Low-damage surface etching processes : application to SiN etching on AlGaN/GaN for high electron mobility transistors - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2023

Procédés de gravure à faible endommagement des surfaces : application à la gravure SiN sur AlGaN/GaN pour les transistors à haute mobilité électronique

Low-damage surface etching processes : application to SiN etching on AlGaN/GaN for high electron mobility transistors

Résumé

Gallium Nitride (GaN) semiconductors are promising materials for fabricating high electron mobility transistors (HEMTs) for the next generations of power devices due to their exceptional physical properties suitable for high voltage, temperature, and frequency applications. During the fabrication of HEMTs based on an AlGaN/GaN heterostructure, gate formation is identified as the most critical step, which could lead to the transistor's electrical degradation. This step aims to precisely remove the SiN cap layer protecting the heterostructure without damaging the underlying AlGaN barrier layer. The thesis's goal is to develop and optimize plasma etching processes for the SiN cap layer and post-etch wet processes to preserve the integrity of the AlGaN barrier layer. This study evaluated two approaches for SiN etching: 1) the traditional approach using fluorinated plasmas developed in an ICP reactor; 2) an alternative approach using a reactor equipped with capacitive plasma and post-discharge plasma (RPS), implementing the Smart Etch concept. The latter approach involves a two-step process for SiN etching: modification of the SiN layer by H2 ion implantation, followed by removal using either wet (BOE) or plasma (RPS) methods, with reactive neutral species (fluorinated) interacting with the substrate. Various material characterization techniques were combined (AR-XPS, AFM, TEM) to assess the etching process and post-etch treatments' impact on the AlGaN barrier layer's physicochemical properties, including stoichiometry, chemical composition, Fermi level position, roughness, and thickness changes. Identified surface physicochemical changes in AlGaN were then correlated with capacitance and voltage (C-V) measurements conducted on MOS-HEMT capacitors to evaluate the electrical parameters' impact, such as threshold voltage, hysteresis, and frequency dispersion. Studies revealed that regardless of the etching approach used, stopping the SiN etching in fluorinated plasma transforms the AlGaN layer's surface into a reactive AlGaNFx layer (with thickness between 0.8 and 2 nm). This thickness increases when plasmas with higher ion fluxes and energies are used. This transformation induces changes in the stoichiometry, chemical composition, Fermi level, and morphology of the AlGaN layer. Various post-etch wet treatments were evaluated to remove the modified layer. Studies show that using KOH-based wet treatments effectively removes the fluorinated layer while restoring the AlGaN layer's integrity regarding stoichiometry, roughness, and Fermi level position. However, removing the modified layer results in a reduction in the AlGaN layer's thickness. In terms of electrical results, studies reveal that all etching processes involving high-energy ions (conventional or Smart Etch plasmas) cause irreversible damage to devices, leading to Fermi level pinning. In contrast, using conventional low-energy ion processes (15 eV) does not significantly affect the devices' electrical characteristics. Applying the RPS process without H2 implantation alters the threshold voltage without affecting other electrical characteristics, offering a promising route for manufacturing "Normally-OFF" HEMTs.
Les semi-conducteurs en Nitrure de Gallium (GaN), constituent des matériaux prometteurs pour la fabrication de transistors à haute mobilité électronique (HEMT) pour les prochaines générations de dispositifs de puissance, grâce à leurs propriétés physiques exceptionnelles adaptées aux applications à haute tension, température, et fréquence. Lors de la fabrication de HEMT à basé d’une hétérostructure AlGaN/GaN, la formation de la grille est reconnue comme l'étape la plus critique pouvant entraîner une dégradation électrique du transistor. Cette étape vise le retrait de la couche de cap SiN protégeant l’hétérostructure en s’arrêtant précisément sur la couche barrière AlGaN sans l’endommager. L’objectif de cette thèse est de développer et d’optimiser des procédés de gravure plasma de la couche cap SiN et des procédés humides post-gravure permettant de préserver l’intégrité de la couche AlGaN. Dans cette étude, deux approches de gravure du SiN ont été évaluées : 1) l’approche traditionnelle utilisant des plasmas fluorés développés dans un réacteur ICP, 2) une approche alternative utilisant un réacteur équipé d’un plasma capacitif et d’un plasma post-décharge (RPS) dans le lequel peut être mis en oeuvre le concept de gravure Smart Etch. Ce concept vise la gravure du SiN en deux étapes : une étape de modification de la couche SiN par implantations d’ions H2 suivie d’une étape de retrait utilisant la voie humide (BOE) ou la voie plasma (RPS) impliquant des espèces neutres réactives (fluorées) interagissant avec le substrat. Plusieurs techniques de caractérisation des matériaux ont été combinées (AR-XPS, AFM, TEM) pour évaluer l'impact du procédé de gravure ainsi que des traitements post-gravure sur les propriétés physicochimiques de la couche barrière AlGaN. Ces propriétés incluent la stoechiométrie, la composition chimique, la position du niveau de Fermi, la rugosité et l'évolution de l'épaisseur. Les modifications physicochimiques identifiées à la surface de l’AlGaN ont ensuite été corrélées à des mesures de capacitance et de tension (C-V) réalisées sur des capacités MOS-HEMT. Cette démarche a permis d'évaluer l'impact des procédés mentionnés sur des paramètres électriques tels que la tension de seuil, l’hystérésis et la dispersion fréquentielle. Les études ont révélé que, indépendamment de l’approche de gravure employée, l'arrêt de la gravure du SiN en plasma fluoré modifie la surface de la couche AlGaN, la convertissant en une couche réactive de type AlGaNFx (d'une épaisseur entre 0,8 et 2 nm). Cette épaisseur augmente lorsque des plasmas avec des flux et des énergies d'ions plus élevés sont utilisés. Cette transformation induit des modifications de la stoechiométrie, de la composition chimique, du niveau de Fermi, et de la morphologie de la couche AlGaN. Plusieurs traitements post-gravure humide ont été évalués afin de retirer la couche modifiée. Les études démontrent que l’utilisation de traitements humides à base de KOH s'avère efficace pour éliminer la couche fluorée tout en restaurant l’intégrité de la couche AlGaN en termes de stoechiométrie, de rugosité et de position du niveau de Fermi. Cependant, le retrait de la couche modifiée l’induit une réduction de l'épaisseur de la couche AlGaN. En termes de résultats électriques, les études révèlent que tous les procédés de gravure impliquant des ions à forte énergie (plasmas conventionnelle ou Smart Etch) engendrent des dommages irréversibles aux dispositifs, allant jusqu'à l'ancrage du niveau de Fermi. En contraste, l'utilisation de procédés conventionnels à faible énergie ionique (15 eV) ne provoque pas de changements significatifs sur les caractéristiques électriques des dispositifs. L'application du procédé RPS sans implantation d'H2 modifie la tension de seuil sans affecter les autres caractéristiques, ouvrant ainsi une voie prometteuse pour la fabrication de HEMT « Normally-OFF ».
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  • HAL Id : tel-04545363 , version 1

Citer

Oleh Fesiienko. Low-damage surface etching processes : application to SiN etching on AlGaN/GaN for high electron mobility transistors. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Sherbrooke (Québec, Canada); Université Grenoble Alpes, 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04545363⟩
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