FR3141591A1 - Substrat piézoélectrique sur isolant (POI) et procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 166) comprenant un substrat support (100) comprenant une couche de piégeage (102) sur une surface libre (104) du substrat support (100)une couche piézoélectrique (106)une structure intermédiaire (110) positionnée en sandwich entre la couche piézoélectrique (106) et la couche de piégeage (102) du substrat support (100), dans lequel la structure intermédiaire (120) comprend au moins une couche barrière (122, 122’) de diffusion d’élément métallique à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) comprenant une épaisseur tEM supérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage (102) de telle manière que la dose d’élément métallique dans la couche de piégeage (102) est inférieure à une dose seuil prédéterminée. L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un tel substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 166). Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention concerne un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) et un procédé de fabrication d’un tel substrat piézoélectrique sur isolant (POI).
Un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) est utilisé pour des dispositifs à ondes acoustiques, tel capteurs, filtres ou autre, car il permet d’obtenir de bonnes performances grâce à de meilleures valeurs de qualité Q et de coefficients électromécaniqueskcomparé à d’autres substrats de l’état de l’art.
Un tel substrat comprend une couche mince de matériau piézoélectrique sur une couche diélectrique, elle-même agencée sur un substrat support. Pour certaines applications, une couche de piégeage est mise en place entre le substrat support et la couche diélectrique. La couche de piégeage est typiquement une couche non cristalline présentant des défauts structurels tels que des dislocations, des joints de grains, des zones amorphes, des interstices, des inclusions, et/ou des pores. Ces défauts structurels forment des pièges pour des charges susceptibles de circuler dans le matériau. La couche de piégeage présente ainsi une résistivité élevée ce qui résulte en une conduction de charge réduite à l’intérieur de la couche, et par conséquent un courant réduit à l’intérieur de la couche de piégeage. La couche de piégeage permet de réduire des pertes liées à des effets de conduction parasitique à l’interface entre le substrat support et la couche diélectrique. En effet, la couche de piégeage sert à réduire la durée de vie des charges dans cette région.
Lors de la fabrication d’un tel substrat piézoélectrique sur isolant (POI), un substrat donneur est utilisé dans lequel un substrat de matériau piézoélectrique est assemblé à un substrat de manipulation. Ensuite, le substrat donneur subit une étape d’amincissement du substrat piézoélectrique pour former une couche piézoélectrique plus mince avant d’être assemblé au substrat support. Finalement, le transfert d’une mince couche piézoélectrique sur le substrat support est réalisé de manière mécanique ou thermique au niveau d’une zone de fracturation créée au préalable dans la couche piézoélectrique du substrat donneur. Un traitement thermique final du substrat (POI) ainsi obtenu est nécessaire pour réparer les dommages occasionnés à la couche piézoélectrique transférée lors de l’étape de fracturation.
Cependant, ce recuit final entraine une diffusion d’éléments métalliques (Li, Fe, Cu, Ni) provenant de la couche piézoélectrique vers la couche de piégeage. Lorsque les éléments métalliques diffusent dans la couche de piégeage, ils vont neutraliser (occuper) des pièges électriques présents dans la couche de piégeage. Cette neutralisation des pièges électriques de la couche de piégeage résulte en une dégradation des performances électriques de ladite couche de piégeage, en particulier une réduction du facteur Q et des performances radiofréquences, et par conséquent aussi celles du substrat POI ainsi fabriqué.
Un but de l'invention est ainsi de remédier aux inconvénients précités et notamment de concevoir un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) qui présente des meilleures caractéristiques pour une utilisation dans des dispositifs à ondes acoustiques.
L’objet de l’invention est réalisé par un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) comprenant un substrat support, en particulier un substrat à base de Silicium, comprenant une couche de piégeage sur une surface libre du substrat support, en particulier une couche à base de Silicium poly cristallin ou amorphe ou poreux, une couche piézoélectrique, en particulier une couche de Tantalate de Lithium (LiTaO3) ou de Niobate de Lithium (LiNbO3) et une structure intermédiaire positionnée en sandwich entre la couche piézoélectrique et la couche de piégeage du substrat support, dans lequel la structure intermédiaire comprend au moins une couche barrière de diffusion d’éléments métalliques, en particulier de Lithium, à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) ayant une épaisseurt EMsupérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage de telle manière que la dose d’élément métallique dans la couche de piégeage est inférieure à une dose seuil prédéterminée, en particulier une dose seuil d’élément métallique inférieure à 1.2*1012at/cm2, en particulier inférieure à 5*1011at/cm2.
La présence de la structure barrière de diffusion d’élément métallique entre la couche piézoélectrique et la couche de piégeage permet de réduire la diffusion d’élément métallique de la couche piézoélectrique vers la couche de piégeage durant le procédé de fabrication. Ainsi, le phénomène de neutralisation des pièges de charge présents dans la couche de piégeage par des éléments métalliques est réduit. La couche de piégeage dans le substrat (POI) final présente donc une résistivité élevée qui permet d’obtenir un substrat (POI) avec de performances améliorées.
L’épaisseur seuil de la couche barrière est déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage et de la dose seuil d’élément métallique présents dans la couche de piégeage pour laquelle la couche de piégeage présente encore des caractéristiques électriques qui permette d’obtenir un substrat POI avec des performances améliorées.
Selon une variante de l’invention, la couche barrière peut avoir une épaisseur comprise entre 5nm et 1000nm, et l’épaisseur de la couche de piégeage est comprise entre 5nm et 5µm. La couche barrière est une couche bien plus mince que la couche de piégeage.
