FR2888402A1 - Procede d'assemblage de substrats par depot d'une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure et structure ainsi assemblee - Google Patents

Procede d'assemblage de substrats par depot d'une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure et structure ainsi assemblee Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'assemblage par collage moléculaire de deux substrats dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, caractérisé en ce que l'un des substrats, appelé premier substrat, comporte une surface (A) dont au moins une partie est plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, le procédé comportant les étapes suivantes :- dépôt, sur au moins une portion (14a, 14b) de la partie plane de la surface (A) du premier substrat, d'une couche mince (16a, 16b) de collage d'oxyde ou de nitrure d'épaisseur suffisamment faible pour permettre un collage moléculaire sans étape préalable de polissage,- saturation en groupements hydroxyles de la couche mince de collage,- mise en contact de la couche mince (16a, 16b) de collage saturée en groupements hydroxyles avec une surface (B) du deuxième substrat (10), au moins localement plane en regard de la portion de la partie plane de la surface (A) et saturée en groupements hydroxyles,- collage moléculaire de type hydrophile entre les deux substrats.

Description

L'invention concerne un procédé d'assemblage par collage moléculaire de
deux substrats dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, ainsi que la structure formée par ces deux substrats assemblés par le procédé précité.
On observe de nos jours une tendance à la complexification dans le 10 développement des circuits intégrés.
En effet, les circuits intégrés ne sont plus actuellement de simples circuits électroniques mais intègrent d'autres circuits aux fonctionnalités diverses: des circuits à fonctions optiques, des circuits de haute fréquence et même des circuits moléculaires et bioélectroniques. Dans le domaine électronique, le silicium est le matériau le plus couramment utilisé, mais lorsque l'on fait appel à d'autres fonctions telles que celles énumérées ci-dessus, on s'aperçoit que d'autres matériaux sont nettement plus performants que le silicium pour réaliser ces fonctions additionnelles. II apparaît donc nécessaire de pouvoir intégrer d'autres matériaux sur du silicium pour satisfaire au développement croissant de circuits intégrés qui ne sont plus des simples circuits électroniques.
L'intégration d'un ou de plusieurs matériaux sur du silicium, voire sur un autre matériau semiconducteur, dépend du circuit qu'il est envisagé de fabriquer et donc de l'application visée, ce qui nécessite d'adapter la technologie d'intégration à chaque circuit intégré.
Ainsi, pour certaines applications, il est indispensable de disposer d'une interface de collage ayant une bonne conductivité thermique afin d'assurer une dissipation de puissance suffisante, à faible coefficient d'absorption de la lumière pour satisfaire des exigences liées à des applications optoélectroniques, ayant une tenue en température et en vide donnée...
Pour ce faire, il apparaît nécessaire de sélectionner des matériaux adhésifs aux propriétés adaptées.
Par ailleurs, il convient de noter qu'il est possible, après avoir intégré un ou plusieurs matériaux sur du silicium à l'aide d'adhésifs judicieusement choisis, de faire appel à d'autres techniques comme, par exemple, un traitement thermique, un dépôt d'oxydes, une épitaxie...
Or, l'utilisation de matériaux adhésifs tels que des résines époxydes, acryliques ou autres pour assembler entre eux des circuits réalisés dans des matériaux différents, voire pour réaliser des assemblages de type "flip-chip", est difficilement compatible avec les techniques décrites cidessus (traitement thermique, dépôt d'oxydes, épitaxie...) du fait, notamment, des températures élevées qui sont mises en jeu.
Cependant, ces techniques sont couramment utilisées pour assembler des circuits intégrés dans leur boîtier, ou bien pour fabriquer certains circuits hybrides.
Compte tenu de ce qui précède, la Demanderesse prévoit donc d'assurer l'intégration d'un ou de plusieurs matériaux sur un matériau semiconducteur tel que le silicium par collage moléculaire, permettant ainsi de ne pas avoir recours à un matériau adhésif.
Un tel collage par adhésion moléculaire permet d'assurer une très bonne tenue mécanique, une bonne conductivité thermique et notamment une 20 uniformité d'épaisseur de l'interface de collage.
L'article intitulé "Low-Temperature Direct CVD Oxides to Thermal Oxide Wafer Bonding in Silicon Layer Transfer" de C.S. Tan, K.N. Chen, A. Fan and R. Reif, Electrochemicals and Solid-State Letters, 8 (1) G1-G4, 2004 décrit l'assemblage par collage moléculaire de substrats en silicium et de substrats de type SOI ("Silicon-On-lnsulator" en terminologie anglosaxonne).
