FR3138238A1 - Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible - Google Patents

Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible Download PDF

Info

Publication number
FR3138238A1
FR3138238A1 FR2207630A FR2207630A FR3138238A1 FR 3138238 A1 FR3138238 A1 FR 3138238A1 FR 2207630 A FR2207630 A FR 2207630A FR 2207630 A FR2207630 A FR 2207630A FR 3138238 A1 FR3138238 A1 FR 3138238A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
layer
nucleation layer
nucleation
support substrate
bonding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR2207630A
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Ferret
Marc Rabarot
Guillaume VEUX
Matthew Charles
Frédéric Barbier
Olivier MAILLIART
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR2207630A priority Critical patent/FR3138238A1/fr
Priority to PCT/FR2023/051147 priority patent/WO2024023431A1/fr
Publication of FR3138238A1 publication Critical patent/FR3138238A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02491—Conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02502—Layer structure consisting of two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02505—Layer structure consisting of more than two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02658—Pretreatments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

L’invention porte sur un procédé de réalisation d’une couche semiconductrice (2) par épitaxie à partir d’un substrat de croissance (1) formé d’un empilement d’un substrat support (21), d’une couche de liaison (22) en un matériau fusible, puis d’une couche de nucléation (13). Le procédé comporte une étape détermination (10), préalablement à la réalisation (30) du substrat de croissance (1), d’une épaisseur seuil eth de la couche de nucléation (13), telle que celle-ci présente une énergie élastique Ee inférieure à une énergie d’adhérence Ea de la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22), pour une température Texp supérieure ou égale à la température de fusion Tf. Figure pour l’abrégé : Fig. 2K