Selon une variante de l’invention, la structure intermédiaire peut comprendre au moins une couche diélectrique, en particulier à base de dioxyde de Silicium ou de Nitrure de Silicium (SiN) ou d‘Oxynitrure de silicium (SiOxNy), en contact avec la au moins une couche barrière. La couche diélectrique garantit une bonne adhésion dans le substrat POI entre le matériau piézoélectrique et le substrat support.
Selon une variante de l’invention, la couche barrière de diffusion d’élément métallique peut être positionnée en sandwich entre deux couches diélectriques.
Selon une variante de l’invention, la structure intermédiaire peut comprendre en outre une deuxième couche barrière. Une deuxième couche barrière permet d’obtenir un substrat (POI) avec des caractéristiques électriques améliorées et donc avec de meilleures performances pour des applications SAW. En effet, la deuxième couche barrière peut être une deuxième couche barrière de diffusion du même élément métallique que la première couche barrière de diffusion de la couche piézoélectrique vers la couche de piégeage, ou encore la deuxième couche barrière peut être une couche barrière de diffusion d’un autre élément métallique que la première couche barrière dans le substrat composite.
Selon une variante de l’invention, la deuxième couche barrière peut être une couche barrière de diffusion d’hydrogène, en particulier à base de Nitrure de Silicium (SiN), ou d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou de Nitrure d’Aluminium (AIN). Dans un substrat piézoélectrique sur isolant (POI), la diffusion d’hydrogène vers la couche piézoélectrique et/ou la couche de piégeage survenant lors d’étapes de traitement thermiques du procédé de fabrication d’un tel substrat réduit aussi les performances du substrat piézoélectrique sur isolant (POI). Ainsi, la présence d’une couche barrière d’hydrogène permet de réduire la diffusion d’hydrogène à l’intérieur du substrat piézoélectrique sur isolant (POI) durant la fabrication du substrat (POI) et d’obtenir un substrat POI avec de meilleures performances.
Selon une variante de l’invention, la couche intermédiaire peut comprendre au moins une couche avec une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3. Une couche avec une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3correspond à une couche barrière de diffusion d’hydrogène. Ainsi, le substrat POI a des performances améliorées grâce à la présence d’une telle couche dans sa structure.
L’objet de l’invention est aussi réalisé par un procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) décrit auparavant comprenant les étapes de fournir un substrat support, en particulier un substrat à base de Silicium, comprenant une couche de piégeage, en particulier une couche à base de Silicium poly cristallin ou amorphe ou poreux, fournir un substrat comprenant une couche piézoélectrique, en particulier une couche piézoélectrique à base de Tantalate de Lithium (LiTaO3) ou de Niobate de Lithium (LiNbO3), former une structure intermédiaire sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique et/ou sur le substrat support, la formation de la structure intermédiaire comprenant la formation d’au moins une couche barrière d’élément métallique, en particulier de Lithium, à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3), la couche barrière ayant une épaisseurt EMsupérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage de telle manière que la dose d’élément métallique dans la couche de piégeage est inférieure à une dose seuil prédéterminée, en particulier une dose seuil d’élément métallique inférieure à 1.2*1012at/cm2, en particulier inférieure à 5*1011at/cm2, et assembler le substrat comprenant une couche piézoélectrique avec le substrat support.
Ainsi, l’étape de formation d’une structure intermédiaire sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique et/ou le substrat support dans le procédé selon l’invention permet de former une couche barrière de diffusion d’élément métallique pour réduire la diffusion d’élément métallique de la couche piézoélectrique vers la couche de piégeage lors d’étapes de traitement thermique du procédé. Avec ce procédé un substrat peut être obtenu qui permet de réduire de manière efficace l’effet négatif de la diffusion d’éléments métalliques vers le substrat support, et en particulier dans la couche de piégeage du substrat support.
Selon une variante de l’invention, l’étape de formation de la structure intermédiaire peut comprendre en outre la formation d’une deuxième couche barrière. La deuxième couche barrière peut être une couche barrière d’éléments métalliques ou une couche barrière d’un autre élément dans la structure, en particulier un élément non métallique. Avec ce procédé un substrat peut être obtenu qui permet de réduire de manière encore plus efficace l’effet négatif de la diffusion d’éléments vers le substrat support en réduisant à la fois la diffusion d’élément métallique provenant de la couche piézoélectrique mais aussi de la diffusion d’autres éléments dans la structure du substrat POI.
Selon une variante de l’invention, l’étape de formation de la structure intermédiaire peut comprendre en outre une étape de formation d’une couche avec une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3. La formation d’une couche avec une concentration d’hydrogène réduite permet de limiter la diffusion d’hydrogène dans la structure lors de traitement thermique postérieure, traitement connu pour faciliter la diffusion d’hydrogène vers la couche piézoélectrique et/ou la couche de piégeage.
Selon une variante de l’invention, l’étape de formation de la deuxième couche barrière peut comprendre la formation d’une couche à base d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou de Nitrure de Silicium (SiN) ou de Nitrure d’Aluminium (AIN). Une couche à base de tel matériau permet de réaliser une barrière de diffusion d’hydrogène vers la couche piézoélectrique et/ou la couche de piégeage.
Selon une variante de l’invention, le procédé peut comprendre en outre une étape de formation d’une couche diélectrique sur le substrat support et/ou sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique avant l’étape d’assemblage, de telle manière que l’interface de collage soit une interface de liaison oxyde – oxyde. L’interface d’assemblage du substrat support avec le substrat comprenant une couche est faite à l’interface entre deux couches diélectriques, avec des liaisons de type oxyde – oxyde, en particulier une liaison de type Si-O-Si , qui est un type de liaison connue pour être stable. Ainsi, le substrat piézoélectrique sur isolant obtenu par le procédé selon l’invention présente une liaison stable entre la couche piézoélectrique et le substrat support.