Sur les deux types différents de substrat, on forme un revêtement d'oxyde thermique de 5 000 Â.
Sur les substrats de type SOI ainsi revêtus, on effectue un dépôt en phase vapeur par voie chimique de type CVD ("Chemical Vapor Deposition" en terminologie anglosaxonne) d'un oxyde sur une épaisseur de 1 pm.
Les surfaces ainsi revêtues d'oxyde présentent une rugosité élevée qui s'avère défavorable pour l'adhésion moléculaire ultérieure.
Aussi, les auteurs de cet article prévoient d'effectuer un polissage mécanico-chimique de type CMP ("Chemical Mechanical Polishing" en terminologie anglosaxonne) des surfaces revêtues d'une couche d'oxyde des substrats en SOI. Ces dernières sont ensuite nettoyées et saturées en groupements hydroxyles par traitement en chimie humide, tout comme les surfaces revêtues d'oxyde thermique des substrats en silicium, et les deux types différents de substrat ainsi préparés sont ensuite liés par paires l'un à l'autre.
Cette technique n'est toutefois pas adaptée à l'assemblage de substrats minces, par exemple inférieurs à ou de l'ordre de 200 pm d'épaisseur qui sont susceptibles d'être fragilisés, voire de casser, lors de l'étape de polissage et donc supportent mal l'amincissement.
De plus, l'étape de polissage mécano-chimique est difficile à mettre en oeuvre sur des surfaces présentant un relief ou structurées.
Elle est également difficile à mettre en oeuvre localement sur une partie de surface.
Par ailleurs, pour certains matériaux, il n'est pas possible de traiter en chimie humide les surfaces des substrats à coller.
On peut, par exemple, citer comme matériau InP qui n'est pas directement compatible avec le traitement SC (solution d'ammoniaque et d'eau oxygénée) classiquement utilisé pour la saturation en groupements hydroxyles.
Il serait par conséquent utile de disposer d'une technique d'assemblage pouvant s'appliquer même lorsqu'il est impossible de traiter en chimie humide les surfaces à assembler.
La présente invention vise à remédier à au moins un des inconvénients précités en proposant un procédé d'assemblage par collage moléculaire de deux substrats dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, caractérisé en ce que l'un des substrats, appelé premier substrat, comporte une surface A dont au moins une partie est plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, le procédé comportant les étapes suivantes: dépôt, sur au moins une portion de la partie plane de la surface A du premier substrat, d'une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure d'épaisseur suffisamment faible pour permettre un collage moléculaire sans étape préalable de polissage, saturation en groupements hydroxyles de la couche mince de collage, mise en contact de la couche mince de collage saturée en groupements hydroxyles avec une surface B du deuxième substrat, au moins localement plane en regard de la portion de la partie plane de la surface A et saturée en groupements hydroxyles, collage moléculaire de type hydrophile entre les deux substrats.
En réalisant un dépôt d'une couche mince de collage d'épaisseur contrôlée suffisamment faible sur une surface d'un substrat de rugosité initiale adaptée au collage moléculaire, la rugosité de surface de la couche mince déposée reste suffisamment faible et compatible avec le processus d'adhésion moléculaire pour ne pas nécessiter une étape de polissage après avoir déposé cette couche mince.
Ainsi, la préparation des surfaces avant collage est simplifiée et donc 20 moins longue.
En outre, des substrats minces, donc fragiles, peuvent être assemblés grâce à l'invention sans risque qu'une étape de polissage ne les endommage, car il est tout à fait possible de déposer une couche mince sur un substrat aminci.
On notera que le dépôt d'une couche mince d'oxyde ou de nitrure sur un substrat rend la surface du substrat hydrophile, ce qui permet ensuite d'assurer un collage moléculaire de type hydrophile.
De manière générale, l'invention trouve également un intérêt lorsque l'on souhaite assembler par collage moléculaire deux substrats dont l'un possède une interface enterrée de faible tenue mécanique, qui serait incompatible avec une étape de polissage mécano-chimique. 10
Cette interface peut être en particulier celle avec l'oxyde ou le nitrure de collage.
Selon une caractéristique, la couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure a une épaisseur suffisamment faible pour ne pas modifier la rugosité 5 initiale de surface.
Selon une caractéristique, la rugosité initiale de surface (rms) de la surface A est inférieure à 0,5 nm.
Une telle valeur est tout à fait compatible avec le collage moléculaire.
On notera que lorsque la rugosité de surface après dépôt de la couche mince reste inférieure ou égale à 0,5 nm, l'énergie de collage qui intervient entre les deux substrats, après adhésion moléculaire, est sensiblement constante et de valeur élevée.
