EP4669784A1 - Structure composite comprenant une couche mince monocristalline sur un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin et procede de fabrication associe - Google Patents

Structure composite comprenant une couche mince monocristalline sur un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin et procede de fabrication associe

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EP4669784A1
EP4669784A1 EP24706687.1A EP24706687A EP4669784A1 EP 4669784 A1 EP4669784 A1 EP 4669784A1 EP 24706687 A EP24706687 A EP 24706687A EP 4669784 A1 EP4669784 A1 EP 4669784A1
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EP
European Patent Office
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composite structure
support substrate
thin layer
substrate
less
Prior art date
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Pending
Application number
EP24706687.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Hugo BIARD
Alexandre Potier
Marc Ferrato
Christophe Bommier
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Publication date
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    • H10D62/8325—Silicon carbide

Definitions

  • the present invention relates to the field of semiconductor materials for microelectronic components. It relates in particular to a composite structure comprising a monocrystalline thin layer arranged on a polycrystalline silicon carbide support substrate.
  • the monocrystalline thin layer is preferably made of silicon carbide, and the composite structure targets power electronics applications.
  • SiC is increasingly widely used for the fabrication of innovative power devices to meet the needs of emerging electronics fields, such as electric vehicles.
  • power devices and integrated power systems based on monocrystalline silicon carbide can handle much higher power density compared to their traditional silicon counterparts, and this with smaller active area dimensions.
  • c-SiC monocrystalline SiC
  • p-SiC polycrystalline SiC
  • a well-known thin film transfer solution is the Smart Cut TM process, based on light ion implantation and direct bonding between a monocrystalline donor substrate and a support substrate at a bonding interface.
  • p-SiC substrates capable of forming support substrates, are currently available on the market.
  • their mechanical, electrical, or even thermal characteristics are not necessarily optimal for obtaining, from a thin layer transfer process, a high-quality composite structure, targeting power applications.
  • the monocrystalline thin layer can thus be doped, according to the needs of the application: for example, to have n- or p-type doping and a resistivity lower than 30 mOhm.cm, 10 mOhm.cm, or even lower than 1 mOhm.cm.
  • the assembly interface of the composite structure must be designed so as not to (or very little) increase the vertical electrical resistance.
  • good electrical conductivity must be ensured in the support substrate of the composite structure.
  • n- or p-type doping the polycrystalline substrate to achieve a resistivity lower than or equal to 15 mOhm.cm, 10 mOhm.cm, or even lower than 5 mOhm.cm.
  • a high concentration of dopants, for example nitrogen, in a p-SiC material can be a limiting factor to obtain good flatness (low deformation) due to a high density of generated defects.
  • the curvature corresponds to the deflection or "warp" according to the Anglo-Saxon terminology, which is equivalent to the algebraic difference of the deviations of the substrate with respect to a reference plane.
  • a low curvature is required on the one hand, so that these support substrates are compatible with a good quality direct assembly and a high bonding energy, and on the other hand so that they are not likely to cause damage in the monocrystalline thin layer during or after the transfer process, due to significant mechanical constraints.
  • a low curvature is also important to guarantee the performance of the manufacturing steps (e.g. photolithography) of the components on/in the thin layer of the composite structure.
  • the radius of curvature (proportional to the inverse of the “warp”) of p-SiC support substrates is typically targeted to be greater than approximately 25 ⁇ m (i.e. a “warp” of less than 100 ⁇ m for a 150 mm diameter substrate, or even less than 50 ⁇ m, or ideally less than 30 ⁇ m).
  • a thin film transfer process based on direct bonding by molecular adhesion, is highly dependent on the surface quality of the assembled substrates.
  • a roughness less than or equal to 1 nm RMS root mean square roughness
  • a very low surface defect particles, holes, etc. or other reliefs likely to generate bonding defects
  • the support substrate guarantees good thermal conductivity (typically greater than 200 W/(m.K), or even greater than 250 W/(m.K)), to efficiently evacuate heat, particularly generated by power components.
  • thermal conductivity can be adversely impacted by a high dopant content which impairs the propagation of phonons, particularly due to the generation of additional crystal defects.
  • US10934634 proposes a p-SiC substrate for which the rate of change of the grain size between the two faces of the substrate is less than 0.43%, which gives it a radius of curvature greater than 142 ⁇ m, i.e. a very low deformation.
  • at least one face of said substrate has an arithmetic mean roughness of less than 1 nm. This process nevertheless remains expensive and very energy and material consuming, because a significant portion of the p-SiC initially deposited on a graphite substrate is removed and lost to obtain the proposed p-SiC substrate (typically 2 mm initially deposited to form a 350 ⁇ m p-SiC substrate).
  • a p-SiC layer with a thickness as close as possible to the final thickness of the desired substrate, with a grain size very quickly stabilized after the start of layer growth, to avoid any unnecessary excess thickness that would become necessary to reduce or eliminate the grain size gradient detrimental to the substrate flatness; this by ensuring a very high concentration of dopants (e.g.
  • n-type such as nitrogen or phosphorus
  • n-type typically greater than 5 x 10 19 atoms/cm 3 , preferably greater than 10 20 atoms/cm 3 , to typically achieve a material resistivity of less than 15 mOhm.cm, or even less than 10 mOhm.cm, and by allowing good thermal conductivity.
  • the present invention provides a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline material, in particular c-SiC, of high quality, arranged on a p-SiC support substrate having very low resistivity, low deformation and good thermal conductivity. It also relates to a method of manufacturing such a composite structure.
  • the invention relates to a composite structure for the manufacture of microelectronic components comprising a thin monocrystalline layer, arranged on a polycrystalline silicon carbide support substrate, said support substrate having, on each of its faces, a preferential crystalline orientation according to which:
  • the sum of texture coefficients C 220 +C 200 +C 400 is greater than 50%, preferably greater than 80%.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a composite structure comprising a thin monocrystalline layer arranged on a polycrystalline silicon carbide support substrate, the manufacturing method comprising the following steps:
  • Figures 3a and 3b show images obtained by backscattered electron scanning electron microscopy of a cross section, respectively of a raw p-SiC disk and of a support substrate derived from said raw disk, the support substrate being used to manufacture composite structures in accordance with the present invention
  • Figures 5a, 5b, 5c, 5c', 5c'' and 5d show steps of the manufacturing method according to the invention.
  • the present invention relates to a composite structure 100 particularly suitable for the manufacture of microelectronic components comprising a thin monocrystalline layer 10, in particular made of silicon carbide, diamond, silicon, II-VI or III-V semiconductor compounds (for example AlN, GaN, etc.), gallium oxide (Ga2O3), or any wide bandgap semiconductor material, arranged on a support substrate 20 made of polycrystalline silicon carbide ( ).
  • a thin monocrystalline layer 10 in particular made of silicon carbide, diamond, silicon, II-VI or III-V semiconductor compounds (for example AlN, GaN, etc.), gallium oxide (Ga2O3), or any wide bandgap semiconductor material, arranged on a support substrate 20 made of polycrystalline silicon carbide ( ).
  • the composite structure 100 is preferably in the form of a circular plate (“wafer” according to the English terminology) with a diameter of 100 mm, 150 mm, 200 mm, or even more. It could nevertheless be in any other form allowing its subsequent processing for the manufacture of components.
  • the thickness of the composite structure 100 extends along the z axis in the figures.
  • the thin layer 10 of the composite structure 100 has a thickness typically between a few tens of nm and a few hundred nm, for example, between 50 nm and 800 nm. We will see later that epitaxy steps can be implemented on said thin layer 10, so as to thicken it (homoepitaxy) or to grow other materials (heteroepitaxy), for the needs of the electronic components to be manufactured.
  • the thin layer 10 has an electrical resistivity adapted to the application and the components targeted.
  • its resistivity is usually less than 30 mOhm.cm, 10 mOhm.cm, or even 1 mOhm.cm, with n-type doping (nitrogen or phosphorus dopant).
  • the support substrate 20 corresponds to the mechanical support of the composite structure 100.
  • the lateral dimensions in the main plane (x,y) of the support substrate 20 are the same as those of the composite structure 100.
  • the thin layer 10 may have a slightly smaller lateral dimension, due to the transfer process: in fact, a peripheral crown of the support substrate 20 is usually devoid of thin layer 10 because the edge fall or the chamfer of the substrate 20 prevent the assembly and effective transfer of said layer 10.
  • the support substrate 20 has a thickness typically between about 50 ⁇ m and several hundred micrometers, for example between 50 ⁇ m and 650 ⁇ m, or between 100 ⁇ m and 450 ⁇ m, or between 200 ⁇ m and 350 ⁇ m.
  • the thickness of a support substrate 20 with a diameter of 150 mm is in the range 350 - 450 ⁇ m
  • the thickness of a support substrate 20 with a diameter of 200 mm is in the range 500 - 650 ⁇ m.
  • the support substrate 20 has an electrical resistivity less than or equal to 10 mOhm.cm, preferably less than or equal to 5 mOhm.cm, or even more preferably less than or equal to 3 mOhm.cm.
  • the doping type of the support substrate 20 is usually chosen to be identical, i.e. a typical doping with nitrogen or even phosphorus.
  • the dopant concentration (which can be measured by secondary ion mass spectroscopy) is generally greater than 5.0x10 19 atoms/cm 3 , preferably greater than or equal to 1.0x10 20 atoms/cm 3 , greater than or equal to 1.5x10 20 atoms/cm 3 or even greater than or equal to 3x10 20 atoms/cm 3 .
  • the radius of curvature of the support substrate 20 is greater than 25 ⁇ m, advantageously greater than or equal to 50 ⁇ m.
  • a support substrate 20 with a diameter of 150 mm has a curvature (or “warp”) less than or equal to 100 ⁇ m, less than or equal to 50 ⁇ m, or even less than or equal to 30 ⁇ m;
  • a support substrate 20 with a diameter of 200 mm has a curvature (or “warp”) less than or equal to 150 ⁇ m, less than or equal to 100 ⁇ m, less than or equal to 70 ⁇ m, or even less than or equal to 40 ⁇ m.
  • the range of curvature radius of the support substrate 20 makes the latter perfectly compatible with the specifications of a composite structure 100 provided with a thin monocrystalline layer 10, with the manufacturing method of such a structure 100 and with the subsequent development of microelectronic components on and/or in the thin layer 10. Note that the curvature of the composite structure 100 remains close to the curvature of the support substrate 20.
  • the support substrate 20, made of p-SiC of polytype 3C, also has, on each of its faces, a preferential crystalline orientation. This crystalline orientation is particularly favorable for obtaining a low curvature, good thermal conductivity, in parallel with a high concentration of dopants.
  • the preferred crystal orientation is characterized here with particular proportions of different texture coefficients.