Selon une variante de l’invention, le procédé de fabrication peut comprendre en outre une étape de formation d’une couche diélectrique d’un premier matériau sur le substrat support et/ou d’un deuxième matériau différent du premier matériau sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique avant l’étape d’assemblage. Par exemple, le premier matériau est à base de Nitrure de Silicium, en particulier du Si3N4, et le deuxième matériau est à base d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy), en particulier du SiON. Ainsi, l’interface de collage est une interface de liaison Si3N4-SiON. Une telle interface présente des avantages au niveau de l’impédance acoustique de la structure fabriquée tout en étant une interface d’assemblage stable.
L’invention et ses avantages seront expliqués plus en détail dans la suite au moyen de modes de réalisation préférés et en s’appuyant notamment sur les figures d’accompagnement suivantes, dans lesquelles les numéros de référence identifient des caractéristiques de l’invention.
L'invention va être décrite plus en détail en utilisant des modes de réalisation avantageux d'une manière exemplaire et en référence aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles et il faut garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles telles que décrites ci-dessus peuvent être fournies indépendamment les unes des autres ou peuvent être omises tout à fait lors de la mise en œuvre de la présente invention.
La illustre schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon le premier mode de réalisation de l’invention.
Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) commence par l’étape I) de fournir un substrat support 100, en particulier un substrat massif. Un substrat massif est un substrat à base d’un seul matériau typiquement d’une épaisseur comprise entre 200µm et 1mm.
Le substrat support 100 peut être un substrat à base de Silicium, de Saphir, de Nitrure d'Aluminium (AIN), de Carbure de Silicium (SiC) ou encore d'Arséniure de Gallium (GaAs). Le substrat support 100 peut être un substrat cristallin ou poly-crystallin.
Le substrat support 100 comprend une couche de piégeage 102 déposée sur une surface libre 104 du substrat support par une technique de déposition, par exemple par déposition chimique en phase vapeur à pression sous atmosphérique LPCVD ou encore la technique de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma PECVD ou non assistée par plasma CVD. La température de déposition est comprise entre 200oC et 1100oC. La couche de piégeage 102 est une couche à base de Silicium, par exemple, à base de Silicium poly cristallin ou de Silicium amorphe ou encore de Silicium poreux, poli ou non poli. L’épaisseur tpde la couche de piégeage 102 est comprise entre 5nm et 5µm.
La couche de piégeage 102 est donc une couche non cristalline présentant des défauts structurels tels que des dislocations, des joints de grains, des zones amorphes, des interstices, des inclusions, et/ou des pores. Ces défauts structurels forment des pièges pour des charges susceptibles de circuler dans le matériau, par exemple au niveau de liaisons chimiques non complètes ou pendantes. La couche de piégeage 102 présente ainsi une résistivité élevée ce qui résulte en une conduction de charge réduite à l’intérieur de la couche, et par conséquent un courant réduit à l’intérieur de la couche de piégeage.
Lors de l’étape II) du procédé selon le premier mode de réalisation, un substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est fourni. Il s’agit de préférence d’une couche épaisse de matériau piézoélectrique 108 d’une épaisseur t1fournie sur un substrat de base 110.
Le matériau piézoélectrique 106 peut être un matériau piézoélectrique riche en Lithium, par exemple, du Tantalate de Lithium (LiTaO3) ou du Niobate de Lithium (LiNbO3).
Le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 peut avoir subi d’abord une ou plusieurs étapes de nettoyage, de brossage ou de polissage de sa surface libre pour enlever des particules ou de la poussière et ainsi obtenir une surface libre plus propre et de meilleur qualité pour réaliser par la suite un dépôt de couche successif.
Selon l’invention, une étape III) de dépôt d’une structure intermédiaire 120 sur la surface libre 102a, de préférence directement sur la surface libre 102a, de la couche de piégeage 102 du substrat support 100 est réalisée.
L’étape III) de dépôt de la structure intermédiaire 120 comprend la formation d’au moins une couche barrière de diffusion d’éléments métalliques 122. La couche barrière 122 peut être une couche barrière de diffusion de Lithium 122.
La couche barrière 122 peut, selon l’invention, être une couche amorphe à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) déposée par une technique de déposition de couche atomique ALD (en anglais : » Atomic Layer Deposition »), ou encore par PE-ALD (en anglais : Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition ou en français : Déposition Atomique par couche activée par Plasma). Dans ce cas, la température de déposition par ALD est comprise entre 25°C et 400°C.
Selon une alternative, la couche barrière 122 peut aussi être une couche amorphe à base d’Oxyde d’Aluminium comprenant de l’Oxyde d’Hafnium (HfO2), ou encore une combinaison de couche d’Oxyde d’Aluminium et de couche d’Oxyde d’Hafnium (HfO2) en alternance.
La couche barrière 122 a une épaisseurt EMsupérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant définie en fonction de l’épaisseurt p de la couche de piégeage 102 de telle manière que la dose d’élément métallique dans la couche de piégeage 102 est inférieure à une dose seuil d’élément métallique entrainant la dégradation de la couche de piégeage 102.
Pour calculer la dose seuil d’élément métallique, l'homme de métier saura calculer la pente de diffusion de l’élément métallique à partir de son coefficient de diffusion et ainsi ajuster l'épaisseurt EM de la couche de barrière 122 afin de garantir de ne pas dépasser un seuil de dose d’élément métallique prédéterminé dans la couche de piégeage 102. Ce calcul dépend aussi des traitements thermiques appliqué à la structure pendant le procédé de fabrication et aussi de l’épaisseur de la couche de piégeage 102.
