entre les deux étapes de la sur-gravure de type ALE.. Lors de la deuxième gravure, le deuxième plasma est soumis à une tension de polarisation non nulle et inférieure à 150 V, ce qui permet de limiter tout endommagement du matériau gravé. De plus, la résistance carrée du matériau III-N restant après la mise en œuvre de ce procédé de gravure est plus faible que celle obtenue avec les procédés de gravure de l’art antérieur (en considérant que la résistance carrée du matériau non gravé est égale à 1, la résistance carrée du matériau gravé est ici égale à 1,2). La deuxième gravure par plasma peut être mise en œuvre en soumettant le deuxième plasma à une tension de polarisation comprise entre 50 V et 100 V. L’épaisseur restante de la portion de la couche de matériau III-N peut être égale à environ 10 nm, ou comprise entre environ 5 nm et 15 nm, ou inférieure à environ 20 nm. Ainsi, une grande partie de la portion de la couche de matériau III-N est gravées rapidement grâce au premier plasma chloré, ce qui minimise la durée totale nécessaire pour graver la portion de la couche de matériau III-N. Le deuxième plasma peut comporter du CF 4 . L’utilisation d’un tel plasma est avantageuse par rapport à des plasmas de type C X F Y (hors CF 4 ) qui vont favoriser un dépôt, ou par rapport à des plasmas de type C X H Y F Z qui risquent d’endommager le film à cause de l’apport d’hydrogène dans le plasma. Les première et deuxième gravures peuvent être mises en œuvre dans un équipement de gravure de type ICP-RIE (“Inductive Coupled Plasma – Reactive Ion Etching”, ou gravure ionique réactive à plasma à couplage inductif). La deuxième gravure peut être mise en œuvre avec un plasma pulsé. L’utilisation d’un plasma pulsé permet de réduire l’endommagement de la couche gravée pour une tension d’auto-polarisation donnée, et de réduire l’endommagement par rapport à un plasma continu. La deuxième gravure peut être mise en œuvre : - en utilisant une source de puissance comprise entre 100 W et 1000 W, et/ou - dans une chambre de gravure dans laquelle la pression est comprise entre 1,33 Pa et 10,67 Pa, et/ou - avec un flux du deuxième plasma compris entre 15 sccm et 100 sccm, et/ou - dans la chambre de gravure dans laquelle la température est comprise entre 40°C et 80°C. Le procédé est avantageusement mis en œuvre pour graver une couche de matériau III-N comportant du GaN et/ou de l’AlGaN et/ou de l’AlN. En outre, la couche de matériau III-N peut faire partie d’une hétérostructure AlGaN/GaN. L’invention concerne également un procédé de réalisation d’au moins un composant électronique de puissance, comportant la mise en œuvre des étapes suivantes : - réalisation d’une hétérostructure AlGaN/GaN ; - réalisation d’emplacements de contacts électriques du composant d’électronique de puissance dans l’hétérostructure AlGaN/GaN, comportant la mise en œuvre d’un procédé de gravure tel que décrit ci-dessus. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : représente schématiquement les étapes d’un procédé de gravure d’au moins une portion d’une couche de matériau III-N, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier ; représente schématiquement les étapes d’une partie d’un procédé de réalisation d’un composant électronique de puissance, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. EXPOSÉ DETAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 décrite ci-dessous représente schématiquement les étapes d’un procédé de gravure d’au moins une portion d’au moins une couche de matériau III-N selon un mode de réalisation particulier. La couche de matériau III-N correspond ici à une couche de GaN et/ou d’AlGaN et/ou d’AlN. D’autres matériaux III-N peuvent toutefois être gravés avec le procédé décrit ici. L’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N destinée à être gravée est par exemple comprise entre 20 nm et 110 nm. Ce procédé de gravure est mis en œuvre dans un équipement de gravure de type RIE, et avantageusement de type ICP-RIE. Une première partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N est tout d’abord gravée lors d’une première gravure 102. Cette première gravure 102 est mise en œuvre en utilisant un premier plasma comportant du chlore, comme par exemple du Cl 2 /BCl 3 /Ar. Cette première gravure 102 est mise en œuvre pendant une durée suffisante pour graver une grande partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N destinée à être gravée. La valeur de l’épaisseur restante à gravée (à l’issue de la première gravure) de la portion de la couche de matériau III-N peut être égale à environ 10 nm, ou comprise entre environ 5 nm et 15 nm, ou inférieure à environ 20 nm. Après avoir mis en œuvre cette première gravure 102, une deuxième gravure 104 par plasma est mise en œuvre pour graver l’épaisseur restante à graver de la portion de la couche de matériau III-N. Contrairement à la première gravure 102, cette deuxième gravure 104 est mise en œuvre