  • a texture coefficient can be expressed as a percentage and quantifies the average preferred orientation of the crystallites of the support substrate 20 relative to the normal to the surface of said substrate 20. It should be recalled that the texture coefficients can be measured using the method described by G. Harris (“X. Quantitative measurement of preferred orientation in rolled uranium bars”, Philosophical Magazine Series 7, 43:336, 113-123, 1952). In practice, they are measured from the diffraction peaks collected by an X-ray diffractometer of the PANalytical X'Pert PRO MPD type, by the ⁇ -2 ⁇ method over a range of angles from 10° to 135° (2 ⁇ scale). Over this range, the ten diffraction peaks shown in the table (presented in ) and classified according to increasing Miller indices (hkl), can be considered in a SiC substrate of polytype 3C.
  • a texture coefficient C hkl is calculated from the peak intensity I hkl , proportional to the area under the peak of the sample, and the theoretical intensity I 0hkl of a powder which can be obtained from the theoretical percentages published by the ICDD (International Centre for Diffraction Data).
  • a texture coefficient C hkl is expressed as follows:
  • C hkl (I hkl / I 0 hkl )/ (1/N x ⁇ (I hkl / I 0 hkl )), with N the number of peaks taken into account.
  • the preferred crystalline orientation of the support substrate 20 is characterized by a texture coefficient C 422 less than 40%, and by the fact that the sum of the texture coefficients C 220 +C 200 +C 400 is greater than 50%.
  • the sum of the texture coefficients C 220 + C 200 + C 400 is greater than 60%, 70%, or even 80%.
  • the contribution C 200 + C 400 can advantageously be greater than 1%, 2%, or even 5%.
  • the texture coefficient C 422 is less than 20%, less than 15%, or even less than 10%.
  • the image was obtained by scanning electron microscopy (SEM) by backscattered electrons (EBSD), in the transverse plane (y,z), that is to say in a cross-section (in section) of the support substrate 20; the white bar at the bottom right of the image indicates a scale of 100 ⁇ m.
  • the observed texture is preferentially oriented (220) with a texture coefficient C 220 greater than or equal to 90% and a texture coefficient C 422 less than 10%.
  • the support substrate 20 has a nitrogen concentration of 1.8 x 10 20 atoms/cm 3 and an electrical resistivity measured at 1.2 mOhm.cm by the 4-point method.
  • the thermal conductivity, of the order of 270 W/(mK) is deduced from a thermal diffusivity measurement by the laser flash method.
  • the deformation (warp) is measured to be less than 100 ⁇ m on a substrate with a diameter of 150 mm and a thickness of between 350 ⁇ m and 450 ⁇ m.
  • the preferential textures, associated with the high doping, make it possible to obtain a support substrate 20 meeting the physical, mechanical and electrical specifications expected in the composite structure 100, namely, excellent flatness (low curvature), low electrical resistivity and very good thermal conductivity.
  • the composite structure 100 comprises a continuous or discontinuous intermediate layer 30, arranged between the thin layer 10 and the support substrate 20 and composed of at least one metallic or semi-conductor material ( ).
  • the intermediate layer 30 may be formed on the side of the thin layer 10, on the side of the support substrate 20 or on both sides, prior to assembly along a bonding interface 40.
  • the intermediate layer 30 may for example be composed of silicon, silicon carbide, tungsten and/or titanium. Its thickness is typically between a few nm and a few hundred nm, preferably between 2 nm and 50 nm.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the composite structure 100.
  • the support substrate 20 has nitrogen or phosphorus doping making it possible to achieve an electrical resistivity less than or equal to 10 mOhm.cm, 5 mOhm.cm, or even less than 3 mOhm.cm.
  • the radius of curvature of the support substrate 20 is greater than 25m, advantageously greater than or equal to 50m.
  • Step a) implements a chemical vapor deposition (CVD) technique.
  • This technique involves a gas mixture comprising at least one silicon precursor gas (such as a silane or a chlorosilane) and/or at least one carbon precursor gas (such as an alkane or an alkene), and/or at least one silicon and carbon precursor gas (such as methyltrichlorosilane, abbreviated MTCS), and, if necessary, at least one doping gas.
  • the doping gas may for example be NH 3 , N 2 H 4 , N 2 ).
  • the doping gas may also be a carbon and/or silicon precursor (for example an amine such as H 2 NCH 3 ).
  • These gases can be diluted in a carrier gas, which can be a reducing gas such as hydrogen and/or an inert gas such as argon. From this gas mixture, the polycrystalline SiC layer is formed on a so-called growth substrate.
  • This gas mixture is admitted into a reactor located at high temperature where the precursor gases are decomposed and react on the surface of the growth substrate, preferably in fine-grained and purified isostatic graphite, to form the 3C-SiC polytype whose mechanical and thermal resistance properties, the coefficient of thermal expansion and the purity are perfectly compatible with the specifications of the composite structure 100.
  • the 3C-SiC polytype moreover, can be doped with nitrogen up to very high levels, typically 10 20 atoms/cm 3 , and thus have a resistivity lower than 10 mOhm.cm, without degradation of the quality of the substrate which would be detrimental to the quality of the composite structure and subsequently to the performance of the microelectronic components.
  • it is a material capable of withstanding the high-temperature processes that the support substrate 20 will have to undergo during the manufacture of the composite structure 100 and the components.
  • the reactor temperature during CVD deposition of SiC must be between approximately 1000°C and approximately 1600°C, preferably between approximately 1100°C and approximately 1400°C, or even between approximately 1200°C and approximately 1400°C.
  • the deposition rates can vary within fairly wide ranges, from micrometer/h to more than 100 micrometers/h.
  • the total pressure in the reactor does not exceed 350 mbar, or even 300 mbar.
  • CVD process parameters such as temperature, precursor partial pressure and potentially doping gas percentage, it is possible to evolve the crystal orientation/texture of the deposited p-SiC layer.
  • the deposition is carried out on a graphite cylinder in the form of a disk, with a diameter approaching a nominal of 150 mm and a thickness greater than 2 mm to ensure sufficient flatness of the substrate.
  • the reactor may comprise a plurality of these disks, the diameter of which may be identical or different.
  • the two faces of the disks preferably have a flatness ⁇ 15 ⁇ m, obtained by sufficiently precise machining.
  • the coefficient of thermal expansion of the isostatic graphite is judiciously chosen to be compatible with the p-SiC layer during cooling after deposition.
  • a substrate marketed by the company MERSEN under the designation “grade 2303” may be used.
  • the graphite growth substrate coated with a p-SiC deposition layer, is machined and then oxidized in air, typically at 900°C, to remove any graphite residue. Note that the graphite removal could also be carried out using purely mechanical machining techniques or mainly by burning/oxidation.
  • a raw p-SiC disk is recovered for each face of a growth substrate and has a curvature due to the stress relaxation of the deposited layer.
  • a heat treatment is then applied to the raw p-SiC disk, in a temperature range from 1800°C to 2300°C. During this heat treatment, the raw disk is advantageously kept flat on a flat surface.
  • This heat treatment leads to a specific modification of the size of the p-SiC grains and their crystallographic orientation, which is only observed in the case where the raw disk has the aforementioned specific crystallographic characteristics, after deposition.
  • This heat treatment is carried out at a temperature between 1800°C and 2300°C, preferably between 1850°C and 2200°C, more preferably between 1900°C and 2150°C, and even more preferably between 1950°C and 2150°C.
  • duration is advantageously at least 10 minutes, and is advantageously between approximately 1 hour and approximately 12 hours, and preferably between approximately 2 hours and approximately 9 hours. Too long a duration can lead to undesirable recrystallization, with too short a duration the heat treatment can be ineffective.
  • the raw p-SiC disk then undergoes thinning by coarse then fine grinding.
  • These grinding steps aim in particular to remove a sufficient thickness (at least 100 ⁇ m) from the side of the face of the disk that was in contact with the graphite, to remove the initial growth zone of the crystals, generating high stresses. They also make it possible, by removing material on both faces of the raw disk, to obtain an intermediate p-SiC disk that has a second thickness, close to the final thickness targeted for the support substrate 20, and a low deformation.
  • This second thickness is typically less than 550 ⁇ m, preferably between 350 ⁇ m and 450 ⁇ m.
  • the above-mentioned thinning by grinding and heat treatment steps can be reversed or even nested (the heat treatment can for example be carried out after a first grinding sequence applied to the raw disc, and before a second grinding sequence which will result in the intermediate disc).
  • an intermediate p-SiC disk which has a preferential crystalline orientation, which will also be that of the support substrate 20, defined by:
  • texture coefficient C 422 less than 40%
  • the C 200 + C 400 contribution is greater than 1%, greater than 2%, or even greater than 5%. It is this C 200 + C 400 contribution to the crystallographic orientation characterized by a very dominant C 220 texture which is generated by the specific heat treatment to which the raw or intermediate disc is subjected.
  • the intermediate disk has on each of its two faces a texture coefficient C 422 which is less than 20%, preferably less than 15%, and even more preferably less than 10%.
  • Heat treatment of a raw disc first leads to a rearrangement of crystallographic defects at the grain boundaries (which induces the relaxation of residual stresses at the grain boundaries), then to a recrystallization by nucleation at the grain boundaries, followed by a coarsening of these grains.
  • the initial grain size can influence the microstructure obtained after heat treatment.
  • the nature of the crystallographic defects is also decisive: to facilitate a recrystallization that effectively relaxes the stresses, small grains must be bordered by high-angle grain boundaries (known as HAGBs). These high-angle grain boundaries contain particularly large stored energy, and are therefore more mobile than low-angle grain boundaries. Their internal energy is the driving force for the rearrangement of grain boundary defects.
  • the particular texture of the p-SiC of the raw disk, subjected to heat treatment ensures the presence of such grain boundaries with strong disorientation.
  • the heat treatment of the p-SiC disk allows a better diffusion of the dopants, in particular nitrogen, and leads to an incorporation of the dopant atoms in the crystallographic network which is electronically more efficient.
  • the intermediate p-SiC disk is subjected to conventional surface preparations by fine grinding and/or polishing to result in the p-SiC support substrate 20 having the key characteristics stated previously, when describing the composite structure 100.
  • the curvature of the raw p-SiC disk remains within a reasonable range to allow the development of a low-curvature support substrate 20, from a raw disk of economically viable thickness.
  • This curvature can be measured using a white light confocal sensor that scans a surface of the disk or substrate, the latter being placed on a support plane of the measuring tool. The difference between the maximum and minimum elevation of the surface scanned by the sensor relative to said support plane is measured.
  • This surface can be interpolated by a median plane, by the least squares method. If this median plane is parallel to the support plane, the deformation measurement is equal to the “Warp”. This method of measuring the deformation increases the measurement of the Warp in the general case.
  • the curvature (“warp”) of a raw p-SiC disk with a diameter of 150 mm and a thickness of less than 1000 ⁇ m is targeted to be less than or equal to 250 ⁇ m. It is thus possible after grinding and polishing to obtain a support substrate 20 with a thickness typically less than 500 ⁇ m and a curvature (“warp”) of less than 100 ⁇ m, or even less than 50 ⁇ m, or even less than 30 ⁇ m.