Par exemple, pour une couche de Tantalate de Lithium (LiTaO3) ou de Niobate de Lithium (LiNbO3), et pour une couche de piégeage 102 ayant une épaisseurt p de 1µm, la dose seuil de Lithium dans la couche de piégeage 102 doit être inférieure à 1.2*1012at/cm2. Pour une couche de piégeage 102 avec une épaisseurt p de l’ordre de 0.5µm, la dose seuil de Lithium sera plutôt de l’ordre de 5*1011at/cm2.
Pour obtenir ces valeurs, l’épaisseurt EM de la couche barrière 122 doit être comprise entre 5nm et 1500nm, en particulier entre 10nm et 100nm.
Lors de l’étape IIa) une zone de fragilisation 112 est formée dans la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 de manière à délimiter la couche piézoélectrique 114 à transférer du reste 116 de la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106.
Cette étape IIa) de formation d’une zone de fragilisation 112 est réalisée par une implantation 118 d'espèces atomiques ou ioniques dans la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106. L’implantation atomique ou ionique est réalisée de telle manière que la zone de fragilisation 112 est située à l’intérieure de la couche piézoélectrique 108 et sépare une couche piézoélectrique 116 du reste 114 de la couche piézoélectrique 108. Les espèces atomiques ou ioniques sont implantées à une profondeur t3déterminée de la couche piézoélectrique 108 qui détermine l'épaisseurt 3 de la couche piézoélectrique 114 à transférer. L’épaisseurt 3 est typiquement entre 50nm et 1.2µm, en particulier de l’ordre de 600nm. La dose d’implantation des espèces atomiques ou ioniques est comprise entre 1016at/cm2et 1017at/cm².
Le substrat support 100 obtenu après l’étape III) est ensuite assemblé au substrat donneur 110 obtenu après l’étape IIa) durant l’étape IV) d’assemblage pour obtenir une hétérostructure 124 correspondant à l’assemblage substrat support – substrat donneur. Ici, l’assemblage se fait par adhésion moléculaire.
L’assemblage du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 sur le substrat support 100 est fait telle que la couche barrière 122 de la structure intermédiaire 120 est positionnée en sandwich entre la couche piézoélectrique 114 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche de piégeage 102 du substrat support 100. L’interface de contact 126 est située entre la couche piézoélectrique 114 et la structure intermédiaire 122 du substrat support 100.
Ensuite, une étape V) de transfert de la couche mince piézoélectrique 114 est réalisée. Pour cela, une étape de fracturation du substrat donneur 124 par apport d’énergie thermique, avec un traitement thermique entre 100oC et 300oC dans une atmosphère de Ar ou N2, et/ou mécanique au niveau de la zone de fragilisation 112 pour obtenir un substrat POI comprenant une couche piézoélectrique 114 d’une épaisseurt 3 typiquement comprise entre 50nm et 1µm, en particulier de l’ordre de 600nm.
Un traitement thermique du substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 122 obtenu après l’étape V) est réalisé pour réparer les dommages occasionnés à la couche piézoélectrique 114 transférée lors de l’étape de fracturation. Ce traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 400oC et 600oC, en particulier est de l’ordre de 500oC, dans une atmosphère de Ar, O2ou N2.
Pendant ces traitements thermiques lors de la réalisation du substrat POI, une diffusion d’éléments métalliques peut avoir lieu en partant de la couche piézoélectrique 114 en direction de la couche de piégeage 102.
Grâce à la présence de la couche barrière 122, la diffusion d’élément métallique de la couche piézoélectrique 114 vers la couche de piégeage 102 est réduite, car la couche barrière 122 joue le rôle d‘une couche barrière de diffusion d’élément métallique. Ainsi, la passivation des pièges de charge dans la couche de piégeage 102 par des éléments métalliques provenant de la couche piézoélectrique 114 est réduite, et la couche de piégeage 102 garde son pouvoir de réduire les courants parasitiques.
Dans une variante du procède selon le premier mode de réalisation, la structure intermédiaire 120 est formée par une pluralité de couches d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) et de couches à base d’un autre Oxyde, par exemple un Oxyde de Silicium ou une couche de Nitrure de Silicium (SiN) ou un Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou HfO2, ou encore une combinaison de couches de SiOxNy/ SiN / Al2O3, intercalées entre elles. L’épaisseur de chaque couche d’Oxyde étant comprises entre 5nm et 100nm.
Dans une variante du procédé selon le premier mode de réalisation, la structure intermédiaire 120, ici la couche barrière de diffusion d’élément métallique 122, est réalisée sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 au lieu d’être réalisée sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche barrière 122 est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. L’interface d’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est alors faite à l’interface située entre la couche barrière 122 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche de piégeage 102 du substrat support 100.
Dans une autre variante du procédé selon le premier mode réalisation, la structure intermédiaire 120, ici la couche barrière 122, peut être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche barrière 122 est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. L’interface d’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est alors faite à l’interface entre deux couches barrières. Le fait d’assembler le substrat comprenant une couche piézoélectrique avec le substrat support par l’assemblage de deux couches barrières est avantageux pour l’assemblage, car l’assemblage se fait entre deux couches du même matériau.
Dans une variante du procédé, au lieu de réaliser l’étape IIa) de formation de la zone de fragilisation dans la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106, après l’étape III), l’étape IV) d’assemblage est réalisée directement entre le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et le substrat support 100. Une étape IVa) d’amincissement (non illustrée) est ensuite réalisée pour diminuer l’épaisseur du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106. Cette étape d’amincissement peut être une étape de meulage du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 pour obtenir une couche piézoélectrique 114 d’une épaisseur plus mince que la couche piézoélectrique 108.
