Academic literature on the topic 'GRAVURE DU PLASMA ICP-RIE'

Dry etching of Pt/Ti film was carried out using Cl2/Ar plasmas in an inductively coupled plasma (ICP) reactor. The influence of the various process parameters, such as RIE power, ICP power and Cl2/Ar gas mixing ratio, on the etch rate and selectivity of photoresist to Pt/Ti film were investigated systematically and optimized. It was revealed that the etch rate and the selectivity strongly depended on the key process parameters. The etch rate was found to increase dramatically with increasing of RIE power and ICP power. But by changing the ratio of Cl2 to the total gas, the maximum etch rate could be obtained at the proper ratio of 20%. The results also indicated too low or too high RIE power and the Cl2 ratio was detrimental to the selectivity. The optimized parameters of Pt/Ti dry etching for high etch rate and low selectivity of photoresist to Pt/Ti were obtained to be pressure: 10mT, RF power: 250W, ICP power: 0W, Cl2: 8sccm (standard cubic centimeters per minute), Ar: 32sccm.

The paper presents the fabrication of nanotips cold-end contact for microcooling system. The fabrication process is based on an optimized isotropic plasma etching in SF 6/ O 2 using an ICP-deep RIE system from STS. We managed to fabricate the radius of the nanotips which are below 50 nm.

The optical properties of ordered arrays of silicon nanorods (Si NRs) were investigated. Electron Beam Lithography followed by Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP-RIE) was used for Si NRs fabrication. Si NRs were chemically and electrically passivated through the deposition of TiONx nanolayer. Tunable color generation from vertical silicon nanorods is demonstrated too.

In this paper, we report the Inductive Coupled Plasma (ICP) etching of RF sputtered unhydrogenated amorphous silicon carbide film (a-Si0.5C0.5) , and plasma enhanced chemical vapour deposited (PECVD) hydrogenated amorphous silicon carbide films (a-Si0.3C0.7:H and a-Si0.7C0.3:H) , asprepared and annealed, using CF4/O2 chemistry. The etch rate of amorphous SiC is observed to be closely related to the hydrogen content. The mechanism of etching is studied by varying the RIE power, ICP power and pressure. It has been suggested that the removal of surface polymers (CFx) is a key factor in the etching process. In order to study the difference in etch rate between sputtered and PECVD SiC and the effects of changing Si/C ratio, IR spectra are used to reveal the bonds density in the samples.

Channel waveguides have been fabricated in x-cut lithium niobate (LiNbO3) by proton exchange (PE) method and optically measured. The thickness and the optical constants of the thin PE layer were characterized using a prism coupling technique. The PE area was plasma etched and a 2.775-μm total etching depth was achieved. The measured average etching rate is 92.5 nm/min. One-and two-dimensional dense arrays of LiNbO3 nanostructures have also been fabricated by using interference lithography (IL) and inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) techniques.Intorduction

Channel waveguides have been fabricated in x-cut lithium niobate (LiNbO3) by proton exchange (PE) method and optically measured. The thickness and the optical constants of the thin PE layer were characterized using a prism coupling technique. The PE area was plasma etched and a 2.775-μm total etching depth was achieved. The measured average etching rate is 92.5 nm/min. One- and two-dimensional dense arrays of LiNbO3 nanostructures have also been fabricated by using interference lithography (IL) and inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) techniques.

This paper reviews the recent advances in reaction-ion etching (RIE) for application in high-aspect-ratio microfabrication. High-aspect-ratio etching of materials used in micro- and nanofabrication has become a very important enabling technology particularly for bulk micromachining applications, but increasingly also for mainstream integrated circuit technology such as three-dimensional multi-functional systems integration. The characteristics of traditional RIE allow for high levels of anisotropy compared to competing technologies, which is important in microsystems device fabrication for a number of reasons, primarily because it allows the resultant device dimensions to be more accurately and precisely controlled. This directly leads to a reduction in development costs as well as improved production yields. Nevertheless, traditional RIE was limited to moderate etch depths (e.g., a few microns). More recent developments in newer RIE methods and equipment have enabled considerably deeper etches and higher aspect ratios compared to traditional RIE methods and have revolutionized bulk micromachining technologies. The most widely known of these technologies is called the inductively-coupled plasma (ICP) deep reactive ion etching (DRIE) and this has become a mainstay for development and production of silicon-based micro- and nano-machined devices. This paper will review deep high-aspect-ratio reactive ion etching technologies for silicon, fused silica (quartz), glass, silicon carbide, compound semiconductors and piezoelectric materials.