  • a CVD deposition of p-SiC with a thickness of 800 ⁇ m was made on a graphite growth substrate with a diameter of 150 mm, at a temperature of approximately 1277 °C, with a partial pressure of 16 mbar of MTCS and a molar fraction of NH 3 of 4%.
  • the nitrogen concentration measured by SIMS at 1.8 x10 20 atoms/cm 3 , provides an electrical resistivity of 10 mOhm.cm (4-point method).
  • the thermal conductivity is estimated at 240 W/m/K, a high value despite the small grains and high doping.
  • the curvature of the raw disk is approximately 210 ⁇ m.
  • a heat treatment at 2000°C is then applied to the raw p-SiC disk, keeping it flat on a flat surface. After which, the thinning steps by grinding and polishing are carried out to sequentially obtain the intermediate disk and the support substrate 20.
  • the raw disk showed a dominant C 220 texture coefficient, with a significant (111) component close to the interface with the growth substrate.
  • the C 111 texture-rich thickness was removed by grinding.
  • Heat treatment induced a significant evolution of the microstructure and grain orientation ( ): small grains of orientation (220) tend to coalesce and we obtain a mixed orientation (111) + (220) + (200). We observe few small grains of orientation (111).
  • the support substrate 20 has a nitrogen concentration of 1.8 x 10 20 atoms/cm 3 and a measured electrical resistivity of 1.2 mOhm.cm.
  • the thermal conductivity is of the order of 270 W/(m/K).
  • the curvature is measured to be less than 100 ⁇ m on a substrate with a diameter of 150 mm and a thickness of between 350 ⁇ m and 450 ⁇ m.
  • the grains may have an average diameter (measured in a plane perpendicular to the z axis, for example by EBSD) greater than or equal to 5 ⁇ m, in particular greater than or equal to 10 ⁇ m, or even 20 ⁇ m or 50 ⁇ m in certain support substrates 20 after the aforementioned heat treatment.
  • the grains of orientation (200) and (400) have an average diameter greater than or equal to 5 ⁇ m, in particular greater than or equal to 10 ⁇ m, or even 20 ⁇ m or 50 ⁇ m, a result of the heat treatment which causes the coalescence and recrystallization of certain grains of orientation (220).
  • the grain size tends to increase during the heat treatment, their average diameter being able to be multiplied by at least 2, frequently by 5 or even by 10 or 50, depending on the conditions and the duration of the heat treatment.
  • grains of orientation 220
  • raw discs whose microstructure has a texture coefficient C 422 less than 40% and a sum of texture coefficients C 220 + C 200 + C 400 greater than 50% prove to be particularly sensitive to heat treatments.
  • the increase in grain size during the heat treatment is correlated with an increase in thermal conductivity, which therefore makes it possible to achieve high thermal conductivity values such as the 270 W/(mK) already mentioned.
  • coalescence of neighboring grains also significantly changes their morphology, since CVD growth tends to be highly oriented along the thickness direction of the raw disk, with grains before heat treatment extending mainly along the Z axis visible on the . As visible on the , heat treatment results in the appearance of grains with very different morphology.
  • the raw disk or support substrate 20 comprises grains having an aspect ratio, defined as being the ratio between, in the numerator, the length of the grain along the Z axis and, in the denominator, the diameter of the grain along a direction perpendicular to the Z axis, less than or equal to 10, in particular less than or equal to 5, in particular less than or equal to 3. In particular, at least 5% of the grains have such an aspect ratio.
  • the face 20a of the support substrate 20 ( ) intended to receive the thin layer 10 preferably has a roughness less than or equal to 1 nm RMS (measured by atomic force microscopy on 20 ⁇ m x 20 ⁇ m scans), still preferably less than or equal to 0.5 nm RMS.
  • the face of the support substrate 20 intended to form the rear face of the composite structure 100 may have a greater surface roughness, for example of the order of 10 nm RMS.
  • Step a) of the method may optionally include a heat treatment applied to the support substrate 20, at a temperature greater than or equal to 1500°C, typically between 1500°C and 2000°C, so as to stabilize its polycrystalline structure. Indeed, these temperature ranges are likely to be applied later in the method for the manufacture of the composite structure 100.
  • the manufacturing method according to the invention then comprises a step b) of providing a donor substrate 1 made of a monocrystalline material from which the thin layer 10 will be produced ( ).
  • the monocrystalline material may be silicon carbide of polytype 4H, 6H or 3C, diamond, silicon, II-IV or III-V semiconductor compounds (in particular GaN), etc.
  • the donor substrate 1 is preferably in the form of a wafer with a diameter of 100 mm, 150 mm, 200 mm or even more (identical to or very close to that of the support substrate 20) and a thickness typically between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m. It has a front face 1a and a rear face 1b.
  • the surface roughness of the front face 1a is advantageously chosen to be less than 1 nm RMS, or even less than 0.5 nm RMS, measured by atomic force microscopy (AFM) on a 20 ⁇ m x 20 ⁇ m scan.
  • the type of doping and the resistivity of the donor substrate 1 are defined according to the needs of the components which will be produced on and/or in the thin layer 10 of the composite structure 100.
  • the method comprises a step c) of transferring a thin layer 10 from the donor substrate 1 onto the support substrate 20.
  • a layer transfer mechanical, chemical or mechano-chemical thinning, separation at the level of a porous layer present in the donor substrate 1, etc.
  • step c) of the process involves implantation of light species and assembly by direct bonding, according to the principle of the Smart Cut TM process.
  • a first phase c1) corresponds to the introduction of light species into the donor substrate 1 to form a buried fragile plane 11 delimiting, with a front face 1a of the donor substrate 1, the thin layer 10 to be transferred ( ). Note that even if the thin layer 10 to be transferred is illustrated as a continuous layer, it could also be made up of discontinuous blocks, for example prepared on the surface of the donor substrate 1.
  • the light species are preferably hydrogen, helium or a co-implantation of these two species, and are implanted at a determined depth in the donor substrate 1, consistent with the thickness of the targeted thin layer 10. These light species will form, around the determined depth, microcavities distributed in a thin layer parallel to the free surface 1a of the donor substrate 1, i.e. parallel to the plane (x,y) in the figures. This thin layer is called the buried fragile plane 11, for the sake of simplification.
  • the implantation energy of the light species is chosen so as to reach the determined depth.
  • hydrogen ions will be implanted at an energy between 10 keV and 250 keV, and at a dose between 5 E 16 /cm 2 and 1 E 17 /cm 2 , to delimit a thin layer 10 having a thickness of the order of 100 nm to 1500 nm.
  • a protective layer may be deposited on the front face 1a of the donor substrate 1, prior to the ion implantation step. This protective layer may be composed of a material such as silicon oxide or silicon nitride for example. It is removed prior to the next phase.
  • Transfer step c) then comprises a second phase c2) of assembling the donor substrate 1, on its front face 1a side, on the support substrate 20, on its first face 20a side, by molecular adhesion bonding, along a bonding interface 40 ( ).
  • an intermediate layer 30 may be formed on the front face 1a of the donor substrate 1, before or after the introduction of the light species of the phase c1), and in any event, before the assembly phase.
  • This intermediate layer 30 may be made of a semiconductor material, for example silicon or silicon carbide, or of a metallic material such as tungsten, titanium, etc.
  • the thickness of the intermediate layer 30 is advantageously limited, typically between a few nanometers and a few tens of nanometers.
  • the implantation energy (and potentially the dose) of the light species will be adjusted to the crossing of this additional layer.
  • care will be taken to form this layer by applying a thermal budget lower than the bubbling thermal budget, said bubbling thermal budget corresponding to the appearance of blisters on the surface of the donor substrate 1 due to growth and excessive pressurization of the microcavities in the buried fragile plane 11.
  • an intermediate layer 30 may also be deposited on the face to be assembled of the support substrate 20, prior to the assembly phase; it may be chosen to be of the same nature or of a different nature from the intermediate layer mentioned for the donor substrate 1.
  • An intermediate layer 30 may optionally be deposited on either of the two substrates 1, 20 to be assembled.
  • the purpose of the intermediate layer(s) is essentially to promote the bonding energy (in particular in the temperature range below 1100°C), due to the formation of covalent bonds at lower temperatures than in the case of two SiC surfaces directly assembled; another advantage of this (these) intermediate layer(s) may be to improve the vertical electrical conduction of the bonding interface 40.
  • the intermediate layer(s) 30 is (are) intended to be buried in the bonded assembly 50 after assembly (figures 5c’, 5c”), and ultimately, in the composite structure 100. Even if the intermediate layer 30 is continuous during its formation on one and/or the other of the substrates 1, 20, it may, during subsequent heat treatments, segment and exhibit a discontinuous character. This is essentially the case when the initial thickness of said layer is very low, typically less than 10 nm.
  • the assembly phase c2) may comprise, prior to bringing the faces 1a, 20a to be assembled into contact, conventional sequences of chemical cleaning (for example, RCA cleaning), surface activation (for example, by oxygen or nitrogen plasma) or other surface preparations (such as cleaning by brushing (“scrubbing”)), capable of promoting the quality of the bonding interface 40 (low defectivity, high adhesion energy).
  • chemical cleaning for example, RCA cleaning
  • surface activation for example, by oxygen or nitrogen plasma
  • other surface preparations such as cleaning by brushing (“scrubbing”)
  • a third phase c3) includes the separation along the buried fragile plane 11, which leads to the transfer of the thin layer 10 onto the support substrate 20 ( ).
  • the separation along the buried fragile plane 11 is usually carried out by applying a heat treatment at a temperature between 800°C and 1200°C. Such a heat treatment induces the development of cavities and microcracks in the buried fragile plane 11, and their pressurization by the light species present in gaseous form, until the propagation of a fracture along said fragile plane 11.
  • a mechanical stress can be applied to the bonded assembly and in particular at the buried fragile plane 11, so as to propagate or help to mechanically propagate the fracture leading to the separation.
  • the composite structure 100 comprising the support substrate 20 and the transferred thin layer 10 is obtained, and on the other hand, the remainder 1' of the donor substrate.
  • the level and type of doping of the thin layer 10 are defined by the choice of the properties of the donor substrate 1 or can be adjusted subsequently via known techniques for doping semiconductor layers.
  • the free surface 10a of the thin layer 10 is usually rough after separation: for example, it has a roughness of between 5 nm and 100 nm RMS.
  • Cleaning and/or smoothing phases may be applied to restore a good surface condition (typically, a roughness of less than a few angstroms RMS).
  • these phases may comprise a mechanical-chemical smoothing treatment of the free surface of the thin layer 10.
  • a removal of between 50 nm and 300 nm makes it possible to effectively restore the surface condition of said layer 10.