Description

Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible
Le domaine de l’invention est celui de la réalisation par épitaxie d’une couche semiconductrice à partir d’un substrat de croissance, dans le cas d’un différentiel de dilatation thermique entre ces deux éléments.
 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans le domaine de la microélectronique ou de l’optoélectronique, il est fréquent de réaliser une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance qui présente un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la couche semiconductrice. C’est le cas en particulier lorsque la couche semiconductrice est réalisée en un composé cristallin de type III-V formé d’éléments de la colonne III et V du tableau périodique, comme par exemple le composé AlxInyGa1-x-yN, et que le substrat de croissance comporte un substrat support en silicium. La couche semiconductrice peut être notamment utilisée pour réaliser une matrice de diodes électroluminescentes ou de photodiodes.
Cependant, lors de l’étape d’épitaxie, le retour à la température ambiante peut se traduire par la génération de contraintes mécaniques importantes, du fait du différentiel de dilatation thermique qui peut être de l’ordre de 3×10-6K-1dans le cas du GaN épitaxié à partir d’un substrat en silicium, et de l’amplitude thermique qui peut être particulièrement élevée, par exemple de l’ordre de 1000°C. Ainsi, une couche semiconductrice réalisée en GaN subit alors des contraintes mécaniques en tension se traduisant par une déformation en flexion de type concave de l’empilement GaN/Si, ce qui peut conduire à une dégradation structurelle du GaN.
Une approche consiste alors à faire de l’ingénierie de contraintes mécaniques, de manière à compenser les contraintes mécaniques liées au différentiel de dilatation thermique. Ainsi, la couche de nucléation peut être réalisée à partir de couches minces intermédiaires, dites couches tampon, pour induire des contraintes mécaniques initiales en compression (déformation initiale en flexion de type convexe), lesquelles viendront compenser la mise en tension de la couche de nucléation lors du refroidissement (absencein finede déformation en flexion). Cependant, cette approche nécessite d’avoir un contrôle fin des contraintes mécaniques au sein des couches, et s’avère difficile à mettre en œuvre lorsque le substrat support et la couche de nucléation présentent une grande surface, par exemple de l’ordre de 300mm, ou que l’on souhaite réaliser une couche semiconductrice d’une épaisseur de l’ordre de 4 à 5µm.
Une autre approche consiste à utiliser une couche de liaison, située entre le substrat support et la couche de nucléation, et réalisée en un matériau fusible. Le document US6746777B1 illustre une telle approche. Lors de la montée en température, le matériau fusible passe de l’état solide à l’état liquide, de sorte qu’il y a alors un découplage des contraintes mécaniques entre le substrat support et la couche de nucléation. Le paramètre de maille de celle-ci n’est alors plus contraint par le substrat support, ce qui permet de réaliser une couche semiconductrice de bonne qualité cristalline. De plus, on limite l’intensité des contraintes mécaniques associées au différentiel de dilatation thermique. Cependant, il existe un besoin de disposer d’un tel procédé dont les risques de dégradation de la couche de nucléation et/ou de la couche semiconductrice sont réduits.
L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible. Le procédé permet de limiter les risques de dégradations liées au différentiel de dilatation thermique. De plus, on préserve la qualité d’adhérence de la couche de nucléation sur la couche de liaison, que celle-ci soit à l’état solide ou à l’état liquide, et on réduit ainsi les risques de dégradations de la couche de nucléation associées aux contraintes mécaniques subies par celle-ci.
Pour cela, l’objet de l’invention est un procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la couche semiconductrice, le procédé comportant les étapes suivantes : réalisation du substrat de croissance formé d’un empilement d’un substrat support, d’une couche de liaison en un matériau fusible, puis d’une couche de nucléation ; puis réalisation de la couche semiconductrice par épitaxie à partir de la couche de nucléation, à une température d’épitaxie Tesupérieure à une température de fusion Tfdu matériau fusible.
Selon l’invention, le procédé de réalisation comporte une étape de détermination, préalablement à la réalisation du substrat de croissance, d’une épaisseur seuil ethde la couche de nucléation, telle que celle-ci présente une énergie élastique Ee, associée aux contraintes mécaniques orientées dans un plan parallèle au substrat support, inférieure à une énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation sur la couche de liaison, pour une température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tf. De plus, lors de la réalisation du substrat de croissance, la couche de nucléation est réalisée en un matériau présentant une structure cristallographique identique à celle du matériau de la couche semiconductrice, et présente une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants.
L’étape de détermination de l’épaisseur seuil ethpeut comporter les étapes suivantes :
  • réalisation d’un substrat de croissance dit test formé d’un empilement d’un substrat support test, d’une couche de liaison test, puis d’une couche de nucléation test, réalisés respectivement en les mêmes matériaux que ceux du substrat support, de la couche de liaison, et de la couche de nucléation, la couche de nucléation test présentant une épaisseur initiale e(i)susceptible d’être supérieure à l’épaisseur seuil eth;
  • exposition du substrat de croissance test à la température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tf;
  • évaluation d’un critère de qualité d’adhérence, pour lequel l’énergie élastique Eede la couche de nucléation est inférieure à l’énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation sur la couche de liaison ;
  • réitération des étapes de réalisation du substrat de croissance test, d’exposition et d’évaluation, la nouvelle couche de nucléation test présentant alors une épaisseur inférieure à celle de l’itération précédente, jusqu’à ce que le critère de qualité d’adhérence soit validé, l’épaisseur seuil ethétant alors définie comme étant l’épaisseur de la couche de nucléation test vérifiant le critère de qualité d’adhérence.
L’étape d’évaluation peut comporter une mesure locale d’une dégradation de la couche de nucléation test par décollement, clivage et/ou fripure, le critère de qualité d’adhérence étant considéré comme validé en l’absence d’une telle dégradation. Pour cela, on peut mesurer une valeur d’une grandeur physique associée à la dégradation considérée, et définir que la dégradation est absence lorsque la valeur mesurée est inférieure ou égale à un seuil prédéfini.
L’étape de réalisation du substrat de croissance peut comporter les étapes suivantes :
  • réalisation d’une première structure comportant la couche de nucléation, de sorte que la couche de nucléation présente un champ de contraintes mécaniques identique à celui de la couche de nucléation test ;
  • réalisation d’une deuxième structure comportant le substrat support et la couche de liaison ;
  • assemblage de la première structure sur la deuxième structure par collage de la couche de nucléation sur la couche de liaison.
Le collage de la couche de nucléation sur la couche de liaison peut être effectué par brasure, par thermocompression sous vide, ou par collage direct.
La couche de nucléation de la première structure peut présenter une épaisseur initiale supérieure à l’épaisseur seuil eth, l’étape de réalisation du substrat de croissance comportant alors une étape d’amincissement de la couche de nucléation pour qu’elle présente une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée ; l’étape d’amincissement étant effectuée avant l’étape d’assemblage de la couche de nucléation sur la couche de liaison, ou après l’étape d’assemblage de la couche de nucléation sur la couche de liaison.
L’étape d’amincissement peut être réalisée par meulage, gravure humide ou sèche, ou par Smart CutTM.
La température de fusion Tfpeut être inférieure ou égale à 50%, ou à 25%, ou à 15%, de la température d’épitaxie Te.
La couche de nucléation et la couche semiconductrice peuvent être réalisées à base d’un composé cristallin III-V comportant des éléments des colonnes III et IV du tableau périodique, ou à base d’un composé cristallin II-IV comportant des éléments des colonnes II et VI du tableau périodique, ou d’un élément ou composé cristallin IV comportant au moins un élément de la colonne IV du tableau périodique. Le substrat support peut être réalisé en silicium, en saphir, en saphir, en silice, en verre, en quartz, en AlN, en SiC, ou en GaAs.
Le substrat support peut présenter une dimension, dans un plan parallèle aux couches de liaison et de nucléation, au moins égale à 200mm, voire à 300mm.
L’invention porte également sur une structure semiconductrice, comportant : un substrat de croissance formé d’un empilement d’un substrat support, d’une couche de liaison en un matériau fusible, puis d’une couche de nucléation ; et une couche semiconductrice épitaxiée à partir de la couche de nucléation ; le substrat de croissance présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la couche semiconductrice.
Selon l’invention, la couche de nucléation est réalisée en un matériau présentant une structure cristallographique identique à celle du matériau de la couche semiconductrice, et présente une épaisseur inférieure ou égale à une épaisseur seuil ethprédéfinie telle qu’une énergie élastique Ee, associée à ses contraintes mécaniques orientées dans un plan parallèle au substrat support est inférieure à une énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation sur la couche de liaison, pour une température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tf.
