FR2971620A1 - Substrat semi-conducteur a couche d'epitaxie épaisse, et procédé de fabrication - Google Patents

Substrat semi-conducteur a couche d'epitaxie épaisse, et procédé de fabrication Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche d'épitaxie sur un substrat comprenant une couche support et une couche germe, le procédé comprenant les étapes consistant à : - fournir (E0) un substrat (1) comprenant : o une couche support (3), et o une couche germe (4) présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de la couche d'épitaxie étant différent du matériau de la couche germe, - former par épitaxie une couche d'épitaxie (2) en contact de la couche germe (4), o ladite épitaxie étant réalisée à une température d'épitaxie, o ladite couche d'épitaxie (2) présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une opération (E1) d'adaptation de paramètre de maille permettant de rendre le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche d'épitaxie d'épaisseur élevée et de bonne qualité cristalline, et un procédé de fabrication d'un substrat comprenant une telle couche.
L'invention concerne également un tel substrat.
ETAT DE L'ART Des substrats comprenant une couche utile de GaN, ou plus généralement une couche utile d'un matériau comprenant au moins un élément de la troisième colonne et de l'azote, sont largement utilisés dans l'industrie microélectronique, telle que l'optoélectronique, le photovoltaïque, par exemple pour la fabrication de dispositifs de puissance ou de diodes électroluminescentes. Une solution de fabrication de telles couches utiles III-N connue de l'état de la technique consiste à utiliser un substrat comprenant une couche support, comme par exemple du saphir, une couche d'oxyde, comme par exemple du dioxyde de silicium, et une couche germe (couche mince) de GaN. La couche germe de GaN peut être utilisée comme germe pour la 20 croissance par épitaxie d'une couche d'épitaxie de type GaN ou d'un autre matériau de type III-N. Toutefois, du fait de la dilatation thermique de la couche de support en saphir, plus importante que celle de la couche germe en GaN, la contrainte générée à température d'épitaxie par la couche support sur le 25 matériau de la couche germe et sur le matériau de la couche d'épitaxie est telle que la couche d'épitaxie en croissance sur la couche germe se fissure lorsque son épaisseur dépasse une épaisseur seuil à température d'épitaxie, ou lors du retour à température ambiante de la structure après l'épitaxie. Ceci diminue les performances des dispositifs électroniques 30 formés à partir du matériau de la couche d'épitaxie. Parfois, la couche d'épitaxie est inutilisable.
En pratique, cette limite d'épaisseur se traduit par l'apparition de dislocations ou fissures pour des épaisseurs de couches d'épitaxie supérieures à 3 ou 4µm à la température d'épitaxie selon les matériaux. Or, de nombreuses applications requièrent des couches utiles III-N épaisses, sans fissure et de bonne qualité cristalline. Il convient donc de proposer une solution permettant d'améliorer les procédés et dispositifs connus de l'état de la technique.
PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une couche d'épitaxie sur un substrat comprenant une couche support et une couche germe, le procédé comprenant les étapes consistant à : - fournir un substrat comprenant : o une couche support, et o une couche germe présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de la couche d'épitaxie étant différent du matériau de la couche germe, former par épitaxie une couche d'épitaxie en contact de la couche germe, o ladite épitaxie étant réalisée à une température d'épitaxie, o ladite couche d'épitaxie présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une opération d'adaptation de paramètre de maille permettant de rendre le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la 30 température d'épitaxie. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : 25 l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape de sélection du matériau de la couche support de manière à ce que cette couche présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre, au travers de la contrainte imposée par la couche support à la couche germe pendant l'épitaxie, le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie ; l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie de manière à ce que ledit matériau comprenne en outre au moins un élément additionnel, de sorte à ce que le premier paramètre de maille soit sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie ; l'élément additionnel est un élément dopant, et ledit procédé 15 comprend une étape d'incorporation dudit élément dopant dans la couche d'épitaxie par dopage ; l'étape d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie comprend une étape de sélection du matériau de la couche d'épitaxie, ledit matériau étant un alliage comprenant l'élément additionnel, ledit 20 élément additionnel faisant partie de la troisième colonne (III) ; l'opération d'adaptation comprend une étape de sélection de la température d'épitaxie ; la couche d'épitaxie est constituée de AI,Gaylni_x_yN, la somme de x et de y étant inférieure ou égale à 1 ; 25 le matériau de la couche support est choisi parmi le saphir, le silicium, l'AIN, l'AIN polycristallin, le SiC, et le SiC polycristallin ; - le substrat est obtenu par collage par adhésion moléculaire de la couche germe sur la couche support ; la couche germe est fabriquée grâce aux étapes consistant à : 30 o former une zone de fragilisation dans un substrat germe, par implantation d'espèces ioniques, ledit substrat germe comprenant ladite couche germe, o coller le substrat germe sur la couche support, o transférer la couche germe sur la couche support par fracture au niveau de la zone de fragilisation. - l'étape de formation de la couche d'épitaxie consiste à former une couche d'épitaxie d'épaisseur comprise entre 3 et 15 pm, sans fissure. L'invention concerne également un procédé comprenant les étapes, éventuellement