  • They may also comprise at least one heat treatment at a temperature of between 1200°C and 1800°C. Such a heat treatment is applied to remove the residual light species from the thin layer 10 and to promote the rearrangement of the crystal lattice of the thin layer 10.
  • the heat treatment may also comprise or correspond to epitaxy on the thin layer 10, in order to increase the thickness of the latter (for example, homoepitaxy of c-SiC on a thin layer 10 in c-SiC, heteroepitaxy of GaN on a thin layer 10 in c-SiC, or other).
  • the transfer step c) may comprise a step of reconditioning the remainder 1’ of the donor substrate with a view to reuse as donor substrate 1 for a new composite structure 100.
  • Mechanical and/or chemical treatments, similar to those applied to the composite structure 100, may be implemented at the level of the front face 1’a of the remaining substrate 1’.
  • the composite structure 100 obtained is extremely robust to very high temperature heat treatments likely to be applied to improve the quality of the thin layer 10 or to manufacture components on and/or in said layer 10.
  • the support substrate 20 in the composite structure 100 is stable and does not see its curvature increase prohibitively during the high temperature heat treatments applied to the composite structure 100 for its manufacture and subsequently.
  • the composite structure 100 according to the invention is particularly suitable for the production of one (or more) high-voltage microelectronic component(s), such as for example Schottky diodes, MOSFET transistors, etc. It more generally meets power microelectronic applications, by allowing excellent vertical electrical conduction, good thermal conductivity and by providing a high-quality monocrystalline thin layer 10.
  • high-voltage microelectronic component(s) such as for example Schottky diodes, MOSFET transistors, etc. It more generally meets power microelectronic applications, by allowing excellent vertical electrical conduction, good thermal conductivity and by providing a high-quality monocrystalline thin layer 10.

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Abstract

Structure composite pour la fabrication de composants microélectroniques comprenant une couche mince monocristalline, disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, ledit substrat support présentant, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle selon laquelle : - un coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle structure composite. Figure à publier avec l'abrégé : Pas de figure

Description

    STRUCTURE COMPOSITE COMPRENANT UNE COUCHE MINCE MONOCRISTALLINE SUR UN SUBSTRAT SUPPORT EN CARBURE DE SILICIUM POLY-CRISTALLIN ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE DOMAINE DE L’INVENTION
  • La présente invention concerne le domaine des matériaux semi-conducteurs pour composants microélectroniques. Elle concerne en particulier une structure composite comprenant une couche mince monocristalline disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin. La couche mince monocristalline est préférentiellement en carbure de silicium, et la structure composite vise les applications d’électronique de puissance.
    • ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
  • Le SiC est de plus en plus largement utilisé pour la fabrication de dispositifs de puissance innovants, pour répondre aux besoins de domaines montants de l'électronique, comme notamment les véhicules électriques. En effet, les dispositifs de puissance et les systèmes intégrés d'alimentation basés sur du carbure de silicium monocristallin peuvent gérer une densité de puissance beaucoup plus élevée par rapport à leurs homologues traditionnels en silicium, et ce avec des dimensions de zone active inférieures.
  • Les substrats en SiC monocristallin (c-SiC) de haute qualité, destinés à l’industrie microélectronique, restent néanmoins chers et difficiles à approvisionner en grande taille. Il est donc avantageux de recourir à des solutions de transfert de couches, pour élaborer des structures composites comprenant typiquement une couche mince en SiC monocristallin (issue du substrat en c-SiC de haute qualité) sur un substrat support plus bas coût, par exemple en SiC polycristallin (p-SiC). Les composants électroniques peuvent ensuite être élaborés sur et/ou dans la couche mince.
  • Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart CutTM, basé sur une implantation d’ions légers et sur un assemblage, par collage direct, entre un substrat donneur monocristallin et un substrat support, au niveau d’une interface de collage.
  • Des substrats en p-SiC, susceptibles de former des substrats supports, sont actuellement disponibles sur le marché. Néanmoins, leurs caractéristiques mécaniques, électriques, voire thermiques ne sont pas nécessairement optimaux pour l’obtention, à partir d’un procédé de transfert de couche mince, d’une structure composite de haute qualité, visant des applications de puissance.
  • Comme évoqué plus haut, les applications d’électronique de puissance requièrent une excellente conduction électrique verticale dans la structure composite. La couche mince monocristalline peut ainsi être dopée, selon les besoins de l’application : par exemple, pour présenter un dopage de type n ou p et une résistivité inférieure à 30 mOhm.cm, à 10 mOhm.cm, voire inférieure à 1 mOhm.cm. L’interface d’assemblage de la structure composite doit être élaborée de manière à ne pas (ou très peu) augmenter la résistance électrique verticale. Enfin, une bonne conductivité électrique doit être assurée dans le substrat support de la structure composite. Il est donc requis de doper fortement (dopage de type n ou p) le substrat polycristallin pour atteindre une résistivité inférieure ou égale à 15 mOhm.cm, à 10 mOhm.cm, voire inférieure à 5 mOhm.cm. Cependant, il est connu qu’une concentration importante en dopants, par exemple azote, dans un matériau p-SiC peut être un facteur limitant pour obtenir une bonne planéité (faible déformation) du fait d’une densité importante de défauts générés.
  • Or, il est essentiel d’utiliser des substrats supports présentant une courbure ou déformation faible. La courbure correspond à la flèche ou « warp » selon la terminologie anglo-saxonne, lequel équivaut à la différence algébrique des déviations du substrat par rapport à un plan de référence. Une courbure réduite est requise d’une part, pour que ces substrats supports soient compatibles avec un assemblage direct de bonne qualité et une forte énergie de collage, et d’autre part pour qu’ils ne soient pas susceptibles de provoquer des dommages dans la couche mince monocristalline durant ou après le procédé de transfert, du fait de contraintes mécaniques importantes. Une courbure faible est également importante pour garantir les performances des étapes de fabrication (par exemple, photolithographie) des composants sur/dans la couche mince de la structure composite. Le rayon de courbure (proportionnel à l’inverse du « warp ») des substrats supports en p-SiC est typiquement visé supérieur à environ 25 m (soit un « warp » inférieur à 100 μm pour un substrat de 150mm de diamètre, voire inférieur à 50 μm, voire idéalement inférieur à 30 μm).
  • Enfin, un procédé de transfert de couche mince, basé sur un collage direct par adhésion moléculaire, est très dépendant de la qualité de surface des substrats assemblés. En particulier, une rugosité inférieure ou égale à 1 nm RMS (rugosité moyenne quadratique) est requise, couplée à une défectivité de surface (particules, trous... ou autres reliefs susceptibles de générer des défauts de collage) très faible, tant pour le substrat support que pour le substrat donneur. Notons que la dureté du SiC ainsi que la présence de grains à la surface du substrat support polycristallin complexifie grandement la préparation de surface et une qualité parfaite s’avère difficile à obtenir.
  • De surcroit, il apparait souvent important que le substrat support garantisse une bonne conductibilité thermique (typiquement supérieure à 200W/(m.K), voire supérieure à 250 W/(m.K)), pour évacuer efficacement la chaleur, notamment générée par des composants de puissance. Or, la conductibilité thermique peut être défavorablement impactée par un fort taux de dopants qui nuit à la propagation des phonons, notamment du fait de la génération de défauts cristallins supplémentaires.
  • L’ensemble de ces spécifications est très complexe à atteindre avec les substrats en p-SiC actuellement disponibles.
  • Le document US10934634 propose un substrat en p-SiC pour lequel le taux de changement de la taille des grains entre les deux faces du substrat est inférieur à 0,43%, ce qui lui procure un rayon de courbure supérieur à 142 m, soit une très faible déformation. En outre, une face au moins dudit substrat présente une rugosité moyenne arithmétique inférieure à 1 nm. Ce procédé demeure néanmoins dispendieux et très consommateur en énergie et en matière, car une importante portion du p-SiC initialement déposé sur un substrat de graphite est retirée et perdue pour obtenir le substrat proposé en p-SiC (typiquement 2 mm initialement déposés pour former un substrat en p-SiC de 350 μm).
  • Pour réduire les coûts de fabrication, il serait optimal de faire croître, par dépôt chimique en phase vapeur à vitesse élevée, une couche de p-SiC d’épaisseur la plus proche possible de l’épaisseur finale du substrat souhaité, avec une taille de grains très rapidement stabilisée après le début de la croissance de la couche, pour éviter toute surépaisseur inutile qui deviendrait nécessaire pour réduire ou éliminer le gradient de taille de grains dommageable à la planéité du substrat ; cela en assurant une concentration très élevée de dopants (par exemple de type n, tel que l’azote ou le phosphore), typiquement supérieur à 5 x 1019 atomes/cm3, préférentiellement supérieur à 1020 atomes/cm3, pour atteindre typiquement une résistivité du matériau inférieure à 15 mOhm.cm, voire inférieure à 10 mOhm.cm, et en autorisant une bonne conductibilité thermique.
  • OBJET DE L’INVENTION
  • La présente invention propose une structure composite comportant une couche mince en matériau monocristallin, en particulier en c-SiC, de haute qualité, disposée sur un substrat support en p-SiC présentant une très faible résistivité, une faible déformation et une bonne conductibilité thermique. Elle concerne également un procédé de fabrication d’une telle structure composite.
  • BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
  • L’invention concerne une structure composite pour la fabrication de composants microélectroniques comprenant une couche mince monocristalline, disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, ledit substrat support présentant, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle selon laquelle :
  • - un coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et
  • - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%.
  • Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
    • le substrat support présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10 mOhm.cm, préférentiellement inférieure ou égale à 5 mOhm.cm, encore préférentiellement inférieure ou égale à 3 mOhm.cm ;
    • le substrat support est dopé à l’azote avec une concentration, mesurée par spectroscopie de masse des ions secondaires, supérieure ou égale à 5,0x1019 atomes/cm3, préférentiellement supérieure ou égale à 1,0x1020 atomes/cm3, encore préférentiellement supérieure ou égale à 1,5x1020 atomes/cm3, ou encore préférentiellement supérieure ou égale à 3x1020 atomes/cm3 ;
    • le coefficient de texture C422 est inférieur à 20%, préférentiellement inférieur à 15%, encore préférentiellement inférieur à 10% ;
    • la somme des coefficients de texture C200+C400 est supérieure à 1%, préférentiellement supérieure à 2%, encore préférentiellement supérieure à 5% ;
    • la couche mince est composée de carbure de silicium ;
    • la couche mince est composée de nitrure de gallium ;
    • la couche mince est composée d’oxyde de gallium ;
    • la couche mince est composée de diamant ;
    • la structure composite comprend une couche intermédiaire continue ou discontinue, disposée entre la couche mince et le substrat support et composée d’au moins un matériau métallique ou semi-conducteur ;
    • la couche intermédiaire est composée de silicium, de carbure de silicium, de tungstène, et/ou de titane ;
    • le substrat support présente une épaisseur comprise entre 50 microns et 650 microns ;
    • la structure composite comprend un composant électronique sur et/ou dans la couche mince et comprenant optionnellement un contact électrique au niveau de la face arrière du substrat support.