Toutefois, il peut être utile d'assembler deux substrats avec une énergie de collage contrôlée mais de moindre valeur. Il est, par exemple, ainsi possible d'augmenter légèrement la rugosité initiale de surface, tout en restant dans des limites acceptables pour que le collage moléculaire puisse intervenir sans étape préalable de polissage après le dépôt de la couche mince.
Selon une caractéristique, la couche mince d'oxyde ou de nitrure a une épaisseur inférieure à 50 nm.
Plus particulièrement, l'épaisseur est comprise entre 10 et 20 nm. Selon une caractéristique, l'oxyde est choisi parmi les oxydes suivants: SiO2, AI2O3, oxydes de métaux.
Le nitrure est choisi parmi les composés suivants: Si3N4, AIN, 25 AINO3...
Le dépôt d'oxyde ou de nitrure rend hydrophile la surface A du premier substrat.
On notera que la surface B du deuxième substrat destinée à être collée à la surface A ainsi préparée peut être préparée comme la surface A (dépôt d'une couche mince d'oxyde ou de nitrure et saturation en groupements hydroxyles) ou d'une autre manière, dans la mesure où cette autre manière intègre une étape de saturation en groupements hydroxyles de la surface B. Selon une caractéristique, la saturation en groupements hydroxyles est réalisée par traitement chimique, par exemple, dans une solution d'eau oxygénée et d'ammoniaque de type SC ("Standard Cleaning" en terminologie anglosaxonne).
Selon une caractéristique, la saturation en groupements hydroxyles est réalisée par un traitement non chimique, par exemple, au moyen d'un rayonnement ultraviolet et en présence d'ozone.
A titre d'exemple, le traitement plasma pourrait être utilisé comme autre traitement non chimique.
Pour un substrat préalablement préparé, en particulier pour présenter une rugosité compatible avec un collage moléculaire, le seul traitement de ce substrat au rayonnement UV en présence d'ozone ne permet pas d'assurer un collage moléculaire avec un autre substrat. C'est le cas en particulier si le substrat subit, après l'étape de préparation, une étape de stockage ou de transport.
Plutôt que de réitérer la préparation, le dépôt d'une couche de collage selon l'invention, associé à un traitement UV/ozone, permet un tel collage.
L'étape de préparation (en terme de rugosité) peut ainsi être dissociée de l'étape de collage et, en particulier, on pourra approvisionner des substrats de rugosité adaptée et les assembler selon l'invention ultérieurement.
Après assemblage, la structure obtenue est soumise à un traitement thermique qui permet d'augmenter l'énergie de collage entre les deux substrats.
Selon une caractéristique, le matériau semiconducteur est choisi parmi les matériaux suivants: silicium, InP, germanium et arséniure de galium, GaN, SiC, SiGe. II peut être massif ou être obtenu par épitaxie.
Par ailleurs, l'autre substrat peut être réalisé dans un matériau amorphe tel qu'un verre, comme le BPSG.
L'invention trouve une application particulièrement intéressante 30 lorsque l'un des matériaux à assembler est un matériau amorphe doté de capacités de fluage tel qu'un verre.
En effet, la rugosité d'une couche en verre est généralement trop élevée pour permettre de réaliser un collage moléculaire sans étape préalable de polissage.
Or, le polissage d'un verre est une opération difficile à mettre en 5 place et donc peu souhaitable dans le présent cas.
Cependant, dès lors qu'une couche de verre a été obtenue par dépôt sur un substrat, par exemple de silicium, il est possible d'effectuer une opération de traitement thermique de fluage après dépôt de la couche de verre.
Le rôle de ce traitement thermique est double: d'une part, il densifie et stabilise chimiquement le verre et, d'autre part, il aplanit la surface supérieure de la couche de verre par fluage.
Ainsi, une fois la surface plane obtenue, le dépôt d'une couche mince d'oxyde ou de nitrure suivi d'un traitement d'hydrophilisation peuvent être réalisés en vue du collage moléculaire de cette couche de verre avec un substrat réalisé dans un matériau semiconducteur, conformément à l'invention.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé d'assemblage par collage moléculaire de plusieurs substrats avec un substrat formant support, caractérisé en ce que chacun des substrats, appelé premier substrat, qui est à assembler avec le substrat formant support, appelé deuxième substrat, est assemblé par le procédé d'assemblage tel que brièvement décrit ci-dessus.
Selon une caractéristique, chaque premier substrat est un circuit intégré reporté sur le substrat formant support.