itérées, consistant à : - détacher la couche d'épitaxie du substrat, - utiliser ladite couche d'épitaxie comme nouvelle couche germe dans le procédé de fabrication précédemment décrit, pour la création d'un nouveau substrat comprenant une nouvelle couche d'épitaxie. Avantageusement, l'utilisation de ladite couche d'épitaxie comme nouvelle couche germe comprend une étape consistant à : - former la nouvelle couche d'épitaxie en contact de ladite nouvelle couche germe avec une concentration en élément dopant supérieure à la concentration en élément dopant de la couche d'épitaxie, et/ou - former la nouvelle couche d'épitaxie en contact de ladite nouvelle couche germe, le matériau de nouvelle couche d'épitaxie comprenant en outre au moins un élément additionnel de la troisième colonne (III), présentant une proportion supérieure à la proportion de l'élément additionnel de la troisième colonne (III) de la couche d'épitaxie. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une diode électroluminescente ou d'une diode Schottky à partir de la couche d'épitaxie du substrat obtenu selon l'une des étapes précédemment décrites. L'invention concerne également un substrat semi-conducteur comprenant : - une couche support, - une couche germe présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), - une couche d'épitaxie, en contact de la couche germe, présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de ladite couche étant différent du matériau de la couche germe, ladite couche ayant été formée par épitaxie à une température d'épitaxie, ledit substrat étant caractérisé en ce que le premier et le deuxième paramètres de maille sont sensiblement égaux à ladite température d'épitaxie. Ce substrat est avantageusement complété par les caractéristiques 10 suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la couche support présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie ; 15 - la couche d'épitaxie comprend au moins un élément additionnel, de sorte à ce que le premier paramètre de maille soit sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie ; - l'élément additionnel est un élément dopant et/ou un élément de la troisième colonne (III) ; 20 - la couche d'épitaxie présente une épaisseur comprise entre 3 et 15 pm, sans fissure. - le substrat comprend : o une couche germe de GaN collée sur une couche support de saphir, et 25 o une couche d'épitaxie d'InGaN, comprenant une teneur de 3°/O en Indium, et présentant une épaisseur de 5 microns, sans fissure. - la couche d'InGaN est dopée par du silicium, avec une concentration de 10" atomes/cm2. 30 L'invention présente de nombreux avantages. Un avantage de l'invention est de permettre la fabrication d'une couche III-N épaisse sans fissure, même de retour à température ambiante.
Un autre avantage de l'invention est de permettre la fabrication de couches épaisses pour de nombreuses applications, et notamment pour la fabrication de divers dispositifs électroniques. Enfin, un autre avantage de l'invention est de permettre la fabrication 5 de couches III-N faiblement résistives.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non 10 limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une représentation schématique de la fabrication d'un substrat semi-conducteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 2 est une représentation schématique d'étapes d'un 15 procédé selon l'invention ; - la Figure 3 est une représentation schématique de la fabrication d'un d'un substrat semi-conducteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 4 est une représentation schématique de la fabrication d'un 20 substrat semi-conducteur selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 5 est une représentation schématique de la fabrication d'un substrat semi-conducteur selon un procédé de réutilisation d'une couche d'épitaxie selon l'invention ; 25 - la Figure 6 est une représentation schématique d'un exemple de la fabrication d'un substrat semi-conducteur selon l'invention ; - la Figure 7 est une représentation schématique d'un autre exemple d'un substrat semi-conducteur obtenu via le procédé selon l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE On a représenté en Figures 1 et 2 des étapes d'un procédé de fabrication d'une couche d'épitaxie sur un substrat semi-conducteur selon l'invention. On entend par substrat semi-conducteur un substrat comprenant au moins une couche de semi-conducteur. Le procédé comprend une étape EO consistant à fournir un substrat 1 comprenant : - une couche support 3, et - une couche germe 4 présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (colonne III de la classification périodique des éléments) et de l'azote (N). Comme on le sait, le paramètre de maille d'une couche est fonction de la température. La couche support 3 est également connue de l'homme du métier sous l'appellation « substrat support ». Avantageusement, mais non limitativement, la couche support 3 est un substrat massif qui présente une épaisseur comprise entre 300 et 500 15 microns. Avantageusement, mais non limitativement, le matériau de la couche support 3 est choisi parmi le saphir, le silicium, l'AIN, l'AIN polycristallin, le SiC, et le SiC polycristallin. La couche germe 4 n'est pas nécessairement en contact de la 20 couche support 3, et il peut y avoir une couche intermédiaire, comme par exemple une couche d'oxyde (SiO2, ou autre), ou une autre couche de collage. Le substrat 1 est obtenu par collage par adhésion moléculaire de la couche germe 4 sur la couche support 3, via ou non une couche de collage 25 intermédiaire, comme une couche d'oxyde. Dans un mode de réalisation, la couche germe 4 est fabriquée grâce aux étapes consistant à : - former une zone de fragilisation dans un substrat germe, par implantation d'espèces ioniques, ledit substrat germe comprenant 30 ladite couche germe 4, - coller le substrat germe sur la couche support 3, - transférer la couche germe 4 sur la couche support 3 par fracture au niveau de ladite zone de fragilisation.
