EP4606194A1 - Procede de fabrication d'une couche piezoelectrique sur un substrat - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche piezoelectrique sur un substrat

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Publication number
EP4606194A1
EP4606194A1 EP23813006.6A EP23813006A EP4606194A1 EP 4606194 A1 EP4606194 A1 EP 4606194A1 EP 23813006 A EP23813006 A EP 23813006A EP 4606194 A1 EP4606194 A1 EP 4606194A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
seed layer
formation
donor substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP23813006.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ludovic Ecarnot
Bich-Yen Nguyen
Christophe Maleville
Ionut Radu
Walter Schwarzenbach
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of EP4606194A1 publication Critical patent/EP4606194A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H10N30/706—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings characterised by the underlying bases, e.g. substrates
    • H10N30/708—Intermediate layers, e.g. barrier, adhesion or growth control buffer layers

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric layer on a substrate.
  • Different acoustic components are used for filtering in the radio frequency domain, including surface acoustic wave filters, known by the acronym SAW (from the Anglo-Saxon term “Surface Acoustic Wave”), which typically comprise a thick piezoelectric layer (c that is to say with a thickness generally of several tens of nm to several tens of pm) and two electrodes in the form of two interdigitated metal combs deposited on the surface of said piezoelectric layer.
  • An electrical signal typically a variation in electrical voltage, applied to an electrode is converted into an elastic wave which propagates on the surface of the piezoelectric layer. The propagation of this elastic wave is favored if the frequency of the wave corresponds to the frequency band of the filter.
  • the piezoelectric layer must have excellent crystalline quality so as not to cause attenuation of the surface wave. We will therefore prefer here to use a monocrystalline layer.
  • suitable materials for industrial use are quartz, LiNbOs or LiTaCX.
  • the piezoelectric layer is obtained by cutting an ingot of one of said materials, which results in low precision for the thickness of said layer as well as a non-uniform thickness over the entire layer.
  • the diameters of the ingots of piezoelectric materials are smaller than the diameters of the ingots of materials used for the substrate, such as silicon for example.
  • the substrate such as silicon for example.
  • An aim of the invention is to design a method of manufacturing a substrate for a microelectronic, photonic or optical device, in particular but not limited to a surface acoustic wave device, in particular by making it possible to obtain thick layers (i.e. thickness greater than 5 pm, or even greater than 15 pm), uniform, high quality and large diameter (i.e. diameter greater than 15 or 20 cm).
  • a method of manufacturing a piezoelectric layer on a substrate characterized in that it comprises;
  • the transfer of the seed layer and the portion of the donor substrate comprises the following steps: the formation of a weakened zone in the donor substrate so as to delimit the portion to be transferred, the assembly of the donor substrate on the recipient substrate, the seed layer being at the assembly interface, the detachment of the donor substrate along the weakening zone, and the formation of the seed layer on the donor substrate is carried out before the formation of the zone of weakness.
  • the transfer of the seed layer and the portion of the donor substrate comprises the following steps:
  • the seed layer being at the assembly interface
  • the weakened zone can be formed by ion implantation, in particular hydrogen and/or helium, in the donor substrate.
  • the formation of the seed layer on the donor substrate is carried out by atomic layer deposition.
  • the formation of the seed layer on the donor substrate is carried out by molecular beam epitaxy.
  • the formation of the single crystal layer of the second piezoelectric material is carried out by a second epitaxy.
  • the second epitaxy of the second piezoelectric material on the seed layer is an organometallic chemical vapor deposition.
  • the formation of the monocrystalline layer on the seed layer is carried out by deposition of the second piezoelectric material in amorphous form followed by recrystallization of said second material.
  • the thickness of the seed layer is between 2 nm and 20 nm.
  • the portion of the donor substrate transferred to the recipient substrate has a thickness of less than 2 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m.
  • the thickness of the layer of the second piezoelectric material at the end of the second epitaxy is between 20 nm and 15 pm.
  • the method comprises, after the formation of the monocrystalline layer of the second piezoelectric material, the transfer of at least part of the layer of the second piezoelectric material onto a final substrate.
  • the part of the layer of the second piezoelectric material transferred to the final substrate has a thickness of less than 2 pm, preferably less than 1 pm.
  • the receiving substrate or the final substrate may comprise at least one electronic device or an interconnection.
  • the receiving substrate or the final substrate may comprise a charge trapping layer.
  • the first piezoelectric material and the second piezoelectric material may be identical. Alternatively, the first piezoelectric material and the second piezoelectric material may be different.
  • an intermediate layer suitable for the epitaxial growth of the seed layer on the donor substrate can be formed on the donor substrate before the formation of the seed layer.
  • Another subject relates to a method of manufacturing a surface acoustic wave device, comprising the formation of two interdigitated electrodes on the surface of a piezoelectric layer, characterized in that it comprises the manufacture of the piezoelectric layer by a method as described above.
  • Another subject relates to a method of manufacturing a photonic device, comprising the formation of at least one photonic component, such as a laser or a light-emitting diode, at least partly in a piezoelectric layer, characterized in that it comprises the manufacture of the piezoelectric layer by a method as described above.
  • a surface acoustic wave device characterized in that it comprises a piezoelectric layer capable of being obtained by a method as described above, and two interdigitated electrodes on one face of the piezoelectric layer.
  • Another object relates to a photonic device, characterized in that it comprises a piezoelectric layer capable of being obtained by a method as described above, and at least one photonic component, such as a laser, a modulator, a waveguide or a multiplexer, formed at least partly in said piezoelectric layer.
  • a photonic component such as a laser, a modulator, a waveguide or a multiplexer
  • the invention also relates to a structure comprising at least one such surface acoustic wave device and such a photonic device, comprising the same piezoelectric layer in which said surface acoustic wave device and said photonic device are arranged.
  • Figure 1 is a principle sectional view of a surface acoustic wave filter
  • Figures 2A and 2B illustrate two first successive steps of the process for manufacturing a monocrystalline piezoelectric layer according to a first embodiment of the invention
  • Figures 3A and 3B illustrate two first successive steps of said process according to a second embodiment of the invention
  • Figures 4 to 8 illustrate successive steps of said method according to the first or second embodiment of the invention
  • Figures 9 to 11 illustrate optional subsequent steps of said method.
  • Figure 1 is a principle view of a surface acoustic wave filter.
  • the seed layer is pseudomorphic, that is to say that the real mesh parameter of the material of the seed layer is forced, for example by atomic forces, to correspond substantially to the mesh parameter of the donor substrate on which it is trained.