La couche de liaison peut être une couche continue qui s’étend continûment dans un plan parallèle au substrat support et à la couche de nucléation.
La couche de liaison peut être située dans et remplit une échancrure du substrat support.
La couche de liaison peut être une couche discontinue formée d’une pluralité de plots distincts les uns des autres et agencés dans un plan parallèle au substrat support et à la couche de nucléation.
Chaque plot peut être au contact de portions minces d’adhérence situées sur le substrat support et sur la couche de nucléation, les portions minces d’adhérence présentant une forme de bande orientées suivant des lignes parallèles aux rayons du substrat support.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la est un organigramme illustrant les différentes étapes d’un procédé de réalisation de la couche semiconductrice, selon un mode de réalisation où une étape d’amincissement de la couche de nucléation est prévue avant l’assemblage sur la couche de liaison ;
les figures 2A à 2N sont des vues schématiques et partielles de structures obtenues à différentes étapes d’un procédé de réalisation similaire à celui de la ;
la est un organigramme illustrant les différentes étapes d’un procédé de réalisation de la couche semiconductrice, selon un autre mode de réalisation où une étape d’amincissement de la couche de nucléation est prévue après son assemblage sur la couche de liaison ;
la est une vue schématique et partielle d’un substrat de croissance selon une variante de réalisation, où la couche de liaison est située dans une échancrure pratiquée à partir de la face supérieure du substrat support ;
la est une vue schématique et partielle d’un substrat de croissance selon une autre variante de réalisation, où la couche de liaison est une couche discontinue dans le plan horizontal et est formée de plusieurs plots distincts réalisés en le matériau fusible ;
la est une vue schématique et partielle du substrat de croissance de la et de la couche semiconductrice épitaxiée, à la température d’épitaxie ;
la est une vue de dessus du substrat support et de portions minces d’adhérence selon une variante de réalisation, où ces dernières sont agencées suivant des lignes parallèles aux rayons du substrat support.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre … et … » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
La est un organigramme illustrant des étapes d’un procédé de réalisation de la couche semiconductrice 2 par épitaxie à partir d’un substrat de croissance 1, selon un mode de réalisation. Ce mode de réalisation est illustré également en référence aux figures 2A à 2N, où la couche de nucléation 13 est initialement réalisée à partir d’un multicouche de gestion des contraintes mécaniques, et où une étape d’amincissement de la couche de nucléation 13 est prévue avant son assemblage sur la couche de liaison 22.
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal XYZ, où les axes X et Y forment un plan parallèle au plan principal des différents substrats et couches utilisés, et où l’axe Z est orienté suivant une direction de croissance des couches.
L’invention porte sur la réalisation par épitaxie d’une couche semiconductrice 2 à partir d’un substrat de croissance 1 dont le coefficient de dilatation thermique est différent de celui de la couche semiconductrice 2. Le substrat de croissance 1 est forméa minimad’un empilement d’un substrat support 21, d’une couche de liaison 22, puis d’une couche de nucléation 13 réalisée en un matériau cristallin identique à celui de la couche semiconductrice 2.
Le substrat support 21 présente un coefficient de dilatation thermique αssdifférent de celui de la couche semiconductrice 2. Il présente une épaisseur de plusieurs dizaines à centaines de microns. Il peut être formé d’une couche épaisse ou d’un substrat en un même matériau, et peut ainsi être un substrat massif (bulk substrate, en anglais). A titre d’exemple, il peut être un substrat massif d’une épaisseur de plusieurs centaines de microns, par exemple 725µm environ, dont le coefficient de dilatation thermique est de 2.6×10-6K-1dans le cas du silicium, voire un substrat massif de saphir, silice, verre, quartz, en AlN, en SiC, ou en GaAs, ou tout autre matériau adapté. Il peut également être un empilement de plusieurs couches de matériaux différents, tel qu’un substrat SOI (pourSilicon-On-Insulator, en anglais). Le substrat support peut présenter une grande dimension dans le plan XY, par exemple égale à 200mm voire à 300mm.
La couche de liaison 22 est réalisée en un matériau fusible, c’est-à-dire un matériau qui passe de manière réversible de l’état solide à l’état liquide à une température de fusion Tfinférieure à la température d’épitaxie Te. Elle est destinée à assurer le maintien de la couche de nucléation 13 lors de la phase d’épitaxie, et de permettre une rupture de transmission des contraintes mécaniques entre le substrat support 21 d’une part, et la couche de nucléation 13 (et la couche semiconductrice 2) d’autre part, sur toute l’amplitude thermique où le matériau fusible est à l’état liquide.
Le matériau fusible peut être de l’indium In dont la température de fusion Tfest égale à 156°C environ, du gallium Ga, du InGa, InSi, GaSi, voire encore du InSn, InBi, ou InBiSn dont la température de fusion Tfest comprise entre 70°C et 120°C. De préférence, le matériau fusible est choisi tel que la température de fusion Tfest inférieure ou égale à 50% de la température d’épitaxie Te, et de préférence inférieure ou égale à 25%, voire à 20%, voire à 15% de la température d’épitaxie Teou moins. La couche de liaison 22 peut présenter une épaisseur comprise par exemple entre 0.1µm et 2µm environ, par exemple de l’ordre de 0.5µm. Par ailleurs, le matériau fusible peut présenter une faible tension de vapeur (pression de vapeur saturante), de manière à limiter les pertes de matière par évaporation entre la température de fusion Tfet la température d’épitaxie Te. Il est compatible chimiquement avec le matériau de la couche de nucléation 13 et n’induit pas de contaminations.
Comme indiqué plus loin, la couche de liaison 22 peut être une couche continue ou une couche discontinue dans le plan XY. La couche de liaison 22 est dite continue lorsque le matériau fusible s’étend continûment dans le plan XY (avec continuité de matière) entre le substrat support et la couche de nucléation 13. En revanche, la couche de liaison 22 est dite discontinue lorsqu’elle est formée d’une pluralité de plots distincts les uns des autres dans le plan XY.
La couche de nucléation 13 est réalisée en un matériau cristallin, de préférence monocristallin, adapté à l’épitaxie de la couche semiconductrice. Le matériau est identique à celui de la couche semiconductrice 2 en termes de structure cristallographique. Le matériau cristallin de la couche de nucléation 13 peut être un composé III-V formé d’éléments des colonnes III et V du tableau périodique des éléments, et en particulier en un composé III-N, voire un composé II-VI formé d’éléments des colonnes II et VI du tableau périodique, ou encore un élément ou en un composé IV de la colonne IV du tableau périodique. A titre d’exemple, le composé III-V peut être du GaN, InGaN, AlGaN, AlN, InN ou AlInGaN, voire de l’AsGa ou de l’InP. Le composé II-VI peut être du CdTe, HgTe, CdHgTe, ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO. L’élément ou le composé IV peut être du Si (le substrat support étant alors réalisé en un matériau différent), C, Ge, SiC, SiGe, GeC. Le matériau cristallin de la couche de nucléation 13 est de préférence non intentionnellement dopé.
La couche de nucléation 13 et la couche semiconductrice 2 sont avantageusement réalisées en le même matériau cristallin. Aussi, les paramètres de maille à l’état relaxé de ces deux couches 13, 3, définis dans un plan XY, sont identiques, et les coefficients de dilatation thermique sont identiques également. Lorsque la couche de nucléation 13 et la couche semiconductrice 2 sont réalisées en GaN, les coefficients de dilatation thermique respectifs αcnet αcssont identiques et égaux à 5.6×10-6K-1environ. Notons que la couche semiconductrice 2 pourra présenter une bonne qualité cristalline tout en ayant une épaisseur importante, par exemple égale à plusieurs microns, dizaines, voire centaines de microns, en particulier lorsqu’elle est réalisée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) ou par épitaxie diteHeterophase Epitaxy(HPE).
La couche de nucléation 13 présente une épaisseur inférieure ou égale à une épaisseur seuil ethprédéterminée, ce qui peut être obtenu, soit par une étape spécifique d’amincissement, ou soit directement lors de la réalisation de la couche de nucléation 13. Le fait qu’elle présente une épaisseur inférieure ou égale à la valeur seuil ethprédéterminée permet de préserver l’adhérence de la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22, que celle-ci soit à l’état solide ou qu’elle soit à l’état liquide. Comme détaillé plus loin, cela se traduit par le fait que l’énergie d’adhérence de la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22 domine l’énergie élastique associée aux contraintes mécaniques (dans le plan XY) subies par la couche de nucléation 13. On réduit ainsi les risques de dégradations de la couche de nucléation 13, notamment par décollement (delaminationen anglais), par clivage (cleavage, en anglais), et/ou par fripure (buckling, en anglais).
Comme l’illustre la , le procédé de réalisation de la couche semiconductrice 2 comporte, d’une manière générale :
