EP4128381A1 - Procede de fabrication d'une structure piezoelectrique pour dispositif radiofrequence et pouvant servir pour le transfert d'une couche piezoelectrique, et procede de transfert d'une telle couche piezoelectrique - Google Patents

Procede de fabrication d'une structure piezoelectrique pour dispositif radiofrequence et pouvant servir pour le transfert d'une couche piezoelectrique, et procede de transfert d'une telle couche piezoelectrique

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EP4128381A1
EP4128381A1 EP21714150.6A EP21714150A EP4128381A1 EP 4128381 A1 EP4128381 A1 EP 4128381A1 EP 21714150 A EP21714150 A EP 21714150A EP 4128381 A1 EP4128381 A1 EP 4128381A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
piezoelectric
piezoelectric material
dielectric bonding
Prior art date
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Pending
Application number
EP21714150.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Djamel BELHACHEMI
Thierry Barge
Oleg Kononchuk
Brice Tavel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4128381A1 publication Critical patent/EP4128381A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/073—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives
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    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02559—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of lithium niobate or lithium-tantalate substrates
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/25—Constructional features of resonators using surface acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric structure for a radio frequency device which can be used for the transfer of a piezoelectric layer, and a method of transferring such a piezoelectric layer.
  • a radiofrequency (RF) device such as a resonator or filter
  • RF radiofrequency
  • a resonator or filter on a substrate comprising successively, from its base to its surface, a support substrate, generally in a material such as silicon or sapphire, a intermediate bonding layer and a piezoelectric layer.
  • Surface acoustic wave filters (“SAW”, acronym of the English term “Surface Acoustic Wave”) typically comprise a piezoelectric layer and two electrodes in the form of two interdigitated metal combs deposited on the surface of said piezoelectric layer.
  • the thickness of the piezoelectric layer can be of the order of a few tens of nanometers up to several tens of ⁇ m.
  • the piezoelectric layer is typically obtained by transferring a thick substrate of a piezoelectric material (eg obtained by cutting an ingot) onto a support substrate.
  • the support substrate is for example a silicon substrate.
  • the transfer of the piezoelectric layer involves bonding the thick piezoelectric substrate to the support substrate, followed by thinning of the thick piezoelectric substrate, so as to leave on the support substrate only a thin piezoelectric layer, of the desired thickness for the manufacture of the RF device.
  • an oxide layer for example a silicon oxide S1O 2
  • said substrates are bonded via of said oxide layers.
  • the deposition of an oxide layer on the thick piezoelectric substrate causes a significant curvature ("bow” according to the English terminology) of said piezoelectric substrate, not very compatible with the subsequent steps of the method, which are suitable. to flat substrates.
  • the heterostructure cannot be subjected to consolidation annealing because of the differences in thermal expansion coefficients between the thick piezoelectric substrate and the handling substrate.
  • the absence of consolidation annealing the bonding energy of the oxide layers of the two substrates remains very low, so that the mechanical strength of the donor pseudo-substrate is insufficient. Therefore, rupture at the bonding interface can occur during the step of thinning the thick piezoelectric substrate.
  • the current process requires a large number of steps such as the deposition of several oxide layers. followed by mechanical-chemical polishing (CMP, acronym for the English term “Chemical Mechanical Polishing”) of said oxide layers, said oxide layers deposited alternately on both sides of the thick piezoelectric substrate in order to avoid significant curvature making bonding impossible.
  • CMP mechanical-chemical polishing
  • the present invention aims to overcome these limitations of the state of the art by proposing a method of manufacturing a piezoelectric structure for a radiofrequency device, which can also be used for the transfer of a piezoelectric layer, and a method of transferring such a piezoelectric layer.
  • a method of manufacturing a piezoelectric structure for a radio frequency device comprising providing a substrate of piezoelectric material, providing a support substrate, providing a dielectric bonding layer on the substrate of piezoelectric material, one step assembly of the substrate of piezoelectric material on the support substrate via the dielectric bonding layer, a thinning step for forming the piezoelectric structure consisting of a layer of piezoelectric material assembled to a support substrate via the intermediary of the dielectric bonding layer.
  • the dielectric bonding layer comprises a silicon oxide layer deposited on the substrate of piezoelectric material by plasma-assisted chemical vapor deposition.
  • the assembly step includes molecular bonding between the dielectric bonding layer and the support substrate.
  • the substrate of piezoelectric material has a rough surface adapted to reflect a radio frequency wave.
  • the thickness of the dielectric bonding layer is between 200 nm and 500 nm.
  • the support substrate further comprises a trapping layer intended to be assembled with the dielectric bonding layer.
  • the trapping layer is polycrystalline silicon.
  • the trapping layer is obtained by implanting heavy species such as argon.
  • the thinning step (2 ') comprises chemical-mechanical etching and / or polishing.
  • the invention also relates to a method of transferring a piezoelectric layer onto a final substrate, comprising providing a piezoelectric structure obtained by carrying out the manufacturing method according to any one of the preceding claims, forming a weakening zone in the layer of piezoelectric material so as to delimit the piezoelectric layer to be transferred, the provision of the final substrate, an assembly step by bonding the layer of piezoelectric material to the final substrate, a detachment step comprising the fracture and separation of the piezoelectric structure along the weakening zone.
  • the formation of the weakening zone is effected by implanting atomic species in the layer of piezoelectric material.
  • the final substrate and the support substrate have identical coefficients of expansion. DESCRIPTION OF FIGURES
  • Figure 1 illustrates a manufacturing method according to an embodiment of the invention as well as a substrate according to this embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates a transfer method according to an embodiment of the invention
  • FIG. 1 illustrates a support substrate 100, preferably of silicon material, onto which is transferred a layer of piezoelectric material 200, preferably of monocrystalline piezoelectric material, even more particularly of lithium tantalate or lithium niobate material. Other materials of the piezoelectric material layer 200 can be considered.