  • the thickness of the seed layer must not exceed a critical thickness beyond which there would be stress relaxation and generation of defects in the seed layer. This critical thickness depends on the material of the seed layer.
  • the critical thickness is typically less than 5 nm for a germanium seed layer formed on a silicon substrate.
  • the critical thickness is between 2 nm and 20 nm depending on the materials chosen for the seed layer and for the substrate.
  • a single crystal germanium layer can be formed on a silicon donor substrate to promote layer growth. seed of the first piezoelectric material.
  • the intermediate layer can be made of single-crystal strontium titanate (SrTiOs), single-crystal aluminum oxide (AI2O3), single-crystal lanthanum aluminate (LaAIO3), or a single-crystal metal such as, for example, aluminum.
  • the recipient substrate has a mechanical support function for the seed layer. It can be of any type adapted to the implementation of epitaxy (particularly in terms of temperature resistance) and, advantageously but not necessarily, adapted to the intended application. It can be solid or composite.
  • the receiving substrate may comprise at least one electronic device or an interconnection.
  • At least one intermediate layer is interposed between the recipient substrate and the seed layer.
  • an intermediate layer may be electrically conductive or electrically insulating.
  • This intermediate layer allows the free relaxation of the seed layer.
  • the pseudomorphic transferred seed layer can thus freely resume its mesh parameter during the transfer, or between the transfer and the formation of the second layer of the second piezoelectric material, or even during the formation of the second layer of the second piezoelectric material.
  • the material of the intermediate layer can advantageously be chosen from silicon oxide (SiC>2), a nitride or a metal.
  • Said intermediate layer can be formed on the donor substrate (on the seed layer) or on the recipient substrate.
  • this is an intermediate layer of silicon oxide, it can be deposited or obtained by thermal oxidation.
  • the technique for forming said layer is chosen in particular depending on the substrate on which it must be formed and any limits (for example, thermal) to be respected. For example, if the intermediate layer is formed on the recipient substrate and the latter contains electronic components, a technique will be chosen with a thermal budget that does not risk damaging said components.
  • the receiving substrate can be made of semiconductor material. It may for example be a silicon substrate.
  • the receiver substrate comprises a “trap-rich” type layer (which can be translated into French as a charge trapping layer) , which can either be formed on the recipient substrate or formed in a surface region of the recipient substrate.
  • Said “trap-rich” type layer is thus located between the seed layer and the recipient substrate and makes it possible to improve insulation performance. electrical of the receiving substrate.
  • Said “trap-rich” type layer can be formed by at least one semiconductor material of polycrystalline, amorphous or porous type, in particular polycrystalline silicon, amorphous silicon or porous silicon, without being limited to these materials.
  • the seed layer has a negligible thickness compared to the thickness of the final monocrystalline piezoelectric layer. Consequently, it is considered that it does not significantly influence the operation of the radio frequency device incorporating the monocrystalline piezoelectric layer.
  • the seed layer typically has a thickness of between 1 nm and 20 nm.
  • the thickness of the layer of the second piezoelectric material formed on the seed layer depends on the specifications of the device intended to incorporate the single-crystal piezoelectric layer. In this regard, the thickness of the layer formed on the seed layer is not limited either in terms of minimum value or maximum value. The thickness of the final piezoelectric layer is typically between 20 nm and 15 pm.
  • the first piezoelectric material is advantageously chosen from a compound of formula ABO3, where A is chosen from barium and lithium and B is chosen from titanium and niobium.
  • A is chosen from barium and lithium
  • B is chosen from titanium and niobium.
  • the interest that we can have in these materials is not limited to their piezoelectric nature. Particularly for other applications, for example linked to integrated optics, we could also be interested if necessary for their dielectric permittivity, for their refractive indices, or even for their pyroelectric, ferroelectric or even ferromagnetic properties for example and depending on the case.
  • the first epitaxy can be carried out by any technique adapted to obtain high crystal quality, in particular by atomic layer deposition (ALD, acronym of the Anglo-Saxon term “Atomic Layer Deposition”) or by molecular beam epitaxy (MBE, acronym of the term Anglo-Saxon “Molecular Beam Epitaxy”), etc.
  • ALD atomic layer deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • These techniques are characterized by a very low growth speed.
  • the seed layer having a small thickness the use of one of these techniques to grow the seed layer has a low economic impact on the process but makes it possible to obtain a crystalline quality of the seed layer, which will promote the crystalline quality of the monocrystalline layer of the second piezoelectric material.
  • the formation of the layer of the second piezoelectric material on the seed layer can be carried out by a second epitaxy.
  • amorphous material can be carried out by any technique known to those skilled in the art, and advantageously by MOCVD, by chemical vapor deposition carried out at subatmospheric pressure (LPCVD, acronym of the Anglo-Saxon term “Low- Pressure Chemical Vapor Deposition”), by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD, acronym of the Anglo-Saxon term “Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition”) or by spraying.
  • LPCVD subatmospheric pressure
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • the transfer of the seed layer typically involves a step of bonding the donor substrate and the recipient substrate, the seed layer and the intermediate relaxation layer being at the bonding interface, then a step of thinning the recipient substrate so as to expose the seed layer for subsequent epitaxy.
  • the bonding step can be carried out for example by direct molecular bonding of the “wafer bonding” type according to Anglo-Saxon terminology, with or without an additional intermediate layer.
  • the transfer is carried out according to the Smart CutTM process which is well known for the transfer of thin semiconductor layers, in particular silicon.
  • a weakening zone 101 which delimits a monocrystalline layer 103 to be transferred, comprising the seed layer and a portion of the donor substrate.
  • the implanted species are hydrogen or helium, alone or in combination.
  • the dose and the energy of implantation of these species are able to determine the dose and the energy of implantation of these species to form the zone of weakening at a determined depth, which is preferably between 0.2 pm and 0.6 pm: typically and still depending on the piezoelectric material and the implanted species considered, the dose is in the range of 2 E+16 to 2 E+17 ionic species/cm 2 , and the implantation energy is from 30keV to 500keV.
  • the buried weakened layer can also be obtained by any other means known to those skilled in the art, for example by porosification of the material, or even by laser irradiation. However, as explained below, there are transfer methods which do not require the implementation of ion implantation, and the present invention can be implemented with these methods.
  • Figures 3A and 3B illustrate a second embodiment of the method for manufacturing a monocrystalline piezoelectric layer.