  • une phase préalable 10 de détermination de l’épaisseur seuil ethde la couche de nucléation 13, cette phase pouvant être effectuée à partir d’un substrat de croissance 1t dit ‘test’ ;
  • une phase 20 de réalisation du substrat de croissance 1, où la couche de nucléation 13 présente une épaisseur inférieure ou égale à la valeur maximale ethdéterminée ;
  • une étape 30 de réalisation par épitaxie de la couche semiconductrice 2 à partir de la couche de nucléation 13 du substrat de croissance 1.
Phase préalable 10 de détermination de l’épaisseur seuil e th
Cette phase 10 est réalisée préalablement à la phase 20 de réalisation du substrat de croissance 1. Elle peut être réalisée par une étude paramétrique effectuée par simulation numérique. En variante, elle peut être réalisée de manière expérimentale, à l’aide de plusieurs substrats de croissance test successifs 1t(i), 1t(i+1)… similaires à celui qui sera réalisé ensuite lors de la phase 20.
Lors d’une étape 11 (cf. à 2C), on réalise un substrat de croissance test 1t(i=1)formé d’un empilement d’un substrat support test 21t, d’une couche de liaison test 22t en le matériau fusible, puis d’une couche de nucléation 13t(i=1)d’une épaisseur initiale e(i=1). L’incrément i augmente à partir de 1 (un). La couche de nucléation 13t est similaire à celle qui sera réalisée lors de la phase 20, et en diffère par l’épaisseur de la couche de nucléation. Ainsi, le substrat support 21t peut être identique en termes de matériau et d’épaisseur au substrat support 21, tout comme la couche de liaison test 22t vis-à-vis de la couche de liaison 22 (dans cet exemple, la couche de liaison 22t est une couche continue dans le plan XY). En revanche, l’épaisseur de la couche de nucléation test 13t(i=1)est ici supérieure à celle de la couche de nucléation 13.
La illustre un exemple de structure test de nucléation 10t, identique ou similaire à la première structure de nucléation 10 qui sera ensuite réalisée lors de la phase 20. Dans cet exemple, la structure test de nucléation 10t est un empilement d’un substrat support 11t, ici un substrat massif en silicium, de couches minces intermédiaires 12t (gestion des contraintes mécaniques), puis de la couche de nucléation 13t(1)d’épaisseur e(1). Cette épaisseur peut être de l’ordre de quelques dizaines à centaines de nanomètres, voire de l’ordre d’un à quelques microns.
Les couches minces intermédiaires 12t sont réalisées par épitaxie à partir du substrat support 11t. Il s’agit ici d’une couche mince 12t.1 de 250nm d’AlN, d’une couche mince 12t.2 de 200nm d’Al0.5Ga0.5N, puis d’une couche mince 12t.3 de 200nm d’Al0.2Ga0.8N. Le nombre, l’épaisseur et les matériaux des couches minces intermédiaires 12t peuvent être adaptés pour obtenir le champ de contraintes mécaniques voulu dans la couche de nucléation 13t. Bien entendu, les couches minces intermédiaires 12t peuvent être absentes, et la couche de nucléation 13t peut avoir été épitaxiée directement à partir du substrat support 11t. Enfin, la couche de nucléation 13t est réalisée en GaN, et présente ici une épaisseur initiale e(1), par exemple de 2000nm, supérieure à ce que sera l’épaisseur seuil eth(laquelle peut être de l’ordre de quelques dizaines à centaines de nanomètres, voire de l’ordre d’un à quelques microns). Les couches sont réalisées par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD), mais d’autres techniques de dépôt par épitaxie peuvent être évidemment utilisées.
La illustre un exemple de la structure test de liaison 20t, formée ici d’un substrat support 21t, ici un substrat massif en silicium, recouvert de la couche de liaison 22t. Des couches minces intermédiaires (non représentées) peuvent être présentes entre le substrat support 21t et la couche de liaison 22t, à savoir par exemple une première couche mince de barrière de diffusion permettant d’éviter l’inter-diffusion des éléments chimiques des couches adjacentes à haute température. Cette couche mince de barrière de diffusion peut être réalisée en AlN, WSi, MoSi, WN entre autres, et peut présenter une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. Une deuxième couche mince d’adhérence peut être située entre la couche mince de barrière de diffusion et la couche de liaison 22t, et permet d’assurer une bonne adhérence de la couche de liaison 22t, en particulier lorsqu’elle est à l’état liquide. Elle peut présenter une épaisseur de quelques nanomètres.
La structure test de nucléation 10t est reportée sur la structure test de liaison 20t, de manière à assembler la couche de nucléation 13t sur la couche de liaison 22t. L’assemblage peut être un collage par brasure ou par thermocompression sous vide, par collage direct, entre autres. De préférence, une couche mince de collage réalisée en le matériau fusible est disposée sur la couche de nucléation 13t, et on met en contact celle-ci avec la couche de liaison 22t. Ces deux couches fusionnent alors pour ne former qu’une même couche de liaison 22t.
La illustre l’étape suivante de retrait du substrat support 11t et des couches minces intermédiaires 12t, pour ainsi rendre libre une face supérieure de la couche de nucléation 13t. Le retrait peut être effectué par meulage (grindingen anglais) et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma (RIE, ICP…) avec arrêt de gravure sur la couche de nucléation 13t, entre autres. On obtient ainsi le substrat de croissance test 1t(1), où la couche de nucléation 13t présente l’épaisseur initiale e(1)(supérieure ici à l’épaisseur seuil ethqui est à déterminer).
Lors d’une étape 12 (cf. ), on expose le substrat de croissance test 1t(1)à une température Texpau moins égale à la température de fusion Tfde sorte que le matériau de la couche de liaison 22t est à l’état liquide. Cette température Texpest comprise entre la température de fusion Tfet la température d’épitaxie Te.
Lors d’une étape 13, on évalue un critère de qualité d’adhérence, pour lequel l’énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation 13t sur la couche de liaison 22t domine l’énergie élastique Eeassociée aux contraintes mécaniques subies par la couche de nucléation test 13t : Ea> Ee. Au premier ordre, l’énergie d’adhérence Eaest le produit Ea×S d’une énergie surfacique d’adhérence Eaet de l’étendue S des surfaces collées. Par ailleurs, l’énergie élastique Eepeut être proportionnelle par une intégrale des contraintes mécaniques σ(z) suivant l’axe d’épaisseur. Notons que cette énergie élastique Ee(e(i)) peut également être représentative du moment Mσassocié aux contraintes mécaniques σ(z), ce moment Mσpouvant être à l’origine d’une déformation en flexion (courbure concave ou convexe) de la couche de nucléation 13t.
Pour cela, on analyse, à l’aide d’un outil de mesure ou visuellement, la qualité de l’adhérence locale de la couche de nucléation test 13t sur la couche de liaison test 22t. Ainsi, la présence d’une dégradation locale de la couche de nucléation test 13t de type décollement, clivage et/ou fripure conduit à ce que le critère de qualité d’adhérence n’est pas validé. En revanche, l’absence de telles dégradations locales conduit à considérer que le critère de qualité d’adhérence est validé. On peut ici mesurer un paramètre représentatif d’une dégradation locale (décollement, clivage, fripure) de la couche de nucléation test 13t, et considérer qu’il y a dégradation lorsque ce paramètre présente une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie. L’outil de mesure peut être par exemple un interféromètre optique permettant de mesurer un paramètre de maille aux rayons X.
Cette étape d’évaluation du critère de qualité d’adhérence peut être effectuéein situ, c’est-à-dire dans le réacteur d’épitaxie, à température ambiante Taou à une température supérieure à la température de fusion Tfpar exemple à 200°C ou 300°C. En variante, l’étape d’évaluation peut être effectuée en-dehors du réacteur d’épitaxie, par exemple à une température comprise entre la température ambiante Taet la température de fusion Tf.
Dans le cas où le critère de qualité d’adhérence n’est pas vérifié (présence de dégradations locales), on réitère les étapes 11 à 13 en réalisant un nouveau substrat de croissance test 1t(i+1)où la nouvelle couche de nucléation 13t présente alors une épaisseur e(i+1)inférieure à l’épaisseur e(i)de l’incrément précédent : e(i+1)< e(i).
En revanche, lorsque le critère de qualité d’adhérence est vérifié, on définit alors l’épaisseur seuil ethcomme étant égale à l’épaisseur e(i)de la couche de nucléation 13t du substrat de croissance test 1t(i)en cours. On poursuit alors avec la phase 20 de réalisation du substrat de croissance 1.
Notons ici que le champ de contraintes mécaniques σ dans les couches minces 12t et 13t de la structure test de nucléation 10t peut présenter une variation en épaisseur σ(z) similaire à celle illustrée sur la . Les contraintes mécaniques peuvent avoir été déterminées à partir de l’approche présentée dans le document de Charles et al. intituléExtraction of stress and dislocation density using in-situ curvature measurements for AlGaN and GaN on silicon growth, J. Cryst. Growth 517 (2019) 64-67. Le trait continu et le trait en pointillés représentent respectivement la variation en épaisseur des contraintes mécaniques à température ambiante Ta, et à la température d’épitaxie Te.
Il apparaît que la couche mince 12t.1 d’AlN présente une contrainte mécanique sensiblement constante suivant l’axe Z, et est légèrement en tension à température ambiante Ta, et sensiblement relaxée à la température d’épitaxie Te. En revanche, les couches minces 12t.2 et 12t.3 en AlGaN, ainsi que la couche de nucléation 13t, ne sont pas uniformes en épaisseur, mais diminuent d’une valeur haute à une valeur basse suivant la direction +Z avec un gradient qui diminue, et présentent ainsi des pics de contraintes mécaniques situés à l’interface entre chaque couche. De plus, il apparaît que les contraintes mécaniques σ(z) augmentent avec la température. Aussi, alors qu’à température ambiante Ta, chacune de ces couches minces présente des contraintes mécaniques qui passent d’un signe positif (compression) à un signe négatif (tension), à la température d’épitaxie Te, elles restent de signe positif (compression) quelle que soit la valeur z considérée.