Le procédé comprend en outre une étape consistant à former par épitaxie une couche d'épitaxie 2 en contact de la couche germe 4. Cette épitaxie est réalisée à une température d'épitaxie, qui est notamment fonction du matériau de la couche d'épitaxie et de la méthode de dépôt par épitaxie utilisée. L'épitaxie est obtenue par des techniques bien connues de l'homme du métier, comme par exemple la MBE (« Molecular Beam Epitaxy »), MOCVD (« Metalorganic vapor phase epitaxy ») LPCVD (« Low Pressure Chemical Vapor Deposition ») ou HVPE (« Hydride Vapor Phase Epitaxy »).
La couche d'épitaxie 2 comprend au moins un élément de la troisième colonne (colonne III de la classification périodique des éléments) et de l'azote (N). La couche d'épitaxie 2 présente un second paramètre de maille. Ce paramètre de maille est variable en fonction de la température et des proportions des différents éléments constituant le matériau de la couche 2. Le matériau de la couche d'épitaxie 2 est différent du matériau de la couche germe 4. Le procédé comprend une opération E1 d'adaptation de paramètre de maille permettant de rendre le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie. On entend par « sensiblement égal » le fait que le premier paramètre de maille et le deuxième paramètre de maille présentent une différence inférieure ou égale 0.0005 Â (angstrôms). L'opération d'adaptation de paramètre de maille permet ainsi de faire 25 croître une couche d'épitaxie d'épaisseur élevée, ne présentant aucune fissure, même après refroidissement suite à l'épitaxie. En général, l'étape de formation de la couche d'épitaxie 2 consiste à former une couche d'épitaxie 2 d'épaisseur comprise entre 3 et 15 pm, sans fissure. 30 De plus, la couche d'épitaxie 2 présente en général une densité de dislocations étant inférieure ou égale à la densité de dislocations de la couche germe.
L'invention permet donc d'obtenir un substrat 1 semi-conducteur comprenant - une couche support 3, - une couche germe 4 présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote N, - une couche d'épitaxie 2, en contact de la couche germe 4, présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de ladite couche étant différent du matériau de la couche germe, ladite couche ayant été formée par épitaxie à une température d'épitaxie, le premier et le deuxième paramètres de maille étant sensiblement égaux à ladite température d'épitaxie (égalité à plus ou moins 0.0005A' ).
En particulier, on obtient grâce au procédé selon l'invention une couche d'épitaxie 2 épaisse et d'excellente qualité cristalline, sans fissure, dont l'épaisseur est généralement comprise entre 3 et 15 pm. En général, la densité de dislocations de la couche d'épitaxie est inférieure ou égale à la densité de dislocations de la couche germe.
Dans un mode de réalisation, l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape ElA de sélection du matériau de la couche support 3 de manière à ce que cette couche 3 présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre, au travers de la contrainte imposée par la couche support 3 à la couche germe 4 pendant l'épitaxie, le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie. Par exemple, lorsque le second paramètre de maille du matériau de la couche 2 à épitaxier est supérieur à celui du matériau de la couche germe 4 à la température d'épitaxie, on sélectionnera le matériau de la couche support 3 du substrat 1 de sorte à ce que son coefficient de dilatation thermique soit supérieur à celui de la couche germe 4, entrainant ainsi la dilation de la couche germe 4 et l'augmentation de son paramètre de maille pour le rendre sensiblement égal au paramètre de maille du matériau de la couche 2. De même, lorsque le second paramètre de maille du matériau de la couche 2 d'épitaxie est inférieur à celui du premier paramètre de maille du matériau de la couche germe 4 à la température d'épitaxie, on sélectionnera le matériau de la couche support 3 du substrat 1 de sorte à ce que son coefficient de dilatation thermique soit inférieur à celui de la couche germe 4, entrainant ainsi une contraction de la couche germe 4, et la diminution de son paramètre de maille, pour le rendre sensiblement égal au paramètre de maille du matériau de la couche 2 d'épitaxie à température d'épitaxie. Cette sélection permet de modifier le premier paramètre de maille de la couche germe 4 à la température d'épitaxie, à travers la contrainte exercée par la couche support 3 sur la couche germe 4, ce qui permet d'atteindre le paramètre de maille du matériau de la couche 2 à épitaxier à la température d'épitaxie. La croissance d'une couche épaisse, sans contrainte liée à une différence de paramètre de maille à température d'épitaxie, et donc sans fissure ni ajout de dislocations, est alors possible. On obtient donc, dans ce cas, et après épitaxie, un substrat 1 dans lequel la couche support 3 présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre le premier paramètre de maille de la couche germe sensiblement égal au second paramètre de maille de la couche d'épitaxie à la température d'épitaxie. Dans un mode de réalisation, l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape E1 B d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie 2 de manière à ce que ledit matériau comprenne en outre au moins un élément additionnel 10 ou 12, de sorte à ce que le premier paramètre de maille soit sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie.