Formation of size controlled nanohole arrays on semiconductor substrate can be used variously in applications of photonic and electronic device. The unique structure of nanoporous alumina was directly used as an etching mask for pattern transfer into the GaAs substrate. Using the alumina masks prepared at the anodic voltage of 24 V in 0.3 M sulfuric acid solution and 40 V in 0.3 M oxalic acid solution, fabricated were the arrays of nanohole on GaAs substrate by inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE). The etching was conducted in a SiCl4/Ar mixed gas system. The uniform nanohole arrays were formed as replica of ordered lattice pattern of the mask. Depending on property of the alumina mask used, the size of nanohole was controlled to have hole diameter of 60 nm (with the hole density of 1.0 x 1010 cm-2) and of 30 nm (with the hole density of 2.7 x 1010 cm-2), respectively. So, the alumina mask attached on the GaAs substrate mainly determines the distribution and the size of the nanohole arrays. ICP-RIE using nanoporous alumina masks can control the size and the density of nanohole on compound semiconductor substrate.

We investigated the plasma etching of polysiloxane intended for use in cochlear implants as a protection layer. The processing was performed using fluorine-based chemistry ionized in RIE (Reactive Ion Etching) or ICP (Inductively Coupled Plasma) discharge. The effect of temperature on polysiloxane etch rate and the resulting surface morphology was examined. XPS was employed to determine chemical changes induced by plasma treatment. The cytotoxicity on a cell line was observed in order to estimate suitability of plasma processed silicone elastomer for use in biomedical applications. This paper presents the selected results, which reveals how the polysiloxane surface properties can change depending upon plasma treatment conditions. Exemplary micro devices encapsulated in plasma treated silicone elastomer are also shown.

Ce travail de thèse porte sur des composants à cristaux photoniques (CP) bidimensionnels réalisés dans des matériaux à base d’InP pour un fonctionnement dans le domaine 1,55 μm. Au sein du CP, la périodicité de la constante diélectrique génère une bande interdite photonique, domaine de fréquence dans lequel la propagation des modes optiques est interdite. L’introduction de défauts dans le CP permet à certains modes optiques localisés d’exister. De telles structures peuvent alors être utilisées comme brique élémentaire d’un circuit intégré photonique. Nous avons étudié des adaptateurs de mode et des lasers monofréquences ainsi que des guides d’onde sur membrane InP. Les CP sont ici un réseau de trous fabriqués à l'aide de la gravure ionique réactive associée à un plasma à couplage inductif. Dans un plasma Cl2/Ar optimisé, nous avons obtenu une profondeur de gravure de 2,9 μm pour des trous de 250 nm diamètre. Nous avons montré que la présence de N2 dans un plasma contenant du chlore renforce la gravure anisotrope et supprime la rugosité des surfaces gravées, et que l’addition de BCl3 permet d’augmenter la verticalité des trous. Le plasma BCl3/N2 a permis d’obtenir les meilleurs profils et états de surface et une profondeur gravée de 1 μm. Plusieurs géométries d’adaptateurs de mode à CP. Ont été étudiées et leurs spectres de transmission ainsi que la divergence du mode émergent ont été caractérisés et comparés avec les résultats de simulation. La meilleure géométrie conduit à une amélioration de l’efficacité de transmission d’un facteur 4. Les guides W1 sur membrane InP présentent des pertes de propagation de 25 dB/cm pour des fréquences situées sous la ligne de lumière
This PhD work focuses on two-dimensional photonic crystals (PhC) devices based on InP materials for application around 1. 55 µm wavelength. PhC is a periodic structure in dielectric constant and is characterized by photonic band gap, a frequency domain in which the light propagation is inhibited for certain directions. Introducing defects in the periodicity offers another manner for light guiding and photon localization, which may provide a platform for photonic integrated circuits. The investigated devices include PhC taper waveguides and multiple-constricted-waveguide lasers on InP substrate, and PhC channel defect waveguides on InP suspended membrane. The perforated PhC structures are realized using reactive ion etching technique associated with inductive coupled plasma. A Cl2/Ar plasma has been optimized and demonstrated an etch depth of 1. 9~2. 9 µm for 110~250 nm-diameter holes. We have demonstrated that the addition of N2 into chlorine-containing plasmas can enhance the anisotropic etching and suppress the etched surfaces roughness. In addition, we have shown that adding BCl3 augments the feature verticality. Extremely smooth etched sidewall surfaces are obtained when the etching is performed under the BCl3/N2 plasma; in which an etch depth of 1 µm can be achieved. Several contour geometries of PhC tapers are studied and their transmission spectra and beam divergences are measured and compared with the simulation results. The transmission efficiency can be enhanced by a factor of 4 owing to the proper taper design. As for suspended membrane, a propagation loss of 25 dB/cm has been obtained for W1 PhC waveguide while operating below the air-light line

Ce travail de thèse porte sur des composants à cristaux photoniques (CP) bidimensionnels réalisés dans des matériaux à base d'InP pour un fonctionnement dans le domaine 1,55 µm. Au sein du CP, la périodicité de la constante diélectrique génère une bande interdite photonique, domaine de fréquence dans lequel la propagation des modes optiques est interdite. L'introduction de défauts dans le CP permet à certains modes optiques localisés d'exister. De telles structures peuvent alors être utilisées comme brique élémentaire d'un circuit intégré photonique. Nous avons étudié des adaptateurs de mode et des lasers monofréquences ainsi que des guides d'onde sur membrane InP.