  • the active layer 200 to be transferred can also comprise a ferroelectric material, for example LiTaOs, LiNbOs, LiAIC, BaTiOs, PbZrTiOs, KNbOs, BaZrOs, CaTiOs, PbTiOs or KTa0 3 .
  • the donor substrate comprising this active layer can take the form of a circular wafer of standard size, for example 150 mm or 200 mm in diameter. But the invention is in no way limited to these dimensions or to this shape.
  • the donor substrate may have been taken from an ingot of ferroelectric materials, this sampling having been carried out so that the donor substrate has a predetermined crystalline orientation, or the donor substrate may comprise a layer of ferroelectric material assembled to a substrate. support.
  • the crystalline orientation of the active layer of ferroelectric material to be transferred is chosen depending on the intended application.
  • the LiTaC material it is customary to choose an orientation of between 30 ° and 60 ° XY, or between 40 ° and 50 ° XY, in particular in the case where it is desired to exploit the properties of the thin film to form a SAW filter.
  • the LiNbC material it is usual to choose an orientation around 128 ° XY. But the invention is in no way limited to a particular crystalline orientation.
  • the method comprises, for example, the introduction of species (ions and / or atoms) of hydrogen and / or helium into this donor substrate.
  • This introduction can for example correspond to a hydrogen implantation, that is to say, an ionic bombardment of hydrogen of the flat face of the donor substrate.
  • the purpose of the implanted ions is to form an embrittlement plane delimiting a first layer of ferroelectric material to be transferred which is located on the side of the face and another part forming the rest of the substrate.
  • the nature, the dose of the species implanted and the type of ions implanted as well as the implantation energy are chosen according to the thickness of the layer that is to be transferred and the physicochemical properties of the donor substrate.
  • a LiTaOs donor substrate it is thus possible to choose to implant a dose of hydrogen of between 1x10 16 and 5x10 17 at / cm 2 with an energy of between 30 and 300 keV to delimit a first layer of l 'of the order of 10 to 2000 nm.
  • the support substrate 100 of silicon material can also be replaced by a support substrate 100 of sapphire material, polycrystalline aluminum nitride (AIN), glass, or any other material having a coefficient of thermal expansion less than or opposite to the coefficient of thermal expansion of piezoelectric material of the layer of piezoelectric material 200 (in the present invention we are interested in the coefficient of thermal expansion in a plane parallel to the main surface of the substrates).
  • the support substrate 100 plays the role of a stiffener which limits the expansion of the piezoelectric structure 10 during temperature variations to which it is subjected, which makes it possible to reduce the thermal frequency coefficient of the layer of piezoelectric material 200, c That is, the extent to which the frequency of a wave propagating in the layer of piezoelectric material 200 varies with temperature.
  • Silicon is particularly preferred because it makes it possible to add functionalities allowing electrical isolation for RF applications resulting from the addition of a trapping layer on the surface.
  • the use of silicon has the advantage of opening up the field of application of films of piezoelectric material not only to large equipment such as 300 mm but also to make it compatible with the microelectronics industry for which the requirements in terms of acceptance. on the production line of exotic material other than silicon, in particular lithium tantalate or lithium niobate, are high. It is thus also possible to envisage the integration of components obtained or manufactured in the layer of ferroelectric or piezoelectric material such as SAW and / or BAW filters with components obtained or formed in the silicon substrate such as transistors, power amplifier or else. network switches (in English terminology "switch”), thus reducing the losses in the interconnections between different types of components and making more compact such a system integrating several components.
  • FIG. 1 schematically represents the assembly step 1 ′ of a substrate of piezoelectric material 20 on the support substrate 100, preferably of silicon material.
  • the assembly step 1 ′ of the substrate of piezoelectric material 20 on the support substrate 100, preferably of silicon material, is preferably carried out by a step of molecular adhesion.
  • This molecular adhesion step comprises a bonding step, preferably at room temperature, and can be followed by a consolidation annealing of the bonding interface.
  • a dielectric bonding layer 1001 on the face of the substrate of piezoelectric material 20 intended to be assembled on the support substrate 100. In a non-limiting manner, it is possible to envisage depositing such a layer of piezoelectric material.
  • the deposition temperature of the dielectric bonding layer 1001 is chosen such that the deformation of curvature (in English terminology “bow”) induced by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate of piezoelectric material 20 and the dielectric bonding layer 1001 remains compatible with a molecular bonding step, the entire substrate of piezoelectric material 20 and the layer 1001 dielectric bonding agent having a curvature less than or equal to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the dielectric bonding layer 1001 must be considered.
  • a deposition temperature of less than or equal to 300 ° C. shows good results. It was found that not only the curvature (80 to 90 ⁇ m for a thickness of 500 nm of the 1001 dielectric bonding layer) remains below the threshold value compatible with molecular bonding (approximately 100 ⁇ m) but also the nature of the dielectric bonding layer 1001 is such that the bonding energy obtained between the dielectric bonding layer 1001 and the support substrate 100 is improved.
  • Another embodiment can provide for the deposition of dielectric bonding layers on the two faces of the substrate of piezoelectric material, either simultaneously or successively, such that the curvature of the assembly of the two dielectric bonding layers with the substrate of piezoelectric material 20 remains compatible with molecular bonding as mentioned above.
  • the bonding energies have higher values when the assembly by molecular bonding is carried out directly between the dielectric bonding layer 1001 and the support substrate 100 without the presence of a dielectric bonding layer present. on this support substrate 100 as is known from the prior art.
  • the bonding energies can thus reach high values greater than 1J / m 2 . These energies are high enough to allow stable mechanical strength during subsequent steps such as the thinning step or a consolidation annealing step.