De plus, d’autres traitements de la surface libre 128 de la couche piézoélectrique 114 peuvent être réalisées pour améliorer la qualité de la surface libre 128 de la couche piézoélectrique 114.
Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 130 illustré à l’étape V) de la obtenu avec le substrat support 100, la couche de piégeage 102, la couche barrière de diffusion d’élément métallique 122 et la couche piézoélectrique 114 correspond au substrat selon l’invention selon le premier mode de réalisation également.
La représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la seule différence avec le procédé selon le premier mode de réalisation est que l’étape de dépôt III) de la structure intermédiaire 120 comprend en plus une étape IIIa) de formation d’une couche diélectrique 132 sur, en particulier en contact direct avec, la au moins une couche barrière 122. Ainsi, la structure intermédiaire 120 comprend une couche barrière de diffusion d’élément métallique 122 et une couche diélectrique 132.
Les autres étapes I) à V) sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation, sauf que lors de l’étape IV) l’assemblage se fait entre la couche diélectrique 132 et le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106. Toutes les caractéristiques communes avec le premier mode de réalisation et sa variante et utilisant les mêmes numéros de référence que ci-dessus ne seront pas décrites à nouveau, mais il est fait référence à leur description détaillée ci-dessus.
La couche diélectrique 132 est par exemple une couche à base d’Oxyde de Silicium. Mais la couche diélectrique 132 peut aussi être une couche de Nitrure de Silicium (Si3N4), ou une couche comprenant une combinaison de Nitrure et d'Oxyde de Silicium (SiOxNy), ou une superposition d'une couche d'oxyde de Silicium et d'une combinaison de nitrure et d'oxyde (SiOxNy) de Silicium ou une superposition d’une couche d’oxyde de Silicium et d’une couche de nitrure de Silicium (Si3N4).
La couche diélectrique 132 est réalisé par une technique de déposition telle qu’une déposition chimique en phase vapeur CVD ou LPCVD, assistée par plasma PECVD (en anglais: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) ou physique en phase vapeur PVD ou par des traitements thermiques d’oxydation. La déposition PVD comprend des températures de déposition entre température ambiante et 400oC, la technique PECVD comprend des températures de déposition entre 150oC et 400oC. La déposition LPCVD comprend des températures de déposition entre 600oC et 700oC. La couche diélectrique 132 est déposée sur, en particulier directement en contact avec, la couche barrière 122.
Un traitement thermique, appelé aussi traitement de densification, peut être réalisé après le dépôt de la couche diélectrique 132 pour dégazer le surplus en Hydrogène formé pendant la déposition, Hydrogène qui occupe les pièges dans la couche de piégeage 102. En plus, ou en alternative, un traitement de surface peut être réalisé pour améliorer la qualité de la surface de la couche diélectrique 132 déposée.
La couche diélectrique 132 est par exemple une couche à base de dioxyde de Silicium. Mais la couche diélectrique 132 peut aussi être une couche de Nitrure de Silicium (Si3N4), ou une couche comprenant une combinaison de Nitrure et d'Oxyde de Silicium (SiOxNy), ou une superposition d'une couche d'Oxyde de Silicium et d'une couche de Nitrure de Silicium, ou encore une superposition d'une couche d'Oxyde de Silicium et d'une combinaison de Nitrure et d'Oxyde de Silicium (SiOxNy), ou une couche comprenant une combinaison de Nitrure de Silicium (SiN) et d'Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou encore une combinaison d’une couche d'Oxyde de Silicium, d’une couche de Nitrure de Silicium et d’une couche d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy).
Ainsi, lors de l’étape d’assemblage V), le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est assemblé avec le substrat support 100 pour former l’héterostructure 134, en mettant en contact la couche diélectrique 132 avec la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106. Ainsi, dans cette deuxième réalisation, l’interface d’assemblage 136 est située entre la couche piézoélectrique 108 et la couche diélectrique 132 du substrat support 100.
Dans une variante, la couche diélectrique 132 peut être une couche ayant une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3. Après l’étape de déposition de la couche diélectrique 132 réalisée à une température typiquement comprise entre une température ambiante et 1000°C, dépendant de la technique de déposition utilisée, un recuit de densification peut être réalisé pour réduire la concentration d’hydrogène dans cette couche diélectrique 132.
Par exemple, si la couche diélectrique est réalisée par une déposition PVD, la température est comprise entre la température ambiante et 400oC, pour une déposition PECVD, entre 150oC et 400oC, une déposition LPCVD entre 600oC et 700oC, et pour une oxydation thermique, la température est comprise entre 800oC et 1000oC.
Ce recuit est un recuit sous atmosphère pauvre en hydrogène, i.e. inférieure à 5 ppm, et expose la couche diélectrique 132 à base d’oxyde de silicium à une température bien supérieure à sa température de dépôt. Il peut s'agir d'une atmosphère neutre ou oxydante. Préférentiellement cette température est supérieure à 800°C, typiquement comprise entre 800°C et1000°C. Le recuit est poursuivi pendant au moins une heure, et préférentiellement pendant plusieurs heures, afin d'exodiffuser l'hydrogène de la couche diélectrique 132, et éventuellement de la couche de piégeage 102. A l'issue de ce recuit de densification, la couche diélectrique 132 présente une concentration d'hydrogène inférieure à 1020at/cm3.
Dans une variante, la couche diélectrique 132 peut être fournie sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 au lieu d’être fournie sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche diélectrique 132 est réalisée après ou avant l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. Dans ce cas, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est réalisée à l’interface entre la couche diélectrique 132 du substrat piézoélectrique 106 et la structure barrière 120 du substrat support 100.