  • La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une structure composite comportant une couche mince monocristalline disposée sur un substrat support en carbure de silicium polycristallin, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
  • a) la fourniture d’un substrat support en carbure de silicium polycristallin présentant, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle selon laquelle :
  • - un coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et
  • - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%,
  • b) la fourniture d’un substrat donneur en un matériau monocristallin,
  • c) le transfert d’une couche mince issue du substrat donneur sur le substrat support.
  • Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
    • l’étape c) de transfert comprend :
      c1) la formation d’un plan fragile enterré dans le substrat donneur, délimitant la couche mince entre ledit plan fragile enterré et une face avant du substrat donneur,
      c2) l’assemblage par collage par adhésion moléculaire du substrat donneur sur le substrat support, directement ou via une couche intermédiaire,
      c3) la séparation le long du plan fragile enterré pour donner lieu au transfert de la couche mince sur le substrat support ;
    • l’étape c2) comprend, avant l’assemblage des deux substrats :
      - la formation d’une couche intermédiaire sur le substrat donneur, avant ou après l’étape c1), et/ou
      - la formation d’une couche intermédiaire sur le substrat support,
      la couche intermédiaire étant formée en au moins un matériau métallique ou semi-conducteur, choisi parmi le silicium, le carbure de silicium, le tungstène et le titane ;
    • le procédé de fabrication comprend en outre l’élaboration de composants électroniques sur et/ou dans la couche mince de la structure composite ;
    • l’élaboration de composants électroniques comprend notamment une étape d’homoépitaxie ou d’hétéroépitaxie sur la couche mince.
    BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
  • La présente une structure composite conforme à l’invention ;
  • La présente une table répertoriant les 10 pics de diffraction, classés par indices de Miller (hkl) croissants, pris en compte dans un substrat SiC de polytype 3C et mesurables par diffraction aux rayons X ; sont également indiquées dans la table, la position des pics et leur intensité théorique ;
  • Les figures 3a et 3b présentent des images obtenues par microscopie électronique à balayage des électrons rétrodiffusés d’une section transversale, respectivement d’un disque brut en p-SiC et d’un substrat support issu dudit disque brut, le substrat support étant mis en œuvre pour fabriquer des structures composites conformes à la présente invention ;
  • La présente une structure composite conforme à l’invention ;
  • Les figures 5a, 5b, 5c, 5c’, 5c’’ et 5d présentent des étapes du procédé de fabrication conforme à l’invention.
  • Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Certaines figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y ; et les épaisseurs relatives des couches entre elles ne sont pas nécessairement respectées sur les figures.
    •  DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
  • La présente invention concerne une structure composite 100 particulièrement adaptée pour la fabrication de composants microélectroniques comprenant une couche mince 10 monocristalline, en particulier en carbure de silicium, en diamant, en silicium, en composés semi-conducteurs II-VI ou III-V (par exemple AlN, GaN,...), en oxyde de gallium (Ga2O3), ou en tout matériau semi-conducteur à large bande interdite, disposée sur un substrat support 20 en carbure de silicium polycristallin ( ).
  • Dans un plan principal (x,y), la structure composite 100 se présente préférentiellement sous la forme d’une plaquette circulaire (« wafer » selon la terminologie anglo-saxonne) de diamètre de 100mm, 150mm, 200mm, voire plus. Elle pourrait néanmoins se présenter sous toute autre forme permettant son traitement ultérieur pour la fabrication de composants. L’épaisseur de la structure composite 100 s’étend selon l’axe z sur les figures.
  • La couche mince 10 de la structure composite 100 présente une épaisseur typiquement comprise entre quelques dizaines de nm et quelques centaines de nm, par exemple, entre 50nm et 800nm. Nous verrons par la suite que des étapes d’épitaxie peuvent être mises en œuvre sur ladite couche mince 10, de manière à l’épaissir (homoépitaxie) ou à faire croitre d’autres matériaux (hétéroépitaxie), pour les besoins des composants électroniques à fabriquer.
  • La couche mince 10 présente une résistivité électrique adaptée à l’application et aux composants visés. Par exemple pour des composants de puissance, sa résistivité est habituellement inférieure à 30mOhm.cm, à 10mOhm.cm, voire à 1mOhm.cm, avec un dopage de type n (dopant azote ou phosphore).
  • Le substrat support 20 correspond au support mécanique de la structure composite 100. Les dimensions latérales dans le plan principal (x,y) du substrat support 20 (son diamètre en particulier) sont les mêmes que celles de la structure composite 100. Il est à noter que la couche mince 10 pourra présenter une dimension latérale légèrement inférieure, du fait du procédé de transfert : en effet, une couronne périphérique du substrat support 20 est habituellement dépourvue de couche mince 10 car la tombée de bord ou le chanfrein du substrat 20 empêchent l’assemblage et le report effectif de ladite couche 10.
  • Dans la structure composite 100, le substrat support 20 présente une épaisseur typiquement comprise entre environ 50 μm et plusieurs centaines de micromètres, par exemple entre 50 μm et 650 μm, ou entre 100 μm et 450 μm, ou encore entre 200 μm et 350 μm. Habituellement, l’épaisseur d’un substrat support 20 de diamètre 150 mm est dans la gamme 350 - 450 μm, et l’épaisseur d’un substrat support 20 de diamètre 200 mm, dans la gamme 500 - 650 μm.
  • Comme évoqué en introduction, une bonne conductivité électrique verticale est requise pour les applications de puissance : le substrat support 20 présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10 mOhm.cm, préférentiellement inférieure ou égale à 5 mOhm.cm, voire encore préférentiellement, inférieure ou égale à 3 mOhm.cm. Lorsque la couche mince 10 est de type n, le type de dopage du substrat support 20 est habituellement choisi identique, soit un dopage typique à l’azote voire au phosphore. Pour obtenir la faible résistivité énoncée ci-dessus, la concentration en dopant (pouvant être mesurée par spectroscopie de masse des ions secondaires) est généralement supérieure à 5,0x1019 atomes/cm3, préférentiellement supérieure ou égale à 1,0x1020 atomes/cm3, supérieure ou égale à 1,5x1020 atomes/cm3 ou encore supérieure ou égale à 3x1020 atomes/cm3.
  • Le rayon de courbure du substrat support 20 est supérieur à 25m, avantageusement supérieur ou égal à 50m. A titre d’exemple, un substrat support 20 de 150mm de diamètre présente une courbure (ou « warp ») inférieure ou égale à 100 μm, inférieure ou égale 50 μm, voire inférieure ou égale à 30 μm ; un substrat support 20 de 200mm de diamètre présente une courbure (ou « warp ») inférieure ou égale à 150 μm, inférieure ou égale à 100 μm, inférieure ou égale à 70 μm, voire inférieure ou égale à 40 μm.
  • La gamme de rayon de courbure du substrat support 20 rend ce dernier parfaitement compatible avec les spécifications d’une structure composite 100 munie d’une couche mince monocristalline 10, avec le procédé de fabrication d’une telle structure 100 et avec l’élaboration ultérieure de composants microélectroniques sur et/ou dans la couche mince 10. Notons que la courbure de la structure composite 100 reste proche de la courbure du substrat support 20.
  • Le substrat support 20, en p-SiC de polytype 3C, présente en outre, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle. Cette orientation cristalline est particulièrement favorable à l’obtention d’une faible courbure, d’une bonne conductibilité thermique, en parallèle d’une forte concentration de dopants.
  • L’orientation cristalline préférentielle se caractérise ici avec des proportions particulières de différents coefficients de texture. Un coefficient de texture peut s’exprimer en pourcentage et quantifie l’orientation préférentielle moyenne des cristallites du substrat support 20 par rapport à la normale à la surface dudit substrat 20. Rappelons que les coefficients de texture peuvent être mesurés grâce à la méthode décrite par G.Harris (« X. Quantitative measurement of preferred orientation in rolled uranium bars”, Philosophical Magazine Series 7, 43:336, 113-123, 1952). En pratique, ils sont mesurés à partir des pics de diffraction collectés par un diffractomètre aux rayons X du type PANalytical X’Pert PRO MPD, par la méthode θ-2θ sur une plage d’angles allant de 10° à 135° (échelle 2θ). Sur cette plage, les dix pics de diffraction figurant dans la table (présentée en ) et classés selon des indices de Miller (hkl) croissants, peuvent être pris en compte dans un substrat SiC de polytype 3C.
  • Un coefficient de texture Chkl est calculé à partir de l’intensité du pic Ihkl, proportionnelle à l’aire sous le pic de l’échantillon, et de l’intensité théorique I0hkl d’une poudre qui peut être obtenue à partir des pourcentages théoriques édités par l’ICDD (International Centre for Diffraction Data). Un coefficient de texture Chkl s’exprime comme suit :
  • Chkl = (Ihkl/ I0 hkl)/ (1/N x Σ (Ihkl/ I0 hkl)), avec N le nombre de pics pris en compte.
  • L’orientation cristalline préférentielle du substrat support 20 est caractérisée par un coefficient de texture C422 inférieur à 40%, et par le fait que la somme des coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%.
  • Préférentiellement, la somme des coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 60%, à 70%, voire à 80%. La contribution C200+C400 peut avantageusement être supérieure à 1%, à 2%, voire à 5%.
  • De manière également préférentielle, le coefficient de texture C422 est inférieur à 20%, inférieur à 15%, voire inférieur à 10%.
  • La présente un exemple de texture d’un substrat support 20 pour une structure composite 100 selon l’invention. L’image a été obtenue par microscopie électronique à balayage (MEB) par électrons rétrodiffusés (EBSD), dans le plan transverse (y,z), c’est-à-dire dans une section transversale (en coupe) du substrat support 20 ; la barre blanche en bas à droite de l’image indique une échelle de 100 μm. La texture observée est orientée préférentiellement (220) avec un coefficient de texture C220 supérieur ou égal à 90% et un coefficient de texture C422 inférieur 10%.
  • Dans cet exemple, le substrat support 20 présente une concentration d’azote à 1,8 x 1020 atomes/cm3 et une résistivité électrique mesurée de 1,2 mOhm.cm par la méthode des 4 pointes. La conductibilité thermique, de l’ordre de 270 W/(m.K) est déduite d’une mesure de diffusivité thermique par la méthode flash laser. Enfin, la déformation (warp) est mesurée inférieure à 100 μm sur un substrat de diamètre 150 mm et d’épaisseur comprise entre 350 μm et 450 μm.
  • Les textures préférentielles, associées au fort dopage, permettent l’obtention d’un substrat support 20 répondant aux spécifications physiques, mécaniques et électriques attendues dans la structure composite 100, à savoir, une excellente planéité (faible courbure), une faible résistivité électrique et une très bonne conductibilité thermique.