Les CP sont ici un réseau de trous fabriqués à l'aide de la gravure ionique réactive associée à un plasma à couplage inductif. Dans un plasma Cl2/Ar optimisé, nous avons obtenu une profondeur de gravure de 2,9 µm pour des trous de 250 nm diamètre. Nous avons montré que la présence de N2 dans un plasma contenant du chlore renforce la gravure anisotrope et supprime la rugosité des surfaces gravées, et que l'addition de BCl3 permet d'augmenter la verticalité des trous. Le plasma BCl3/N2 a permis d'obtenir les meilleurs profils et états de surface et une profondeur gravée de 1 µm.

Plusieurs géométries d'adaptateurs de mode à CP ont été étudiées et leurs spectres de transmission ainsi que la divergence du mode émergent ont été caractérisés et comparés avec les résultats de simulation. La meilleure géométrie conduit à une amélioration de l'efficacité de transmission d'un facteur 4. Les guides W1 sur membrane InP présentent des pertes de propagation de 25 dB/cm pour des fréquences situées sous la ligne de lumière.

Dans le cadre de l’ANR Blanc INCLINE (Inductively Coupled Plasmas for CMOS compatible etchINg of high performance III-V integrated laser sourceEs), nous avons développé un simulateur de gravure de l’InP par plasmas ICP Cl2/Ar/N2 et HBr/Ar. Ce simulateur est basé sur une approche multiéchelle composée de trois modules, un modèle de plasma, un modèle de gaine et un modèle de gravure. Le modèle de plama permet de déterminer les densités et les flux d’espèces neutres et chargées ainsi que la température électronique en fonction des paramètres machine. La densité et la température électronique sont ensuite injectées dans le modèle de gaine. Ce dernier est basé sur une approche cellulaire Monte-Carlo, permettant d’étudier le transport des ions traversant la gaine. Les fonctions de distributions générées par le modèle de gaine sont les données d’entrée du modèle de gravure. Ce dernier est basé sur une approche cellulaireMonte-Carlo, permettant de suivre l’évolution temporelle des profils de gravure à travers le masque. L’un des résultats de simulation a mis en évidence le rôle de la désorption chimique lors de la formation du bowing. D’autre part, un mécanisme de passivation des flancs par l’azote a été proposé. Une étude XPS d’échantillons gravés par plasma Cl2 ou Cl2/H2, nous a permis d’observer le rôle important de la température de pendant la gravure. Les effets d’autres paramètres comme l’influence chimique des espèces Cl2 et H2 ou la tension d’accélération ont aussi été décrits. Deplus, nous montrons la présence de phosphore élémentaire à la surface des échantillons gravés en plein champ. Enfin, des motifs rubans ont été analysés. La première expérience montre que la surface des flancs est plus riche en phosphore que la surface du fond des motifs, quelle que soit la chimie de gravure (Cl2 ou Cl2/H2)

Dans l'industrie de la microtechnologie, la gravure profonde du silicium permet l'obtention de structures à fort rapport d'aspect (MEMS, MOEMS, vias, caissons d'isolation...). La cryogravure est l'une des voies pour réaliser ces structures. L'objet de cette thèse est l'étude des mécanismes de formation de la couche de passivation SiOxFy dans le procédé cryogénique de gravure par plasma SF6/O2 du silicium. Cette couche ne se forme uniquement qu'à basse température (~ -100°C). Elle désorbe lors de la remontée en température à l'ambiant du substrat en libérant des espèces analysables par spectrométrie de masse. La principale espèce détectée est le produit de gravure SiF4. En testant des plasmas de construction de la couche avec le SiF4, nous avons trouvé deux mécanismes possibles de formation de la couche SiOxFy. Afin de compléter l'étude, nous avons installé un ellipsomètre spectroscopique in-situ afin de caractériser l'interaction de différents plasmas (Ar, SF6, O2, SF6/O2, SiF4/O2) avec le silicium montrant ainsi l'effet de la température du substrat et du flux d'ions.
En régime de surpassivation, les MicroStructures Colonnaires, défaut du procédé de cryogravure, apparaissent au fond du motif. Une étude paramétrique de ces structures est effectuée en variant les conditions du plasma (température, Vbias, puissance de la source, pression et temps).

