Utilisation des plasmas micro-ondes RCE pour préparer des films minces de nitrure de silicium : Application à la passivation des matériaux GaInAs et AlInAs

Silicon nitride thin films deposition using ECR enhanced microwave plasmas. Implementation for GaInAs et AlInAs surface passivation

• Auteur / Autrice : Mickael Lapeyrade
• Direction : Guy Hollinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de silicium

Chimie des surfaces

Traitements de surface

Passivité (chimie)

Résumé

Cette étude démontre la possibilité de déposer, à basse température (200-300°C) et avec une puissance micro-onde limitée (220 W), des films de nitrure de silicium de qualité électronique (résistivité de 1015 Q. Cm) avec des propriétés physico-chimiques proches du nitrure de silicium stœchiométrique élaboré à haute température, et qui soit compatible avec une technologie de passivation de matériaux III-V. Des mesures par sonde de Langmuir ont permis de caractériser le plasma d'azote dans les conditions expérimentales utilisées. Une étude approfondie des propriétés électriques, structurales et physico-chimiques des films montre que les propriétés des films sont très dépendantes des paramètres de la source RCE et de la nature du substrat initial. Un procédé de passivation a été défini. Les traitements de surface combinent désoxydation chimique en voie humide et nitruration en voie sèche. Le dépôt de nitrure de silicium peut être réalisé depuis la température ambiante jusqu'à 300°C. Une étude des propriétés physico-chimiques et électriques des interfaces Si3N4/AlInAs et Si3N4/GaInAs a été réalisée. La préparation de surfaces idéales à partir de surfaces "technologiquement contaminées" et d'interfaces Si3N4/AlInAs et Si3N4/GaInAs de qualité à partir de surfaces vierges ou de surfaces technologiques, est délicate à optimiser, notamment en raison de la présence d'arsenic élémentaire, source d'états d'interfaces. Ce procédé de passivation a été appliqué avec succès sur des transistors HEMT et des photodiodes de la filière InGaAlAs/InP. Il est actuellement utilisé de façon courante au laboratoire pour passiver les composants optoélectroniques de type photodiodes.

In this work, we present the possibilities of a low power (< 250W) compact ECR (Electron Cyclotron Resonance) source to produce, at low deposition temperature (< 300°C), high quality SiNx films compatible with III-V semiconductor devices. Nitrogen plasma and pure silane have been used as gas precursors. We have studied the effect of varying the main process parameters on the composition and properties of the films. The deposited films have been characterized in-situ by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Spectroellipsometry and ex-situ by FTIR, Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Energy Recoil Detection Analysis (ERDA), and finally I-V and C-V measurements. Each parameter has an optimal range of values or a threshold value necessary to obtain films with high dielectric quality. For a deposition temperature of 300°C, the best films exhibit a resistivity of 1015 Q. Cm and a breakdown voltage of 3 MV. Cm-1. The physicochemical properties of the films are close to those of stoichiometric silicon nitride. Strong correlations have been observed between the physicochemical and the electrical properties of the films, over the entire range of process parameters. A passivation process, based on surface treatments, oxide removal in solution, plasma nitridation and SiNx ECR plasma deposition, has been developed. The chemical and electrical properties of SiNx/AlInAs, SiNx/GaInAs and SiNx/InP interfaces have been investigated. Clean optimized surfaces appeared critical to achieve, mainly due to the existence of residual oxides and elemental arsenic at the interface, which is known to generate interface states. We have investigated the nitridation of non contaminated surfaces (i. E. Freshly grown by MBE without any contact with the atmosphere) and evaluated the materials and plasma process limitations. HEMT devices and InGaAlAs/InP based photodiodes have been successfully passivated using the previously defined passivation process.