L'invention a également pour objet une structure comportant au moins deux substrats assemblés par collage moléculaire et dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, caractérisée en ce que l'un des substrats, appelé premier substrat, comporte une surface A dont au moins une partie est plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, la structure comportant, sur au moins une portion de la partie plane de la surface A du premier substrat, au moins une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure déposée d'épaisseur suffisamment faible pour être compatible avec le collage moléculaire, la couche mince de collage étant liée par collage moléculaire de type hydrophile par l'intermédiaire de liaisons hydrogène à une surface B du deuxième substrat au moins localement plane en regard de la portion de la partie plane de la surface A. Une telle structure est obtenue par le procédé d'assemblage décrit 5 ci-dessus.
Le procédé d'assemblage permet d'obtenir une structure comportant au moins deux substrats comportant entre eux au moins une couche mince d'oxyde ou de nitrure déposée et assemblés par collage moléculaire.
Une telle structure peut être obtenue plus facilement et plus rapidement que dans l'art antérieur puisqu'aucune étape de polissage n'est nécessaire en vue de réaliser le collage moléculaire.
En outre, les substrats composant cette structure peuvent être particulièrement minces, par exemple, d'une épaisseur de 200 pm.
Par ailleurs, les substrats qui sont assemblés par collage moléculaire selon l'invention peuvent également être d'une nature telle qu'ils supportent mal le traitement en chimie humide de leur surface.
Il convient de noter que le procédé d'assemblage selon l'invention permet d'obtenir une structure comportant plus de deux substrats (ex. circuits intégrés) réalisés dans des matériaux différents et assemblés par collage moléculaire sur un substrat support commun par l'intermédiaire d'une ou plusieurs couches minces d'oxyde ou de nitrure identiques ou différentes déposées sur les surfaces à coller.
Selon une caractéristique, le deuxième substrat est un substrat formant support pour plusieurs substrats assemblés chacun par collage moléculaire, par une de leurs surfaces au moins localement plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, avec une surface au moins localement plane du substrat support, le collage moléculaire étant assuré par une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure d'épaisseur suffisamment faible pour être compatible avec le collage moléculaire et qui est déposée sur au moins une des surfaces au moins localement planes mises en contact.
Selon une caractéristique, le premier substrat et le ou les autres substrats sont assemblés avec le substrat support par des surfaces de dimensions réduites par rapport à celles de la surface totale du substrat support.
Selon une autre caractéristique, les substrats assemblés avec le substrat support forment ainsi une pluralité de mesas qui font saillie par rapport à la surface du substrat support.
Grâce à l'invention, il est ainsi possible d'intégrer, par collage moléculaire, des puces (circuits intégrés) aux fonctions diverses réalisées dans des matériaux différents sur un même substrat support à l'aide d'au moins une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure déposée.
Exemple 1
Pour cette expérience, huit substrats ou plaques planes de silicium numérotées de 1 à 8 de dimensions standards (100 mm de diamètre et 525 pm 15 d'épaisseur) ont été préparés.
Sur la face supérieure de chacune de ces huit plaques, on a fait croître un oxyde thermique sur une épaisseur de 400 nm.
Les huit plaques ainsi oxydées ont ensuite été nettoyées dans une solution d'eau et d'acide sulfurique, puis rincées à l'eau.
Les surfaces oxydées et nettoyées des huit plaques ont été polies par un polissage mécano-chimique CMP ("Chemical Mechanical Polishing" en terminologie anglosaxonne) afin de conférer aux surfaces une faible rugosité inférieure à 0,5 nm (microrugosité mesurée par AFM).
On notera que lors du polissage une épaisseur d'environ 150 nm d'oxyde a été enlevée. Un dépôt de type PECVD d'une couche mince de collage d'oxyde de SiO2 d'une épaisseur de 14 nm a été effectué sur les plaques numérotées 3 et 4.
Les plaques 1 à 4 ont ensuite été nettoyées et activées chimiquement de la façon suivante: - nettoyage des plaques 1 à 4 dans l'eau, puis exposition au rayonnement ultraviolet en présence d'ozone afin de saturer en groupements hydroxyles les surfaces oxydées des plaques; les plaques ainsi traitées ont ensuite été trempées dans un bain contenant une solution d'ammoniaque et d'eau oxygénée de type SC ("Standard Cleaning" en terminologie anglosaxonne) afin d'améliorer la saturation en groupements hydroxyles; les plaques ont ensuite été rincées dans de l'eau, puis séchées.
