Optimisation des étapes technologiques pour la

INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 51
Chapitre 2
Technologie de fabrication des dispositifs SiC
Technologie de
fabrication
Dans le chapitre 1, nous avons vu différents composants à base de semi-
conducteur avec des structures plus ou moins complexes. Pour réaliser ces
composants, il faut mettre en place une technologie de fabrication. Le
silicium est un semi-conducteur qui dispose d’une technologie mature. Le SiC
n’en est qu’à ses débuts puisque, les premiers composants commerciaux ne
viennent de voir le jour que récemment. Dans beaucoup de réalisations de
démonstrateurs, outre la qualité du substrat les performances sont
directement liées à la technologie de fabrication.
La fabrication des composants de puissance en carbure de silicium
nécessite au moins six étapes technologiques de base :
• Chimie : nettoyage des échantillons afin d’éliminer toutes
particules de contamination possible mais également pour la
gravure de métaux ou d’oxyde.
• Photolithographie : étape technologique qui permet de mettre en
place les motifs des structures.
• Oxydation : formation de la couche de passivation primaire dans
notre cas.
• Implantation ionique : dopage localisé pour la formation des
anodes, cathodes ou JTEs.
• Gravure plasma : mise en place des motifs d’alignement, de la
protection périphérique mesa, rafraîchissement de la surface, …
• Métallisation : contacter le semi-conducteur afin de connecter le
composant à un circuit électrique.
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52 Heu VANG / thèse en génie Electrique
Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication
des composants de puissance en SiC
Suivant la structure à réaliser, les étapes technologiques diffèrent. Au
CEGELY, une équipe travaille depuis 10 ans sur la réalisation de dispositifs de
puissance. Une étape clef a été étudiée amplement, le dopage localisé par
implantation ionique avec le recuit post-implantation pour activer les
dopants et recristalliser la structure [Laza 02]. Une thèse a été entièrement
consacrée à l’étude de la gravure sèche du SiC avec un réacteur plasma DECR
(Distributed Electron Cyclotronic Resonance) [Lano 97] en vue de la
réalisation notamment de la protection périphérique mesa ou encore de
MOSFET en tranchée appelé UMOSFET. Mais depuis, ce réacteur nous est
inaccessible et il a fallu se tourner vers un réacteur RIE plus classique pour
réaliser nos structures. Pour cela, le procédé a été optimisé par le choix d’un
masque de gravure très sélectif et d’une configuration du réacteur pour
atteindre une vitesse de gravure respectable afin de pouvoir graver
profondément. Les morphologies de la surface et des flancs de gravure sont
également analysées et le process a été optimisé en conséquence.
L’autre étape technologique clef étudiée dans cette thèse est la
métallisation afin de permettre le contact du semi-conducteur pour injecter
des porteurs dans le matériau. Il est connu que la formation de contact
ohmique est difficile dans les semi-conducteurs à grand gap notamment
concernant le type P. Le SiC ne fait pas exception à la règle. Si la réalisation
de contact sur le type N du SiC est relativement aisée puisque beaucoup de
publications font état d’une métallisation à base de Ni permettant d’avoir une
résistance spécifique très faible (10-5 Ω.cm2) [Gao 00][Han 02][Ferr 05], la
formation du contact ohmique sur le type P est plus problématique [Crof 02].
La difficulté réside dans le fait que le niveau de la bande de valence est
relativement élevé par rapport au vide. Et aucun métal ne possède un travail
de sortie proche de cette valeur. Des alliages sont donc nécessaires afin de
pouvoir réaliser un contact de qualité sur le SiC de type P.
Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps passer en revue les
principales étapes technologiques pour la fabrication des composants de
puissance en SiC. Puis une étude plus approfondie de la gravure profonde
plasma du SiC avec un réacteur RIE (Reactive Ion Etching) pour la mise en
place de la protection périphérique mesa est traitée. Ensuite, la dernière
partie sera consacrée à la réalisation des contacts ohmiques et plus
spécialement sur le SiC de type P.