  • the molecular adhesion step is preferably carried out at room temperature, ie approximately 20 ° C. It is however possible to carry out this direct hot bonding at a temperature between 20 ° C and 50 ° C. What's more, the bonding step is advantageously carried out at low pressure, that is to say at a pressure less than or equal to 5 mTorr (1 Torr is exactly 101325/760 pascals, or approximately 133.322 Pa), which makes it possible to desorb the water from the surfaces forming the bonding interface. Carrying out the vacuum bonding step further improves the desorption of water at the bonding interface.
  • the substrate of piezoelectric material 20 has a rough surface suitable for reflecting a radiofrequency wave.
  • rough surface is meant in the present text a surface whose roughness is of the same order of magnitude as the wavelength of the RF waves intended to propagate in the piezoelectric layer of the resonator or filter, so as to allow reflection. parasitic waves in all directions so that they no longer contribute to the output signal of the resonator or filter in question.
  • the roughness of such a surface is between 1.0 and 1.8 ⁇ m measured peak-to-valley (in "peak to valley” terminology).
  • the dielectric bonding layer 1001 has a thickness greater than the roughness, the flatness is obtained by a chemical and / or mechanical etching step.
  • the dielectric bonding layer 1001 comprises a layer of silicon oxide deposited on the substrate of piezoelectric material 20, preferably by chemical vapor deposition assisted by plasma.
  • the dielectric bonding layer 1001 is a layer of silicon oxide, or a layer of silicon nitride, or a layer comprising a combination of nitride and silicon oxide, or a superposition of at least one oxide layer and one silicon nitride layer, preferably obtained by plasma-assisted chemical vapor deposition.
  • a bonding interface consolidation annealing is carried out to reinforce the mechanical strength of the piezoelectric structure.
  • the consolidation annealing is normally carried out at temperatures less than or equal to 300 ° C., for a period varying from a few minutes up to a few hours.
  • this annealing is carried out at a temperature below the deposition temperature of said dielectric bonding layer 1001, and thus makes it possible to increase the bonding energy without however, cause a defect at the bonding interface due to the presence of any impurities (such as hydrogen) and their degassing and migration to this interface during such annealing.
  • impurities such as hydrogen
  • FIG. 1 diagrammatically represents the step of thinning 2' which can be implemented. work for example by chemical and / or mechanical etching (polishing, grinding, milling, ..). Thus, the layer of piezoelectric material 200 can be obtained.
  • the thinning step can also consist in applying the SmartCut TM method. This method is illustrated diagrammatically in FIG.
  • the thinning step is generally carried out at a temperature below 300 ° C., more particularly at room temperature.
  • the thinning step is generally carried out at a temperature below the deposition temperature of said dielectric bonding layer 1001 which makes it possible to avoid the presence of defects at the bonding interface mentioned above due to the presence of any impurities (such as hydrogen) and their degassing and migration to this interface during such a thinning step.
  • impurities such as hydrogen
  • FIG. 2 diagrammatically represents an embodiment of a method of transferring a piezoelectric layer 200 ′ onto a final substrate 300 ′, comprising the provision of a piezoelectric structure 10 (obtained according to the method represented schematically in FIG. 1 knowing that the invention is not limited to this embodiment), the formation of a 0 ”weakening zone in the layer of piezoelectric material 200 so as to delimit the piezoelectric layer 200 'to be transferred from the remaining layer 201 of the layer of piezoelectric material 200, the provision of the final substrate 300 ', a step of assembling the layer of piezoelectric material 200 on the final substrate 300', a detachment step 2 ”which includes the fracture and separation of the structure piezoelectric 10 'along the weakening zone thus forming the heterostructure 30' comprising the piezoelectric layer 200 'on the final substrate 300'.
  • the detachment step is preferably carried out at a temperature below 300 ° C or, in the case where the dielectric bonding layer 1001 is formed by deposition at low temperature, less than or equal to the deposition temperature of the bonding layer 1001 dielectric, preferably at a temperature less than or equal to 300 ° C.
  • the assembly step 1 ′′ of the piezoelectric structure 10 on the final substrate 300 ′, preferably of silicon material, is preferably carried out by a molecular adhesion step.
  • This molecular adhesion step comprises a bonding step, preferably at room temperature, and can be followed by a consolidation annealing of the bonding interface.
  • the formation of the 0 "weakening zone is carried out by implanting atomic species in the layer of piezoelectric material 200.
  • the 0" implantation step is carried out. with hydrogen ions.
  • An interesting alternative well known to those skilled in the art consists in replacing all or part of the hydrogen ions with helium ions.
  • a hydrogen implantation dose will typically be between 6x10 16 crrr 2 and 1x10 17 cm -2 .
  • the implantation energy will typically be between 50 to 170 keV.
  • the detachment typically takes place at temperatures between 150 and 300 ° C. Thicknesses of the piezoelectric layer 200 ′ of the order of 10 nm to 500 nm are thus obtained.
  • the final substrate 300 ′ and the support substrate 100 can advantageously have an identical coefficient of thermal expansion, or at least very close, which allows better mechanical strength and less deformation during interface consolidation annealing of collage.
  • the two substrates can be identical in nature, substantially made of silicon apart from the dielectric bonding layers or any trapping layer that may be present. The latter are not of sufficient thickness to significantly influence the benefit of the "sandwich" structure having a final substrate 300 ′ and a support substrate 100 of the same material.
  • additional technological steps are advantageously added with the aim of either reinforcing the bonding interface, or of recovering good roughness, or of curing any defects that may be generated during the implantation step (or again to prepare the surface for the resumption of other process steps such as the formation of electrodes for the SAW type device for example).
  • These steps are for example polishing, chemical etching (wet or dry), annealing, chemical cleaning. They can be used alone or in combination that those skilled in the art will be able to adjust.
  • the support substrate 100 and / or the final substrate 300 ′ can be a silicon substrate having an electrical resistivity greater than 1 k.ohm.cm.
  • This support substrate 100 and / or final substrate 300 ′ may also include a charge trapping layer placed on the surface of this silicon substrate intended to be assembled.