  • the second embodiment is an alternative to the first embodiment, illustrated in Figures 2A and 2B, in which implantation in the donor substrate is carried out before the formation of the seed layer by a first epitaxy.
  • a donor substrate 100 is provided and, by ion implantation (shown schematically by the arrows) in the donor substrate 100, a weakening zone 101 is formed which delimits a single crystal layer 103 to be transferred.
  • a layer of a first monocrystalline piezoelectric material is grown by a first epitaxy on the layer to be transferred 103.
  • the donor substrate 100 imposes its mesh parameter and allows the growth of a good quality monocrystalline material.
  • the first piezoelectric material has a lattice parameter close to that of the donor substrate. Growth is stopped when the desired thickness of the seed layer is reached.
  • the donor substrate 100 is shown solid but, as indicated above, it could possibly be composite.
  • the thermal budget of the first epitaxy is lower than the thermal budget likely to cause fracture of the donor substrate along the zone of weakness.
  • the donor substrate retains its mechanical cohesion until the end of the growth of the seed layer.
  • a seed layer 102 is obtained on the donor substrate 100 in which a weakened zone has been formed by implantation and which defines a layer to be transferred 103 which includes the seed layer 102 .
  • At least one electrically insulating or electrically conductive intermediate relaxation layer 105 is formed on the surface of the receiving substrate 110.
  • the receiving substrate 110 may further comprise a charge trapping layer 107.
  • layer 107 has not been shown in the following figures.
  • the donor substrate 100 thus weakened is glued to the recipient substrate 110, the seed layer 102 and the intermediate relaxation layer 105 being at the bonding interface.
  • a detachment of the donor substrate 100 is carried out along the weakening zone 101.
  • Such detachment can be caused by any means known to those skilled in the art, for example thermal, mechanical, chemical, etc.
  • the layer 103 is thus transferred to the recipient substrate 110.
  • the remainder of the donor substrate can then be recovered, which can possibly be recycled.
  • a superficial part of the transferred layer is removed, for example by mechanical polishing and/or by chemical etching.
  • the purpose of this removal of material is to expose the seed layer 102.
  • a thinned layer 102 is obtained on the receiving substrate 110, which will serve as the seed layer in the next step.
  • a layer of a second piezoelectric material 104 is formed on the seed layer 102.
  • the material of the layer 104 has a mesh parameter close to or identical to that of the seed layer 102.
  • the layer seed 102 imposes its mesh parameter and allows the growth of a good quality monocrystalline material.
  • Layer 104 may be of a slightly different nature compared to seed layer 102, in particular by the controlled introduction of slight levels of impurities for various purposes (doping, adjustment of piezoelectric properties, optimization of crystalline defect/dislocation densities, surfactant, etc.).
  • the growth is stopped when the desired thickness for the single-crystal piezoelectric layer is reached.
  • the final piezoelectric layer 10 is formed from the stack of the seed layer 102 and the layer 104.
  • the first piezoelectric material and the second piezoelectric material may be identical.
  • the first piezoelectric material and the second piezoelectric material may be different.
  • the seed layer is considered to have no effect or a second order effect on the operation of a radio frequency device incorporating the piezoelectric layer formed on the seed layer. Consequently, even if the implantation carried out for the implementation of the Smart CutTM process damages the seed layer and disrupts its piezoelectric properties, these defects are not or only slightly penalizing.
  • no weakening zone is formed in the donor substrate.
  • the transfer of the seed layer to the recipient substrate is carried out by assembling the donor substrate on the recipient substrate then etching the donor substrate until the seed layer is exposed.
  • This embodiment is, however, less preferred than that involving the formation of a weakened zone in the donor substrate, because it causes a greater loss of material.
  • no weakening zone is formed in the donor substrate but a detachable interface is formed by chemical or thermal reaction.
  • the transfer of the seed layer to the recipient substrate is carried out by assembly of the donor substrate on the recipient substrate then by detachment of the interface following a chemical or thermal reaction in order to expose the seed layer.
  • a substrate for a surface acoustic wave device which comprises a receiver substrate 110 and a monocrystalline piezoelectric layer 10 on said substrate 110.
  • a substrate can also prove useful for other applications, for example for photonics and integrated optics.
  • Layer 10 is characterized by the presence of two portions having different characteristics:
  • a second portion 104 extending from the first portion 102, corresponding to the layer formed on the portion 102, which may have a crystalline quality different from that of the first portion (said quality being able to be adjusted and optimized during the the stage of the second epitaxy for example) and/or a different composition (in particular if impurities, such as dopants, have been introduced during the epitaxy), possibly conferring particular properties on the layer formed on the portion 102.
  • This substrate is advantageously used to manufacture a surface acoustic wave device as illustrated in Figure 1 and/or any other microelectronic, photonic or optical device comprising a piezoelectric layer.
  • the recipient substrate onto which the seed layer is transferred may not be optimal for the intended application. Indeed, in certain embodiments, the recipient substrate having to undergo the operating conditions of epitaxy, the choice of suitable materials is limited. In particular, the recipient substrate cannot contain layers or elements likely to be damaged by the epitaxy temperature. It may then be advantageous to transfer the piezoelectric layer 10 onto a final substrate 120 whose properties are chosen according to the intended application, by sticking it on said substrate 120 via the surface of the layer 104 formed on the seed layer 102 (see Figure 9), and removing the recipient substrate (see Figure 10).
  • This transfer can be carried out by any transfer technique mentioned above.
  • Another advantage of this transfer to a final substrate is that the seed layer 102, which was buried in the structure resulting from the formation of the layer of the second piezoelectric material, is then exposed and can possibly be removed (see Figure 11), particularly in the event that it presents defects. Only the layer of the second piezoelectric material 104 then remains on the final substrate 120.
  • the final substrate can be solid or composite.
  • the final substrate may comprise at least one electronic device or an interconnection.
  • the final substrate comprises a charge trapping layer (designated by the reference 121 in Figure 9), which can either be formed on said final substrate, or formed in a surface region of said final substrate.
  • Said charge trapping layer is thus located between the piezoelectric layer and the final substrate and makes it possible to improve the electrical insulation performance of the final substrate.
  • Said charge trapping layer can be formed by at least one semiconductor material of polycrystalline, amorphous or porous type, in particular polycrystalline silicon, amorphous silicon or porous silicon, without being limited to these materials.
  • a surface acoustic wave device and a photonic device in the same substrate.