  • Selon un mode particulier de l’invention, la structure composite 100 comprend une couche intermédiaire 30 continue ou discontinue, disposée entre la couche mince 10 et le substrat support 20 et composée d’au moins un matériau métallique ou semi-conducteur ( ). Comme cela sera décrit plus loin, en référence à un procédé de fabrication de la structure composite 100, la couche intermédiaire 30 pourra être formée du côté de la couche mince 10, du côté du substrat support 20 ou des deux côtés, préalablement à l’assemblage le long d’une interface de collage 40.
  • La couche intermédiaire 30 peut être par exemple composée de silicium, de carbure de silicium, de tungstène et/ou de titane. Son épaisseur est typiquement comprise entre quelques nm et quelques centaines de nm, préférentiellement entre 2nm et 50nm.
  • La présente invention concerne également un procédé de fabrication de la structure composite 100.
  • Le procédé comprend une première étape a) de fourniture d’un substrat support 20 en carbure de silicium polycristallin présentant une orientation cristalline préférentielle selon laquelle :
    • le coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et
    • la somme des coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%.
  • Préférentiellement, pour adresser les applications d’électronique de puissance, le substrat support 20 présente un dopage à l’azote ou au phosphore permettant d’atteindre une résistivité électrique inférieure ou égale à 10 mOhm.cm, à 5 mOhm.cm, voire inférieure à 3 mOhm.cm.
  • Le rayon de courbure du substrat support 20 est supérieur à 25m, avantageusement supérieur ou égal à 50m.
  • L’étape a) met en œuvre une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour « Chemical Vapor Deposition »). Cette technique fait intervenir un mélange gazeux comprenant au moins un gaz précurseur de silicium (tel qu’un silane ou un chlorosilane) et/ou au moins un gaz précurseur de carbone (tel qu’un alcane ou un alcène), et/ou au moins un gaz précurseur de silicium et de carbone (tel que le méthyltrichlorosilane, abrégé MTCS), et, si nécessaire, au moins un gaz dopant. Dans le cas d’un dopage à l’azote, le gaz dopant pourra par exemple être le NH3, le N2H4, le N2). Notons que le gaz dopant peut aussi être un précurseur de carbone et/ou de silicium (par exemple une amine telle que le H2NCH3). Ces gaz peuvent être dilués dans un gaz porteur, qui peut être un gaz réducteur tel que l’hydrogène et/ou un gaz inerte tel que l’argon. A partir de ce mélange gazeux, la couche de SiC polycristallin se forme sur un substrat dit de croissance.
  • Ce mélange gazeux est admis dans un réacteur se trouvant à haute température où les gaz précurseurs sont décomposés et réagissent sur la surface du substrat de croissance, préférentiellement en graphite isostatique à grain fin et purifié, pour former le polytype 3C-SiC dont les propriétés de résistance mécanique et thermique, le coefficient de dilatation thermique et la pureté sont parfaitement compatibles avec les spécifications de la structure composite 100. Le polytype 3C-SiC, par ailleurs, peut être dopé avec de l’azote jusqu’à des niveaux très élevés, typiquement 1020 atomes/cm3, et présenter ainsi une résistivité inférieure à 10mOhm.cm, sans dégradation de la qualité du substrat qui serait préjudiciable à la qualité de la structure composite et ultérieurement aux performances des composants microélectroniques. Enfin, c’est un matériau capable de résister aux procédés à hautes températures que devra subir le substrat support 20 pendant la fabrication de la structure composite 100 et des composants.
  • La température du réacteur lors du dépôt par CVD du SiC doit se situer entre environ 1000°C et environ 1600°C, préférentiellement entre environ 1100°C et environ 1400°C, voire entre environ 1200°C et environ 1400°C. Dans cette plage de température, les vitesses de dépôt peuvent évoluer dans des plages assez larges, du micromètre/h à plus de 100 micromètres/h. Avantageusement, la pression totale dans le réacteur ne dépasse pas 350 mbar, voire 300 mbar.
  • En modifiant les paramètres du procédé CVD tels que la température, la pression partielle du précurseur et potentiellement le pourcentage de gaz dopant, il est possible de faire évoluer l’orientation cristalline/la texture de la couche p-SiC déposée.
  • A titre d’exemple, pour obtenir un substrat support 20 de diamètre 150 mm, le dépôt est réalisé sur un cylindre de graphite en forme de disque, de diamètre approchant un nominal de 150 mm et d’épaisseur supérieure à 2 mm pour assurer une planéité suffisante du substrat. Le réacteur peut comprendre une pluralité de ces disques, dont le diamètre peut être identique ou différent. Les deux faces des disques ont de préférence une planéité < 15 µm, obtenue par un usinage suffisamment précis. Le coefficient de dilatation thermique du graphite isostatique est choisi judicieusement pour être compatible avec la couche de p-SiC lors du refroidissement après dépôt. Un substrat commercialisé par la société MERSEN sous la désignation « grade 2303 » peut être utilisé.
  • A l’issue du dépôt, le substrat de croissance en graphite, revêtu par une couche de dépôt de p-SiC, est usiné, puis oxydé à l’air typiquement à 900°C pour éliminer tout résidu de graphite. Notons que le retrait du graphite pourrait également être opéré par des techniques d’usinage uniquement mécaniques ou encore essentiellement par brulage/oxydation. Un disque de p-SiC brut est récupéré pour chaque face d’un substrat de croissance et présente une courbure du fait de la relaxation des contraintes de la couche déposée.
  • Le disque brut en p-SiC (éventuellement après avoir été débarrassé, au moins sur sa face qui était en contact avec le substrat de croissance, d’une épaisseur de matière d’environ 100 µm ou plus) est doté de caractéristiques cristallographiques particulières, à savoir une orientation cristalline préférentielle qui est caractérisée sur chacune de ses deux faces par :
    • un coefficient de texture C422 est inférieur à 40 %, de préférence inférieur à 30%, et
    • un coefficient de texture C220 est supérieur à 50 %, et de préférence supérieur à 60%, voire supérieur à 80 %.
  • Un traitement thermique est ensuite appliqué au disque brut en p-SiC, dans une gamme de températures allant de 1800°C à 2300°C. Lors de ce traitement thermique, le disque brut est avantageusement maintenu à plat sur une surface plane. Ce traitement thermique conduit à une modification spécifique de la taille des grains p-SiC et de leur orientation cristallographique, qui n’est observée que dans le cas où le disque brut présente les caractéristiques cristallographiques spécifiques précitées, après dépôt. Ce traitement thermique est effectué à une température comprise entre 1800°C et 2300°C, préférentiellement comprise entre 1850°C et 2200°C, plus préférentiellement comprise entre 1900°C et 2150°C, et encore plus préférentiellement comprise entre 1950°C et 2150°C. Sa durée est avantageusement d’au moins 10 minutes, et se situe avantageusement entre environ 1 heure et environ 12 heures, et de préférence entre environ 2 heures et environ 9 heures. Une durée trop longue peut conduire à une recristallisation non souhaitée, avec une durée trop courte le traitement thermique peut être inefficace.
  • Le disque p-SiC brut subit ensuite des amincissements par rectification grossière puis fine. Ces étapes de rectification, connues de l’état de la technique, visent notamment à éliminer une épaisseur suffisante (au moins 100 μm) du côté de la face du disque qui était en contact avec le graphite, pour retirer la zone de croissance initiale des cristaux, génératrice de fortes contraintes. Elles permettent également, par enlèvement de matière sur les deux faces du disque brut, d’obtenir un disque de p-SiC intermédiaire qui présente une deuxième épaisseur, proche de l’épaisseur finale visée pour le substrat support 20, et une faible déformation. Cette deuxième épaisseur est typiquement inférieure à 550 μm, préférentiellement comprise entre 350 μm et 450 μm.
  • Notons que les étapes précitées d’amincissement par rectification et de traitement thermique peuvent être interverties ou encore imbriquées (le traitement thermique peut par exemple être opéré après une première séquence de rectification appliquée au disque brut, et avant une deuxième séquence de rectification qui aboutira au disque intermédiaire).
  • Grâce au traitement thermique énoncé, on obtient un disque intermédiaire en p-SiC qui présente une orientation cristalline préférentielle, qui sera également celle du substrat support 20, définie par :
  • - un coefficient de texture C422 inférieur à 40%, et
    - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%.
  • De manière préférée, la contribution C200 + C400est supérieure à 1%, supérieure à 2 %, voire supérieure à 5%. C’est cette contribution C200 + C400à l’orientation cristallographique caractérisée par une texture très dominante C220 qui est générée par le traitement thermique spécifique auquel est soumis le disque brut ou intermédiaire.
  • Avantageusement, le disque intermédiaire présente sur chacune de ses deux faces un coefficient de texture C422 qui est inférieur à 20 %, de préférence inférieur à 15 %, et encore plus préférentiellement inférieur à 10 %.
  • Le traitement thermique d’un disque brut (avant ou après tout ou partie des étapes de rectification) conduit d’abord à un réarrangement de défauts cristallographiques aux joints de grains (qui induit la relaxation de contraintes résiduelles aux joints de grains), puis à une recristallisation par nucléation aux joints de grains, suivi d’un grossissement de ces grains. Ainsi, la taille de grains initiale peut influer sur la microstructure obtenue à l’issue du traitement thermique. La nature des défauts cristallographiques est également déterminante : pour faciliter une recristallisation qui relaxe de manière efficace les contraintes, les grains de petite taille doivent être bordés de joints de grains à forte désorientation (connus sous le sigle HAGB – High Angle Grain Boundaries). Ces joints de grains à forte désorientation contiennent une énergie stockée particulièrement importante, et sont de ce fait plus mobiles que les joints de grains à faible désorientation. Leur énergie interne est la force motrice pour le réarrangement des défauts aux joints de grains. La texture particulière du p-SiC du disque brut, soumis au traitement thermique, assure la présence de tels joints de grains à forte désorientation.
  • Sans être lié par cette théorie, il est également supposé que le traitement thermique du disque en p-SiC permet une meilleure diffusion des dopants, notamment de l’azote, et conduit à une incorporation des atomes dopants dans le réseau cristallographique qui est électroniquement plus efficace. Cela permet d’obtenir un disque en SiC polycristallin qui est dopé avec une concentration d’azote supérieure à 5 x 1019 atomes/cm3, de préférence supérieure à 1 x 1020 atomes/cm3, et encore plus préférentiellement supérieure à 1,5 x 1020 atomes/cm3, procurant de très faibles résistivités, inférieures à 10 mOhm.cm, à 5 mOhm.cm, voire encore inférieure à 3 mOhm.cm.
  • Enfin, le disque p-SiC intermédiaire est soumis à des préparations de surface classiques par rectification fine et/ou par polissage pour aboutir au substrat support 20 en p-SiC présentant les caractéristiques clés énoncées précédemment, lors de la description de la structure composite 100.