Aussi, il apparaît que l’étape de détermination de l’épaisseur seuil ethpermet de réaliser ensuite une couche de nucléation 13 dans laquelle les contraintes mécaniques présentent un gradient en épaisseur diminué : on a ainsi supprimé une partie de la couche de nucléation où le gradient en épaisseur des contraintes mécaniques était le plus important. On réduit ainsi l’intensité du moment Mσassocié aux contraintes mécaniques σ(z), et donc les risques de dégradations (décollement, clivage, fripure) liées à une déformation en flexion de la couche de nucléation 13.
Phase 20 de réalisation du substrat de croissance 1
Lors d’une étape 21 ( ), on réalise maintenant la première structure 10 à couche de nucléation 13. Elle est ici réalisée de manière similaire ou identique à l’étape 11 ( ), de sorte que la couche de nucléation 13 présente un champ de contraintes mécaniques identique à celui de la couche de nucléation test 13t. Comme précédemment, la structure à nucléation 10 est, dans cet exemple, formé de l’empilement du substrat support 11, de couches minces intermédiaires 12 de gestion des contraintes mécaniques (ici une couche mince 12.1 d’AlN, puis des couches minces 12.2 à base d’AlGaN, ici de l’Al0.5Ga0.5N, puis de l’Al0.2Ga0.8N), puis de la couche de nucléation 13 ici en GaN.
Dans cet exemple, le procédé de réalisation comporte une étape ultérieure 22 d’amincissement de la couche de nucléation 13. Aussi, la couche de nucléation 13 présente, à l’étape 21, une épaisseur initiale ei, supérieure à l’épaisseur seuil eth, par exemple une épaisseur de 2000nm. En variante, dans le cas où le procédé de réalisation ne comporte pas d’étape d’amincissement, la couche de nucléation 13 peut alors être réalisée de sorte que son épaisseur est directement inférieure ou égale à l’épaisseur seuil eth.
Comme l’illustre la , la structure de nucléation 10 est assemblée à une structure intermédiaire 30 (poignée temporaire), de sorte que, une fois reportée et collée sur la couche de liaison 22 (cf. ), la couche de nucléation 13 présente à nouveau la polarité initiale. En effet, dans la structure de nucléation 10, la couche de nucléation 13 présente avantageusement une polarité gallium, et le report sur la poignée temporaire, permettra ensuite, après report sur la couche de liaison 22, de retrouver cette même polarité gallium. Notons que le fait de dire qu’un composé cristallin formé au moins d’un premier élément (par exemple l’azote) et d’un deuxième élément (par exemple le gallium) a une polarité du premier élément (ici l’azote) signifie que le composé cristallin croît selon une direction donnée et que, lorsqu’il est coupé dans un plan perpendiculaire à la direction de croissance, la face exposée comprend essentiellement des atomes du premier élément.
Aussi, la couche de nucléation 13 est mise au contact d’une couche de collage 32 qui recouvre un substrat support 31 de la structure intermédiaire 30. La couche de collage 32 peut être une couche d’oxyde, une couche polymère, ou une couche métallique. A titre d’exemple, elle peut être formée d’une couche d’oxyde d’une épaisseur de quelques centaines de nanomètres revêtue d’une couche d’adhérence en titane Ti d’une épaisseur de quelques nanomètres. Puis, comme l’illustre la , on retire ensuite le substrat support 11 et les couches minces intermédiaires 12, pour rendre libre une face supérieure de la couche de nucléation 13. Le retrait peut être effectué comme indiqué précédemment, c’est-à-dire par meulage et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma, entre autres.
Lors d’une étape 22 ( ), on amincit la couche de nucléation 13 de sorte qu’elle présente une épaisseur finale efinférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée au préalable. L’amincissement peut être effectué par meulage et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma, entre autres. On peut choisir d’obtenir une couche de nucléation 13 présentant des contraintes mécaniques moyennes légèrement en tension, voire en légère compression, donc en supprimant plus ou moins la zone en compression.
Notons que cette étape d’amincissement est effectuée ici avant l’étape 24 d’assemblage sur la couche de liaison 22 de la structure de liaison 20, mais elle pourrait être effectuée après cette étape 24. De plus, comme indiqué précédemment, cette étape d’amincissement est effectuée ici dans la mesure où la couche de nucléation 13 présentait une épaisseur initiale eisupérieure ou égale à l’épaisseur seuil eth. L’amincissement n’aurait pas été nécessaire si l’épaisseur initiale de la couche de nucléation 13 avait été inférieure ou égale à l’épaisseur seuil eth.
Enfin, pour préparer le report et le collage de la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22, ici par brasure ou thermocompression sous vide, on peut déposer une fine couche de collage 33, réalisée en le matériau fusible. Cette fine couche de collage 33 peut ici être réalisée en indium et présenter une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de nanomètres. Les surfaces destinées à être collées peuvent être préparées, par exemple avoir été désoxydées par attaque chimique via une solution diluée d’HCl, voire par un gaz réducteur.
Lors d’une étape 23 ( ), on réalise la deuxième structure 20 comportant la couche de liaison 22, que l’on nomme ici structure de liaison. Celle-ci comporte donc le substrat support 21, ici un substrat massif en silicium, revêtu par la couche de liaison 22. Des couches minces intermédiaires (non représentées) peuvent être présentes comme indiqué précédemment, par exemple une couche mince de barrière de diffusion située au contact du substrat support, puis une couche mince d’adhérence.
Lors d’une étape 24 ( et ), on reporte la structure intermédiaire 30 sur la structure de liaison 20, pour coller la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22. Le collage est ici effectué par brasure ou thermocompression sous vide. Enfin, on effectue le retrait du substrat support 31 et de la couche de collage 32. Le retrait du substrat support 31 peut être effectué par meulage et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma, entre autres, et celui de la couche de collage 32 peut être effectué par attaque chimique de type HF. On obtient ainsi un substrat de croissance 1, formé de l’empilement du substrat support 21, de la couche de liaison 22, puis de la couche de nucléation 13. Le matériau de la couche de liaison 22 est ici à l’état solide. Dans la mesure où la couche de nucléation 13 présente une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil eth, l’énergie de collage Ecentre la couche de nucléation 13 et la couche de liaison 22 domine l’énergie élastique Eeassociée à la couche de nucléation 13, de sorte que l’on préserve ainsi la solidarisation de la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22 et on limite les risques de dégradations de la couche de nucléation 13.
Notons qu’une étape supplémentaire d’amincissement de la couche de nucléation 13 peut également être effectuée ici, ce qui permet d’ajuster l’énergie élastique de la couche de nucléation 13, ici en supprimant une partie de la couche où le gradient en épaisseur des contraintes mécaniques est le plus faible (cf. ).
Phase 30 de réalisation par épitaxie de la couche semiconductrice 2
Lors de la phase 30 ( et 2L), on réalise la couche semiconductrice 2 par épitaxie à partir de la couche de nucléation 13 du substrat de croissance 1. Pour cela, on porte tout d’abord le substrat de croissance 1, placé dans un réacteur d’épitaxie, à la température d’épitaxie Te, par exemple 1000°C.
Dans un premier temps, la température du substrat de croissance 1 augmente à partir de la température ambiante Tajusqu’à une température proche mais inférieure à la température de fusion Tf, ici 156°C environ. Le matériau fusible de la couche de liaison 22 reste à l’état solide, de sorte qu’elle assure le maintien et la transmission des contraintes mécaniques dans le substrat de croissance 1.
Ensuite, comme l’illustre la , la température atteint puis dépasse la température de fusion Tf, pour atteindre la température d’épitaxie Te, ici 1000°C environ. Le matériau fusible de la couche de liaison 22 passe alors à l’état liquide, de sorte qu’il y a un découplage des contraintes mécaniques entre le substrat support et la couche de nucléation 13. La couche de nucléation 13 peut alors se dilater dans le plan XY, sans que cela n’engendre des contraintes mécaniques supplémentaires. De plus, l’énergie d’adhérence Ecentre la couche de nucléation 13 et la couche de liaison 22 domine l’énergie élastique Eeassociée aux contraintes mécaniques de la couche de nucléation 13, de sorte que le maintien et la solidarisation de la couche de nucléation 13 restent préservés, et que les risques de dégradation de la couche de nucléation 13 sont limités. Enfin, lorsque la température atteint la température d’épitaxie Te, on réalise la couche semiconductrice 2 directement à partir de la couche de nucléation 13.