  • at least one surface acoustic wave device and a photonic device such as a laser, a modulator, a guide, are formed in the same piezoelectric layer. waveform or a multiplexer. It is also possible to combine these devices as described with other devices present in the recipient substrate or the final substrate, thus aiming for co-integration approaches of known devices of the 2D, 2.5D and 3D type.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche (10) piézoélectrique sur un substrat (11), caractérisé en ce qu'il comprend : - la formation par une première épitaxie d'une couche germe (102) pseudomorphique d'un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur (100), - le transfert de la couche germe (102) et d'une portion (103) du substrat donneur (100) sur un substrat receveur (110) par l'intermédiaire d'au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice (105) adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe, - le retrait de la portion (103) du substrat donneur (100) transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe (102), - la formation d'une couche monocristalline (104) d'un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE COUCHE PIEZOELECTRIQUE SUR UN SUBSTRAT
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique sur un substrat.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Différents composants acoustiques sont utilisés pour le filtrage dans le domaine radiofréquence, dont les filtres à ondes acoustiques de surface, connus sous l’acronyme SAW (du terme anglo-saxon « Surface Acoustic Wave »), qui comprennent typiquement une couche piézoélectrique épaisse (c’est-à-dire d’épaisseur généralement de plusieurs dizaines de nm à plusieurs dizaines de pm) et deux électrodes sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Un signal électrique, typiquement une variation de tension électrique, appliqué à une électrode est converti en onde élastique qui se propage à la surface de la couche piézoélectrique. La propagation de cette onde élastique est favorisée si la fréquence de l’onde correspond à la bande de fréquence du filtre. Cette onde est à nouveau convertie en signal électrique en parvenant à l’autre électrode. La couche piézoélectrique doit présenter une excellente qualité cristalline pour ne pas engendrer d’atténuation de l’onde de surface. On préférera donc ici utiliser une couche monocristalline. A l’heure actuelle, les matériaux adéquats utilisables industriellement sont le quartz, le LiNbOs ou le LiTaCX
Actuellement, la couche piézoélectrique est obtenue par découpe d’un lingot de l’un desdits matériaux, ce qui a pour conséquence une précision faible pour l’épaisseur de ladite couche ainsi qu’une épaisseur non uniforme sur l’ensemble de la couche.
De plus, les diamètres des lingots de matériaux piézoélectriques sont inférieurs aux diamètres des lingots de matériaux utilisés pour le substrat, comme le silicium par exemple. Or, pour réaliser un transfert direct, en particulier un transfert de couche de type Smart Cut™, il est nécessaire que les substrats donneurs et receveurs soient de même diamètre.
Il subsiste à ce jour le besoin d’avoir des procédés permettant de former une couche piézoélectrique épaisse uniforme de haute qualité sur un substrat de grand diamètre.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de concevoir un procédé de fabrication d’un substrat pour un dispositif microélectronique, photonique ou optique, notamment mais de manière non limitative un dispositif à ondes acoustiques de surface, en particulier en permettant d’obtenir des couches épaisses (c’est-à-dire d’épaisseur supérieure à 5 pm, voire supérieure à 15 pm), uniformes, de haute qualité et de grand diamètre (c’est-à-dire de diamètre supérieur à 15 ou 20 cm).
Conformément à l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique sur un substrat, caractérisé en ce qu’il comprend ;
- la formation par une première épitaxie d’une couche germe d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur,
- le transfert de la couche germe et d’une portion du substrat donneur sur un substrat receveur par l’intermédiaire d’au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe,
- le retrait de la portion du substrat donneur transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe,
- la formation d’une couche monocristalline d’un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe.
Selon un premier mode de réalisation, le transfert de la couche germe et de la portion du substrat donneur comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter la portion à transférer, l’assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche germe étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, et la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée avant la formation de la zone de fragilisation.
Selon un deuxième mode de réalisation, le transfert de la couche germe et de la portion du substrat donneur comprend les étapes suivantes :
- la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter la portion à transférer,
- l’assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche germe étant à l’interface d’assemblage,
- le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, et la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée après la formation de la zone de fragilisation.
La zone de fragilisation peut être formée par implantation ionique, en particulier d’hydrogène et/ou d’hélium, dans le substrat donneur.
De préférence, la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée par dépôt de couche atomique. Alternativement, la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée par épitaxie par jet moléculaire. De préférence, la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique est réalisée par une deuxième épitaxie.
De préférence, la deuxième épitaxie du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe est un dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques.
Alternativement, la formation de la couche monocristalline sur la couche germe est réalisée par un dépôt du deuxième matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit deuxième matériau.
De manière avantageuse, l’épaisseur de la couche germe est comprise entre 2 nm et 20 nm.
De manière avantageuse, la portion du substrat donneur transférée sur le substrat receveur présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
De manière avantageuse, l’épaisseur de la couche du deuxième matériau piézoélectrique à l’issue de la deuxième épitaxie est comprise entre 20 nm et 15 pm.
Selon une forme d’exécution particulière, le procédé comprend, après la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique, le transfert d’au moins une partie de la couche du deuxième matériau piézoélectrique sur un substrat final.
De manière avantageuse, la partie de la couche du deuxième matériau piézoélectrique transférée sur le substrat final présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
Le substrat receveur ou le substrat final peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Le substrat receveur ou le substrat final peut comprendre une couche de piégeage de charges.
Le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être identiques. Alternativement, le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être différents.
Selon un mode de réalisation, une couche intermédiaire adaptée pour la croissance épitaxiale de la couche germe sur le substrat donneur peut être formée sur le substrat donneur avant la formation de la couche germe.
Un autre objet concerne un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de surface, comprenant la formation de deux électrodes interdigitées sur la surface d’une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.
Un autre objet concerne un procédé de fabrication d’un dispositif photonique, comprenant la formation d’au moins un composant photonique, tel qu’un laser ou une diode électroluminescente, au moins en partie dans une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus. Un autre objet concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus, et deux électrodes interdigitées sur une face de la couche piézoélectrique.
Un autre objet concerne un dispositif photonique, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé tel que décrit ci- dessus, et au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, formé au moins en partie dans ladite couche piézoélectrique.