Les surfaces ainsi préparées des plaques 1 à 4 ont ensuite été mises en contact par paires respectivement avec les surfaces oxydées des plaques 5 à 8 afin de réaliser un collage moléculaire à température ambiante.
La plaque 1 a ainsi été collée avec la plaque 5, la plaque 2 avec la plaque 6, la plaque 3 avec la plaque 7 et la plaque 4 avec la plaque 8.
En outre, une opération de traitement thermique de renforcement de collage a été effectuée à une température d'environ 200 C.
Les quatre structures de plaques ainsi collées 1/5, 2/6, 3/7 et 4/8 ont été exposées à un rayonnement infrarouge, afin de vérifier la qualité du collage moléculaire et ce test d'imagerie infrarouge n'a révélé aucun défaut de collage visible.
Afin de quantifier le collage moléculaire, une mesure de l'énergie de collage des quatre structures 1/5, 2/6, 3/7 et 4/8 a été effectuée par la méthode de la lame de Maszara.
Les mesures ont révélé une même valeur de 610 mJ/m2 pour les quatre structures collées.
Ces résultats confirment que la préparation de surface réalisée sous rayonnement ultraviolet en présence d'ozone est efficace et que le dépôt d'une couche mince d'oxyde (14 nm d'épaisseur) ne développe pas une rugosité de surface qui entraverait le collage moléculaire postérieur.
Exemple 2
Dans cet exemple huit plaques planes de silicium numérotées de 1 à 8, de 525 pm d'épaisseur et de 100 mm de diamètre ont été préparées.
Un dépôt d'une couche mince d'oxyde de SiO2 d'une épaisseur de 19 nm a été effectué par la technique de type PECVD sur les plaques numérotées de 1 à 4.
Ces plaques ont ensuite subi un nettoyage et une activation chimique comme indiqué ci-après: nettoyage dans l'eau et insolation sous un rayonnement ultraviolet en présence d'ozone pour saturer les surfaces supérieures de ces plaques en groupements hydroxyles; séchage des plaques 1 et 2; les plaques 3 et 4 ont été nettoyées dans une solution d'ammoniaque et d'eau oxygénée (SC), puis rincées dans l'eau et séchées.
Par ailleurs, un dépôt de type PECVD d'oxyde de silicium de 400 nm d'épaisseur a été réalisé sur la surface supérieure des plaques supports en silicium numérotées de 5 à 8.
Ces plaques ont ensuite été nettoyées dans une solution d'acide sulfurique et d'eau oxygénée (solution de type CARO), polies lors d'une étape de polissage de type CMP afin d'enlever environ 100 nm d'oxyde, puis rincées dans l'eau et séchées.
Les surfaces préparées des plaques 1 et 2 ont ensuite été mises en contact respectivement avec les surfaces préparées des plaques support 5 et 6 pour qu'un collage moléculaire intervienne à température ambiante, donnant ainsi lieu aux structures assemblées de plaques collées 1/5 et 2/6.
Les surfaces préparées des plaques 3 et 4 ont de même été mises en contact respectivement avec les surfaces préparées des plaques supports 7 et 8, pour qu'un collage moléculaire des surfaces mises en contact intervienne à température ambiante, aboutissant ainsi aux structures assemblées de plaques collées 3/7 et 4/8.
En outre, une opération de traitement thermique de renforcement de collage a été effectuée à une température d'environ 200 C, conduisant ainsi à une interface de bonne tenue mécanique.
L'énergie de collage des différentes structures ainsi obtenues a été 30 mesurée de façon identique à ce qui a été décrit dans l'exemple 1 cidessus et les valeurs suivantes ont ainsi été obtenues: - 625 mJ/m2 pour les structures 1/5 et 2/6 - 687 mJ/m2 pour la structure 3/7 - 756 mJ/m2 pour la structure 4/8.
Au vu de ces résultats, on constate que l'énergie de collage est légèrement supérieure lorsqu'un nettoyage du type SC ("Standard Cleaning" en terminologie anglosaxonne), est appliqué en complément du traitement UV/ozone pour nettoyer et saturer les surfaces en groupements hydroxyles.
Exemple 3
Une couche mince d'oxyde de SiO2 de 19 nm d'épaisseur a été déposée suivant la technique de dépôt de type PECVD sur deux plaques 10 planes ou substrats de silicium.
Ces plaques ont ensuite été nettoyées et activées chimiquement de la façon suivante: nettoyage dans de l'eau (rinçage), puis insolation sous un rayonnement ultraviolet en présence d'ozone; immersion des plaques ainsi nettoyées dans un mélange d'ammoniaque et d'eau oxygénée (SC) ; rinçage dans l'eau et séchage.