Enfin, comme l’illustre la , la température est réduite jusqu’à la température ambiante Ta. Dans un premier temps, la température reste supérieure voire égale à la température de fusion Tfde sorte que la couche de liaison 22 reste à l’état liquide. Aussi, du fait du découplage des contraintes mécaniques entre la couche semiconductrice 2 et la couche de nucléation 13 d’une part et le substrat support d’autre part, on évite la génération de contraintes mécaniques associées à la différence entre les coefficients de dilatation thermique, et on limite ainsi les risques de dégradation de la couche semiconductrice 2. Puis, dans un second temps, la température devient inférieure à la température de fusion Tfde sorte que la couche de liaison 22 passe à l’état solide. Il y a alors à nouveau un couplage mécanique entre la couche semiconductrice 2 et la couche de nucléation 13 d’une part et le substrat support d’autre part, de sorte que la différence de coefficients de dilatation thermique peut engendrer des contraintes mécaniques. Quoi qu’il en soit, elles sont réduites dans la mesure où elles sont associées à une amplitude thermique moins importante que l’amplitude allant de la température d’épitaxie à la température ambiante.
On obtient ainsi une couche semiconductrice 2, réalisée par épitaxie au moyen du substrat de croissance 1 formé de l’empilement du substrat support, de la couche de liaison 22 en un matériau fusible, puis de la couche de nucléation 13. La couche de liaison 22 réalisée en un matériau fusible permet de réduire l’intensité des contraintes mécaniques associées à la différence des coefficients de dilatation thermique, et permet d’éviter d’avoir à réaliser un substrat de croissance 1 comportant des couches minces de gestion des contraintes mécaniques. Le procédé de réalisation en est donc simplifié. De plus, par l’épaisseur de la couche de nucléation 13 inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée, la solidarisation de la couche de nucléation 13 sur la couche de liaison 22, que celle-ci soit à l’état solide ou à l’état liquide, est préservée, et les risques de dégradation de la couche de nucléation 13 sont limités.
Comme l’illustrent les et , on peut ensuite prévoir de fabriquer un dispositif opto- ou micro-électronique. Pour cela, on reporte et colle la couche semiconductrice 2 sur un substrat de commande 41. La couche semiconductrice 2 et le substrat de commande 41 peuvent avoir été recouvert d’une couche fine de collage 42, puis les deux couches fines sont mises en contact l’une de l’autre. Le substrat support 21 et la couche de liaison 22 sont ensuite retirés, par exemple par meulage, et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma, entre autres.
La est un organigramme illustrant des étapes d’un procédé de réalisation de la couche semiconductrice 2 selon un autre mode de réalisation. Il se distingue de celui de la essentiellement en ce qu’il comporte une étape d’amincissement de la couche de nucléation 13, effectuée après report de la structure de nucléation 10 sur la structure de liaison 20.
Le procédé comporte tout d’abord une phase 10 de détermination de l’épaisseur seuil ethde la couche de nucléation 13. De manière similaire que détaillé précédemment, lors d’une étape 11, on réalise un substrat de croissance test 1t(i)formé d’un empilement d’un substrat support test 21t, d’une couche de liaison test 22t, puis d’une couche de nucléation 13t présentant une épaisseur initiale e(i)susceptible d’être supérieure à l’épaisseur seuil eth. Puis, lors d’une étape 12, on expose le substrat de croissance test 1t(i)à une température Texpau moins égale à la température de fusion Tf, par exemple à la température d’épitaxie Te. Lors d’une étape 13, on évalue le critère de qualité d’adhérence. Dans le cas où le critère n’est pas vérifié, on réitère les étapes 11 à 13 avec un nouveau substrat de croissance test 1t(i+1)où la couche de liaison test 13t(i+1)présente une épaisseur e(i+1)inférieure à e(i). En revanche, si le critère est vérifié, on définit l’épaisseur seuil ethcomme étant égale à l’épaisseur e(i).
Puis, lors de la phase 200, on réalise le substrat de croissance 1 tel que la couche de nucléation 13 présente une épaisseur inférieure ou égale à la valeur seuil ethayant été déterminée. Pour cela, lors d’une étape 210, on réalise la structure de nucléation 10 de manière identique ou similaire à celle de la phase 10, de sorte que le champ des contraintes mécaniques est identique à celui de la structure test de nucléation 10t. La face supérieure de la couche de nucléation 13 peut présenter une polarité azote, de sorte que, après report sur la couche de liaison 22, la face supérieure présente la polarité gallium voulue. Ensuite, lors des étapes 220 et 230, on réalise la structure de liaison 20, formée de l’empilement du substrat support 21 et de la couche de liaison 22. La structure de liaison 20 peut être identique ou similaire à celle décrite précédemment en référence à la . On reporte ensuite la structure de nucléation 10 sur la structure de liaison 20, de manière à coller une fine couche de collage (située sur la couche de nucléation 13) sur la couche de liaison 22. L’assemblage peut être effectué par brasure ou par thermocompression sous vide, voire par collage direct, entre autres. Enfin, lors de l’étape 240, on amincit la couche de nucléation 13, pour obtenir une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée, par exemple par meulage et/ou par gravure humide ou par gravure sèche plasma, entre autres. Un polissage de finition peut ensuite être effectué. On obtient ainsi un substrat de croissance 1 formé de l’empilement du substrat support 21, de la couche de liaison 22, puis de la couche de nucléation 13 (qui présente ici la polarité gallium voulue).
Enfin, lors de la phase 30, on réalise la couche semiconductrice 2 par épitaxie à partir de la couche de nucléation 13 du substrat de croissance 1, d’une manière similaire à ce qui a été décrit précédemment en référence aux et 2L.
Notons par ailleurs que l’étape d’amincissement peut être effectuée par d’autres techniques que le meulage (grinding) et la gravure. Ainsi, la technique Smart CutTMpeut être utilisée. Ainsi, on effectue une implantation d’ions H+dans une zone d’épaisseur constante de la couche initiale de nucléation. Puis, l’étape d’amincissement consiste à séparer la couche initiale de nucléation en deux parties suivant l’axe vertical Z, au niveau de la zone fragilisée par l’implantation d’ions H+. Notons à ce titre que la couche initiale de nucléation 13 à base de GaN (dans la structure de nucléation 10) peut présenter une polarité azote au niveau de sa face supérieure. Aussi, après l’étape de report et de collage sur la structure de liaison 20, cette couche de nucléation 13 présentera alors la polarité gallium voulue.
L’amincissement par Smart CutTMest de préférence effectué avant l’étape de report et de collage, de sorte que la température de fusion Tfn’entraîne pas de contrainte sur la température de fracture du Smart CutTM. Il pourra toutefois être effectué après cette étape. Dans ce dernier cas, le matériau de la couche de liaison 22 est de préférence choisie de sorte que la température de fusion Tfest supérieure à la température de fracture de Smart CutTM.
Par ailleurs, la couche de liaison 22 peut être une couche continue dans le plan XY, mais peut ne s’étendre que sur une partie de la surface du substrat support. A ce titre, la illustre un exemple d’une telle configuration, où la couche de liaison 22 est située dans une échancrure pratiquée à partir de la face supérieure du substrat support 21, et remplit celle-ci. La couche de nucléation 13 s’étend alors dans le plan XY en venant au contact de la couche de liaison 22 et au contact d’une surface périphérique du substrat support 21 qui entoure cette dernière. Cette configuration permet de réduire les risques d’évaporation ou de fuite du matériau fusible alors liquide de la couche de liaison 22.
Par ailleurs, comme l’illustrent les figures 5A à 5C, la couche de liaison 22 peut être une couche discontinue (ou discrétisée) dans le plan XY, et peut alors être formée d’une pluralité de plots 22.1 distincts les uns des autres et réalisés en le matériau fusible. Par plot, on entend une portion du matériau fusible délimité dans le plan XY. Il peut prendre une forme de bille (surface latérale courbe dans le plan XY et suivant l’axe Z) ou peut présenter une forme polygonale dans le plan XY.
La illustre le substrat de croissance 1 formé de l’empilement du substrat support 21, de la couche discontinue de liaison 22 (pluralité de plots 22.1 distincts), puis de la couche de nucléation 13, à la température T1où le matériau fusible est à l’état solide. Chaque plot 22.1 est au contact de portions minces d’adhérence 23 opposées deux à deux suivant l’axe Z, situées pour l’une sur le substrat support, et pour l’autre sur la couche de nucléation 13. Ces portions minces d’adhérence 23 assurent une bonne adhérence et positionnement du plot 22.1 lorsque le matériau fusible est à l’état liquide. Elles sont appelées habituellement UBM, pourUnder Bump Metallizationen anglais.
La illustre le substrat de croissance 1 et la couche semiconductrice 2, à la température d’épitaxie Teoù le matériau fusible est à l’état liquide. La couche de nucléation 13 est dilatée dans le plan XY du fait de son coefficient de dilatation thermique plus élevé que celui du substrat support 21. Les plots 22.1 de la couche de liaison 22 sont agencés dans le plan XY de sorte que la couche de nucléation 13 (et donc la couche semiconductrice 2) reste plane.
La illustre un exemple d’agencement des portions minces d’adhérence 23 dans le plan XY, sous la forme de bandes alignées suivant des lignes parallèles aux rayons du substrat support 21. Plusieurs portions minces d’adhérence 23 peuvent être disposées suivant une même ligne allant du centre du substrat support 21 jusqu’à la bordure. Cette configuration permet d’accommoder davantage la différence entre les coefficients de dilatation thermique de la couche de nucléation 13 et de la couche semiconductrice 2 d’une part et le substrat support 21 d’autre part.
Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.