  • the trapping layer can comprise undoped polysilicon.
  • the base silicon substrate may have a standard resistivity, less than 1 k.ohm.cm. In general, it is a non-crystalline layer exhibiting structural defects such as dislocations, grain boundaries, amorphous zones, interstices, inclusions, pores ...
  • this trapping layer is formed from a layer of polysilicon. Its thickness, in particular when it is formed on an electrically resistive silicon base substrate, can be between 0.3 ⁇ m to 3 ⁇ m. But other thicknesses less than or greater than this range are quite possible, depending on the level of RF performance expected.
  • an amorphous layer made of silicon dioxide for example, can advantageously be provided on this substrate before the deposition of the charge trapping layer.
  • the trapping layer can be formed by implanting a heavy species, such as argon, in a surface thickness of the substrate, in order to form the structural defects therein constituting the electric traps.
  • This layer can also be formed by porosification of a surface thickness of the substrate.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une structure piézoélectrique (10) pour dispositif radiofréquence, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la fourniture d'un substrat de matériau piézoélectrique (20), la fourniture d'un substrat support (100), la fourniture d'une couche de collage (1001) 5 diélectrique sur le substrat de matériau piézoélectrique (20), une étape d'assemblage (1') du substrat de matériau piézoélectrique (20) sur le substrat support (100) par l'intermédiaire de la couche de collage (1001) diélectrique, une étape d'amincissement (2') pour former la structure piézoélectrique (10) consistant une couche de matériau piézoélectrique (200) assemblé à un 10 substrat support (100) via l'intermédiaire de la couche de collage (1001) diélectrique.

Description

Procédé de fabrication d’une structure piézoélectrique pour dispositif radiofréquence et pouvant servir pour le transfert d’une couche piézoélectrique, et procédé de transfert d’une telle couche piézoélectrique
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une structure piézoélectrique pour dispositif radiofréquence et pouvant servir pour le transfert d’une couche piézoélectrique, et procédé de transfert d’une telle couche piézoélectrique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il est connu de fabriquer un dispositif radiofréquence (RF), tel qu’un résonateur ou filtre, sur un substrat comprenant successivement, de sa base vers sa surface, un substrat support, généralement en un matériau tel que le silicium ou le sapphire, une couche intermédiaire de collage et une couche piézoélectrique. Les filtres à ondes acoustiques de surface (« SAW », acronyme du terme anglo-saxon « Surface Acoustic Wave ») comprennent typiquement une couche piézoélectrique et deux électrodes sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Selon le fonctionnement du filtre SAW l’épaisseur de la couche piézoélectrique peut être de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres jusqu’à plusieurs dizaines de pm. Pour ces derniers il existe des modes parasites de propagation qui s’étendent dans l’épaisseur de la couche piézoélectrique et sont susceptible de se refléter à l’interface avec le substrat support sous-jacent. Ce phénomène est appelé « rattle » en anglais. Pour éviter ces modes parasites, il est connu de faire en sorte que la surface de la couche piézoélectrique située à l’interface avec la couche intermédiaire de collage soit suffisamment rugueuse pour permettre une réflexion des ondes parasites dans toutes les directions. Compte tenu de la longueur d’onde considérée de fonctionnement du résonateur, la rugosité de la surface rugueuse de la couche piézoélectrique est très élevée, de l’ordre de même grandeur que la longueur d’onde de fonctionnement (quelques pm).
La couche piézoélectrique est typiquement obtenue par transfert d’un substrat épais d’un matériau piézoélectrique (par exemple obtenu par découpe d’un lingot) sur un substrat support. Le substrat support est par exemple un substrat de silicium.
Le transfert de la couche piézoélectrique implique un collage du substrat piézoélectrique épais sur le substrat support, suivi d’un amincissement du substrat piézoélectrique épais, de sorte à ne laisser sur le substrat support qu’une couche piézoélectrique mince, de l’épaisseur souhaitée pour la fabrication du dispositif RF.
Pour une bonne adhésion du substrat piézoélectrique sur le substrat support, on procède généralement à un dépôt d’une couche d’oxyde (par exemple un oxyde de silicium S1O2) sur chacun des deux substrats, et on colle lesdits substrats par l’intermédiaire desdites couches d’oxyde.
D’une part, le matériau piézoélectrique et le matériau du substrat support présentant des coefficients de dilatation thermique très différents, la mise en œuvre d’un tel recuit engendre une déformation importante de l’assemblage.
D’autre part, le dépôt d’une couche d’oxyde sur le substrat piézoélectrique épais provoque une courbure (« bow » selon la terminologie anglo-saxonne) importante dudit substrat piézoélectrique, peu compatible avec les étapes ultérieures du procédé, qui sont adaptées à des substrats plans. Enfin, comme mentionné plus haut, l’hétérostructure ne peut être soumise au recuit de consolidation en raison des différences de coefficients de dilatation thermique entre le substrat piézoélectrique épais et le substrat de manipulation. Or, l’absence du recuit de consolidation, l’énergie de collage des couches d’oxyde des deux substrats reste très faible, de sorte que la tenue mécanique du pseudo-substrat donneur est insuffisante. Par conséquent, une rupture au niveau de l’interface de collage peut se produire lors de l’étape de l’amincissement du substrat piézoélectrique épais.