En micro-électronique, la performance des circuits intégrés est limitée par l'augmentation des délais d'interconnexions. Une solution est de remplacer le diélectrique d'interniveaux conventionnel (SiO2) par un matériau à plus faible constante diélectrique (low-k). Cette étude concerne la gravure de matériaux low-k SiOCH et SiOCH poreux, et la gravure de la couche barrière SiCH et du masque dur SiO2. La sélectivité de gravure des low-k par rapport à SiCH et SiO2 est un critère important à obtenir. De plus, l'étape de gravure ne doit pas modifier considérablement la constante diélectrique du matériau. Enfin, la gravure de motifs doit être anisotrope. Pour atteindre ces objectifs, un meilleur contrôle du procédé de gravure et une meilleure compréhension des mécanismes de gravure sont souhaités.
La gravure des matériaux est réalisée en plasma fluorocarboné (CHF3) additionné ou non de H2 ou Ar, dans un réacteur à couplage inductif (ICP), dans lequel le substrat est polarisé négativement. Ce procédé a été modifié en appliquant une polarisation pulsée au substrat (1 Hz à 10 kHz). Dans cette configuration, l'énergie des ions est pulsée. L'influence des conditions de pulse (fréquence, et rapport cyclique rc=TON/T) sur la gravure des matériaux SiOCH poreux, SiOCH, SiCH, SiO2, et Si est étudiée. En particulier, en diminuant le rapport cyclique, ce procédé pulsé fournit d'excellents résultats concernant la gravure sélective de SiOCH poreux vis à vis de SiCH et SiO2.
Pour optimiser le procédé de gravure, une meilleure compréhension de l'interaction plasma-surface, et par suite des mécanismes de gravure, est indispensable. Pour cela, des analyses de surface (XPS, ellipsométrie spectroscopique, MEB) sont corrélées à des analyses du plasma (spectrométrie de masse, spectroscopie d'émission optique, sonde de Langmuir, sonde plane). En particulier, durant cette thèse, le diagnostic de sonde plane a été développé. Il permet une mesure précise du flux d'ions, qui peut alors être mesuré en temps réel en plasma polymérisant, électronégatif et instable. En comparant ces différents diagnostics, nous concluons que les mécanismes de gravure en polarisation pulsée sont similaires à ceux en polarisation continue. Toutefois, le procédé de gravure diffère. Aussi, pour comprendre ce procédé, un modèle décrivant les vitesses de gravure en fonction de la tension de polarisation a été développé. En résumé, lorsque aucune tension n'est appliquée (phase OFF), un film fluorocarboné se dépose à la surface des matériaux. Puis, à l'application d'une tension (phase ON), une énergie des ions supérieure à celle obtenue en polarisation continue est nécessaire pour graver ce dépôt puis graver le matériau. De plus, la gravure du matériau en polarisation pulsée s'opère à travers un film fluorocarboné plus riche en fluor par rapport au mode continu : La gravure des matériaux en est améliorée. Le modèle, tenant compte de cet état de surface, décrit alors correctement les seuils et vitesses de gravure des différents matériaux en polarisation pulsée.

L'objet de cette étude est la gravure par plasma de matériaux hybrides SiOC(H) qui sont de nouveaux composés émergents. Leurs propriétés ajustables entre composés organiques et inorganiques leurs donnent de grandes potentialités. Ce travail est dédié à deux applications particulières en microélectronique.
Dans un premier temps, notre étude s'est portée sur leurs applications en lithographie optique dans le cadre d'un projet européen (157 CRISPIES n° 2000 30-143) où sont développés de nouveaux polymères contenant un nanocomposé, la molécule POSS (Si8O12) (Polyhedral oligomeric silsesquioxane). Ces polymères pourraient être utilisés dans un procédé de lithographie bicouche car ils sont faiblement absorbants pour les futurs rayonnements, UV à 157 nm, ou X à 13,5 nm. L'analyse de leur surface avant gravure a été particulièrement poussée grâce à une utilisation avancée des mesures XPS. Ce travail a mis en évidence la ségrégation en surface de la molécule POSS. Afin de caractériser la phase de développement plasma du procédé bicouche, ces matériaux ont été gravés en plasma d'oxygène. Des analyses XPS et ellipsométriques montrent le rôle joué par la couche d'oxyde qui se forme à la surface de ces matériaux. Une corrélation est faite entre l'épaisseur de l'oxyde mesurée par XPS et la consommation totale du polymère mesurée par ellipsométrie. L'ensemble de ces résultats nous a amené à développer un modèle cinétique permettant de comprendre les mécanismes de gravure de ces nouveaux composés en plasmas oxydants.
Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'utilisation de SiOC(H) comme isolant d'interconnexion. En effet, ces matériaux présentent une permittivité électrique plus faible que celle de l'oxyde de silicium classiquement utilisé en microélectronique, on les appelle low-k. Ils permettent d'améliorer les vitesses de transmission des informations au sein des puces. Les plasmas fluorocarbonés (C2F6) avec différents additifs (O2, Ar, H2) ont été utilisés à la fois pour obtenir une vitesse de gravure élevée mais aussi une sélectivité importante avec la couche d'arrêt SiC(H). L'addition d'hydrogène permet d'augmenter la sélectivité tout en conservant une vitesse de gravure élevée. Les caractérisations de surface par XPS quasi in situ montrent tout d'abord que la composition du matériau est modifiée sur quelques nanomètres, avec une diminution de la quantité de carbone. Ensuite, pour les plasmas de C2F6/H2 et C2F6/Ar, une couche fluorocarbonée se superpose à cette couche modifiée et son épaisseur est corrélée aux vitesses de gravure. Des mesures du flux ionique et de la quantité de fluor atomique permettent de mieux appréhender les mécanismes de gravure qui régissent ces matériaux.