Il est à noter que ce mode de réalisation peut être mis en oeuvre en combinaison avec le mode de réalisation précédemment décrit, dans lequel l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprenait une étape de sélection d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre, au travers de la contrainte imposée par la couche support 3 à la couche germe 4 pendant l'épitaxie, le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie.
Bien sûr, ce mode de réalisation peut être mis en oeuvre indépendamment du mode de réalisation précédemment décrit. Comme illustré en Figure 3, l'élément additionnel peut ainsi être un élément dopant 10, voire plusieurs éléments dopants 10 différents. Dans ce cas, le procédé comprend une étape E1 B, d'incorporation dudit élément dopant 10 dans la couche d'épitaxie 2 par dopage. Le dopage est obtenu au cours de l'épitaxie par des techniques bien connues de l'homme du métier, ou par implantation de l'élément dopant ou des éléments dopants, suivi d'un traitement thermique d'activation et de guérison des défauts.
Avantageusement, mais non limitativement, le dopant peut être choisi parmi les matériaux suivants: Si, Fe, Mg, Zn, C, selon les applications visées. Il peut s'agir aussi bien d'un élément dopant de type n que de type P. Avantageusement, l'élément dopant 10 est incorporé dans la couche d'épitaxie 2 avec une concentration comprise entre 1018 et 2.1019 atomes/cm3. Ces concentrations permettent d'augmenter significativement le paramètre de maille de la couche d'épitaxie 2 dans la plage de températures d'épitaxie. Alternativement, ou en complément de l'étape de dopage, l'étape d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie 2 comprend une étape E1 B2 de sélection du matériau de la couche d'épitaxie 2, ledit matériau étant un alliage comprenant l'élément additionnel 12, ledit élément additionnel 12 faisant partie de la troisième colonne (troisième colonne de la classification périodique des éléments). Ce mode de réalisation est illustré en Figure 4. Il est clair que plusieurs éléments additionnels 12 peuvent faire partie de l'alliage sélectionné. Par exemple, le matériau de la couche d'épitaxie est sélectionné comme du Ga0.971no.03N ou de Alo.$Ino.2N. Ainsi, il ne s'agit pas simplement d'un matériau comprenant uniquement un élément de la troisième colonne associé à de l'azote, comme par exemple du GaN ou de AIN, mais un élément additionnel 12 (ici, l'élément ln) est utilisé dans l'alliage constituant le matériau de la couche d'épitaxie.
Par exemple, mais non limitativement, des couches 2 d'épitaxie épaisses (par exemple entre 3 et 15 pm) de Gao.97Ino.03N ou de Alo.$In0.2N peuvent être réalisées dans la plage de températures d'épitaxie, lesdites couches ne présentant pas de fissures, ni de nouvelles dislocations par rapport à la couche 4 germe.
La combinaison du dopage de la couche d'épitaxie et de la sélection du matériau de la couche d'épitaxie comprenant un élément additionnel de la troisième colonne permettent de modifier davantage le paramètre de maille de ladite couche d'épitaxie, de sorte que le paramètre de maille de la couche d'épitaxie et le paramètre de maille de la couche germe soient sensiblement égaux à la température d'épitaxie. Grâce à l'invention, on obtient donc dans ce cas un substrat 1 semi-conducteur comprenant une couche support, une couche germe et une couche d'épitaxie, dans lequel ladite couche d'épitaxie 2 comprend au moins un élément additionnel 10 et/ou 12, de sorte à ce que le premier paramètre de maille de la couche germe soit sensiblement égal au second paramètre de maille de la couche d'épitaxie dans la plage de températures considérées. Avantageusement, et comme décrit précédemment, l'élément additionnel est un élément dopant ou un élément de la troisième colonne (III). Dans tous les cas, la température d'épitaxie d'un matériau peut varier selon les méthodes d'épitaxie utilisées ce qui offre une liberté sur la sélection du pourcentage de l'élément additionnel dopant ou incorporé dans l'alliage de la couche d'épitaxie pour atteindre un paramètre de maille de la couche d'épitaxie sensiblement égal à celui de la couche germe à ladite température d'épitaxie. Bien sûr, cette sélection de la température d'épitaxie est en partie contrainte par les types de matériaux utilisés.