  • Compte tenu de l’orientation cristalline préférentielle définie, la courbure du disque brut en p-SiC demeure dans une gamme raisonnable pour permettre l’élaboration d’un substrat support 20 à faible courbure, à partir d’un disque brut d’épaisseur économiquement viable. Cette courbure peut être mesurée grâce à un capteur confocal en lumière blanche qui scanne une surface du disque ou substrat, ce dernier étant posé sur un plan support de l’outil de mesure. On mesure la différence entre l’élévation maximale et minimale de la surface scannée par le capteur par rapport audit plan support. Cette surface peut être interpolée par un plan médian, par la méthode des moindres carrés. Si ce plan médian est parallèle au plan support, la mesure de déformation est égale au « Warp ». Cette méthode de mesure de la déformation majore la mesure du Warp dans le cas général.
  • A titre d’exemple, la courbure (« warp ») d’un disque en p-SiC brut de diamètre 150mm et d’épaisseur inférieure à 1000 μm est visée inférieure ou égale à 250 μm. Il est ainsi possible après rectification et polissage d’obtenir un substrat support 20 d’épaisseur typiquement inférieure à 500 μm et de courbure (« warp ») inférieure à 100 μm, voire inférieure à 50 μm, voire encore inférieure à 30 μm.
  • En référence à l’exemple de substrat support 20 illustré en , un dépôt CVD de p-SiC d’épaisseur 800 μm a été fait sur un substrat de croissance en graphite de diamètre 150mm, à une température d’environ 1277°C, avec une pression partielle de 16 mbar de MTCS et une fraction molaire de NH3 de 4%. Le disque brut en p-SiC obtenu présente une orientation cristallographique préférentielle avec la texturation suivante : C220 = 93%, C422 = 3%, et C111 + C222 + C511 = 2%, comme illustré sur la . La concentration en azote, mesurée par SIMS à 1,8 x1020 atomes/cm3, procure une résistivité électrique de 10 mOhm.cm (méthode des 4 pointes). La conductibilité thermique est évaluée à 240 W/m/K, valeur élevée malgré les grains de petite taille et le dopage élevé. La courbure du disque brut est d’environ 210 μm.
  • Un traitement thermique à 2000°C est alors appliqué au disque brut en p-SiC, en le maintenant à plat sur une surface plane. Après quoi, les étapes d’amincissement par rectification et polissage sont opérées pour obtenir séquentiellement le disque intermédiaire et le substrat support 20.
  • Le disque brut montrait un coefficient de texture C220 dominant, avec une composante (111) significative proche de l’interface avec le substrat de croissance. L’épaisseur riche en texture C111 a été enlevée par rectification. Le traitement thermique a induit une évolution significative de la microstructure et de l’orientation des grains ( ) : les petits grains d’orientation (220) tendent à coalescer et on obtient une orientation mixte (111) + (220) + (200). On observe peu de petits grains d’orientation (111).
  • Dans cet exemple, comme énoncé précédemment, le substrat support 20 présente une concentration d’azote à 1,8 x 1020 atomes/cm3 et une résistivité électrique mesurée de 1,2 mOhm.cm. La conductibilité thermique est de l’ordre de 270W/(m/K). Enfin, la courbure est mesurée inférieure à 100 μm sur un substrat de diamètre 150 mm et d’épaisseur comprise entre 350 μm et 450 μm.
  • De manière empirique, les grains peuvent présenter un diamètre moyen (mesuré dans un plan perpendiculaire à l’axe z, par exemple par EBSD) supérieur ou égal à 5 µm, notamment supérieur ou égal 10 µm, voire 20 µm ou 50 µm dans certains substrats supports 20 après le traitement thermique précité. En particulier, les grains d’orientation (200) et (400) présentent un diamètre moyen supérieur ou égal à 5 µm, notamment supérieur ou égal 10 µm, voire 20 µm ou 50 µm, résultat du traitement thermique qui cause la coalescence et la recristallisation de certains grains d’orientation (220).
  • Dans la mesure du diamètre moyen d’un grain, il est considéré que différents cristaux formant une ou plusieurs macles constituent un même grain et non des grains distincts.
  • Ainsi, la taille des grains tend à augmenter au cours du traitement thermique, leur diamètre moyen pouvant être multiplié au moins par 2, fréquemment par 5 voire par 10 ou 50, en fonction des conditions et de la durée du traitement thermique. Cela est notamment le cas pour les grains d’orientation (220), qui se révèlent présenter une tendance plus importante à la coalescence et à la recristallisation que notamment les grains d’orientation (422). Ainsi, les disques bruts dont la microstructure présente un coefficient de texture C422 inférieur à 40% et une somme de coefficients de texture C220+C200+C400 supérieure à 50% se révèlent être particulièrement sensibles aux traitements thermiques. Or, l’augmentation de la taille des grains pendant le traitement thermique est corrélée à une augmentation de la conductibilité thermique, ce qui permet donc d’atteindre des valeurs de conductibilité thermique élevées telles que les 270 W/(m.K) déjà mentionnées.
  • La coalescence de grains voisins change également de manière importante leur morphologie, puisque la croissance par CVD tend à être très orientée selon la direction de l’épaisseur du disque brut, avec des grains avant traitement thermique s’étendant principalement selon l’axe Z visibles sur la . Comme visible sur la , le traitement thermique entraîne l’apparition de grains de morphologie très différente.
  • En particulier, le disque brut ou substrat support 20 comprend des grains présentant un rapport d’aspect, défini comme étant le rapport entre, au numérateur, la longueur du grain selon l’axe Z et, au dénominateur, le diamètre du grain selon une direction perpendiculaire à l’axe Z, inférieur ou égal à 10, notamment inférieur ou égal à 5, en particulier inférieur ou égal à 3. Notamment, au moins 5 % des grains présentent un tel rapport d’aspect.
  • La face 20a du substrat support 20 ( ) destinée à recevoir la couche mince 10 présente préférentiellement une rugosité inférieure ou égale à 1nm RMS (mesurée par microscopie à force atomique sur des scans de 20 μm x 20 μm), encore préférentiellement inférieure ou égale à 0,5nm RMS. La face du substrat support 20 destinée à former la face arrière de la structure composite 100 peut présenter une rugosité de surface plus importante, par exemple de l’ordre de 10nm RMS.
  • L’étape a) du procédé peut éventuellement inclure un traitement thermique appliqué au substrat support 20, à une température supérieure ou égale à 1500°C, typiquement entre 1500°C et 2000°C, de manière à stabiliser sa structure polycristalline. En effet, ces gammes de températures sont susceptibles d’être appliquées plus tard dans le procédé pour la fabrication de la structure composite 100.
  • Le procédé de fabrication selon l’invention comprend ensuite une étape b) de fourniture d’un substrat donneur 1 en un matériau monocristallin dont sera issue la couche mince 10 ( ). Comme évoqué précédemment en référence à la structure composite 100, le matériau monocristallin peut être le carbure de silicium de polytype 4H, 6H ou 3C, le diamant, le silicium, les composés semi-conducteurs II-IV ou III-V (notamment GaN), etc. Le substrat donneur 1 se présente préférentiellement sous la forme d’une plaquette de diamètre 100mm, 150mm, 200mm voire plus (identique à ou très proche de celui du substrat support 20) et d’épaisseur comprise typiquement entre 300 μm et 800 μm. Il présente une face avant 1a et une face arrière 1b. La rugosité de surface de la face avant 1a est avantageusement choisie inférieure à 1nm RMS, voire inférieure à 0,5nm RMS, mesurée par microscopie à force atomique (AFM) sur un scan de 20 μm x 20 μm. Le type de dopage et la résistivité du substrat donneur 1 sont définis en fonction des besoins des composants qui seront élaborés sur et/ou dans la couche mince 10 de la structure composite 100.
  • Enfin, le procédé comprend une étape c) de transfert d’une couche mince 10 issue du substrat donneur 1 sur le substrat support 20. Il existe différentes options, connues de l’état de la technique pour effectuer un transfert de couche (amincissement mécanique, chimique ou mécano-chimique, séparation au niveau d’une couche poreuse présente dans le substrat donneur 1...), qui ne seront pas décrites ici de manière exhaustive.
  • Selon un mode préféré, l’étape c) du procédé implique une implantation d’espèces légères et un assemblage par collage direct, selon le principe du procédé Smart CutTM.
  • Une première phase c1) correspond à l’introduction d’espèces légères dans le substrat donneur 1 pour former un plan fragile enterré 11 délimitant, avec une face avant 1a du substrat donneur 1, la couche mince 10 à transférer ( ). Notons que même si la couche mince 10 à transférer est illustrée comme une couche continue, elle pourrait également être constituée de pavés discontinus, par exemple préparés à la surface du substrat donneur 1.
  • Les espèces légères sont préférentiellement de l’hydrogène, de l’hélium ou une co-implantation de ces deux espèces, et sont implantées à une profondeur déterminée dans le substrat donneur 1, cohérente avec l’épaisseur de la couche mince 10 visée. Ces espèces légères vont former, autour de la profondeur déterminée, des microcavités distribuées dans une fine couche parallèle à la surface libre 1a du substrat donneur 1, soit parallèle au plan (x,y) sur les figures. On appelle cette fine couche le plan fragile enterré 11, par souci de simplification.
  • L’énergie d’implantation des espèces légères est choisie de manière à atteindre la profondeur déterminée. Par exemple, des ions hydrogène seront implantés à une énergie comprise entre 10 keV et 250 keV, et à une dose comprise entre 5E16/cm2 et 1E17/cm2, pour délimiter une couche mince 10 présentant une épaisseur de l’ordre de 100nm à 1500nm. Notons qu’une couche de protection pourra être déposée sur la face avant 1a du substrat donneur 1, préalablement à l’étape d’implantation ionique. Cette couche de protection peut être composée par un matériau tel que l’oxyde de silicium ou le nitrure de silicium par exemple. Elle est retirée préalablement à la phase suivante.
  • L’étape c) de transfert comprend ensuite une deuxième phase c2) d’assemblage du substrat donneur 1, du côté de sa face avant 1a, sur le substrat support 20, du côté de sa première face 20a, par collage par adhésion moléculaire, le long d’une interface de collage 40 ( ).
  • Optionnellement, une couche intermédiaire 30 peut être formée sur la face avant 1a du substrat donneur 1, avant ou après l’introduction des espèces légères de la phase c1), et en tout état de cause, avant la phase d’assemblage. Cette couche intermédiaire 30 peut être en un matériau semi-conducteur, par exemple silicium ou carbure de silicium, ou en un matériau métallique tel que le tungstène, le titane, etc. L’épaisseur de la couche intermédiaire 30 est avantageusement limitée, typiquement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres.