Orientadores: Peter Jurgen Tatsch, Stanislav A. Moshkalev
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Made available in DSpace on 2018-08-21T09:15:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nunes_AlcineiMoura_D.pdf: 5060090 bytes, checksum: 2e93ff0bc8213b48460167d7e4cbbcc3 (MD5) Previous issue date: 2012
Resumo: Neste trabalho foram desenvolvidas cinco aplicações de processos de corrosão por plasmas frios (temperatura ambiente), utilizando reatores dos tipos RIE (Corrosão por Íon Reativo) e ICP (Plasma Acoplado Indutivamente): Afinamento de porta de transistor CMOS - métodos convencionais como fotogravação, com resolução maior que 2 ?m, e corrosão por plasma em um reator RIE com as misturas gasosas SF6/CF4/CHF3 e SF6/CF4/N2, foram utilizados na obtenção de estruturas submicrométricas. A pressão foi variada de 50 mTorr a 150 mTorr e a potência de 30 W a 85 W. Corrosão de estruturas GaAs e AlGaAs para aplicação em transistores HEMT - as corrosões foram realizadas em um reator RIE com misturas de gás contendo SiCl4/Ar para a corrosão e O2/SF6/Ar para processo de limpeza da câmara; Corrosão de corpo para fabricação de sensores de pressão - foi utilizado um reator ICP e plasma de mistura gasosa SF6/Ar; Corrosão profunda para separação de patilhas utilizando métodos convencionais - foi utilizado um reator ICP para corrosão profunda dos canais. As misturas gasosas foram SF6/Ar, com polarização do eletrodo inferior para corrosão de Si (silício), e O2/Ar para remoção de fotorresiste; Teste de resistência de máscaras de Ni-P, Ni-B e SiO2 em processos de corrosão profunda e do tipo Bosch - as máscaras foram testadas em um reator ICP com plasma de misturas gasosas SF6/Ar e C4/F8. Em cada uma das aplicações foi feito um estudo sobre seus principais requerimentos, a fim de se obter o melhor compromisso entre os parâmetros do processo de corrosão
Abstract: This thesis is based on etching processes applications in cold plasmas (room temperature) using RIE (Reactive Ion Etching) and ICP (Inductively Coupled Plasma), as reactors, applied to specific areas of microelectronics and MEMS devices in semiconductors industries and laboratories. Five applications are presented: Thinning gate CMOS Transistor - conventional methods such as photolithography with resolution greater than 2 ?m and RIE reactor with gaseous mixtures: SF6/CF4/CHF3 and SF6/CF4/N2 were used to obtain structures below 1 ?m; GaAs and AlGaAs structures etching for HEMT transistors application - RIE reactor and mixtures containing SiCl4/Ar for etching and O2/SF6/Ar for cleaning were used; Bulk etching for pressure sensors - ICP reactor and gas mixture SF6/Ar were used; Deep Si etching for die separating - ICP reactor and gas mixtures SF6/Ar with bias for channel etching and O2/Ar for photoresist removal were used; Ni-P, Ni-B and SiO2 masks testing in deep etching processes - ICP reactor and gas mixtures as SF6/Ar and C4/F8 were used. In each applications a study of its main requirements was made, to achieve a better commitment between the parameters of the etching process
Doutorado
Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica
Doutor em Engenharia Elétrica