Claims (15)

  1. Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice (2) par épitaxie à partir d’un substrat de croissance (1) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la couche semiconductrice (2), le procédé comportant les étapes suivantes :
    • réalisation (20 ; 200) du substrat de croissance (1) formé d’un empilement d’un substrat support (21), d’une couche de liaison (22) en un matériau fusible, puis d’une couche de nucléation (13) ;
    • réalisation (30) de la couche semiconductrice (2) par épitaxie à partir de la couche de nucléation (13), à une température d’épitaxie Tesupérieure à une température de fusion Tfdu matériau fusible ;
    • caractérisé en ce qu’il comporte l’étape suivante :
      • détermination (10), préalablement à la réalisation (30) du substrat de croissance (1), d’une épaisseur seuil ethde la couche de nucléation (13), telle que celle-ci présente une énergie élastique Ee, associée aux contraintes mécaniques orientées dans un plan parallèle au substrat support (21), inférieure à une énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22), pour une température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tf;
      • lors de la réalisation (20 ; 200) du substrat de croissance (1), la couche de nucléation (13) est réalisée en un matériau présentant une structure cristallographique identique à celle du matériau de la couche semiconductrice (2), et présente une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée.
  2. Procédé de la réalisation selon la revendication 1, dans lequel l’étape de détermination (10) de l’épaisseur seuil ethcomporte les étapes suivantes :
    • réalisation (11) d’un substrat de croissance dit test (1t(i)) formé d’un empilement d’un substrat support test (21t), d’une couche de liaison test (22t), puis d’une couche de nucléation test (13t), réalisés respectivement en les mêmes matériaux que ceux du substrat support (21), de la couche de liaison (22), et de la couche de nucléation (13), la couche de nucléation test (13t) présentant une épaisseur initiale (e(i)) susceptible d’être supérieure à l’épaisseur seuil eth;
    • exposition (12) du substrat de croissance test (1t) à la température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tf;
    • évaluation (13) d’un critère de qualité d’adhérence, pour lequel l’énergie élastique Eede la couche de nucléation (13) est inférieure à l’énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22) ;
    • réitération des étapes de réalisation (11) du substrat de croissance test, d’exposition (12) et d’évaluation (13), la nouvelle couche de nucléation test (13t) présentant alors une épaisseur inférieure à celle de l’itération précédente, jusqu’à ce que le critère de qualité d’adhérence soit validé, l’épaisseur seuil ethétant alors définie comme étant l’épaisseur de la couche de nucléation test (13t) vérifiant le critère de qualité d’adhérence.
  3. Procédé de réalisation selon la revendication 2, dans lequel l’étape d’évaluation (13) comporte une mesure locale d’une dégradation de la couche de nucléation test (13t) par décollement, clivage et/ou fripure, le critère de qualité d’adhérence étant considéré comme validé en l’absence d’une telle dégradation.
  4. Procédé de réalisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de réalisation (20 ; 200) du substrat de croissance (1) comporte les étapes suivantes :
    • réalisation (21 ; 210) d’une première structure (10) comportant la couche de nucléation (13), de sorte que la couche de nucléation présente un champ de contraintes mécaniques identique à celui de la couche de nucléation test (13t) ;
    • réalisation (23 ; 220) d’une deuxième structure (20) comportant le substrat support (11) et la couche de liaison (22) ;
    • assemblage (24 ; 230) de la première structure (10) sur la deuxième structure (20) par collage de la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22).
  5. Procédé de réalisation selon la revendication 4, dans lequel le collage de la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22) est effectué par brasure, par thermocompression sous vide, ou par collage direct.
  6. Procédé de réalisation selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la couche de nucléation (13) de la première structure (10) présente une épaisseur initiale supérieure à l’épaisseur seuil eth, l’étape de réalisation (20 ; 200) du substrat de croissance comportant alors une étape d’amincissement (22 ; 240) de la couche de nucléation (13) pour qu’elle présente une épaisseur inférieure ou égale à l’épaisseur seuil ethdéterminée ; l’étape d’amincissement (22) étant effectuée avant l’étape d’assemblage (24) de la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22), ou après l’étape d’assemblage (230) de la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22).
  7. Procédé de réalisation selon la revendication 6, dans lequel l’étape d’amincissement (22 ; 240) est réalisée par meulage, gravure humide ou sèche, ou par Smart CutTM.
  8. Procédé de réalisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la température de fusion Tfest inférieure ou égale à 50%, ou à 25%, ou à 15%, de la température d’épitaxie Te.
  9. Procédé de réalisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la couche de nucléation (13) et la couche semiconductrice (2) sont réalisées à base d’un composé cristallin III-V comportant des éléments des colonnes III et IV du tableau périodique, ou à base d’un composé cristallin II-IV comportant des éléments des colonnes II et VI du tableau périodique, ou d’un élément ou composé cristallin IV comportant au moins un élément de la colonne IV du tableau périodique, et dans lequel le substrat support (21) est réalisé en silicium, en saphir, en saphir, en silice, en verre, en quartz, en AlN, en SiC, ou en GaAs.
  10. Procédé de réalisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat support (21) présente une dimension, dans un plan parallèle aux couches de liaison et de nucléation, au moins égale à 200mm, voire à 300mm.
  11. Structure semiconductrice, comportant : un substrat de croissance (1) formé d’un empilement d’un substrat support (21), d’une couche de liaison (22) en un matériau fusible, puis d’une couche de nucléation (13) ; et une couche semiconductrice (2) épitaxiée à partir de la couche de nucléation (13) ; le substrat de croissance (1) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la couche semiconductrice (2) ;
    • caractérisée en ce que la couche de nucléation (13) est réalisée en un matériau présentant une structure cristallographique identique à celle du matériau de la couche semiconductrice (2), et présente une épaisseur inférieure ou égale à une épaisseur seuil ethprédéfinie telle qu’une énergie élastique Ee, associée à ses contraintes mécaniques orientées dans un plan parallèle au substrat support (21) est inférieure à une énergie d’adhérence Eade la couche de nucléation (13) sur la couche de liaison (22), pour une température Texpsupérieure ou égale à la température de fusion Tfdu matériau fusible.
  12. Structure semiconductrice selon la revendication 11, dans lequel la couche de liaison (22) est une couche continue qui s’étend continûment dans un plan parallèle au substrat support (21) et à la couche de nucléation (13).
  13. Structure semiconductrice selon la revendication 12, dans lequel la couche de liaison (22) est située dans et remplit une échancrure du substrat support (21).
  14. Structure semiconductrice selon la revendication 11, dans lequel la couche de liaison (22) est une couche discontinue formée d’une pluralité de plots (22.1) distincts les uns des autres et agencés dans un plan parallèle au substrat support (21) et à la couche de nucléation (13).
  15. Structure semiconductrice selon la revendication 14, dans lequel chaque plot (22.1) est au contact de portions minces d’adhérence (23) situées sur le substrat support (21) et sur la couche de nucléation (13), les portions minces d’adhérence présentant une forme de bande orientées suivant des lignes parallèles aux rayons du substrat support (21).
FR2207630A 2022-07-25 2022-07-25 Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible Pending FR3138238A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2207630A FR3138238A1 (fr) 2022-07-25 2022-07-25 Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible
PCT/FR2023/051147 WO2024023431A1 (fr) 2022-07-25 2023-07-24 Procede de realisation d'une couche semiconductrice par epitaxie a partir d'un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un materiau fusible