Ainsi, l'opération d'adaptation du paramètre de maille entre la couche germe et la couche d'épitaxie comprend avantageusement une étape de sélection de la température d'épitaxie. Cette sélection peut être opérée en sélectionnant la méthode d'épitaxie qui permet d'opérer à la température d'épitaxie désirée (par exemple MOCVD, MBE, etc.). Dans tous les modes de réalisation précédemment décrits, la couche d'épitaxie 2 est avantageusement, mais non limitativement, constituée de AIXGaylni,_yN, la somme de x et de y étant inférieure ou égale à 1, et comprenant, le cas échéant, un élément dopant additionnel.
La différence entre l'incorporation d'un élément dans l'alliage de la couche d'épitaxie et le dopage de la couche d'épitaxie réside en ce que l'incorporation d'un élément modifie la structure de bande (dont la bande interdite) du matériau semi-conducteur de la couche d'épitaxie alors que le dopage change la répartition des porteurs de charge par l'introduction d'atomes donneurs ou accepteurs d'électrons. Les éléments incorporés dans l'alliage constituant le matériau de la couche d'épitaxie (par exemple incorporation d'éléments dans du GaN pour former un alliage AIXGayln,_,_yN), et/ou l'incorporation d'éléments dopants dans le matériau de la couche d'épitaxie par dopage entraînent la modification des propriétés électroniques du matériau de la couche d'épitaxie (conduction électrique, thermique ...) ce qui peut apporter un bénéfice pour l'application visée. Par exemple, pour une LED en matériau III-N sur saphir, une couche de 5 micromètres de GaN fortement dopée est requise pour la couche de base (« base layer » selon la terminologie anglo-saxonne), afin d'obtenir une résistance de couche de 20 0/carré. Dans un mode de réalisation, illustré en Figure 5, le procédé comprend les étapes, éventuellement itérées, consistant à : détacher (étape E2) la couche d'épitaxie 2 du substrat 1, - utiliser ladite couche d'épitaxie 2 comme nouvelle couche germe 4' dans le procédé précédemment décrit, pour la création d'un nouveau substrat 1' comprenant une nouvelle couche d'épitaxie 2'.
Le détachement de la couche d'épitaxie du substrat 1 peut être effectué par les techniques connues de l'homme du métier (gravure de l'interface de collage, détachement laser, apport d'énergie mécanique à l'interface de collage), ou par prélèvement d'une partie de la couche, par exemple par Smart CUtTM En Figure 5, il est illustré un détachement d'une partie de la couche 2 par formation d'une zone de fragilisation dans la couche 2 par implantation d'espèces ioniques (par exemple H+) et fracture au niveau de la zone de fragilisation créée par l'implantation.
Ainsi, il est possible de réutiliser dans le procédé selon l'invention la couche d'épitaxie comme une nouvelle couche germe, par report sur une nouvelle couche support 3'. Ceci est illustré en Figure 5 par le substrat 1'. Avantageusement, ce procédé de réutilisation de la couche d'épitaxie comprend une étape consistant à : - former la nouvelle couche d'épitaxie 2' en contact de ladite nouvelle couche germe 4' avec une concentration en élément dopant supérieure à la concentration en élément dopant de la couche d'épitaxie 2 du substrat 1 initial, et/ou - former la nouvelle couche d'épitaxie 2' en contact de ladite 20 nouvelle couche germe 4', le matériau de nouvelle couche d'épitaxie 2' étant sélectionnée de sorte à comprendre en outre au moins un élément additionnel de la troisième colonne (III), ledit élément additionnel présentant une proportion supérieure à la proportion de l'élément additionnel de la troisième colonne (III) de 25 la couche d'épitaxie 2 (couche d'épitaxie 2 initialement créée). Lorsque le matériau de la couche d'épitaxie 2 est polaire (tel que les matériaux III-N de structure cristalline de type wurztite), un double report de la couche d'épitaxie (utilisée en tant que nouvelle couche germe) sur la nouvelle couche support 3' sera effectué pour retrouver la face de la polarité 30 initiale qui facilite l'épitaxie. Par ailleurs, après épitaxie, la stabilité de la structure de retour à température ambiante dépend de la contrainte en compression ou tension emmagasinée dans la structure et de l'énergie de collage à l'interface entre la couche germe et la couche support. La contrainte globale de la structure résulte de la différence entre le paramètre de maille nominal du matériau de la couche épitaxiée et de son paramètre de maille imposé par la contraction du support mécanique lors du refroidissement.
Si le support mécanique a un coefficient de dilatation thermique plus faible que celui du matériau épitaxié, le matériau qui a germé à l'équilibre à la température de dépôt sera en tension de retour à température ambiante et inversement. La contrainte sera d'autant plus forte que l'épaisseur de la couche épitaxiée sera importante par comparaison avec celle du support.