Les plaques ainsi nettoyées et activées chimiquement ont ensuite été mises en contact par une de leurs surfaces traitées afin d'assurer un 20 collage moléculaire à température ambiante.
Les plaques ainsi collées ont ensuite subi une opération de traitement thermique à une température de 200 C pour renforcer le collage moléculaire.
L'énergie de collage de la structure ainsi obtenue a été mesurée dans des conditions identiques aux conditions précédentes et a révélé une valeur de 850 mJ/m2, correspondant à un collage de très bonne qualité.
Les figures 1 à 9 annexées illustrent les étapes successives d'assemblage d'un exemple de structure assemblée composite selon l'invention.
Comme représenté sur la figure 1, la surface d'un substrat formant support 10, par exemple en silicium, a été revêtue d'une couche d'oxyde thermique (SiO2 thermique).
Alternativement, le substrat formant support est, par exemple, réalisé en silicium processé CMOS, c'est-à-dire ayant subi des étapes technologiques permettant la réalisation de tout ou partie de composants électroniques. En général, les substrats CMOS sont recouverts d'une couche finale de passivation en oxyde épais déposé.
Cette couche d'oxyde épais a ensuite été polie par un polissage mécanochimique afin d'obtenir un niveau de rugosité compatible avec un collage moléculaire, puis saturée en groupements hydroxyles en vue de favoriser le collage moléculaire ultérieur du substrat 10 revêtu de cette couche préparée 12.
On notera que la couche 12 formée à la surface du substrat support 10 pourrait, si le substrat présente une rugosité satisfaisante, également être réalisée sous la forme d'une couche mince d'oxyde, ne nécessitant donc pas d'étape de polissage, et qui serait ultérieurement saturée en groupements hydroxyles.
Sur la figure 2, on a représenté un substrat référencé 14 réalisé par exemple dans un matériau semiconducteur choisi parmi le silicium, InP, le germanium l'arséniure de galium, SiGe, SiC, GaN, les grenats...
Le matériau choisi est, par exemple, InP.
La surface A du substrat 14 est revêtue d'une couche mince de collage 16 de nitrure de silicium (Si3N4), d'une épaisseur par exemple égale à 15 nm obtenue par une technique de dépôt de type PECVD.
On procède ensuite au découpage du substrat 14 revêtu de la couche mince 16 de manière à former une pluralité de substrats S1 référencés 14a, 14b, 14c de dimensions réduites chacun par rapport à celles du substrat support 10.
Chaque substrat 14a, 14b, 14c est revêtu d'une couche mince de collage 16a, 16b, 16c et ces dernières sont saturées chacune en groupements hydroxyles afin de rendre les surfaces hydrophiles en vue du collage moléculaire ultérieur.
Les substrats 14a et 14b revêtus d'une couche mince sont ensuite mis en contact par l'intermédiaire de cette couche mince avec la couche 12 du substrat support 10, comme représenté sur la figure 4, afin qu'un collage moléculaire de type hydrophile intervienne entre les couches mises en contact, permettant ainsi d'assembler par collage moléculaire les différents substrats par l'intermédiaire de liaisons hydrogène.
On notera que sur la structure composite ainsi assemblée représentée sur la figure 4, les substrats 14a et 14b munis de leurs couches minces respectives 16a et 16b forment une pluralité de mesas (circuits intégrés reportés) qui font saillie par rapport à la surface du substrat support 10.
Il convient en outre de noter qu'un traitement thermique de renforcement de collage peut être mis en oeuvre une fois que les substrats (puces ou circuits intégrés) ont été collés.
Des étapes technologiques peuvent être alors réalisées avant le report d'autres éléments (puces...).
Pour pouvoir coller d'autres substrats (puces ou circuits intégrés), réalisés dans le même matériau ou dans un ou plusieurs autres matériaux différents, sur le substrat support de la structure assemblée représentée à la figure 4, il faut rendre à nouveau hydrophile la surface non encore occupée du substrat support 10.
Pour ce faire, on procède, comme représenté à la figure 5, à un dépôt d'une couche mince d'oxyde, par exemple de SiO2, d'une épaisseur par exemple égale à 20 nm sur les surfaces supérieures de la structure obtenue à la figure 4.
On obtient ainsi sur la surface supérieure des mesas une couche mince d'oxyde 18 et sur la surface supérieure de la couche 12 du substrat 25 support 10, une couche mince d'oxyde 20.
