Fabrication et caractérisations de FinFET GaN

Propriétés des matériaux III-N

Les matériaux III-V sont, comme leur nom l’indique, des alliages composés d’éléments des colonnes III et V de la classification périodique des éléments. Ces alliages peuvent être binaires (AlN, InP, GaAs …) ternaires (AlGaN, InAlN, InGaAs …) ou encore quaternaires (InAlGaN, GaInAsP …). Cette grande diversité de matériaux ainsi que la possibilité de faire varier la composition de ces derniers permet de modifier les propriétés physiques et électriques du substrat final afin d’obtenir celles désirées en fonction de l’application visée (HEMT de puissance ou hyperfréquence, diode Schottky, diodes électroluminescentes, laser, amplificateur optique …). L’application qui nous intéresse dans le cadre de ce travail de thèse est le HEMT hyperfréquence. Les matériaux III-V à large bande interdite, et notamment les matériaux de la famille des nitrures (matériaux III-N) sont considérés comme d’excellents candidats pour cette application grâce à leurs propriétés auxquelles nous allons maintenant nous intéresser.

Structure cristalline

Les matériaux III-N peuvent être synthétisés sous plusieurs formes cristallographiques différentes, en fonction des conditions de croissance (température, pression …) et du substrat utilisé, les plus répandues étant les structures zinc-blende et wurtzite (Figure 1.1). La structure wurtzite est la plus stable thermodynamiquement à température ambiante et à pression atmosphérique, c’est donc celle qui est utilisée dans le cadre de cette thèse. Cette structure peut être vue comme l’empilement alterné de deux sous-réseaux hexagonaux décalés selon l’axe c (axe de croissance du cristal).

Cela se traduit également par le fait que la direction [0001] n’est pas équivalente à la direction [000¯1]. Par convention, l’axe [0001] est orienté du métal vers l’azote et les structures ainsi orientées sont dites à polarité métal. Inversement, l’axe [000¯1] est orienté de l’azote vers le métal et les structures sont dites à polarité azote. Cette absence de centre d’inversion est d’une importance cruciale pour la fabrication de HEMT car elle est en partie à l’origine de la formation du gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG) dans les hétérostructures qui seront présentées plus tard dans le manuscrit.

Croissance des matériaux III-N

Croissance de GaN massif

La première mention de la synthèse de GaN remonte au début des années 1930. Johnson et al. ont ainsi obtenu du GaN sous la forme d’une poudre grise en faisant réagir du gallium pur avec de l’ammoniac dans un tube en quartz à des température comprises entre 700 et 1000°C. Il faudra cependant attendre le milieu des années 90 et les travaux de Grzegory et al. [6] et Leszczynski et al. [7] pour observer les premiers monocristaux de GaN massif, obtenus par réaction entre du gallium pur et du diazote à haute pression (entre 8 et 20 kbar) et haute température (entre 1300 et 1600°C). Bien qu’elle permette l’obtention de monocristaux de GaN d’excellente qualité cristalline avec des densités de dislocations inférieures à 2.10² .cm−2 , cette méthode nommée à juste titre HPNSG (High Pressure Nitrogen Solution Growth) n’est pas utilisée dans l’industrie car les cristaux obtenus présentent des dimensions de l’ordre du millimètre seulement.

L’ajout d’un alcalin tel que le sodium ou le lithium sous forme d’azoture NaN3 ou LiN3 permet de diminuer de manière significative les conditions de température et de pression nécessaires à la croissance du GaN, passant alors de températures comprises entre 1300 et 1600°C et des pressions de l’ordre du GPa à des températures inférieures à 1000°C et des pressions de l’ordre du MPa.

la croissance ammonothermale du GaN repose sur la solubilité de ce dernier dans l’ammoniac supercritique. Dans un autoclave séparée en deux parties, on dispose dans l’une une source de GaN polycristallin tandis que des germes sont placés dans la seconde. L’autoclave est alors rempli d’ammoniac qui est porté à l’état supercritique en ajustant les conditions de température et de pression. La température dans chacune des parties de l’autoclave est différente de sorte que la solubilité du GaN soit plus grande dans la zone où est placée la source polycristalline que dans la zone où sont situés les germes et où la croissance a lieu. L’utilisation d’un minéralisateur tel que MNH2 (M = Na, Li, K), NH4X (X = Cl, Br, I) ou encore Na permet d’augmenter la solubilité du GaN dans l’ammoniac, facilitant ainsi la croissance.

Substrats pour la croissance épitaxiale de GaN

Le choix du substrat sur lequel on réalise l’épitaxie est un point crucial car c’est de ce dernier que dépend en grande partie la qualité cristalline de la structure et donc les performances des composants. Plusieurs substrats peuvent être utilisés pour réaliser des croissances de matériaux III-N mais il est important de tenir compte de certains paramètres tels que le désaccord de paramètre de maille, le coefficient de dilatation thermique ou encore la conductivité thermique afin de pouvoir choisir le substrat le plus adapté à l’application visée.