Si la contrainte de la structure est très importante, une flèche susceptible de gêner un collage ultérieur de la couche d'épitaxie peut apparaître, de même qu'une délamination peut être observée à l'interface de collage. Lorsque cette délamination est bien contrôlée (choix judicieux de la température d'épitaxie, rampe de température de refroidissement, nature et épaisseur de la couche épitaxiée), elle peut être favorablement utilisée pour permettre de détacher facilement la couche support après croissance de la couche d'épitaxie et ainsi éviter la relaxation de la contrainte dans celle-ci par formation de défauts voire de fissures. Dans un exemple de réalisation, le procédé selon l'invention permet de fabriquer un substrat comprenant : - une couche support de saphir, - une couche germe de GaN collée sur ladite couche support de saphir, et - une couche d'épitaxie d'InGaN, comprenant une teneur de 3°/O en Indium, et présentant une épaisseur de 5 microns, sans fissure. Avantageusement, la couche d'InGaN est dopée par du silicium, avec une concentration de 10" atomes/cm2. On décrit à présent un exemple non limitatif de réalisation d'une 30 couche épaisse selon l'invention, illustré en Figure 6. Une couche 13 de silicium SiO2 est déposée sur une couche 15 de GaN, sur une épaisseur de 500 nm.
De l'hydrogène est implanté dans la couche 15 de GaN au travers de la couche 13 d'oxyde de façon à former une zone 14 de fragilisation dans ladite couche 13, à une profondeur déterminée. Il s'agit par exemple d'une dose de 1 à 5.10" d'ions H+ par cm2, et d'énergie comprise entre 30 et 200 keV. Puis, la couche 13 d'oxyde est polie par CMP jusqu'à atteindre une rugosité inférieure à 5 Â en valeurs RMS (évaluée sur une surface de 5 microns sur 5 microns par AFM). On obtient ainsi une première structure 18. En parallèle, une couche 16 de dioxyde de silicium SiO2 est déposée sur une épaisseur de 5000 nm sur une couche support 3 en saphir. Puis la couche d'oxyde 16 est polie par CMP jusqu'à atteindre une rugosité inférieure à 5 Â en valeurs RMS (évaluée sur une surface de 5 microns sur 5 microns par AFM). On obtient ainsi une deuxième structure 19. Les deux structures 18 et 19 sont collées par mise en contact à température ambiante des faces des structures recouvertes de la couche d'oxyde. On procède alors à un recuit de fracture et de stabilisation de collage par application d'une rampe de température, de la température ambiante jusqu'à 800°C, pendant plusieurs heures, pour obtenir la fracture au niveau de la zone de fragilisation 14. La surface de la couche 21 mince de GaN transférée sur la couche d'oxyde 24 peut alors être préparée pour l'épitaxie d'une couche d'épitaxie, par exemple par un polissage mécano-chimique de type CMP de la rugosité de surface ou une gravure légère jusqu'à atteindre une rugosité par exemple inférieure à 5 Â en valeurs RMS (évaluée sur une surface de 5 microns sur 5 microns par AFM). Il s'ensuit une épitaxie d'une couche 22 d'InGaN ayant une teneur de 30/0 en indium et dopée de type n (teneur en silicium de 10" atomes/cm2). Cette épitaxie est réalisée entre 900 et 950°C jusqu'à atteindre une épaisseur de la couche 22 d'InGaN de 5 micromètres sans apparition de fissure, car le paramètre de maille de la couche de GaN est sensiblement égal à celui de I'InGaN à 30/0 d'indium à la température d'épitaxie utilisée.
La densité de dislocation de la couche 22 d'InGaN à 3°/O d'indium est inférieure à 10$ cm-2. Par ailleurs, l'invention permet de fabriquer divers dispositifs électroniques à partir de la couche d'épitaxie 2,2' du substrat 1 obtenu selon 5 le procédé de l'invention. En particulier, on pourra avantageusement fabriquer une diode électroluminescente ou une diode Schottky à partir de la couche d'épitaxie 2,2' du substrat 1 obtenu selon le procédé de l'invention. En référence à l'exemple précédemment décrit, dans lequel une 10 couche 22 épaisse d'InGaN à 3°/O d'indium a été obtenue, on dépose une couche active de type multi-puits quantique pour LED à base d'InGaN sur la dite couche 22. Une couche additionnelle d'InGaN, dopée p au magnésium Mg, est ensuite déposée sur 200 nm sur la couche active. 15 La métallisation de type p est alors réalisée. La structure est collée sur un support final conducteur. Après retrait de la couche support 3 de saphir par la technique dite de « laser lift off » (terminologie anglo-saxonne désignant une technique bien connue de l'homme du métier), ou de gravure au niveau des couches de collage 20 assemblées 24 (couches d'oxyde) et mise en place de contacts électriques, on obtient une LED verticale. Alternativement, on peut fabriquer une diode Schottky à partir d'une couche d'épitaxie obtenue par le procédé selon l'invention. On présente ici un exemple de réalisation non limitatif. 25 Dans un premier temps, une couche de InGaN comprenant entre 0.5 et 3°/O d'indium est épitaxiée sur une épaisseur de 5 microns sur un support comprenant une couche germe de GaN, et une couche support de saphir, via le procédé selon l'invention. Une couche de nickel et d'argent est déposée sur la couche d'InGaN, 30 puis une couche de AuSn est déposée sur ladite couche de nickel et d'argent. On obtient un substrat donneur. Par ailleurs, un substrat receveur comprenant une couche de Mo et une couche de AuSn est fabriqué.