Dans une autre variante, une couche diélectrique peut être fournie sur les deux substrats, le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche diélectrique est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. L’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est ensuite réalisée à l’interface entre deux couches diélectriques, avec des liaisons de type oxyde – oxyde, en particulier une liaison de type SiO2- SiO2, qui permet une liaison par force moléculaire stable.
Dans une autre variante, une couche diélectrique d’un premier matériau peut être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et une couche diélectrique d’un deuxième matériau peut être fournie sur le substrat support 100, le premier matériau étant différent du deuxième matériau. Par exemple, la couche diélectrique fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est une couche de Si3N4alors que la couche diélectrique fournie sur le substrat support 100 est une couche de SiOxNy,en particulier SiON. Ainsi, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est ensuite réalisée à l’interface entre deux couches diélectriques Si3N4- SiOxNyqui permet une liaison stable. Dans une variante, la couche diélectrique 132 et la couche barrière 122 de la structure intermédiaire 120 peuvent être fournies sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche 106 au lieu d’être fournie sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la structure intermédiaire 120 est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. Dans ce cas, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est réalisée à l’interface entre la couche diélectrique 132 de la structure intermédiaire 120 sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche de piégeage 102 du substrat support 100.
Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 138 illustré à l’étape VI) de la obtenu avec le substrat support 100, la couche de piégeage 102, la couche barrière de diffusion d’élément métallique 122, la couche diélectrique 132 et la couche piézoélectrique 114 correspond au substrat selon l’invention selon le deuxième mode de réalisation également.
Dans une variante, illustrée à la , l’étape de formation IIIa) d’une couche diélectrique 132’ est réalisée avant l’étape III) de formation de la au moins une couche barrière 122’. La couche diélectrique 132’ et la couche barrière 122’ sont réalisées de la même manière que la couche diélectrique 132 et la couche barrière 122 décrites auparavant à la . Ainsi, la structure intermédiaire comprend la couche diélectrique 132’ et la couche barrière de diffusion d’élément métallique 122’.
Ainsi, lors de l’étape d’assemblage IV), le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est assemblé avec le substrat support 100 pour former l’hétérostructure 140 en mettant en contact la couche barrière 122’ avec le substrat piézoélectrique 106. Ainsi, dans cette variante, l’assemblage est réalisé à l’interface 142 entre le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche barrière 122’ du substrat support 100.
Dans une variante, la couche barrière 122’ peut être fournie sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche 106 au lieu d’être fournie sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche barrière 122’ est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. Dans ce cas, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est réalisée à l’interface entre la couche barrière 122’ sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche diélectrique 132’ du substrat support 100.
Dans une autre variante, la couche barrière 122’ peut être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la couche barrière 122’ est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. L’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est ensuite réalisée à l’interface entre les deux couches barrières 122’.
Dans une autre variante, la couche barrière 122’ et la couche diélectrique 132’ de la structure intermédiaire peuvent être fournies sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche 106 au lieu d’être fournie sur le substrat support 100. Dans ce cas, l’étape de formation de la structure intermédiaire est réalisée avant ou après l’étape de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108. Dans ce cas, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est réalisée à l’interface entre la couche barrière 122’ de la structure intermédiaire sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche de piégeage 102 du substrat support 100.
Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 144 illustré à l’étape V) de la comprend dans cet ordre le substrat support 100, la couche de piégeage 102, la couche diélectrique 132’, la couche barrière de diffusion d’élément métallique 122’ et la couche piézoélectrique 114 selon cette variante du deuxième mode réalisation de l’invention.
Dans une deuxième variante du deuxième mode de réalisation illustrée à la , une étape IIIb) de formation d’une couche diélectrique 146 est ajouté par rapport au mode de réalisation illustrée à la . Lors de cette étape, la couche diélectrique 146 est formée sur la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 après l’étape IIa) de formation de la zone de fragilisation 112 dans la couche piézoélectrique 108.
La couche diélectrique 146 est par exemple une couche à base d’Oxyde de Silicium. Mais la couche diélectrique 146 peut aussi être une couche de Nitrure de Silicium (Si3N4), ou une couche comprenant une combinaison de Nitrure et d'Oxyde de Silicium (SiOxNy), ou une superposition d'une couche d'Oxyde de Silicium et d'une couche de Nitrure de Silicium ou une combinaison d’une couche d'Oxyde de Silicium, d'une couche de Nitrure de Silicium et d’une couche d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy).
La couche diélectrique 146 est réalisée par une technique de déposition telle qu’une déposition chimique en phase vapeur (CVD ou LPCVD), assistée par plasma (PECVD) ou physique en phase vapeur (PVD) ou par traitement thermique d’oxydation.
Un traitement de surface peut être réalisé pour améliorer la qualité de la surface de la couche diélectrique 146 déposée. Ainsi, lors de l’étape d’assemblage IV), le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est assemblé avec le substrat support 100 pour former l’hétérostructure 148 en mettant en contact la couche barrière 122’ avec la couche diélectrique 146. Ainsi, dans cette variante, l’assemblage est réalisé à l’interface 150 entre la couche diélectrique 146 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et la couche barrière 122’ du substrat support 100. Ainsi, la couche barrière 122’ se trouve en sandwich entre les deux couches diélectriques 132’ et 146.
De la même manière que dans les variantes du procédé selon le premier mode de réalisation, la couche diélectrique 146 peut être fournie sur le substrat support 100 sur la couche barrière 122’ au lieu d’être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106. Dans ce cas, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est fait à l’interface entre la couche diélectrique 146 du substrat support 100 et la couche piézoélectrique 108 du substrat comprenant une couche piézoélectrique 106.