De par son faible coût, les grandes dimensions de substrats disponibles et la grande maturité des technologies sur ce matériau, le silicium est un excellent candidat pour la croissance de structures à base de GaN. Malgré un désaccord de maille avec le GaN de 17% et un coefficient de dilatation thermique deux fois inférieur à celui du GaN, les couches épitaxiées sont à l’heure actuelle de bonne qualité, notamment grâce à l’utilisation de couches tampons telles qu’un empilement AlN/GaN ou une couche d’AlxGa1−xN à gradient de composition permettant une transition progressive du paramètre de maille du Si vers celui du GaN. La conductivité thermique du Si similaire à celle du GaN et la possibilité d’intégrer des composants à base de nitrure de gallium avec les nombreuses technologies de la filière silicium en font un substrat de choix, notamment utilisé pour les applications de puissance. Substrat historique pour la croissance du GaN car ayant permis l’obtention des premiers résultats significatifs pour la fabrication de diodes électroluminescentes, le saphir est aujourd’hui toujours très utilisé dans l’industrie optoélectronique pour sa transparence sur tout le spectre visible et son faible coût. Sa très faible conductivité thermique le rend cependant inutilisable pour les applications de puissance hyperfréquence, les phénomènes d’auto-échauffement pouvant être très importants.

On note que le SiC est le substrat présentant le plus faible désaccord de paramètre de maille avec le GaN. L’utilisation d’une couche d’AlN dont le désaccord de paramètre de maille avec le SiC est de l’ordre de 1% permet en outre de faire croître des couches de GaN de bonne qualité cristalline. De plus, le SiC est également le matériau possédant la plus haute conductivité thermique, ce qui en fait un substrat de choix pour les applications de puissance hyperfréquence où le phénomène d’auto-échauffementest à prendre en compte. Les inconvénients majeurs du SiC par rapport au Si et à l’Al2O3 sont son coût encore élevé (environ 2000 € pour un substrat semi-isolant de 4 pouces) et la faible disponibilité de substrats de dimensions supérieures à ce jour.

Table des matières

Introduction
1 Matériaux III-N : propriétés, croissance et application aux HEMT
1.1 Propriétés des matériaux III-N
1.1.1 Structure cristalline
1.1.2 Structure de bandes
1.1.3 Propriétés de transport
1.1.4 Polarisations dans le cristal
1.2 Croissance des matériaux III-N
1.2.1 Croissance de GaN massif
1.2.2 Substrats pour la croissance épitaxiale de GaN
1.2.3 Procédés de croissance épitaxiale de matériaux III-N
1.3 Hétérojonctions, gaz d’électrons bidimensionnel et hétérostructure
1.3.1 L’hétérostructure AlGaN/GaN
1.3.2 L’hétérostructure InAl(Ga)N/GaN
1.3.3 Formation du 2DEG
1.3.4 Effets de pièges dans les HEMT
1.4 Applications des matériaux III-N
1.4.1 Diode électroluminescente
1.4.2 Diode Schottky
1.4.3 Transistor à haute mobilité électronique (HEMT)
2 HEMT GaN normally-on, normally-off et co-intégration
2.1 Fonctionnement des HEMT GaN
2.2 HEMT GaN (normally-on)
2.2.1 Procédé technologique de fabrication d’un HEMT GaN
2.2.2 Caractérisation des HEMT GaN
2.3 HEMT GaN normally-off
2.3.1 Intérêts du HEMT GaN normally-off
2.3.2 Options de réalisations
2.4 FinFET
2.5 Conclusion du chapitre 2
3 Fabrication et caractérisations de HEMT GaN normally-off à recess de grille et implantation de fluor
3.1 Procédé technologique dédié à la fabrication de HEMT normally-off
3.1.1 Lithographie électronique du pied de grille et gravure du SiN
3.1.2 Recess de grille
3.1.3 Développement d’un procédé d’Atomic Layer Etching (ALE)
3.1.4 Implantation de fluor
3.1.5 Dépôt d’un oxyde de grille par Atomic Layer Deposition
3.1.6 Recuit de grille
3.1.7 Description et analyse structurale des transistors étudiés
3.2 Caractérisations électriques
3.2.1 Caractérisations en régime statique
3.2.2 Caractérisations en régime impulsionnel
3.2.3 Caractérisations hyperfréquences
3.3 Conclusions
4 Fabrication et caractérisations de FinFET GaN
4.1 Développement de nouvelles briques technologiques et fabrication des FinFET GaN
4.1.1 Gravure des rubans
4.2 Métallisation de grille
4.2.1 Étude de la conformité des dépôts sur des substrats silicium
4.2.2 Réalisation et observation des grilles sur structures tests
4.3 Caractérisations électriques
4.3.1 Caractérisations en régime statique
4.3.2 Caractérisation en régime impulsionnel
4.3.3 Caractérisations hyperfréquences
4.4 Conclusions
Conclusion générale

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