Pour assurer une bonne adhésion entre le substrat piézoélectrique épais et le substrat support, en particulier dans le cas où le substrat piézoélectrique épais a une rugosité importante, le procédé actuel nécessite un grand nombre d’étapes telles que le dépôt de plusieurs couches d’oxyde suivi de polissage mécano-chimique (CMP, acronyme anglo-saxon du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing ») desdites couches d’oxyde, lesdites couches d’oxyde déposé de manière alternée sur les deux faces du substrat piézoélectrique épais afin d’éviter une courbure importante rendant impossible le collage.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention vise à pallier ces limitations de l’état de la technique en proposant un procédé de fabrication d’une structure piézoélectrique pour dispositif radiofréquence, pouvant aussi servir pour le transfert d’une couche piézoélectrique, et procédé de transfert d’une telle couche piézoélectrique.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure piézoélectrique pour dispositif radiofréquence, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la fourniture d’un substrat de matériau piézoélectrique, la fourniture d’un substrat support, la fourniture d’une couche de collage diélectrique sur le substrat de matériau piézoélectrique, une étape d’assemblage du substrat de matériau piézoélectrique sur le substrat support par l’intermédiaire de la couche de collage diélectrique, une étape d’amincissement pour former la structure piézoélectrique consistant une couche de matériau piézoélectrique assemblé à un substrat support via l’intermédiaire de la couche de collage diélectrique.
Dans des modes de réalisation la couche de collage diélectrique comprend une couche d’oxyde de silicium déposée sur le substrat de matériau piézoélectrique par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Dans des modes de réalisation l’étape d’assemblage comprend un collage moléculaire entre la couche de collage diélectrique et le substrat support.
Dans des modes de réalisation le substrat de matériau piézoélectrique présente une surface rugueuse adaptée pour réfléchir une onde radiofréquence.
Dans des modes de réalisation l’épaisseur de la couche de collage diélectrique est comprise entre 200 nm et 500 nm.
Dans des modes de réalisation le substrat support comprend en outre une couche de piégeage destinée à être assemblée à la couche de collage diélectrique.
Dans des modes de réalisation la couche de piégeage est du silicium polycristallin.
Dans des modes de réalisation la couche de piégeage est obtenue par implantation d’espèces lourdes telles que l’argon.
Dans des modes de réalisation l’étape d’amincissement (2’) comprend une gravure et/ou un polissage mécano-chimique. L’invention concerne aussi procédé de transfert d’une couche piézoélectrique sur un substrat final, comprenant la fourniture d’une structure piézoélectrique obtenue par la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, la formation d’une zone de fragilisation dans la couche de matériau piézoélectrique de manière à délimiter la couche piézoélectrique à transférer, la fourniture du substrat final, une étape d’assemblage par le collage de la couche de matériau piézoélectrique sur le substrat final, une étape de détachement comprenant la fracture et la séparation de la structure piézoélectrique le long de la zone de fragilisation.
Dans des modes de réalisation la formation de la zone de fragilisation est effectuée par implantation d’espèces atomiques dans la couche de matériau piézoélectrique.
Dans des modes de réalisation le substrat final et le substrat support ont des coefficients de dilatation identiques. DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 illustre un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ainsi qu’un substrat selon ce mode de réalisation de l’invention ;
La figure 2 illustre un procédé de transfert selon un mode de réalisation de l’invention ; Pour favoriser la lisibilité des figures, les différentes couches ne sont pas nécessairement représentées à l’échelle.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
La figure 1 illustre un substrat support 100, préférentiellement de matériau silicium, sur lequel on transfère une couche de matériau piézoélectrique 200, de préférence de matériau piézoélectrique monocristallin, encore plus particulier de matériau tantalate de lithium ou niobate de lithium. D’autres matériaux de la couche de matériau piézoélectrique 200 peuvent être envisagés. La couche active 200 à être transférée peut aussi comprendre un matériau ferroélectrique, par exemple de LiTaOs, LiNbOs, LiAIC , BaTiOs, PbZrTiOs, KNbOs, BaZrOs, CaTiOs, PbTiOs ou de KTa03.
Le substrat donneur comprenant cette couche active peut prendre la forme d'une plaquette, circulaire, de dimension normalisée, par exemple de 150 mm ou 200 mm de diamètre. Mais l'invention n'est nullement limitée à ces dimensions ou à cette forme. Le substrat donneur peut avoir été prélevé d'un lingot de matériaux ferroélectrique, ce prélèvement ayant été réalisé de manière à ce que le substrat donneur présente une orientation cristalline prédéterminée, ou encore le substrat donneur peut comprendre une couche de matériau ferroélectrique assemblé à un substrat support. L'orientation cristalline de la couche active de matériau ferroélectrique à être transférée est choisie en fonction de l'application visée. Ainsi, en ce qui concerne le matériau LiTaC , il est usuel de choisir une orientation comprise entre 30° et 60°XY, ou entre 40° et 50°XY, en particulier dans le cas où l'on souhaite exploiter les propriétés de la couche mince pour former un filtre SAW. En ce qui concerne le matériau LiNbC il est usuel de choisir une orientation autour de 128° XY. Mais l'invention n’est nullement limitée à une orientation cristalline particulière. Quelle que soit l'orientation cristalline du matériau ferroélectrique du substrat donneur, le procédé comprend par exemple l'introduction d'espèces (ions et/ou atomes) d'hydrogène et/ou d'hélium dans ce substrat donneur. Cette introduction peut par exemple correspondre à une implantation d'hydrogène, c’est-à-dire, un bombardement ionique d'hydrogène de la face plane du substrat donneur. De façon connue en soi, les ions implantés ont pour but de former un plan de fragilisation délimitant une première couche de matériau ferroélectrique à transférer qui est située du côté de la face et une autre partie formant le reste du substrat. La nature, la dose des espèces implantées et le type d'ions implantés ainsi que l'énergie d'implantation sont choisies en fonction de l'épaisseur de la couche que l'on souhaite transférer et des propriétés physico-chimiques du substrat donneur. Dans le cas d'un substrat donneur en LiTaOs, on pourra ainsi choisir d'implanter une dose d’hydrogène comprise entre 1x1016 et 5x1017 at/cm2 avec une énergie comprise entre 30 et 300 keV pour délimiter une première couche de l'ordre de 10 à 2000 nm.