  • Dans le cas où la couche intermédiaire 30 est formée avant la première phase c1), l’énergie d’implantation (et potentiellement la dose) des espèces légères sera ajustée à la traversée de cette couche supplémentaire. Dans le cas où la couche intermédiaire 30 est formée après la phase c1), on prendra soin de former cette couche en appliquant un budget thermique inférieur au budget thermique de bullage, ledit budget thermique de bullage correspondant à l’apparition de cloques à la surface du substrat donneur 1 du fait d’une croissance et d’une mise sous pression trop importante des microcavités dans le plan fragile enterré 11.
  • De manière optionnelle, une couche intermédiaire 30 peut également être déposée sur la face à assembler du substrat support 20, préalablement à la phase d’assemblage ; elle peut être choisie de même nature ou de nature différente de la couche intermédiaire évoquée pour le substrat donneur 1. Une couche intermédiaire 30 peut éventuellement être déposée sur l’un et l’autre des deux substrats 1,20 à assembler.
  • L’objectif de la (ou des) couche(s) intermédiaire(s) est essentiellement de favoriser l’énergie de collage (notamment dans la gamme de températures inférieures à 1100°C), du fait de la formation de liaisons covalentes à plus basses températures que dans le cas de deux surfaces SiC assemblées directement ; un autre avantage de cette(ces) couche(s) intermédiaire(s) peut être d’améliorer la conduction électrique verticale de l’interface de collage 40.
  • La (ou les) couche(s) intermédiaire(s) 30 est(sont) destinée(s) à être enterrée(s) dans l’ensemble collé 50 après assemblage (figures 5c’, 5c’’), et à terme, dans la structure composite 100. Même si la couche intermédiaire 30 est continue lors de sa formation sur l’un et/ou l’autre des substrats 1,20, elle peut, au cours des traitements thermiques ultérieurs se segmenter et présenter un caractère discontinu. C’est essentiellement le cas lorsque l’épaisseur initiale de ladite couche est très faible, typiquement inférieure à 10nm.
  • Revenant à la description de la phase c2) d’assemblage, et comme cela est bien connu en soi, le collage direct par adhésion moléculaire ne nécessite pas une matière adhésive, car des liaisons s’établissent à l’échelle atomique entre les surfaces assemblées. Plusieurs types de collage par adhésion moléculaire existent, qui diffèrent notamment par leurs conditions de température, de pression, d’atmosphère ou de traitements préalables à la mise en contact des surfaces. On peut citer le collage à température ambiante avec ou sans activation préalable par plasma des surfaces à assembler, le collage par diffusion atomique (« Atomic diffusion bonding » ou ADB selon la terminologie anglo-saxonne), le collage avec activation de surface (« Surface-activated bonding » ou SAB), etc.
  • La phase c2) d’assemblage peut comprendre, préalablement à la mise en contact des faces 1a,20a à assembler, des séquences classiques de nettoyages par voie chimique (par exemple, nettoyage RCA), d’activation de surface (par exemple, par plasma oxygène ou azote) ou autres préparations de surface (telles que le nettoyage par brossage (« scrubbing »)), susceptibles de favoriser la qualité de l’interface de collage 40 (faible défectivité, forte énergie d’adhésion).
  • Enfin, une troisième phase c3) comprend la séparation le long du plan fragile enterré 11, qui mène au report de la couche mince 10 sur le substrat support 20 ( ).
  • La séparation le long du plan fragile enterré 11 s’opère habituellement par l’application d’un traitement thermique à une température comprise entre 800°C et 1200°C. Un tel traitement thermique induit le développement des cavités et microfissures dans le plan fragile enterré 11, et leur mise sous pression par les espèces légères présentes sous forme gazeuse, jusqu’à la propagation d’une fracture le long dudit plan fragile 11. Alternativement ou conjointement, une sollicitation mécanique peut être appliquée à l’ensemble collé et en particulier au niveau du plan fragile enterré 11, de manière à propager ou aider à propager mécaniquement la fracture menant à la séparation. A l’issue de cette séparation, on obtient d’une part la structure composite 100 comprenant le substrat support 20 et la couche mince 10 transférée, et d’autre part, le reste 1’ du substrat donneur. Le niveau et le type de dopage de la couche mince 10 sont définis par le choix des propriétés du substrat donneur 1 ou peuvent être ajustés ultérieurement via les techniques connues de dopage de couches semi-conductrices.
  • La surface libre 10a de la couche mince 10 est habituellement rugueuse après séparation : par exemple, elle présente une rugosité comprise entre 5nm et 100nm RMS. Des phases de nettoyage et/ou de lissage peuvent être appliquées pour restaurer un bon état de surface (typiquement, une rugosité inférieure à quelques angströms RMS). En particulier, ces phases peuvent comprendre un traitement de lissage mécano-chimique de la surface libre de la couche mince 10. Un enlèvement compris entre 50nm et 300nm permet de restaurer efficacement l’état de surface de ladite couche 10. Elles peuvent également comprendre au moins un traitement thermique à une température comprise entre 1200°C et 1800°C. Un tel traitement thermique est appliqué pour évacuer les espèces légères résiduelles de la couche mince 10 et pour favoriser le réarrangement du réseau cristallin de la couche mince 10. Il permet en outre de renforcer l’interface de collage 40. Le traitement thermique peut également comprendre ou correspondre à une épitaxie sur la couche mince 10, afin d’augmenter l’épaisseur de cette dernière (par exemple, homoépitaxie de c-SiC sur une couche mince 10 en c-SiC, hétéroépitaxie de GaN sur une couche mince 10 en c-SiC, ou autre).
  • Enfin, notons que l’étape c) de transfert peut comprendre une étape de reconditionnement du reste 1’ du substrat donneur en vue d’une réutilisation en tant que substrat donneur 1 pour une nouvelle structure composite 100. Des traitements mécaniques et/ou chimiques, similaires à ceux appliqués à la structure composite 100, peuvent être mis en œuvre au niveau de la face avant 1’a du substrat restant 1’.
  • La structure composite 100 obtenue est extrêmement robuste aux traitements thermiques à très hautes températures susceptibles d’être appliqués pour améliorer la qualité de la couche mince 10 ou pour fabriquer des composants sur et/ou dans ladite couche 10. Le substrat support 20 dans la structure composite 100 est stable et ne voit pas sa courbure augmenter de façon rédhibitoire pendant les traitements thermiques à hautes températures appliqués à la structure composite 100 pour sa fabrication et ultérieurement.
  • La structure composite 100 selon l’invention est particulièrement adaptée pour l’élaboration d’un (ou plusieurs) composant(s) microélectronique(s) à haute tension, tels que par exemple des diodes Schottky, des transistors MOSFET, etc. Elle répond plus généralement aux applications microélectroniques de puissance, en autorisant une excellente conduction électrique verticale, une bonne conductibilité thermique et en procurant une couche mince monocristalline 10 de haute qualité.
  • Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
    •

Claims (18)

  1. Structure composite (100) pour la fabrication de composants microélectroniques comprenant une couche mince (10) monocristalline, disposée sur un substrat support (20) en carbure de silicium polycristallin, ledit substrat support (20) présentant, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle selon laquelle :
    - un coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et
    - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%.
  2. Structure composite (100) selon la revendication précédente, dans laquelle le substrat support (20) présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10 mOhm.cm, préférentiellement inférieure ou égale à 5 mOhm.cm, encore préférentiellement inférieure ou égale à 3 mOhm.cm.
  3. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le substrat support (20) est dopé à l’azote avec une concentration, mesurée par spectroscopie de masse des ions secondaires, supérieure ou égale à 5,0x1019 atomes/cm3, préférentiellement supérieure ou égale à 1,0x1020 atomes/cm3, encore préférentiellement supérieure ou égale à 1,5x1020 atomes/cm3, ou encore préférentiellement supérieure ou égale à 3x1020 atomes/cm3.
  4. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le coefficient de texture C422 est inférieur à 20%, préférentiellement inférieur à 15%, encore préférentiellement inférieur à 10%.
  5. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la somme des coefficients de texture C200+C400 est supérieure à 1%, préférentiellement supérieure à 2%, encore préférentiellement supérieure à 5%.
  6. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la couche mince (10) est composée de carbure de silicium.
  7. Structure composite (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche mince (10) est composée de nitrure de gallium.
  8. Structure composite (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche mince (10) est composée d’oxyde de gallium.
  9. Structure composite (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche mince (10) est composée de diamant.
  10. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une couche intermédiaire (30) continue ou discontinue, disposée entre la couche mince (10) et le substrat support (20) et composée d’au moins un matériau métallique ou semi-conducteur.
  11. Structure composite (100) selon la revendication précédente, dans laquelle la couche intermédiaire (30) est composée de silicium, de carbure de silicium, de tungstène, et/ou de titane.
  12. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le substrat support (20) présente une épaisseur comprise entre 50 microns et 650 microns.
  13. Structure composite (100) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un composant électronique sur et/ou dans la couche mince (10) et comprenant optionnellement un contact électrique au niveau de la face arrière du substrat support (20).
  14. Procédé de fabrication d’une structure composite (100) comportant une couche mince (10) monocristalline disposée sur un substrat support (20) en carbure de silicium polycristallin, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
    a) la fourniture d’un substrat support (20) en carbure de silicium polycristallin présentant, sur chacune de ses faces, une orientation cristalline préférentielle selon laquelle :
    - un coefficient de texture C422 est inférieur à 40%, et
    - la somme de coefficients de texture C220+C200+C400 est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 80%,
    b) la fourniture d’un substrat donneur (1) en un matériau monocristallin,
    c) le transfert d’une couche mince (10) issue du substrat donneur (1) sur le substrat support (20).
  15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l’étape c) de transfert comprend :
    c1) la formation d’un plan fragile enterré (11) dans le substrat donneur (1), délimitant la couche mince (10) entre ledit plan fragile enterré (11) et une face avant (1a) du substrat donneur (1),
    c2) l’assemblage par collage par adhésion moléculaire du substrat donneur (1) sur le substrat support (20), directement ou via une couche intermédiaire (30),
    c3) la séparation le long du plan fragile enterré (11) pour donner lieu au transfert de la couche mince (10) sur le substrat support (20).
  16. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l’étape c2) comprend, avant l’assemblage des deux substrats (1,20) :
    - la formation d’une couche intermédiaire (30) sur le substrat donneur (1), avant ou après l’étape c1), et/ou
    - la formation d’une couche intermédiaire (30) sur le substrat support (20),
    la couche intermédiaire (30) étant formée en au moins un matériau métallique ou semi-conducteur, choisi parmi le silicium, le carbure de silicium, le tungstène et le titane.
  17. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 14 à 16, comprenant en outre l’élaboration de composants électroniques sur et/ou dans la couche mince (10) de la structure composite (100).
  18. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l’élaboration de composants électroniques comprend notamment une étape d’homoépitaxie ou d’hétéroépitaxie sur la couche mince (10).
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