A titre de variante, l'oxyde peut être déposé localement dans les zones sur lesquelles le collage doit s'effectuer.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 6, un autre substrat 22 est réalisé, par exemple, dans un matériau semiconducteur tel que GaAs ou, par exemple, dans un matériau amorphe et est revêtu d'une couche mince 24, parexemple, d'oxyde de silicium.
La couche mince d'oxyde 24 est déposée, par exemple, par une technique de dépôt de type PECVD et présente une épaisseur, par exemple, égale à 15 nm.
Comme expliqué en référence à la figure 3, le substrat 22 ainsi revêtu est découpé en plusieurs substrats S2 référencés 22a, 22b, 22c, revêtus chacun respectivement d'une couche mince d'oxyde 24a, 24b, 24c (figure 7).
Ces couches sont ensuite saturées en groupements hydroxyles afin de favoriser le collage moléculaire de type hydrophile ultérieur.
Les substrats ainsi obtenus sont ensuite mis en contact par l'intermédiaire de leurs couches minces respectives saturées en groupements hydroxyles avec la couche mince 20 du substrat support de la figure 5 afin qu'un collage moléculaire des surfaces ainsi mises en contact intervienne à température ambiante (figure 8).
On notera là aussi que les substrats nouvellement collés sur le 15 substrat support forment une pluralité de mesas qui font saillie par rapport à la surface du substrat support.
II convient en outre de noter qu'une opération de traitement thermique de renforcement de collage peut être mise en oeuvre si nécessaire.
Comme illustré sur la figure 9, des opérations de finition sont mises en oeuvre afin de faire disparaître la couche mince d'oxyde 18 déposée à la surface supérieure des mesas formés par les substrats SI et des opérations de gravure peuvent également être mises en oeuvre.
La structure composite ainsi assemblée de la figure 9 comporte une pluralité de substrats formant des mesas qui font saillie par rapport à la surface du support et qui sont, par exemple, intercalés les uns par rapport aux autres.
Le procédé peut être ainsi réitéré pour reporter d'autres éléments (puces électroniques ou circuits intégrés).
On notera en outre que les différents substrats collés moléculairement par l'intermédiaire d'une couche mince d'oxyde ou de nitrure sur la surface du substrat support peuvent être placés de façon sélective dans des zones appropriées du substrat support, sans nécessairement être intercalés les uns par rapport aux autres.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, les substrats SI et S2 sont réalisés dans des matériaux différents l'un par rapport à l'autre et différents de celui du substrat support.
Toutefois, des structures comportant un ou plusieurs substrats 5 réalisés dans le même matériau et formant des mesas en saillie par rapport au substrat support sont également envisageables.
Sur les figures, le substrat support a été représenté sous forme plane mais on notera qu'il peut présenter un relief, des trous, des structures micromécaniques...
De manière générale, le dépôt de couche mince d'oxyde ou de nitrure selon l'invention peut être réalisé sur toute la surface d'un substrat plan ou seulement sur des zones privilégiées planes de cette dernière, selon les applications envisagées.
Il convient de noter qu'il est préférable de ne pas empiler les couches minces sur les substrats, même si l'on contrôle parfaitement l'épaisseur et la rugosité de ces dernières afin de ne pas risquer de développer une rugosité de surface qui s'avérerait néfaste pour un collage moléculaire ultérieur.
Sur les figures 3 et 7, on a représenté des substrats (puces ou circuits intégrés) séparés à partir d'un substrat unique (respectivement le substrat des figures 2 et 6) et qui comporte une couche mince avant séparation. Cependant, la couche mince peut alternativement être déposée sur la pluralité de substrats résultant de l'opération de séparation ("dicing" en terminologie anglosaxonne).
En effet, il a été observé que la redéposition de particules lors de l'opération de découpe n'est pas gênante pour le collage postérieur dans la mesure où ces particules peuvent être éliminées par rinçage dans l'eau.