Le substrat support 100 de matériau silicium peut aussi être remplacé par un substrat support 100 de matériau sapphire, nitrure d’aluminium (AIN) polycristallin, verre, ou tout autre matériau ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur ou opposé au coefficient de dilatation thermique du matériau piézoélectrique de la couche de matériau piézoélectrique 200 (dans la présente invention on s’intéresse au coefficient de dilatation thermique dans un plan parallèle à la surface principale des substrats). Ainsi le substrat support 100 joue le rôle d’un raidisseur qui limite la dilatation de la structure piézoélectrique 10 lors de variation de température auxquelles elle est soumise, ce qui permet de diminuer le coefficient thermique de fréquence de la couche de matériau piézoélectrique 200, c’est-à-dire la mesure dans laquelle la fréquence d’une onde se propageant dans la couche de matériau piézoélectrique 200 varie en fonction de la température. Le silicium est particulièrement préféré car il permet d’ajouter des fonctionnalités permettant une isolation électrique pour des applications RF résultant de l’ajout d’une couche de piégeage en surface. L’utilisation du silicium a l’avantage d’ouvrir le champ d’application des films de matériau piézoélectrique non seulement a des équipements de grande taille type 300 mm mais aussi rendre compatible l’industrie microélectronique pour laquelle les exigences en terme d’acceptance sur la ligne de production de matériau exotique autre que silicium, en particulier tantalate de lithium ou niobate de lithium, sont élevées. On peut ainsi aussi envisager l’intégration de composants obtenus ou fabriqué dans la couche de matériau ferroélectrique voir piézoélectrique tels que des filtres SAW et/ou BAW avec des composants obtenus ou formés dans le substrat silicium tels que des transistors, amplificateur de puissance ou encore des commutateurs réseau (en terminologie anglosaxonne « switch »), ainsi réduisant les pertes dans les interconnections entre différents type de composants et rendant plus compact un tel système intégrant plusieurs composants.
La figure 1 représente schématiquement l’étape d’assemblage 1’ d’un substrat de matériau piézoélectrique 20 sur le substrat support 100, préférentiellement de matériau silicium. L’étape d’assemblage 1’ du substrat de matériau piézoélectrique 20 sur le substrat support 100, préférentiellement de matériau silicium, se fait préférentiellement par une étape d’adhésion moléculaire. Cette étape d’adhésion moléculaire comprend une étape de collage, préférentiellement à température ambiante, et peut être suivie d’un recuit de consolidation de l’interface de collage. II est aussi représenté schématiquement la formation d’une couche de collage 1001 diélectrique sur la face du substrat de matériau piézoélectrique 20 destinée à être assemblée sur le substrat support 100. De manière non- limitative on peut envisager un dépôt d’une telle couche de collage 1001 diélectrique sur une seule face du substrat de matériau piézoélectrique 20. Ce dépôt pourrait ainsi se faire à une température inférieure ou égale à 300 °C. De manière générale la température de dépôt de la couche de collage 1001 diélectrique est choisie telle que la déformation de courbure (en terminologie anglosaxonne « bow ») induite par la différence de coefficient de dilatation thermique entre le substrat de matériau piézoélectrique 20 et la couche de collage 1001 diélectrique reste compatible avec une étape de collage moléculaire, l’ensemble du substrat de matériau piézoélectrique 20 et la couche de collage 1001 diélectrique présentant une courbure inférieur ou égale à 100 pm. L’épaisseur de la couche de collage 1001 diélectrique est à considérer. Sur la gamme d’épaisseur envisagée variant entre 200 nm et 500 nm, une température de dépôt inférieur ou égale à 300 °C montre de bons résultats. Il a été constaté que non seulement la courbure (80 à 90 pm pour une épaisseur de 500 nm de la couche de collage 1001 diélectrique) reste en dessous de la valeur seuil compatible avec un collage moléculaire (environ 100 pm) mais qu’aussi la nature de la couche de collage 1001 diélectrique est telle que l’énergie de collage obtenue entre la couche de collage 1001 diélectrique et le substrat support 100 est améliorée. Un autre mode de réalisation peut prévoir le dépôt de couches de collage diélectrique sur les deux faces du substrat de matériau piézoélectrique, soit de manière simultanée soit de manière successive, de telle sorte que la courbure de l’ensemble des deux couches de collage diélectrique avec le substrat de matériau piézoélectrique 20 reste compatible avec un collage moléculaire comme mentionné ci-dessus. Il a été constaté de manière surprenante que les énergies de collages ont des valeurs plus élevées quand l’assemblage par collage moléculaire se fait directement entre la couche de collage 1001 diélectrique et le substrat support 100 sans la présence d’une couche de collage diélectrique présente sur ce substrat support 100 comme c’est connu de l’art antérieur. Les énergies de collage peuvent ainsi atteindre des valeurs élevées supérieur à 1J/m2. Ces énergies sont suffisamment élevées pour permettre une tenue mécanique stable lors des étapes ultérieures telles que l’étape d’amincissement ou d’un recuit de consolidation.
L’étape d’adhésion moléculaire est de préférence réalisée à température ambiante, soit environ 20 °C. Il est cependant possible de réaliser ce collage direct à chaud à une température comprise entre 20 °C et 50 °C. De plus, l’étape de collage est avantageusement effectuée à basse pression, c’est-à- dire à une pression inférieure ou égale à 5 mTorr (1 Torr vaut exactement 101325/760 pascals, soit environ 133,322 Pa), ce qui permet de désorber l’eau des surfaces formant l’interface de collage. Réaliser l’étape de collage sous vide permet d’améliorer encore davantage la désorption de l’eau à l’interface de collage.