L’invention concerne également une structure comprenant au moins un tel dispositif à ondes acoustiques de surface et un tel dispositif photonique, comprenant une même couche piézoélectrique dans laquelle sont agencés ledit dispositif à ondes acoustiques de surface et ledit dispositif photonique.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue de principe en coupe d’un filtre à ondes acoustiques de surface, les figures 2A et 2B illustrent deux premières étapes successives du procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique monocristalline selon un premier mode de réalisation de l’invention, les figures 3A et 3B illustrent deux premières étapes successives dudit procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, les figures 4 à 8 illustrent des étapes successives dudit procédé selon le premier ou le deuxième mode de réalisation de l’invention, les figures 9 à 11 illustrent des étapes ultérieures optionnelles dudit procédé.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les éléments illustrés ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle. Par ailleurs, les éléments désignés par les mêmes signes de référence sur différentes figures sont identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
La figure 1 est une vue de principe d’un filtre à ondes acoustiques de surface.
Ledit filtre comprend une couche piézoélectrique 10 et deux électrodes 12, 13 sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Du côté opposé aux électrodes 12, 13, la couche piézoélectrique repose sur un substrat 11 . La couche piézoélectrique 10 est monocristalline, une excellente qualité cristalline étant en effet préférable pour ne pas engendrer d’atténuation de l’onde de surface. D’une manière générale, l’invention propose la formation d’une couche piézoélectrique monocristalline au moyen d’un transfert d’une couche germe réalisée par épitaxie d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur, ledit transfert étant effectué du substrat donneur vers un substrat receveur. Ensuite, une couche d’un deuxième matériau piézoélectrique est formée sur la couche germe de sorte à obtenir l’épaisseur souhaitée pour la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique.
Le substrat donneur peut être un substrat massif monocristallin du premier matériau piézoélectrique ou d’un autre matériau. De manière alternative, le substrat donneur peut être un substrat composite, c’est-à-dire formé d’un empilement d’au moins deux couches de matériaux différents, dont une couche superficielle est constituée du premier matériau piézoélectrique monocristallin ou d’un autre matériau monocristallin. Ledit matériau monocristallin est adapté à la croissance par épitaxie de la couche germe ; en particulier, il présente un paramètre de maille suffisamment proche du paramètre de maille de la couche germe afin de ne pas générer de défauts cristallins lors de la croissance de la couche germe.
De manière particulièrement avantageuse, la couche germe est pseudomorphique, c’est-à-dire que le paramètre de maille réel du matériau de la couche germe est forcé, par exemple par des forces atomiques, à correspondre sensiblement au paramètre de maille du substrat donneur sur lequel elle est formée. A cet effet, l’épaisseur de la couche germe ne doit pas dépasser une épaisseur critique au-delà de laquelle il y aurait une relaxation de contraintes et une génération de défauts dans la couche germe. Cette épaisseur critique dépend du matériau de la couche germe. Par exemple, l’épaisseur critique est typiquement inférieure à 5 nm pour une couche germe de germanium formée sur un substrat de silicium. Généralement, l’épaisseur critique est comprise entre 2 nm et 20 nm selon les matériaux choisis pour la couche germe et pour le substrat.
Dans certains modes de réalisation, une couche intermédiaire (dite « couche intermédiaire d’épitaxie ») d’un matériau adapté à la croissance de la couche germe sur le substrat donneur peut être formée sur le substrat donneur avant la formation de la couche germe. L’utilité d’une telle couche intermédiaire dépend notamment de la stabilité chimique entre la couche germe et le substrat donneur. Ainsi, si la croissance de la couche germe directement sur le substrat donneur n’est pas entravée par des interactions ou des réactions chimiques entre le matériau de la couche germe et celui du substrat donneur, il n’est pas nécessaire d’utiliser une couche intermédiaire. En revanche, si des interactions ou des réactions chimiques entre le matériau de la couche germe et celui du substrat donneur sont susceptibles d’empêcher la croissance de la couche germe, il est souhaitable d’utiliser une couche intermédiaire en un matériau stable vis-à-vis du matériau du substrat donneur et du matériau de la couche germe. Par exemple, une couche de germanium monocristalline peut être formée sur un substrat donneur en silicium pour favoriser la croissance de la couche germe du premier matériau piézoélectrique. Dans d’autres modes de réalisation, la couche intermédiaire peut être réalisée en titanate de strontium (SrTiOs) monocristallin, oxyde d’aluminium monocristallin (AI2O3), aluminate de lanthane monocristallin (LaAIO3), ou un métal monocristallin comme par exemple de l’aluminium.
Le substrat receveur a une fonction de support mécanique de la couche germe. Il peut être de toute nature adaptée à la mise en oeuvre d’une épitaxie (notamment en termes de tenue en température) et, de manière avantageuse mais non impérative, adaptée à l’application visée. Il peut être massif ou composite. De manière avantageuse, le substrat receveur peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Au moins une couche intermédiaire (dite « couche intermédiaire de relaxation ») est intercalée entre le substrat receveur et la couche germe. Par exemple, une telle couche intermédiaire peut être électriquement conductrice ou électriquement isolante. L’homme du métier est à même de choisir le matériau et l’épaisseur de cette couche en fonction des propriétés qu’il souhaite conférer au dispositif radiofréquence destiné à comprendre la couche piézoélectrique. Cette couche intermédiaire permet la relaxation libre de la couche germe. La couche germe transférée pseudomorphique peut ainsi librement reprendre son paramètre de maille pendant le transfert, ou entre le transfert et la formation de la deuxième couche du deuxième matériau piézoélectrique, ou encore pendant la formation de la deuxième couche du deuxième matériau piézoélectrique.
Le matériau de la couche intermédiaire peut avantageusement être choisi parmi l’oxyde de silicium (SiC>2), un nitrure ou un métal.
Ladite couche intermédiaire peut être formée sur le substrat donneur (sur la couche germe) ou sur le substrat receveur.
S’agissant d’une couche intermédiaire en oxyde de silicium, elle peut être déposée ou obtenue par oxydation thermique. La technique de formation de ladite couche est choisie notamment en fonction du substrat sur lequel elle doit être formée et d’éventuelles limites (par exemple, thermiques) à respecter. Par exemple, si la couche intermédiaire est formée sur le substrat receveur et que celui-ci contient des composants électroniques, on choisira une technique présentant un budget thermique ne risquant pas d’endommager lesdits composants.
De manière avantageuse, le substrat receveur peut être en matériau semi- conducteur. Il peut s’agir par exemple d’un substrat de silicium.