Le substrat receveur et le substrat donneur sont collés au niveau de leur couche d'AuSn. La couche support en saphir est retirée par « laser lift-off » ou gravure.
La couche germe de GaN est retirée par gravure. Après aplanissement et polissage, des contacts électriques sont formés sur la couche d'InGaN et la couche comprenant du molybdène, afin de former une diode Schottky verticale. Une autre application, non limitative, de l'invention, concerne la fabrication de couches de GaN faiblement résistives particulièrement recherchées pour des applications en électronique, notamment pour former des contacts électriques. Dans un exemple de réalisation, illustré en Figure 7, on fait croître une couche 25 d'épitaxie de plus de 3 microns d'AIGaN, avantageusement de 10 microns, sur un substrat comprenant une couche support 27 de silicium et une couche germe 26 de GaN. Or, le paramètre de maille de I'AIGaN est inférieur à celui du GaN dans la plage de températures d'épitaxie. Le silicium est donc sélectionné comme matériau de la couche germe car il présente un coefficient de dilatation thermique de 3.8*10-6 K tandis que le GaN présente un coefficient de dilatation thermique de 5.610-6 K. Ainsi, la contrainte exercée par le silicium sur le GaN dans la plage de températures d'épitaxie permet de réduire le paramètre de maille nominal de la couche de GaN de sorte à présenter un paramètre de maille sensiblement égal au paramètre de maille de l'AIGaN dans la plage de températures d'épitaxie (environ 1000°C). La couche d'AIGaN est sans fissure et n'introduit pas de nouvelles dislocations par rapport à la densité de dislocations de la couche de GaN.
La couche épaisse d'AIGaN ainsi obtenue est avantageusement utilisée comme couche de base dans des dispositifs de puissance, tels que des diodes Shottky, des redresseurs ou des transistors à hétérojonction.
Dans un autre exemple de réalisation, une couche d'épitaxie d'un alliage en Alo.$In0.2N (l'élément additionnel est ici l'indium ln), fabriquée selon l'invention sur une épaisseur de 4 micromètres, sans fissure, ni dislocation supplémentaire par rapport à la couche germe (couche de GaN par exemple) et présentant une densité de dislocation inférieure à 10$ cm-2 sera par exemple utilisée en couche de base pour une structure verticale de LED ou un dispositif de puissance vertical. Dans un autre exemple de réalisation, une couche de GaN dopée en Mg avec une concentration supérieure à 1019 atomes/cm2, fabriquée selon l'invention sur une épaisseur de 3 micromètres et ne présentant pas de fissure, ni de dislocation supplémentaire par rapport à la couche germe, pourra être utilisée de la même façon pour un dispositif de puissance vertical. La densité de dislocations de la couche d'épitaxie est inférieure à 15 10$/cm2, et de préférence inférieure à 10'/cm2. Comme le comprend l'homme du métier, l'invention présente de nombreux avantages et est applicable à de nombreux domaines.

Claims (21)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une couche d'épitaxie sur un substrat comprenant une couche support et une couche germe, le procédé 5 comprenant les étapes consistant à : fournir (EO) un substrat (1) comprenant : o une couche support (3), et o une couche germe (4) présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième 10 colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de la couche d'épitaxie étant différent du matériau de la couche germe, former par épitaxie une couche d'épitaxie (2) en contact de la couche germe (4), o ladite épitaxie étant réalisée à une température d'épitaxie, 15 0 ladite couche d'épitaxie (2) présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une opération (E1) d'adaptation de paramètre de maille permettant de rendre le premier 20 paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à la température d'épitaxie.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape (E1 A) de sélection du matériau de 25 la couche support (3) de manière à ce que cette couche (3) présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre, au travers de la contrainte imposée par la couche support (3) à la couche germe (4) pendant l'épitaxie, le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie. 30
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'opération d'adaptation de paramètre de maille comprend une étape (E1 B) d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie (2) de manière à ce que ledit matériau comprenne en outre au moins un élément additionnel (10, 12), de sorte à ce que le premier paramètre de maille soit sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel : l'élément additionnel est un élément dopant (10), et ledit procédé comprend une étape (E1 BI) d'incorporation dudit élément dopant (10) dans la couche d'épitaxie (2) par dopage.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel l'étape d'adaptation du matériau de la couche d'épitaxie (2) comprend une étape de sélection (E1 B2) du matériau de la couche d'épitaxie (2), ledit matériau étant un alliage comprenant l'élément additionnel (12), ledit élément additionnel (12) faisant partie de la troisième colonne (III).
