Mercredi 8 avril à 10h00
Modélisation multi-échelle de la gravure par couche atomique du GaN en plasmas chlorés
Résumé : Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau clé pour les dispositifs de l’électronique de puissance opérant dans le domaine des radiofréquences. La miniaturisation des architectures rend le contrôle nanométrique de la gravure critique. Les procédés usuels de gravure par plasmas froids continus en chimies chlorées, offrent des vitesses élevées mais peuvent induire des défauts dans le matériau, impactant les performances et la fiabilité des dispositifs. La gravure par couches atomiques (ALE), procédé cyclique alternant modification chimique de surface et activation par bombardement ionique de faible énergie, vise à contrôler la gravure à l’échelle atomique tout en améliorant l’état de surface. Cette thèse porte sur le développement d’un modèle multi-échelle de l’ALE du GaN en plasmas Cl₂/Ar. Le simulateur couple un modèle global dynamique décrivant les flux et densités des espèces du plasma et un modèle de gaine Monte-Carlo fournissant les fonctions de distribution en énergie et angulaire des ions. Les résultats issus de ces deux premiers modèles sont ensuite exploités par un modèle de surface Monte-Carlo cinétique pour décrire les réactions de modification induites par le chlore et la sélectivité du bombardement ionique à la surface du GaN durant le procédé ALE. Ce modèle de surface est alimenté par une étude ab initio décrivant les interactions Cl-GaN(0001). L’ensemble du simulateur permet in fine de relier les paramètres mésoscopiques aux interactions plasma/surface à l’échelle atomique afin d’approfondir la compréhension des mécanismes mis en jeu et d’optimiser les performances du procédé comme l’état de surface du GaN post-gravure et le contrôle de l’épaisseur gravée par cycle. A terme, ce travail peut être intégré dans un jumeau numérique de procédés ALE du GaN, afin de guider l’optimisation et l’industrialisation de la gravure à l’échelle atomique.
Mots clés : semi-conducteur, procédé plasma froid, gravure, modélisation, multi-échelle
Multiscale modelling of Atomic Layer Etching of GaN in chlorinated plasmas
Abstract : Gallium nitride (GaN) is a key material for power electronics devices operating in radiofrequency ranges. The downscaling of architectures makes nanometric control of etching critical. Conventional etching processes using continuous plasmas in chlorinated chemistries offer high etch rates but can induce defects in the material, degrading device performance and reliability. Atomic layer etching (ALE), a cyclic process alternating between chemical surface modification and activation by low-energy ion bombardment, aims to control etching at the atomic scale while improving the surface state. This thesis focuses on the development of a multiscale model for ALE of GaN in Cl₂/Ar plasmas. The simulator combines a global dynamic model describing plasma species fluxes and densities with a Monte Carlo sheath model providing ions energy and angular distribution functions. The results from these first two models are then used as inputs for a kinetic Monte Carlo surface model to describe chlorine-induced modification reactions and ion bombardment selectivity on the GaN surface during ALE processing. This surface model relies on ab initio study describing Cl-GaN(0001) interactions. The simulator associates mesoscopic parameters to plasma/surface interactions at the atomic scale in order to deepen understanding of the involved mechanisms and optimize process performances, such as the GaN surface state after etching and etched thickness per cycle. Ultimately, this work can be integrated into a digital twin for GaN ALE processes to guide the optimization and industrialization of atomic-scale etching.
Keywords : semiconductor, low temperature plasma process, etching, modelling, multiscale