Dans certains modes de réalisation, notamment lorsque le substrat receveur constitue le support final de la couche piézoélectrique, le substrat receveur comprend une couche de type « trap-rich » (que l’on peut traduire en français par une couche de piégeage de charges), qui peut être soit formée sur le substrat receveur, soit formée dans une région superficielle du substrat receveur. Ladite couche de type « trap-rich » est ainsi située entre la couche germe et le substrat receveur et permet d’améliorer les performances d’isolation électrique du substrat receveur. Ladite couche de type « trap-rich » peut être formée par au moins un matériau semi-conducteur de type polycristallin, amorphe ou poreux, en particulier du silicium polycristallin, du silicium amorphe ou du silicium poreux, sans se limiter à ces matériaux. De plus, en fonction de la tenue en température de la couche de type « trap- rich » pour la réalisation de l’épitaxie, il peut s’avérer avantageux d’introduire une couche supplémentaire entre le substrat receveur et ladite couche de type « trap-rich », afin d’éviter la recristallisation de cette dernière lors d’un traitement thermique.
La couche germe présente une épaisseur négligeable par rapport à l’épaisseur de la couche piézoélectrique monocristalline finale. Par conséquent, on considère qu’elle n’influe pas significativement sur le fonctionnement du dispositif radiofréquence incorporant la couche piézoélectrique monocristalline.
La couche germe présente typiquement une épaisseur comprise entre 1 nm et 20 nm.
L’épaisseur de la couche du deuxième matériau piézoélectrique formée sur la couche germe dépend des spécifications du dispositif destiné à incorporer la couche piézoélectrique monocristalline. A cet égard, l’épaisseur de la couche formée sur la couche germe n’est pas limitée ni en termes de valeur minimale ni de valeur maximale. L’épaisseur de la couche piézoélectrique finale est typiquement comprise entre 20 nm et 15 pm.
Le premier matériau piézoélectrique est choisi avantageusement parmi un composé de formule ABO3, où A est choisi parmi le baryum et le lithium et B est choisi parmi le titane et le niobium. Toutefois, l’intérêt que l’on peut porter à ces matériaux ne se limite pas à leur caractère piézoélectrique. Notamment pour d’autres applications, par exemple liées à l’optique intégrée, on pourra aussi s’y intéresser le cas échéant pour leur permittivité diélectrique, pour leurs indices de réfraction, ou encore pour leurs propriétés pyroélectriques, ferroélectriques ou encore ferromagnétiques par exemple et selon les cas.
La première épitaxie peut être réalisée par toute technique adaptée pour obtenir une haute qualité cristalline, notamment par dépôt de couche atomique (ALD, acronyme du terme anglo-saxon « Atomic Layer Deposition ») ou par épitaxie par jets moléculaires (MBE, acronyme du terme anglo-saxon « Molecular Beam Epitaxy »), etc. Ces techniques se caractérisent par une vitesse de croissance très faible. Cependant, la couche germe présentant une épaisseur faible, l’utilisation de l’une de ces techniques pour faire croître la couche germe a un faible impact économique sur le procédé mais permet d’obtenir une qualité cristalline de la couche germe, qui favorisera la qualité cristalline de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique.
Selon une première alternative, la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe peut être réalisée par une deuxième épitaxie.
La deuxième épitaxie peut être réalisée par toute technique procurant une vitesse de croissance plus grande que la première épitaxie, notamment par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD, acronyme du terme anglo-saxon « Metal Organic Chemical Vapor Deposition »). Bien que procurant une qualité cristalline moins élevée que les techniques ALD ou MBE, cette deuxième épitaxie est plus économique pour faire croître une couche monocristalline relativement épaisse.
Selon une seconde alternative, la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique peut être réalisée par un dépôt dudit matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit matériau afin de lui conférer une structure monocristalline. Eventuellement, on peut procéder en plusieurs cycles successifs comprenant chacun un dépôt du matériau piézoélectrique amorphe sur une certaine épaisseur, suivi de la recristallisation du matériau sur ladite épaisseur, jusqu’à obtenir l’épaisseur totale souhaitée pour la couche du deuxième matériau piézoélectrique.
Le dépôt de matériau amorphe peut être réalisé par toute technique connue de l’homme du métier, et de manière avantageuse par MOCVD, par dépôt chimique en phase vapeur réalisé à pression sous-atmosphérique (LPCVD, acronyme du terme anglo-saxon « Low-Pressure Chemical Vapor Deposition »), par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, acronyme du terme anglo-saxon « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition ») ou par pulvérisation.
L’homme du métier est en mesure de déterminer les réactifs et les conditions opératoires en fonction du matériau piézoélectrique à faire croître et de la technique choisie.
Le transfert de la couche germe implique typiquement une étape de collage du substrat donneur et du substrat receveur, la couche germe et la couche intermédiaire de relaxation étant à l’interface de collage, puis une étape d’amincissement du substrat receveur de sorte à exposer la couche germe en vue de l’épitaxie ultérieure.
L’étape de collage peut être réalisée par exemple par collage moléculaire direct de type « wafer bonding » selon la terminologie anglo-saxonne, avec ou sans couche intermédiaire supplémentaire.
De manière particulièrement avantageuse, le transfert est réalisé selon le procédé Smart Cut™ qui est bien connu pour le transfert de couches minces semi-conductrices, notamment de silicium.
A cet effet, en référence à la figure 2A, selon un premier mode de réalisation, on fournit un substrat donneur 100 et on fait croître par une première épitaxie une couche d’un premier matériau piézoélectrique monocristallin, appelée couche germe 102. Le premier matériau piézoélectrique a un paramètre de maille proche de celui du substrat donneur. Ainsi, le substrat donneur 100 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche germe est atteinte. Sur cette figure, le substrat donneur 100 est représenté massif mais, comme indiqué plus haut, il pourrait éventuellement être composite. Avantageusement mais de manière optionnelle, une couche intermédiaire d’épitaxie 106 peut être formée sur le substrat donneur 100 avant l’épitaxie de la couche germe 102. Dans un souci de simplification des figures, ladite couche 106 n’a pas été représentée sur les figures suivantes.
En référence à la figure 2B, on forme, par implantation ionique (schématisée par les flèches) à travers la couche germe dans le substrat donneur, une zone de fragilisation 101 qui délimite une couche monocristalline 103 à transférer, comprenant la couche germe et une portion du substrat donneur. De manière avantageuse, et selon le matériau piézoélectrique considéré, les espèces implantées sont de l’hydrogène ou de l’hélium, seuls ou en combinaison. L’homme du métier est à même de déterminer la dose et l’énergie d’implantation de ces espèces pour forme la zone de fragilisation à une profondeur déterminée, qui est de préférence comprise entre 0,2 pm et 0,6 pm : typiquement et toujours selon le matériau piézoélectrique et l’espèce implantée considérés, la dose est dans la gamme de 2 E+16 à 2 E+17 espèces ioniques/cm2, et l’énergie d’implantation est de 30keV à 500keV. La couche fragilisée enterrée peut également être obtenue par tout autre moyen connu de l’homme du métier, par exemple par porosification du matériau, ou encore par irradiation laser. Cependant, comme exposé plus bas, il existe des procédés de transfert ne nécessitant pas la mise en oeuvre d’une implantation ionique, et la présente invention peut être mise en oeuvre avec ces procédés.