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2207630A FR3138238A1 (fr) 2022-07-25 2022-07-25 Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible
FR2207630 2022-07-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
FR3138238A1 true FR3138238A1 (fr) 2024-01-26

Family

ID=83996135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2207630A Pending FR3138238A1 (fr) 2022-07-25 2022-07-25 Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3138238A1 (fr)
WO (1) WO2024023431A1 (fr)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6746777B1 (en) 2000-05-31 2004-06-08 Applied Optoelectronics, Inc. Alternative substrates for epitaxial growth
EP2254166A2 (fr) * 2009-05-21 2010-11-24 LG Innotek Co., Ltd. Dispositif électroluminescent et emballage de dispositif électroluminescent possédant ce dispositif

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9636902B2 (en) 2013-04-30 2017-05-02 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Film stack including adhesive layer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6746777B1 (en) 2000-05-31 2004-06-08 Applied Optoelectronics, Inc. Alternative substrates for epitaxial growth
EP2254166A2 (fr) * 2009-05-21 2010-11-24 LG Innotek Co., Ltd. Dispositif électroluminescent et emballage de dispositif électroluminescent possédant ce dispositif

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHARLES ET AL.: "Extraction of stress and dislocation density using in-situ curvature measurements for AlGaN and GaN on silicon growth", J. CRYST. GROWTH, vol. 517, 2019, pages 64 - 67, XP085682542, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.04.014

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024023431A1 (fr) 2024-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1051739B1 (fr) Substrat compliant en particulier pour un depot par hetero-epitaxie
EP3031076B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une structure semi-conductrice avec collage temporaire via des couches métalliques
FR2931293A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une heterostructure support d&#39;epitaxie et heterostructure correspondante
EP3782193B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un dispositif optoélectronique à matrice de diodes
EP3806167B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;au moins une photodiode planaire contrainte en tension
FR2915625A1 (fr) Procede de transfert d&#39;une couche epitaxiale
EP3438041B1 (fr) Structure semiconductrice comportant une membrane suspendue a portion centrale structuree en epaisseur
EP3568869B1 (fr) Substrat pour capteur d&#39;image de type face avant et procédé de fabrication d&#39;un tel substrat
FR3055467A1 (fr) Procede de realisation d’une couche contrainte en tension a base de germanium etain
EP0848414A1 (fr) Procédé de relaxation de film contraint par fusion de couche interfaciale
FR2943174A1 (fr) Adaptation du parametre de maille d&#39;une couche de materiau contraint
FR3138238A1 (fr) Procédé de réalisation d’une couche semiconductrice par épitaxie à partir d’un substrat de croissance comportant une couche de liaison en un matériau fusible
FR3064398B1 (fr) Structure de type semi-conducteur sur isolant, notamment pour un capteur d&#39;image de type face avant, et procede de fabrication d&#39;une telle structure
EP3520132B1 (fr) Structure comprenant des ilots semi-conducteurs monocristallins, procede de fabrication d&#39;une telle structure
FR3061803B1 (fr) Substrat pour capteur d&#39;image de type face avant et procede de fabrication d&#39;un tel substrat
EP3775333A2 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une couche monocristalline de matériau ain et substrat pour croissance par épitaxie d&#39;une couche monocristalline de matériau ain
EP3987574B1 (fr) Procédé de réalisation de vignettes de nitrure destinées chacune à former un dispositif électronique ou optoélectronique
WO2022136588A1 (fr) Procédé de réalisation d&#39;une couche à base de matériaux iii-n
FR3001331A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une couche a base de nitrure d&#39;element iii par decollement spontane
EP3563426A1 (fr) Procede de realisation d&#39;un dispositif optoelectronique comportant une etape de gravure de la face arriere du substrat de croissance
EP3900017B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;un substrat de croissance
EP4226409A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un substrat pour la croissance épitaxiale d&#39;une couche d&#39;un alliage iii-n à base de gallium
WO2022074317A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un substrat pour la croissance épitaxiale d&#39;une couche d&#39;un alliage iii-n à base de gallium

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20240126