Claims (26)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'assemblage par collage moléculaire de deux substrats dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, caractérisé en ce que l'un des substrats, appelé premier substrat, comporte une surface (A) dont au moins une partie est plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, le procédé comportant les étapes suivantes: dépôt, sur au moins une portion (14a, 14b) de la partie plane de la surface (A) du premier substrat, d'une couche mince (16a, 16b) de collage d'oxyde ou de nitrure d'épaisseur suffisamment faible pour permettre un collage moléculaire sans étape préalable de polissage, saturation en groupements hydroxyles de la couche mince de collage, mise en contact de la couche mince (16a, 16b) de collage saturée en groupements hydroxyles avec une surface (B) du deuxième substrat (10), au moins localement plane en regard de la portion de la partie plane de la surface (A) et saturée en groupements hydroxyles, collage moléculaire de type hydrophile entre les deux substrats.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface (A) a une rugosité initiale de surface (rms) inférieure à 0,5 nm.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure a une épaisseur suffisamment faible pour ne pas modifier la rugosité initiale de surface.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure a une épaisseur 30 inférieure à 50 nm. 20
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure a une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 5 que l'oxyde est choisi parmi les oxydes suivants: SiO2, AI2O3, oxydes de métaux.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le nitrure est choisi parmi les composés suivants: Si3N4, AIN, AINO3.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la saturation en groupements hydroxyles est réalisée par traitement chimique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la saturation en groupements hydroxyles est réalisée au moyen d'un rayonnement ultraviolet et en présence d'ozone.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la saturation en groupements hydroxyles est réalisée par traitement plasma.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, après saturation en groupements hydroxyles de la couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure, cette dernière est trempée dans une solution d'ammoniaque.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est choisi parmi les matériaux suivants: silicium, InP, Ge, arséniure de galium, GaN, SiC, SiGe.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'autre substrat est réalisé dans un matériau amorphe.
14. Procédé d'assemblage par collage moléculaire de plusieurs substrats avec un substrat formant support, caractérisé en ce que chacun des substrats, appelé premier substrat, qui est à assembler avec le substrat formant support, appelé deuxième substrat, est assemblé par le procédé d'assemblage selon l'une des revendications 1 à 13.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque premier substrat est un circuit intégré reporté sur le substrat formant support.
16. Structure comportant au moins deux substrats assemblés par collage moléculaire et dont au moins un est réalisé dans un matériau semiconducteur, caractérisée en ce que l'un des substrats, appelé premier substrat, comporte une surface (A) dont au moins une partie est plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, la structure comportant, sur au moins une portion (14a, 14b) de la partie plane de la surface (A) du premier substrat, au moins une couche mince (16a, 16b) de collage d'oxyde ou de nitrure déposée d'épaisseur suffisamment faible pour être compatible avec le collage moléculaire, la couche mince de collage étant liée par collage moléculaire de type hydrophile par l'intermédiaire de liaisons hydrogène à une surface (B) du deuxième substrat (10) au moins localement plane en regard de la portion de la partie plane de la surface (A).
17. Structure selon la revendication 16, caractérisée en ce que le deuxième substrat est un substrat formant support pour plusieurs substrats assemblés chacun par collage moléculaire, par une de leurs surfaces au moins localement plane et dotée d'une rugosité initiale de surface compatible avec le collage moléculaire, avec une surface au moins localement plane du substrat support, le collage moléculaire étant assuré par une couche mince de collage d'oxyde ou de nitrure d'épaisseur suffisamment faible pour être compatible avec le collage moléculaire et qui est déposée sur au moins une des surfaces au moins localement planes mises en contact.
18. Structure selon la revendication 17, caractérisée en ce que le premier substrat et le ou les autres substrats sont assemblés avec le substrat support par des surfaces de dimensions réduites par rapport à celles de la surface totale du substrat support.
19. Structure selon la revendication 17 ou 18, caractérisée en ce que les substrats assemblés avec le substrat support forment ainsi une pluralité de mesas qui font saillie par rapport à la surface du substrat support.
20. Structure selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisée en ce que la ou les couches minces de collage d'oxyde ou de nitrure ont une épaisseur suffisamment faible pour ne pas modifier la rugosité initiale de surface.
21. Structure selon l'une des revendications 16 à 20, caractérisée en ce que la ou les couches minces de collage d'oxyde ou de nitrure ont une 5 épaisseur inférieure à 50 nm.
22. Structure selon la revendication 21, caractérisée en ce que la ou les couches minces de collage d'oxyde ou de nitrure ont une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm.
23. Structure selon l'une des revendications 16 à 22, caractérisée en 10 ce que l'oxyde est choisi parmi les oxydes suivants: SiO2, AI2O3, oxydes de métaux.
24. Structure selon l'une des revendications 16 à 22, caractérisée en ce que le nitrure est choisi parmi les composés suivants: Si3N4, AIN, AINO3.
25. Structure selon l'une des revendications 16 à 24, caractérisée en ce que le matériau semiconducteur est choisi parmi les matériaux suivants: silicium, InP, Ge, arséniure de galium, GaN, SiC, SiGe.
26. Structure selon l'une des revendications 16 à 25, caractérisée en ce que l'autre substrat est réalisé dans un matériau amorphe.
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