en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor, avantageusement du CF 4 ou du CF 4 /Ar. De l’argon peut être présent dans le deuxième plasma, avec un flux de préférence inférieur ou égal à 200 sccm. Lors de cette deuxième gravure 104, le deuxième plasma est soumis à une tension de polarisation non nulle et inférieure à 150 V, et avantageusement comprise entre 50 V et 100 V et de préférence égale à 100 V. Les autres paramètres de mise en œuvre de cette deuxième gravure 104 sont : - puissance de la source du deuxième plasma comprise entre 100 W et 1000 W, et de préférence égale à 400 W, - pression dans la chambre de gravure comprise entre 1,33 Pa et 10,67 Pa, et de préférence égala à 4,27 Pa, - flux du deuxième plasma compris entre 15 sccm et 100 sccm, et de préférence égal à 30 sccm, - température dans la chambre de gravure comprise entre 40°C et 80°C, et de préférence égale à 60°C. La vitesse de cette deuxième gravure est de l’ordre de 1 nm/min à 2 nm/min en fonction de l’énergie des ions du deuxième plasma. Avec les valeurs préférées indiquées ci-dessus, la vitesse de gravure obtenue est égale à environ 1,5 nm/min. De manière optionnelle, une étape de stabilisation peut être mise en œuvre entre les première et deuxième gravures 102, 104, afin de stabiliser les gaz, la pression et la température avant de mettre en œuvre la deuxième gravure 104. Cette phase de stabilisation peut être mise en œuvre pendant une durée de quelques secondes. En variante du procédé décrit ci-dessus, la deuxième gravure 104 peut être mise en œuvre avec un plasma pulsé. Un tel plasma pulsé peut être obtenu en faisant fonctionner par intermittence, c’est-à-dire de manière périodique, la source et/ou la polarisation. Il est possible d’ajuster les propriétés de ce plasma pulsé en modifiant le rapport cyclique (rapport entre la durée de mise en marche et la durée d’arrêt) et/ou la fréquence du signal commandant la puissance de la source, et/ou en modifiant le rapport cyclique et/ou la fréquence du signal de polarisation. Le procédé de gravure décrit ci-dessus est avantageusement mis en œuvre lors de la réalisation de composants électroniques de puissance. La figure 2 décrite ci-dessous illustre des étapes mises en œuvre lors de la réalisation d’un composant électronique de puissance 200 permettant de graver une épaisseur donnée d’une hétérostructure AlGaN/GaN. Les étapes décrites en lien avec la figure 2 correspondent aux étapes mises en œuvre pour réaliser la grille d’un transistor HEMT. Le transistor HEMT est réalisé à partir d’un empilement de couches comportant un substrat 202, une ou plusieurs couches tampon 204 disposées sur le substrat 202, et une hétérostructure AlGaN/GaN formée ici d’une couche de GaN 206 disposée sur la ou les couches tampon 204, d’une couche d’AlN 208 disposée sur la couche de GaN 206 et d’une couche d’AlGaN 210 disposée sur la couche d’AlN 208. Les couches 204, 206, 208 et 210 sont par exemple réalisées par épitaxie. Le substrat 202 correspond à un substrat de semi-conducteur, par exemple du silicium. La ou les couches tampon 204, qui permettent de réduire les problèmes de désaccord de mailles et de coefficients de dilatation thermique entre le substrat 202 et l’hétérostructure AlGaN/GaN, comportent par exemple de l’AlN et/ou de l’AlGaN à différentes concentrations pour créer un gradient d’Al et/ou de Ga, ce qui permet de faire croître par épitaxie l’hétérostructure AlGaN/GaN dans de bonnes conditions. L’épaisseur de l’hétérostructure AlGaN/GaN (couches 206, 208, 210) est par exemple comprise entre 300 nm et 1 µm. Dans l’exemple décrit ici, la couche d’AlGaN 210 est recouverte d’une fine couche de passivation 212 de SiN, d’épaisseur par exemple égale à 10 nm, déposée in-situ dans le bâti d’épitaxie utilisé pour réaliser les couches 204, 206, 208 et 210, permettant de protéger la surface supérieure de la couche d’AlGaN 210, et d’éviter les relaxations ainsi que l’ouverture des dislocations en surface de la couche d’AlGaN 210. La structure obtenue à ce stade du procédé correspond à la structure a) de la figure 2. La couche de passivation 212 peut ensuite être achevée en déposant, par exemple par LPCVD (« Low-Pressure Chemical Vapor Deposition » en anglais, ou dépôt chimique en phase vapeur à basse pression), une épaisseur plus importante de matériau de passivation, ici du nitrure de silicium (Si 3 N 4 ). L’épaisseur finale de la couche de passivation est par exemple comprise entre 10 nm et 100 nm. La structure obtenue à ce stade du procédé correspond à la structure b) visible sur la figure 2. Un masque de gravure 214 est ensuite réalisé sur la couche de passivation 212. Le motif de ce masque de gravure 214 permet de définir la forme et l’emplacement de la grille du transistor réalisé. Ce motif correspond par exemple à celui d’une tranchée dont la largeur « l » est par exemple comprise entre 250 nm et 50 µm. Ce masque 214 est par exemple obtenu par lithographie