Dans un mode de réalisation avantageux, le substrat de matériau piézoélectrique 20 présente une surface rugueuse adaptée pour réfléchir une onde radiofréquence. Par « surface rugueuse » on entend dans le présent texte une surface dont la rugosité est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde des ondes RF destinées à se propager dans la couche piézoélectrique du résonateur ou filtre, de manière à permettre la réflexion des ondes parasites dans toutes les directions pour qu’elles ne contribuent plus au signal de sorti du résonateur ou filtre en question. Dans le contexte de la présente invention, la rugosité d’une telle surface est comprise entre 1 ,0 et 1 ,8 pm mesurée en crête-à-creux (en terminologie anglosaxonne « peak to valley »). Pour combler cette rugosité la couche de collage 1001 diélectrique a une épaisseur supérieure à la rugosité, la planéité est obtenue par une étape de gravure chimique et/ou mécanique.
De manière préférentielle, la couche de collage 1001 diélectrique comprend une couche d’oxyde de silicium déposée sur le substrat de matériau piézoélectrique 20, préférentiellement par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Selon un autre mode de réalisation, la couche de collage 1001 diélectrique est une couche d’oxyde de silicium, ou une couche de nitrure de silicium, ou une couche comprenant une combinaison de nitrure et d’oxyde de silicium, ou une superposition d’au moins une couche d’oxyde et d’une couche de nitrure de silicium, préférentiellement obtenue par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Dans un mode de réalisation avantageux un recuit de consolidation d’interface de collage est effectué pour renforcer la tenue mécanique de la structure piézoélectrique. Le recuit de consolidation est normalement fait à des températures inférieures ou égales à 300 °C, pendant une durée variant de quelques minutes pouvant aller jusqu’à quelques heures. Dans le cas où la couche de collage 1001 diélectrique est formé par dépôt à basse température ce recuit est effectué à une température inférieure à la température de dépôt de ladite couche de collage 1001 diélectrique, et permet ainsi d’augmenter l’énergie de collage sans pour autant engendrer de défaut à l’interface de collage due à la présence d’impuretés quelconques (tel que l’hydrogène) et leur dégazage et migration vers cette interface lors d’un tel recuit.
Comme représenté schématiquement dans la figure 1 il suit une étape d’amincissement 2’ du substrat de matériau piézoélectrique 20 après avoir été assemblé sur le substrat support 100. La figure 1 représente schématiquement l’étape d’amincissement 2’ qui peut être mise en œuvre par exemple par gravure chimique et/ou mécanique (polissage, meulage, fraisage, ..). Ainsi on peut obtenir la couche de matériau piézoélectrique 200. L’étape d’amincissement peut aussi consister à appliquer la méthode SmartCut™ Cette méthode est illustré schématiquement dans la figures 2 et consiste en la formation d’une zone de fragilisation dans la couche à transférer de manière à délimiter la couche à transférer de la couche restante du substrat choisi pour le transfert, la fourniture d’un substrat receveur sur lequel on transfère la couche à transférer, une étape d’assemblage de la couche à transférer sur le substrat receveur généralement par collage moléculaire, puis une étape de détachement qui comprend la fracture et la séparation le long de la zone de fragilisation ainsi formant une hétérostructure comprenant la couche à transférer sur le substrat receveur. L’étape d’amincissement est faite de manière générale à une température inférieure à 300 °C, plus particulièrement à température ambiante. Dans le cas où la couche de collage 1001 diélectrique est formé par dépôt à basse température l’étape d’amincissement est faite de manière générale à une température inférieure à la température de dépôt de ladite couche de collage 1001 diélectrique ce qui permet d’éviter la présence de défauts à l’interface de collage mentionnés ci-dessus due à la présence d’impuretés quelconques (tel que l’hydrogène) et leur dégazage et migration vers cette interface lors d’une telle étape d’amincissement.
La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d’un procédé de transfert d’une couche piézoélectrique 200’ sur un substrat final 300’, comprenant la fourniture d’une structure piézoélectrique 10 (obtenu selon le procédé représenté schématiquement dans la figure 1 sachant que l’invention n’est pas limité à ce mode de réalisation), la formation d’une zone de fragilisation 0” dans la couche de matériau piézoélectrique 200 de manière à délimiter la couche piézoélectrique 200’ à transférer de la couche restante 201 de la couche de matériau piézoélectrique 200, la fourniture du substrat final 300’, une étape d’assemblage de la couche de matériau piézoélectrique 200 sur le substrat final 300’, une étape de détachement 2” qui comprend la fracture et la séparation de la structure piézoélectrique 10’ le long de la zone de fragilisation ainsi formant la hétérostructure 30’ comprenant la couche piézoélectrique 200’ sur le substrat final 300’. L’étape de détachement se fait préférentiellement à une température inférieure à 300 °C ou, dans le cas où la couche de collage 1001 diélectrique est formé par dépôt à basse température, inférieure ou égale à la température de dépôt de la couche de collage 1001 diélectrique, préférentiellement à une température inférieure ou égale à 300 °C.
L’étape d’assemblage 1 ” de la structure piézoélectrique 10 sur le substrat final 300’, préférentiellement de matériau silicium, se fait préférentiellement par une étape d’adhésion moléculaire. Cette étape d’adhésion moléculaire comprend une étape de collage, préférentiellement à température ambiante, et peut être suivie d’un recuit de consolidation de l’interface de collage. Pour le procédé de transfert représenté schématiquement dans la figure 2, la formation de la zone de fragilisation 0” est effectuée par implantation d’espèces atomiques dans la couche de matériau piézoélectrique 200. De manière générale l’étape d’implantation 0” se fait avec des ions hydrogène. Une alternative intéressante bien connue de l’homme de l’art consiste à remplacer tout ou partie des ions hydrogène par des ions hélium.
Pour une couche de matériau piézoélectrique 200 de tantalate de lithium une dose d’implantation d’hydrogène sera typiquement comprise entre 6x1016 crrr 2 et 1x1017 cm-2. L’énergie d’implantation sera typiquement comprise entre 50 à 170 keV. Ainsi le détachement se fait typiquement à des températures entre 150 et 300 °C. On obtient ainsi des épaisseurs de la couche piézoélectrique 200’ de l’ordre de 10 nm à 500 nm.