De la même manière que dans les autres variantes du procédé selon le premier mode réalisation, la couche diélectrique peut être fournie sur le substrat piézoélectrique 106 et sur le substrat support 100. L’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est alors faite à l’interface entre deux couches diélectriques du même matériau, avec des liaisons de type oxyde – oxyde, en particulier une liaison de type SiO2- SiO2, qui permet une liaison par force moléculaire stable.
De la même manière que dans les autres variantes, une couche diélectrique d’un premier matériau peut être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et une couche diélectrique d’un deuxième matériau peut être fournie sur le substrat support 100, le premier matériau étant diffèrent du deuxième matériau. Par exemple, la couche diélectrique fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est une couche de Si3N4alors que la couche diélectrique fournie sur le substrat support 100 est une couche de SiOxNy, en particulier du SiON. Ainsi, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est ensuite réalisée à l’interface entre deux couches diélectriques Si3N4- SiOxNyqui permet une liaison stable.
De la même manière que dans les autres variantes du deuxième mode de réalisation, une ou plusieurs couches de la structure intermédiaires peut/peuvent être fournie/es sur le substrat piézoélectrique 106 au lieu de sur le substrat support 100.
Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 152 illustré à l’étape V) comprend le substrat support 100, la couche de piégeage 102, la couche diélectrique 132’, une couche barrière de diffusion d’élément métallique 122’, la deuxième couche diélectrique 146 et la couche piézoélectrique 114 correspond au substrat selon l’invention selon cette deuxième variante du deuxième mode de réalisation.
La représente schématiquement un procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce troisième mode de réalisation, l’étape III) de formation de la structure intermédiaire 120 du procédé selon la comprend en plus une étape IIIc) de formation d’une deuxième couche barrière 154 après l’étape IIIa).
Toutes les autres étapes I), II), IIa), III), IIIa), IV) et V) sont les mêmes que dans le deuxième mode de réalisation selon la , sauf qu’à l’étape IV) l’assemblage se fait entre la deuxième couche barrière 154 et le substrat piézoélectrique 106. Toutes les caractéristiques communes avec le premier ou deuxième mode de réalisation ainsi que leurs variantes et utilisant les mêmes numéros de référence que ci-dessus ne seront pas décrites à nouveau, mais il est fait référence à leur description détaillée ci-dessus.
La structure intermédiaire 120 comprend ainsi une première couche barrière 122 de diffusion d’élément métallique, une couche diélectrique 132 et une deuxième couche barrière 154, 156, 158, 160.
Cette deuxième couche barrière 154, 156, 158, 160 est déposée sur la couche diélectrique 132, qui est déposée sur la première couche barrière 122. Ainsi, la première couche barrière 122 et la deuxième couche barrière 154 sont séparées par la couche diélectrique 132.
Lors de l’étape d’assemblage IV), la deuxième couche barrière 154, 156, 158, 160 est mise en contact à l’interface 162 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 pour former le substrat donneur 164.
La deuxième couche barrière 154 peut être une deuxième couche barrière 156 de diffusion d’élément métallique. Dans ce cas, la deuxième couche barrière 156 est formée de la même manière que la première couche barrière 122. La deuxième couche barrière 156 de diffusion d’élément métallique peut avoir les mêmes propriétés, telle que l’épaisseur ou le matériau que la première couche barrière 122 ou selon une variante la première couche barrière de diffusion d’élément métallique 122 et la deuxième couche de barrière 156 peuvent être différentes avec des matériaux différents et/ou une épaisseur différente. Par exemple, la première couche barrière de diffusion 122 peut être de l’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) et la deuxième couche barrière de diffusion 156 peut être du Nitrure de Carbone de Silicium (SiCN) ou de l’Oxyde de Tantale (Ta2O5) ou du Nitrure de Tantale (TaN), ou vice versa.
Selon une première variante, la deuxième couche barrière 154 peut être une couche barrière de diffusion d’hydrogène 158 pour limiter la diffusion de l’hydrogène vers le substrat piézoélectrique 106 et/ou vers la couche de piégeage 102 du substrat support 100. La couche barrière de diffusion d’hydrogène 158 peut être à base de nitrure de Silicium (SiN) ou de nitrure d’aluminium (AIN). Cette deuxième couche de barrière 154 à base d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou de nitrure d’aluminium (AIN) est formée par une technique de déposition PECVD (en français : « Déposition chimique en phase vapeur activé par plasma ») ou PVD (en anglais : « Physical Vapor Deposition », en français : «Déposition physique en phase vapeur « ) ou ALD (en anglais : « Atomic layer Deposition », en français : « Deposition Atomique par couche »), avec une épaisseur comprise entre 10nm et 100nm.
En effet, dans un substrat POI, une autre source de dégradation des performances radiofréquences et électriques du substrat est la diffusion d’hydrogène vers la couche piézoélectrique et/ou vers la couche de piégeage lors du procédé de fabrication du substrat POI. L'hydrogène peut provenir de différentes sources, par exemple de l'interface de collage due à la nature hydrophile des couches de collage avec le substrat à base de Silicium, ou encore de la couche à base d’Oxyde de Silicium, qui est riche en hydrogène de par son procédé de fabrication.
Lors de traitement thermique, tel que lors d’une étape de déposition ou d’une étape de fracturation, réalisé durant le procédé de fabrication à des températures de l’ordre de 500°C, l’hydrogène comme l’élément métallique de la couche piézoélectrique 114 peut diffuser jusqu’à la couche de piégeage 102 et neutraliser les pièges de charges de la couche de piégeage 102. De plus, l’hydrogène peut aussi diffuser dans la couche/substrat piézoélectrique, dans laquelle/lequel la présence d’hydrogène peut abaisser la température de Curie ce qui peut provoquer localement le retournement de domaines ferroélectriques. Ce phénomène de retournement local de domaines ferroélectriques affecte la propagation des ondes acoustiques du matériau piézoélectrique.