Le contexte de cette thèse couvre les dispositifs photoniques hybrides III-V sur silicium. L’étude porte sur l’intégration par collage de matériau à base d'InP sur le silicium, puis la conception d’un guide optique comportant une nanostructuration qui permettra la sélection en longueur d’onde dans un laser DFB hybride. Enfin, on étudie les étapes technologiques de fabrication d’un laser hybride injecté électriquement fonctionnant dans le domaine spectral 1.55µm, et on caractérise les dispositifs. Pour associer les matériaux III-V sur Si, nous avons développé le collage sans couche intermédiaire que l’on nomme collage hétéroépitaxial ou oxide-free. Ce collage est reporté dans la littérature comme présentant une meilleure qualité électrique. Nous avons établi les conditions de préparation permettant d’obtenir des surfaces parfaitement désoxydées, et les conditions de recuit conduisant à une interface hybride sans oxyde et sans dislocation. Mais ce recuit est réalisé à température assez élevée (~450-500°C). Nous avons alors développé le collage avec une fine couche intermédiaire d’oxyde réalisé à plus faible température -300°C- qui présente l'avantage d'être compatible avec la technologie CMOS. Nous avons étudié différentes approches pour élaborer et activer une couche d’oxyde très fine (~3nm), de façon à obtenir une surface collée sans zones localement non collées. Le collage est dans les deux cas réalisé sous vide dans un équipement de type Bonder Suss SB6e. La qualité structurale de l’interface a été observée par STEM et la qualité mécanique du joint de collage a été caractérisée par indentation. Une méthode originale de mesure quantitative et locale de l’énergie du joint de collage a été développée. La qualité optique des couches collées a été étudiée par la mesure de la photoluminescence de puits quantiques placés proches du joint d’interface. En conséquence du collage sans couche intermédiaire ou avec une couche très fine, le design du mode optique est de type double-cœur, qui ne nécessite pas de taper. Le guide optique Si est de type shallow ridge, le confinement latéral étant assuré par un matériau nanostructuré à une période sub-longueur d’onde. Ce matériau fonctionne comme un matériau effectif uniaxe pour lequel on a calculé les indices optiques ordinaire et extraordinaire selon la géométrie de la nanostructuration. On peut rajouter sur cette nanostructuration une super-périodicité qui conduit à un fonctionnement sélectif en longueur d’onde. Le comportement modal du guide est simulé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, le comportement spectral est simulé par FTDT 3D. Nous avons validé la pertinence de ce design en mesurant la transmission de guides hybrides. Ce design sera inclus dans un laser et permettra d’obtenir une émission monofréquence de type DFB. Nous avons développé les étapes technologiques nécessaires à la fabrication d’un laser hybride à base d'InP sur Silicium fonctionnant en injection électrique. Nous avons mis en oeuvre de nombreuses techniques, et développé plusieurs procédés spécifiques, en particulier, des procédés de gravure sèche de type Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE pour la gravure de la nanostructuration dans le silicium, et pour la gravure du mésa du laser. La présence des 2 matériaux III-V et Si dans le dispositif hybride rend ces étapes complexes. Les premiers résultats peuvent être améliorés en optimisant la technologie des contacts. Un design permettant de s’affranchir de la pénalité thermique présenté par tous les dispositifs ayant les 2 contacts électriques du coté du matériau III-V a été proposé, exploitant le passage du courant à l’interface hybride III-V / Si, ce qui est possible dans le cas du collage oxide-free. Cette approche ouvre des perspectives d’intégration au-delà de la photonique
This work contributes to the general context of III-V materials on Silicon hybrid devices for optical integrated functions, mainly emission/amplification at 1.55µm. Devices are considered for operation under electrical injection, reaching performances relevant for data transfer application. The main three contributions of this work concern: (i) bonding InP-based materials on Si, (ii) nanostructuration of the Si guiding layer for spatial and spectral control of the guided mode and (iii) technology of an hybrid electrically injected laser, with a special attention to the thermal budget. Bonding has been investigated following two approaches. The first one we call heterohepitaxial or oxide-free bonding, is performed without any intermediate layer at a temperature ~450°C. This approach has the great advantage allowing electrical transport across the interface, as reported in the literature. We have developed oxide-free surface preparation for both materials, mainly InP-based layers, and established bonding parameter processing. An in-depth STEM and RX structural characterization has demonstrated an oxide-free reconstructed interface without any dislocation except on one or two atomic layers which accommodate the large lattice mismatch (8.1%) between InP and Si. Photoluminescence of quantum wells intentionally grown close to the interface has shown no degradation. We have also developed an oxide-based bonding process operated at 300°C in order to be compatible with CMOS processing. The original ozone activation of the very thin (~5nm) oxide layer we have proposed demonstrates a bonding surface without any unbonded area due to degassing under annealing. We have developed an original method based on nanoindentation characterization in order to obtain a quantitative and local value of the surface bonding energy. Related to the absence or to the very thin intermediate layer between the two materials, our modal design is based on a double core structure, where most of the optical mode is confined in the Si guiding layer, and no taper is required. The Si waveguide on top of the SOI stack is a shallow ridge. A nanostructured material on both sides of the waveguide core ensures the lateral confinement, the nanostructuration geometry being at a sub-wavelength period in order to operate this material well below its photonic gap. It behaves as an uniaxial material with ordinary and extraordinary indices calculated according to the structuration geometry. Such a structuration allows modal and spectral control of the guided mode. 3D modal and spectral simulation have been performed. We have demonstrated, on a double-period structuration, a wavelength selective operation of hybrid optical waveguides. Such a double-period geometry could be included in a laser design for DFB operation. This nanostructuration has larger potential application such as coupled waveguides arrays or selective resonators. We have developed all the technological processing steps for an electrically injected hybrid laser fabrication. Main developments concern dry etching, performed with the Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE technique of both the nanostructuration of the Silicon material, and the mesa of the hybrid laser. Efficient electrical contacts fabrication is also a complex step. First lasers operating performances could be improved. We have investigated a specific design in order to overcome the thermal penalty encountered by all the hybrid devices. This penalty is due to the thick buried oxide layer of the SOI stack that prevents heating related to the current flow to be dissipated. Taking advantage of the electrical transport we have shown at the oxide-free interface, we propose a design where the n-contact is defined on the guiding Si layer, suppressing thermal heating under electrical operation. Such an approach is very promising for densely packed hybrid devices integrated with associated electronic driving elements on Si