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Chapitre 2
Technologie de fabrication des dispositifs SiC
1. Chimie
Dans le cadre de ce travail, les étapes de traitement chimique sont très
présentes. D’une part le nettoyage est utilisé avant tout procédé appliqué sur
un échantillon mais également pour toute préparation de surface entre deux
étapes technologiques. L’autre activité de la chimie est la gravure ou
l’élimination des métaux. Cette étape est utilisée pour graver sélectivement
un masque métallique ou un contact, mais aussi pour retirer ces mêmes
masques métalliques en fin de procédé.
Dans les paragraphes suivants, les différentes solutions chimiques utilisées
dans nos travaux sont décrites.
1.1. Nettoyage
Le nettoyage des échantillons est une étape essentielle pour avoir une
bonne qualité de surface, notamment pour l’oxydation pour avoir une bonne
interface. Il en est de même pour les contacts ohmiques et redresseurs.
L’élimination de graisse et de particules organiques se fait par un
nettoyage à base de solvants standard. Un premier bain de trichloréthylène
permet de dégraisser les échantillons et d’enlever toutes traces d’huile. Si
celui-ci est chauffé, son action sera encore plus efficace. Ensuite, dans
l’acétone sans séchage ni rinçage, ce solvant permet d’enlever les particules
organiques notamment les résines. Enfin, dans l’éthanol ou propanol, ce
dernier bain permet de retirer l’acétone et d’enlever des traces lors du
séchage.
Pour les nettoyages agressifs permettant d’éliminer les particules de
métaux ou autres, les solutions les plus courantes sont le piranha (ou « caro »)
ou le RCA. La solution piranha est composée d’acide sulfurique et d’eau
oxygénée. Le mélange est réactionnel et exothermique. Le nettoyage RCA est
composé de deux solutions, l’une basique et l’autre acide. La solution basique
à base d’ammoniaque permet de retirer toutes traces organiques et des
métaux légers. Et la solution acide à base d’acide chlorhydrique élimine les
métaux lourds.
Un substrat SiC présente toujours un oxyde natif. L’élimination du SiO2 se
fait par l’acide fluorhydrique dilué à l’eau dé-ionisé. Des solutions
commerciales Buffer Oxide Etch (BOE) peuvent effectuer le même rôle.
1.2. Gravure des métaux
La gravure des métaux peut être sélective ou non, pour la réalisation d’un
masque d’implantation ou de gravure, ou tout simplement effectuer une
élimination complète. Après chaque bain, un rinçage est nécessaire.

54 Heu VANG / thèse en génie Electrique
Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication
des composants de puissance en SiC
L’élimination de l’aluminium se fait avec une solution commerciale dite
« Al Etchant », ou alors avec un mélange à base d’acide phosphorique, acide
acétique et acide nitrique.
Pour le nickel, la gravure chimique sélective est très mauvaise puisqu’elle
est isotrope. Nous avons utilisé tout simplement une solution commerciale
dite « Ni Etchant ». Mais, on peut également retirer (éliminer) le nickel avec
la solution commerciale Al Etchant. Ce qui est le cas notamment pour le
nickel ayant servi de masque de gravure qui ne peut être dissout avec le Ni
Etchant. On peut aussi recourir à l’utilisation du perchlorure de fer suivi
d’une solution piranha pour retirer le masque de gravure.
Concernant le titane, il est possible de l’enlever avec le BOE ou l’acide
fluorhydrique.
2. Optimisation de la photolithographie
La lithographie est l’étape technologique nécessaire pour transférer des
motifs. Les motifs sont présents sur un masque. Le transfert se fait sur de la
résine photosensible étalée sur la surface où on veut imprimer les motifs. Par
insolation, la résine exposée réagit et sa structure change. Il est alors possible
d’enlever sélectivement soit les parties exposées, soit les parties protégées.
Plusieurs résines photosensibles sont présentes sur le marché. Parmi elles
on trouve les résines positives (dont les parties exposées aux ultraviolets (UV)
seront enlevées) et les résines négatives (dont les parties exposées restent
après le développement). La lithographie négative est surtout utilisée pour
mettre en place un procédé de lift-off puisque les flancs de la résine
présentent un angle négatif (Figure 1). D’autres résines permettant les deux
types de lithographie sont dites réversibles. Celle que nous utilisons est la
AZ5214E [MiCh 06]. Le procédé d’inversion nécessite une étape de recuit
supplémentaire et une insolation pleine plaque. Ces résines standard ont
généralement une épaisseur de l’ordre du micromètre (1,2 µm pour
l’AZ5214E).

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Résine
Semi-conducteur
Figure 1. Photographie MEB d’une résine avec une lithographie négative.
Il existe aussi des résines dites épaisses avec des épaisseurs allant de 1 µm à
quelques dizaines de micromètres. Etant donné que nos besoins pour réaliser
les différents dispositifs sont multiples, la résine utilisée sera différente selon
le procédé.
L’utilisation d’une résine réversible est le choix le mieux adapté pour des
lithographies sur les échantillons plans. De cette manière, on a la flexibilité
pour effectuer soit une lithographie positive ou négative. Alors que pour les
échantillons présentant des surfaces très accidentées avec une hauteur de
marche supérieure à 1 µm (mesas), les résines ne permettent pas de recouvrir
les flancs. Et l’utilisation des résines épaisses est nécessaire dans ce cas là.
Pour des mesas de l’ordre de 5 µm qui est notre cas, des résines de 4 µm sont
utilisées avec notamment la SPR 220 4.5 [Ship 06] pour une lithographie
positive. Et dans le cas d’une lithographie négative notamment pour un
procédé lift-off, la TI35ES [MiCh 06] est la résine employée. Bien que son
épaisseur standard soit de 2,5 µm, en jouant sur la vitesse de rotation lors du
dépôt (« spinner »), il est alors possible d’atteindre des épaisseurs plus
importantes de l’ordre de 3 à 4 µm.
Figure 2. Photographie de lithographie avec une résine épaisse (TI35ES) sur une structure
mesa de 5 µm.
L’autre avantage des résines épaisses est la possibilité de les utiliser comme
masque de gravure. Bien que la résine possède une sélectivité très faible vis-
à-vis du SiC (chapitre 2), une gravure peu profonde (< 1 µm) est réalisable