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans l'opération d'adaptation comprend une étape de sélection de la température d'épitaxie.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche 20 d'épitaxie (2) est constituée de AIXGayIn,.X.yN, la somme de x et de y étant inférieure ou égale à 1.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau de la couche support (3) est choisi parmi le saphir, le silicium, l'AIN, l'AIN 25 polycristallin, le SiC, et le SiC polycristallin.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat (1) est obtenu par collage par adhésion moléculaire de la couche germe (4) sur la couche support (3).
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche germe (4) est fabriquée grâce aux étapes consistant à : 30 - former une zone de fragilisation dans un substrat germe, par implantation d'espèces ioniques, ledit substrat germe comprenant ladite couche germe (4), - coller le substrat germe sur la couche support (3), - transférer la couche germe (4) sur la couche support (3) par fracture au niveau de la zone de fragilisation.
  11. 11. Procédé comprenant les étapes, éventuellement itérées, consistant à : - détacher la couche d'épitaxie (2) du substrat (1), - utiliser ladite couche d'épitaxie (2) comme nouvelle couche germe (4') dans le procédé selon l'une des revendications 1 à 10, pour la création d'un nouveau substrat (1') comprenant une nouvelle couche d'épitaxie (2').
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'utilisation de ladite couche d'épitaxie (2) comme nouvelle couche germe (4') comprend une étape consistant à : - former la nouvelle couche d'épitaxie (2') en contact de ladite nouvelle couche germe (4') avec une concentration en élément dopant supérieure à la concentration en élément dopant de la couche d'épitaxie (2), et/ou - former la nouvelle couche d'épitaxie (2') en contact de ladite nouvelle couche germe (4'), le matériau de nouvelle couche d'épitaxie (2') comprenant en outre au moins un élément additionnel de la troisième colonne (III), présentant une proportion supérieure à la proportion de l'élément additionnel de la troisième colonne (III) de la couche d'épitaxie (2).
  13. 13. Procédé consistant à fabriquer une diode électroluminescente ou une 30 diode Schottky à partir de la couche d'épitaxie (2,2') du substrat (1) obtenu selon l'une des revendications 1 à 12.
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'étape de formation de la couche d'épitaxie (2) consiste à former une couche d'épitaxie (2) d'épaisseur comprise entre 3 et 15 pm, sans fissure.
  15. 15. Substrat (1) semi-conducteur comprenant : - une couche support (3), - une couche germe (4) présentant un premier paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), - une couche d'épitaxie (2), en contact de la couche germe (4), présentant un second paramètre de maille et comprenant au moins un élément de la troisième colonne (III) et de l'azote (N), le matériau de ladite couche étant différent du matériau de la couche germe, ladite couche ayant été formée par épitaxie à une température d'épitaxie, ledit substrat (1) étant caractérisé en ce que le premier et le deuxième paramètres de maille sont sensiblement égaux à ladite température d'épitaxie.
  16. 16. Substrat selon la revendication 15, dans lequel la couche support (3) présente un coefficient de dilatation thermique adapté pour rendre le premier paramètre de maille sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie.
  17. 17. Substrat selon l'une des revendications 15 ou 16, dans lequel la couche d'épitaxie (2) comprend au moins un élément additionnel (10, 12), de sorte à ce que le premier paramètre de maille soit sensiblement égal au second paramètre de maille à ladite température d'épitaxie.
  18. 18. Substrat selon la revendication 17, dans lequel l'élément additionnel est un élément dopant et/ou un élément de la troisième colonne (III).
  19. 19. Substrat selon l'une des revendications 15 à 18, dans lequel la couche d'épitaxie (2) présente une épaisseur comprise entre 3 et 15 pm, sans fissure.
  20. 20. Substrat selon l'une des revendications 15 à 19, comprenant : - une couche germe (4) de GaN collée sur une couche support (3) de saphir, et - une couche d'épitaxie (2) d'InGaN o comprenant une teneur de 3°/O en Indium, et o présentant une épaisseur de 5 microns, sans fissure.
  21. 21. Substrat selon la revendication 20, dans lequel la couche d'InGaN est dopée par du silicium, avec une concentration de loi' atomes/cm2.15
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WO2024156689A1 (fr) * 2023-01-23 2024-08-02 Nexwafe Gmbh Procédé et système de détachement de couche semi-conductrice, et produit semi-fini

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