Les figures 3A et 3B illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique monocristalline. Le deuxième mode de réalisation est une alternative au premier mode de réalisation, illustré sur les figures 2A et 2B, dans lequel l’implantation dans le substrat donneur est réalisée avant la formation de la couche germe par une première épitaxie.
En référence à la figure 3A, on fournit un substrat donneur 100 et on forme, par implantation ionique (schématisée par les flèches) dans le substrat donneur 100, une zone de fragilisation 101 qui délimite une couche monocristalline 103 à transférer.
En référence à la figure 3B, on fait croître par une première épitaxie une couche d’un premier matériau piézoélectrique monocristallin, appelée couche germe 102, sur la couche à transférer 103. Comme exposé précédemment, le substrat donneur 100 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. Le premier matériau piézoélectrique a un paramètre de maille proche de celui du substrat donneur. La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche germe est atteinte. Sur cette figure, le substrat donneur 100 est représenté massif mais, comme indiqué plus haut, il pourrait éventuellement être composite.
De manière avantageuse, le budget thermique de la première épitaxie est inférieur au budget thermique susceptible de provoquer la fracture du substrat donneur le long de la zone de fragilisation. Ainsi, le substrat donneur conserve sa cohésion mécanique jusqu’à la fin de la croissance de la couche germe.
Suite aux étapes illustrées aux figures 2A et 2B ou 3A et 3B, on obtient une couche germe 102 sur le substrat donneur 100 dans lequel une zone de fragilisation a été formée par implantation et qui définit une couche à transférer 103 qui comprend la couche germe 102.
En référence à la figure 4, on forme au moins une couche intermédiaire de relaxation 105 électriquement isolante ou électriquement conductrice à la surface du substrat receveur 110. Le substrat receveur 110 peut en outre comprendre une couche de piégeage de charges 107. Dans un souci de simplification, la couche 107 n’a pas été représentée sur les figures suivantes.
En référence à la figure 5, on colle le substrat donneur 100 ainsi fragilisé sur le substrat receveur 110, la couche germe 102 et la couche intermédiaire de relaxation 105 étant à l’interface de collage.
En référence à la figure 6, on effectue un détachement du substrat donneur 100 le long de la zone de fragilisation 101 . Un tel détachement peut être provoqué par tout moyen connu de l’homme du métier, par exemple thermique, mécanique, chimique, etc. On transfère ainsi la couche 103 sur le substrat receveur 110. Avantageusement, on peut récupérer ensuite le reliquat du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé.
En référence à la figure 7, on retire une partie superficielle de la couche transférée, par exemple par polissage mécanique et/ou par gravure chimique. Ce retrait de matière a pour but d’exposer la couche germe 102. A l’issue de ce retrait on obtient une couche 102 amincie sur le substrat receveur 110, qui servira de couche germe à l’étape suivante.
En référence à la figure 8, on forme une couche d’un deuxième matériau piézoélectrique 104 sur la couche germe 102. Le matériau de la couche 104 présente un paramètre de maille proche ou identique à celui de la couche germe 102. Ainsi, la couche germe 102 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. La couche 104 pourra être de nature légèrement différente par rapport à la couche germe 102, notamment par l’introduction contrôlée de légers niveaux d’impuretés dans des buts divers (dopage, ajustement des propriétés piézoélectriques, optimisation des densités de défauts cristallins/dislocations, surfactant, etc.). La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche piézoélectrique monocristalline est atteinte. La couche piézoélectrique 10 finale est formée de l’empilement de la couche germe 102 et de la couche 104.
Le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être identiques.
Alternativement, le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être différents. Comme indiqué plus haut, la couche germe est considérée comme n’ayant pas d’effet ou un effet de second ordre sur le fonctionnement d’un dispositif radiofréquence incorporant la couche piézoélectrique formée sur la couche germe. Par conséquent, même si l’implantation réalisée pour la mise en oeuvre du procédé Smart Cut™ endommage la couche germe et perturbe ses propriétés piézoélectriques, ces défauts ne sont pas ou peu pénalisants.
Dans un mode de réalisation non illustré, on ne forme pas de zone de fragilisation dans le substrat donneur. Dans ce cas, le transfert de la couche germe sur le substrat receveur est réalisé par assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur puis gravure du substrat donneur jusqu’à exposer la couche germe. Ce mode de réalisation est cependant moins préféré que celui comportant la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur, car il engendre une perte de matériau plus importante.
Dans un autre mode de réalisation non illustré, on ne forme pas de zone de fragilisation dans le substrat donneur mais on forme une interface détachable par réaction chimique ou thermique. Dans ce cas, le transfert de la couche germe sur le substrat receveur est réalisé par assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur puis par détachement de l’interface suite à une réaction chimique ou thermique afin d’exposer la couche germe.
Comme on le voit sur la figure 8, on obtient, à l’issue du procédé, un substrat pour un dispositif à ondes acoustiques de surface qui comprend un substrat receveur 110 et une couche piézoélectrique monocristalline 10 sur ledit substrat 110. Un tel substrat peut également se révéler utile pour d’autres applications, par exemple pour la photonique et l’optique intégrée.
La couche 10 se caractérise par la présence de deux portions présentant des caractéristiques différentes :
- une première portion 102 située à l’interface avec le substrat receveur 110, correspondant à la couche germe,
- une seconde portion 104 s’étendant à partir de la première portion 102, correspondant à la couche formée sur la portion 102, qui peut présenter une qualité cristalline différente de celle de la première portion (ladite qualité pouvant être ajustée et optimisée lors de l’étape de la deuxième épitaxie par exemple) et/ou une composition différente (notamment si des impuretés, telles que des dopants, ont été introduites lors de l’épitaxie), conférant éventuellement des propriétés particulières à la couche formée sur la portion 102.