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN) et notamment de l'hétérostructure AlGaN/GaN, semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer et d'optimiser l'étape d'isolation de la grille lors la réalisation de transistors MIS-HEMT de puissance sur hétérostructure AlGaN/GaN, le but étant de réduire les courants de fuite de grille sans perturber les propriétés du transistor. Après avoir évaluation, le choix s'est porté sur l'alumine Al2O3 déposé par ALD comme diélectrique de grille. L'étude s'est d'abord concentrée sur l'analyse de l'influence de traitements, chimiques ou plasma, sur la contamination de la surface d'AlGaN au travers d'analyses XPS et AFM. Puis, l'influence du diélectrique de grille a été évalué à travers la réalisation et la mesure électrique de dispositifs, diodes et transistors, en variant les méthodes de dépôt par ALD. Enfin, l'impact d'un recess par gravure ICP-RIE partielle ou complètes de la barrière d'AlGaN sous la grille a été étudiée. La réalisation d'un HEMT passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, et le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/AlGaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, mais aussi la nature et la technique de dépôt du diélectrique. Ainsi il apparaît à travers l'étude qu'un traitement de surface à l'ammoniaque à haute température est le plus efficaces pour retirer les contamination en oxydes natifs. Les mesures électriques, C(V) et Id(Vg), ont quant à elle montrés la supériorité de la PEALD par rapport à un dépôt thermique conventionnel. Ceci peut s'expliquer par le fait que le plasma oxygène qui entre jeu lors du dépôt de l'alumine par PEALD semble nettoyer la surface lors des premiers cycles, retirant notamment la contamination carbone. Cela permet d'avoir une meilleure interface entre l'alumine et le semi-conducteur, limitant les pièges à l'interface et dans l'oxyde. Cela a réduit de manière considérable les courants de fuite de grille, sans détériorer la qualité et la rapidité de la transition entre l'état on et off. De plus, les HEMTs réalisé étant de type normally-off, le recess de grille par gravure ICP-RIE a été implémenté afin de rendre moins négative la tension de pincement. Cela a été réalisé avec succès, notamment avec la réalisation d'un composant de type noramlly-off grâce à un recess total de la barrière d'AlGaN sous la grille. Des résultats à l'état de l'art ont été obtenus à travers une approche simple, et un processus de création de transistors robuste et hautement reproductible, avec une réduction importante des courants de fuite de grille et une pente sous le seuil record. Afin de compléter l'étude il conviendra par la suite de réaliser des études de fiabilité, notamment à travers des mesures dynamiques pour évaluer notamment les phénomènes de dégradation du Ron
With its large band gap, Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The main objective of this thesis was the development and optimization of the insulating step taking place in the elaboration of MIS-HEMT transistors on an AlGaN/GaN heterstroctructure. In order to reduce gate leakage currents without degrading the device properties, alumina Al2O3 deposited by ALD was chosen as a gate dielectric. The study was first centered on the influence of surface treatments, chemical or plasma, regarding surface contamination. Their impact was analyzed through XPS and AFM. Secondly, electrical measures were performed on complete MIS-HEMT diodes and transistors to evaluate the influence of the alumina insulating layer depending on the ALD deposition method. Lastly, partial and full recess of the AlGaN barrier was studied via ICP-RIE etching. The gate dielectric deposition is one of the crucial steps intervening in the HEMT creation process. The quality and control at the Al2O2/AlGaN interface being paramount, it will directly influence the device's electric properties. This involves control ing the semiconductor surface, but also the nature and deposition technique of the dielectric. As such, an ammonia-based treatment at high temperature appears to be the most efficient in reducing native oxygen contamination. Regarding electric performances, C(V) and Id(Vg) measures showed the superiority of PEALD compared to traditional thermal ALD deposition. This can be explained by the fact that the oxygen plasma used as oxydant during the alumina deposition by PEALD seems to clean the surface during the first cycles, mostly by reducing carbon contamination. This allowed to achieve a better interface between the semiconductor and the insulting layer, thus limiting traps at the interface or in the oxyde. This allows to considerably reduce gate leakage currents, without degrading the quality and transition sharpness between the on and off state. Moreover, the realized HEMTs being normally-off, gate recess etching via ICP-RIE was implemented in order to make the threshold voltage less negative. This was successfully achieved, especially through the realization of a normally-off transistors thanks to a full recess of the AlGaN barrier under the gate. State of the art results were achieved through a simple approach, and a robust and highly reproducible transistor elaboration process, with great reduction of gate leakage currents and a record sub-threshold slope. In order to complete the study, it will be necessary in the future to proceed to viability studies, especially through dynamic electric evaluation, in order to evaluate for instance Ron degradation phenomenons