d’une résine. La structure obtenue à ce stade du procédé correspond à la structure c) visible sur la figure 2. Une gravure par plasma est tout d’abord mise en œuvre en utilisant un plasma fluorocarboné, par exemple du C 2 F 6 , du CHF 3 ou CF 4 , avec un mélange d’autres gaz tels que de l’Ar, du N 2 ou du O 2 , afin de graver la couche de passivation 212 conformément au motif du masque de gravure 214. Les deux étapes de gravure précédemment décrites en lien avec le procédé représenté sur la figure 1 sont ensuite mises en œuvre pour graver une partie de l’épaisseur de l’hétérostructure AlGAN/GaN formée par les couches 206, 208 et 210. Dans l’exemple décrit ici, ces gravures sont mises en œuvre afin de graver toute l’épaisseur des couches 210 et 208, et une partie de l’épaisseur de la couche 206. L’épaisseur totale gravée est par exemple comprise entre 20 nm et 110 nm. La première gravure mise en œuvre en utilisant un premier plasma comportant du chlore peut par exemple servir à graver toute l’épaisseur des couches 210 et 208, et à graver une grande partie de l’épaisseur souhaitée de la couche 206. Ainsi, la deuxième gravure mise en œuvre en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor ne sert qu’à graver une faible épaisseur restante du matériau de la couche 206 jusqu’à atteindre la profondeur souhaitée, et préserver ainsi la qualité du matériau de la couche 206 restant après la deuxième gravure. Les étapes de gravure mises en œuvre forment un emplacement de grille 216 dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Une partie de l’épaisseur du masque de gravure 214 est également consommé par ces étapes de gravure La structure obtenue à ce stade du procédé correspond à la structure d) visible sur la figure 2. Le masque de gravure 214 est ensuite supprimé (voir structure e) de la figure 2), puis les matériaux de grille (diélectrique de grille et conducteur de grille) sont déposés dans l’emplacement 216 et sur la couche de passivation 212, formant une grille 218. La structure obtenue à l’issue du procédé correspond à la structure f) visible sur la figure 2, et représente schématiquement le composant 200 réalisé. Des étapes analogues peuvent être mises en œuvre pour la réalisation des contacts des régions de source et de drain du composant 200. En variante, le procédé de gravure décrit ci-dessus peut être mis en œuvre pour réaliser les emplacements de contacts d’un autre type de composant électronique de puissance 200, par exemple une diode. Procédé de gravure d’au moins une portion d’une couche de matériau III-N (206, 208, 210), comportant la mise en œuvre des étapes suivantes : - première gravure (102) d’une première partie de l’épaisseur de la portion de la couche de matériau III-N (206, 208, 210), mise en œuvre en utilisant un premier plasma comportant du chlore ; - deuxième gravure (104) d’une épaisseur restante de la portion de la couche de matériau III-N (206, 208, 210), mise en œuvre en utilisant un deuxième plasma comportant du fluor et soumis à une tension de polarisation non nulle et inférieure ou égale à 150 V. Procédé de gravure selon la revendication 1, dans lequel la deuxième gravure (104) par plasma est mise en œuvre en soumettant le deuxième plasma à une tension de polarisation comprise entre 50 V et 100 V. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur restante de la portion de la couche de matériau III-N (206, 208, 210) est inférieure à environ 20 nm. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième plasma comporte du CF 4 . Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les première et deuxième gravures (102, 104) sont mises en œuvre dans un équipement de gravure de type ICP-RIE. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième gravure (104) est mise en œuvre avec un plasma pulsé. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième gravure (104) est mise en œuvre : - en utilisant une source de puissance comprise entre 100 W et 1000 W, et/ou - dans une chambre de gravure dans laquelle la pression est comprise entre 1,33 Pa et 10,67 Pa, et/ou -avec un flux du deuxième plasma compris entre 15 sccm et 100 sccm, et/ou -dans la chambre de gravure dans laquelle la température est comprise entre 40°C et 80°C. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau III-N (206, 208, 210) comporte du GaN et/ou de l’AlGaN et/ou de l’AlN. Procédé de gravure selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau III-N (206, 208, 210) fait partie d’une hétérostructure AlGaN/GaN. Procédé de réalisation d’au moins un composant électronique de puissance (200), comportant la mise en œuvre des étapes suivantes : - réalisation d’une hétérostructure AlGaN/GaN (206, 208, 210); - réalisation d’emplacements (216) de contacts électriques (218) du composant d’électronique de puissance (200) dans l’hétérostructure AlGaN/GaN (206, 208, 210), comportant la mise en œuvre d’un procédé de gravure selon la revendication 9.