Ce substrat est avantageusement utilisé pour fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface tel qu’illustré à la figure 1 et/ou tout autre dispositif microélectronique, photonique ou optique comprenant une couche piézoélectrique. Dans certains cas, le substrat receveur sur lequel est transférée la couche germe peut ne pas être optimal pour l’application visée. En effet, dans certains modes de réalisation, le substrat receveur devant subir les conditions opératoires de l’épitaxie, le choix de matériaux adaptés est limité. Notamment, le substrat receveur ne peut contenir de couches ou d’éléments susceptibles d’être endommagés par la température d’épitaxie. Il peut alors être avantageux de transférer la couche piézoélectrique 10 sur un substrat final 120 dont les propriétés sont choisies en fonction de l’application visée, en la collant sur ledit substrat 120 par l’intermédiaire de la surface de la couche 104 formée sur la couche germe 102 (cf. figure 9), et en retirant le substrat receveur (cf. figure 10). Ce transfert peut être réalisé par toute technique de transfert mentionnée plus haut. Un autre avantage de ce transfert sur un substrat final est que la couche germe 102, qui était enterrée dans la structure issue de la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique, est alors exposée et peut éventuellement être retirée (cf. figure 11 ), notamment dans le cas où elle présenterait des défauts. Seule la couche du deuxième matériau piézoélectrique 104 reste alors sur le substrat final 120.
Le substrat final peut être massif ou composite.
De manière avantageuse, le substrat final peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Dans certains modes de réalisation, le substrat final comprend une couche de piégeage de charges (désignée par le repère 121 sur la figure 9), qui peut être soit formée sur ledit substrat final, soit formée dans une région superficielle dudit substrat final. Ladite couche de piégeage de charges est ainsi située entre la couche piézoélectrique et le substrat final et permet d’améliorer les performances d’isolation électrique du substrat final. Ladite couche de piégeage de charges peut être formée par au moins un matériau semi- conducteur de type polycristallin, amorphe ou poreux, en particulier du silicium polycristallin, du silicium amorphe ou du silicium poreux, sans se limiter à ces matériaux.
Dans le cas où l’on souhaite fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface, on dépose, sur la surface de la couche piézoélectrique 10 opposée au substrat receveur ou, le cas échéant, au substrat final (qu’il s’agisse du substrat receveur 110 ou du substrat final 120, ledit substrat forme le substrat support noté 11 sur la figure 1 ), des électrodes métalliques 12, 13 sous la forme de deux peignes interdigités.
Dans d’autres applications, on peut former dans la couche piézoélectrique, ou dans un empilement de couches comprenant ladite couche piézoélectrique, au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur.
De manière particulièrement avantageuse, il est possible d’intégrer un dispositif à ondes acoustiques de surface et un dispositif photonique dans un même substrat. A cet effet, on forme, dans la même couche piézoélectrique, au moins un dispositif à ondes acoustiques de surface et un dispositif photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur. Il est aussi possible de combiner ces dispositifs tels que décrits avec d’autres dispositifs présents dans le substrat receveur ou le substrat final visant ainsi des approches de co-intégration de dispositifs connues de type 2D, 2.5D et 3D.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’une couche (10) piézoélectrique sur un substrat (11 ), caractérisé en ce qu’il comprend : la formation par une première épitaxie d’une couche germe (102) pseudomorphique d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur (100), le transfert de la couche germe (102) et d’une portion (103) du substrat donneur
(100) sur un substrat receveur (110) par l’intermédiaire d’au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice (105) adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe, le retrait de la portion (103) du substrat donneur (100) transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe (102), la formation d’une couche monocristalline (104) d’un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le transfert de la couche germe (102) et de la portion (102) du substrat donneur (100) comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation (101 ) dans le substrat donneur (100) de sorte à délimiter la portion (103) à transférer, l’assemblage du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (110), la couche germe (102) étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur (100) le long de la zone de fragilisation
(101 ), et dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée après la formation de la zone de fragilisation (101 ).
3. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le transfert de la couche germe
(102) et de la portion (103) du substrat donneur (100) comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation (101 ) dans le substrat donneur (100) de sorte à délimiter la portion à transférer (103), l’assemblage du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (110), la couche germe (102) étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur (100) le long de la zone de fragilisation (101 ), et dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée avant la formation de la zone de fragilisation (101 ). 4. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la zone de fragilisation (101 ) est formée par implantation ionique d’hydrogène et/ou d’hélium dans le substrat donneur (100).
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée par dépôt de couche atomique.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée par épitaxie par jet moléculaire.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la formation de la couche monocristalline (104) sur la couche germe (102) est réalisée par une deuxième épitaxie.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la deuxième épitaxie du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102) est un dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la formation de la couche monocristalline (104) sur la couche germe (102) est réalisée par un dépôt du deuxième matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit deuxième matériau.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche germe (102) est comprise entre 2 nm et 20 nm.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la portion (103) du substrat donneur (100) transférée sur le substrat receveur (110) présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique à l’issue de la deuxième épitaxie est comprise entre 20 nm et 15 pm.
13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le substrat receveur (110) comprend au moins un dispositif électronique ou une interconnexion. 14. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le substrat receveur (110) comprend une couche de piégeage de charges (107).
15. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, comprenant, après la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique, le transfert d’au moins une partie de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique sur un substrat final (120).
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la partie de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique transférée sur le substrat final (120) présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
17. Procédé selon l’une des revendications 15 ou 16, dans lequel le substrat final (120) comprend au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
18. Procédé selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel le substrat final (120) comprend une couche de piégeage de charges (121 ).
19. Procédé selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique sont identiques.
20. Procédé selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique sont différents.
21. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant, avant la formation de la couche germe (102), la formation d’une couche intermédiaire (106) sur le substrat donneur (100), ladite couche intermédiaire étant adaptée pour la croissance épitaxiale de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100).
22. Procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de surface, comprenant la formation de deux électrodes (12, 13) interdigitées sur la surface d’une couche piézoélectrique (10), caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique (10) par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21.
23. Procédé de fabrication d’un dispositif photonique, comprenant la formation d’au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, au moins en partie dans une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique (10) par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21.
24. Dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique (10) susceptible d’être obtenue par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21 , et deux électrodes (12, 13) interdigitées sur une face de la couche piézoélectrique (10).
25. Dispositif photonique, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21 , et au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, formé au moins en partie dans ladite couche piézoélectrique.
26. Structure comprenant un dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 24 et un dispositif photonique selon la revendication 25, dans laquelle ledit dispositif à ondes acoustiques de surface et ledit dispositif photonique sont agencés au moins en partie dans la même couche piézoélectrique.
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