A novel fabrication process to etch, to passivate, and to release single-crystal silicon structures totally in just only one process by inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) has been presented in this paper. Several kinds of movable actuators such as relay, comb-drive, and capacitance with thickness of 30 μm have been fabricated successfully to demonstrate this fabrication process. Here, experimental investigations about fabrication parameters to get well profile and suspension structures are performed in a STS ICP-RIE system.

Abstract Keeping devices active during deprocessing can be a major frustration for reliability engineers. Reactive ion etching (RIE) provides a rapid, controlled and acid-free method for delayering integrated circuits. However, RIE places a working device directly on a powered electrode, and this can produce surface contamination, charge damage, and waste many man-hours by destroying one-of-a-kind parts. This paper discusses a new reactor type which solves these problems, the inductively coupled plasma (ICP) source. A comparison of etch results (etch rate, surface cleanliness and plasma voltages) was performed in both reactive ion and inductively coupled plasma systems. Scanning electron microscopy (SEM) and surface analysis using scanning Auger spectroscopy were performed. Significant improvements in etch profiles and cleanliness of deprocessing were found.

A method for fabricating gallium nitride (GaN) based microelectromechanical (MEM) devices on silicon substrate was demonstrated. Various suspended GaN microstructures have been fabricated using ICP (Inductive coupled plasma)-based sacrificial etching of the underlying silicon with combination of both anisotropic and isotropic etching techniques, so that deeply released freestanding microstructures with minimized lateral undercut can be achieved. Cl2-based ICP-RIE (Reactive ion etching) dry etching technique is employed to pattern gallium nitride. The experimental results show that freestanding GaN microstructures with large air gap of high depth-to-width ratio can be realized by employing such two-step dry releasing technique. Fabrication results have been characterized by scanning electron microscope (SEM).

A new process has been developed for the fabrication of AlGaAs-based MEMS which the inherent piezoelectric transduction present in this material to be used for sensing and actuation. The process combines molecular beam epitaxial growth of single-crystal Al0.3Ga0.7As multilayer, inductively coupled plasma reactive-ion etching (ICP-RIE), and highly selective wet etching of GaAs to produce released Al0.3Ga0.7As structures. The process has been validated through the fabrication of both cantilever and doubly clamped beam structures, and has wider use for applications where large electromechanical coupling strength and single-crystal heterostructure are desired.

Abstract Freescale Semiconductor is employing a new, multi-layer integrated seal (IS) on its next generation accelerometers. The IS, which encloses the moveable sensing element, consists of alternating layers of poly-Si and PSG. A technique needed to be developed to remove the integrated seal in order to permit failure analysis. Mechanical methods were attempted first, but these resulted in severe damage to the sensing element. Chemical deprocessing was considered, but eventually abandoned because there seemed to be no way to protect the sensing elements from the wet etchants that would be used on the IS. Eventually, Reactive Ion Etching (RIE) with an Inductively Coupled Plasma (ICP) source proved to be a successful means for removing the IS without impacting the sensing element. As the design of the integrated seal underwent multiple redesigns, the removal process was successfully modified multiple times to comply with these changes. By using the right gases in the correct order, a high level of selectivity was maintained, allowing for removal of successive layers of different materials (poly-Si, PSG) without harming the sensing element. After removal of some IS designs, a wispy residue was observed on the sensing element and remaining IS support pillars. Chemical analysis identified this material as a by-product of the RIE process, and methods were devised to eliminate it.

Piezoelectric resonators based on epitaxially-grown Al0.3Ga0.7As have been developed. The resonators are fabricated using a single crystal device structure, with differential doping used to create either piezoelectric or electrode regions. Constitutive layers consist of 0.5μm Si-doped Al0.3Ga0.7As acting as the top electrode layer, 1μm undoped Al0.3Ga0.7As as the piezoelectric layer, and 2μm Si-doped Al0.3Ga0.7As as both the structural and the bottom electrode layer. Resonator fabrication employs a 4 mask process combining inductively coupled plasma reactive-ion etching (ICP RIE) and a highly selective bulk GaAs wet etching process. The frequency response of fabricated beam resonators has been measured using laser Doppler vibrometery (LDV). Both cantilever and doubly-clamped beam resonators have been demonstrated, with fabricated resonators center frequencies showing excellent agreement compared to designed values. The transverse piezoelectric coupling coefficient d31 has also been measured as a function of beam orientation.