Le substrat final 300’ et le substrat support 100 peuvent, de manière avantageuse, avoir un coefficient de dilatation thermique identique, ou au moins très proche, ce qui permet une meilleur tenue mécanique et moins de déformation lors de recuit de consolidation d’interface de collage. Les deux substrats peuvent être de nature identique, substantiellement fait de silicium en dehors des couches de collage diélectrique ou d’une couche de piégeage éventuellement présente. Ces dernières n’ont pas une épaisseur suffisante pour influencer de manière significative le bénéfice de la structure « sandwich » ayant un substrat final 300’ et un substrat support 100 de même matériau.
Juste après l’opération de détachement, des étapes technologiques additionnelles sont avantageusement ajoutées dans le but soit de renforcer l’interface de collage, soit de récupérer une bonne rugosité, soit de guérir les défauts éventuellement générés pendant l’étape d’implantation (ou encore pour préparer la surface à la reprise d’autres étapes de procédé telles que la formation d’électrodes pour le dispositif de type SAW par exemple). Ces étapes sont par exemple un polissage, une gravure chimique (humide ou sèche), un recuit, un nettoyage chimique. Ils peuvent être utilisés seuls ou en combinaison que l’homme de l’art saura ajuster.
Dans des modes de réalisations avantageux, le substrat support 100 et/ou le substrat final 300’ peuvent être un substrat en silicium présentant une résistivité électrique supérieure à 1 k.ohm.cm. Ce substrat support 100 et/ou substrat final 300’ peut également comporter une couche de piégeage de charges disposée en surface de ce substrat en silicium destinée à être assemblée. La couche de piégeage peut comprendre du silicium polycristallin non dopé. Dans certaines circonstances, et notamment lorsque la couche de piégeage présente une épaisseur suffisante, par exemple supérieure à 30 pm, le substrat de base en silicium peut présenter une résistivité standard, inférieur à 1 k.ohm.cm. D’une manière générale, il s’agit d’une couche non- cristalline présentant des défauts structurels tels que des dislocations, des joints de grains, des zones amorphes, des interstices, des inclusions, des pores... Ces défauts structurels forment des pièges pour les charges susceptibles de circuler dans le matériau, par exemple au niveau de liaisons chimiques non complètes ou pendantes. On prévient ainsi la conduction dans la couche de piégeage qui présente en conséquence une résistivité élevée. De manière avantageuse, et pour des raisons de simplicité de mise en œuvre, cette couche de piégeage est formée d'une couche de silicium polycristallin. Son épaisseur, notamment lorsqu'elle est formée sur un substrat de base en silicium électriquement résistif, peut être comprise entre 0,3 pm à 3 pm. Mais d'autres épaisseurs inférieures ou supérieures à cet intervalle sont tout à fait envisageables, selon le niveau de performance RF attendu. Afin de chercher à préserver la qualité polycristalline de cette couche au cours des traitements thermiques que peut subir le substrat support 100 ou le substrat final 300’, on peut avantageusement prévoir une couche amorphe, en dioxyde de silicium par exemple, sur ce substrat avant le dépôt de la couche de piégeage de charges. On peut alternativement former la couche de piégeage par une implantation d’espèce lourde, tel que de l’argon, dans une épaisseur superficielle du substrat, afin d’y former les défauts structurels constituant les pièges électriques. On peut également former cette couche par porosification d’une épaisseur superficielle du substrat.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’une structure piézoélectrique (10) pour dispositif radiofréquence, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la fourniture d’un substrat de matériau piézoélectrique (20), la fourniture d’un substrat support (100), la fourniture d’une couche de collage (1001) diélectrique sur le substrat de matériau piézoélectrique (20), une étape d’assemblage (T) du substrat de matériau piézoélectrique (20) sur le substrat support (100) par l’intermédiaire de la couche de collage (1001) diélectrique, une étape d’amincissement (2’) pour former la structure piézoélectrique (10) consistant d’une couche de matériau piézoélectrique (200) assemblé à un substrat support (100) via l’intermédiaire de la couche de collage (1001) diélectrique.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche de collage (1001) diélectrique comprend une couche d’oxyde de silicium déposée sur le substrat de matériau piézoélectrique (20) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’assemblage (T) comprend un collage moléculaire entre la couche de collage (1001) diélectrique et le substrat support (100).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat de matériau piézoélectrique (20) présente une surface rugueuse adaptée pour réfléchir une onde radiofréquence.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche de collage (1001) diélectrique est comprise entre 200 nm et 500 nm.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat support (100) comprend en outre une couche de piégeage destinée à être assemblée à la couche de collage (1001) diélectrique.
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche de piégeage est du silicium polycristallin.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la couche de piégeage est obtenue par implantation d’espèces lourdes telles que l’argon.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’amincissement (2’) comprend une gravure et/ou un polissage mécano-chimique.
10. Procédé de transfert d’une couche piézoélectrique (200’) sur un substrat final (300’), comprenant la fourniture d’une structure piézoélectrique (10) obtenue par la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, la formation d’une zone de fragilisation (0”) dans la couche de matériau piézoélectrique (200) de manière à délimiter la couche piézoélectrique (200’) à transférer, la fourniture du substrat final (300’), une étape d’assemblage (1”) par collage de la couche de matériau piézoélectrique (200) sur le substrat final (300’), une étape de détachement (2”) comprenant la fracture et la séparation de la structure piézoélectrique (10) le long de la zone de fragilisation.
11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la formation de la zone de fragilisation est effectuée par implantation d’espèces atomiques dans la couche de matériau piézoélectrique (200).
12. Procédé selon l’une des revendications 10 ou 11, dans lequel le substrat final (300’) et le substrat support (100) ont des coefficients de dilatation identiques.
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