Selon une deuxième variante, la couche barrière de diffusion d’hydrogène 158 est une couche à base d’oxyde de silicium 160. Dans cette deuxième variante, la deuxième couche barrière 160 a une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3. Ceci peut être réalisée par un dépôt d'oxyde de silicium par une technique de déposition telle qu’une déposition chimique en phase vapeur CVD ou LPCVD, assistée par plasma PECVD (en anglais: « Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ») ou physique en phase vapeur PVD (en anglais : « Physical Vapor Deposition ») ou par des traitements thermiques d’oxydation. La déposition PVD comprend des températures de déposition entre température ambiante et 400oC, la technique PECVD comprend des températures de déposition entre 150oC et 400oC. La déposition LPCVD comprend des températures de déposition entre 600 et 700oC. C. Dans ce cas, la couche diélectrique 160 présente une concentration en hydrogène importante de plus de 1020at/cm3. Pour réduire la concentration d’hydrogène dans cette deuxième couche barrière 160 à base d’oxyde de silicium, un recuit, dit de densification est appliqué. Ce recuit est un recuit sous atmosphère pauvre en hydrogène, i.e. inférieure à 5 ppm, et expose la couche 160 à base d’oxyde de silicium à une température supérieure à sa température de dépôt. Il peut s'agir d'une atmosphère neutre ou oxydante. Préférentiellement cette température est supérieure à 800°C, typiquement comprise entre 800°C et 900°C. Le recuit est poursuivi pendant au moins une heure, et préférentiellement pendant plusieurs heures, afin d'exodiffuser l'hydrogène de la couche diélectrique 160, et éventuellement de la couche de piégeage 102. A l'issue de ce recuit de densification, la couche diélectrique 160 présente une concentration d'hydrogène inférieure à 1020at/cm3.
Un tel recuit de densification peut notamment aussi conduire à réduire la diffusivité de l'hydrogène, c'est-à-dire la capacité de cette espèce à diffuser dans le matériau constituant la couche diélectrique 160, si bien que l'hydrogène même en concentration supérieure à 1020at/cm3est moins susceptible de diffuser vers la couche de piégeage 102. Ainsi, la couche de piégeage 102 présente elle aussi une concentration d'hydrogène réduite, en particulier inférieure 1018at/cm3.
Dans une variante de ce mode de réalisation, une ou plusieurs couche/s de la structure intermédiaire 120, c’est-à-dire la couche diélectrique 132, la couche barrière 122 et la deuxième couche barrière 154, 156, 158, 160 peuvent être fournie sur le substrat piézoélectrique 106 au lieu de sur le substrat support 100. Dans cette variante, l’ordre de déposition des couches est réalisé de telle manière que le substrat POI final obtenu après assemblage et fracturation présente la même séquence de couches, c’est à dire le même ordre des couches déposées, que le substrat POI 166 obtenu pour le mode de réalisation décrit auparavant.
Dans une autre variante de ce mode de réalisation de l’invention, une couche diélectrique peut être fournie sur les deux substrats, le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et sur le substrat support 100. L’interface d’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est faite à l’interface entre deux couches diélectriques, avec des liaisons de type oxyde – oxyde, en particulier une liaison de type SiO2- SiO2, qui est un type de liaison connue pour être stable.
Dans une autre variante de ce mode de réalisation de l’invention, une couche diélectrique d’un premier matériau peut être fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 et une couche diélectrique d’un deuxième matériau peut être fournie sur le substrat support 100, le premier matériau étant diffèrent du deuxième matériau. Par exemple, la couche diélectrique fournie sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est une couche de Si3N4alors que la couche diélectrique fournie sur le substrat support 100 est une couche de SiOxNy, en particulier SiON. Ainsi, l’assemblage du substrat support 100 avec le substrat comprenant une couche piézoélectrique 106 est ensuite réalisée à l’interface entre deux couches diélectriques Si3N4- SiOxNyqui permet une liaison stable.
Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) 166 illustré à l’étape V) de la réalisé par le procédé de fabrication selon l’invention, comprend le substrat support 100, la couche de piégeage 102, la première couche barrière 122 de diffusion d’élément métallique, la couche diélectrique 132, la deuxième couche barrière 154 et la couche piézoélectrique 114 et forme ainsi un substrat POI 166 selon le troisième mode de réalisation.
Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles et il faut garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation peuvent être combinées entre elles ou fournies indépendamment les unes des autres.
Claims (14)
- Substrat piézoélectrique sur isolant (POI) comprenant:
- un substrat support (100), en particulier un substrat à base de Silicium, comprenant une couche de piégeage (102) sur une surface libre (104) du substrat support (100), en particulier une couche à base de Silicium poly cristallin ou amorphe ou poreux
- une couche piézoélectrique (114), en particulier une couche de Tantalate de Lithium (LTO) ou de Niobate de Lithium (LNO),
- une structure intermédiaire (120) positionnée en sandwich entre la couche piézoélectrique (114) et la couche de piégeage (102) du substrat support (100),
dans lequel la structure intermédiaire (120) comprend au moins une couche barrière (122, 122’) de diffusion d’élément métallique, en particulier de Lithium, à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) comprenant une épaisseur tEMsupérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage (102) de telle manière que la dose d’élément métallique, en particulier la dose de Lithium, dans la couche de piégeage (102) est inférieure à une dose seuil prédéterminée, en particulier une dose seuil d’élément métallique, encore plus particulier une dose seuil de Lithium, inférieure à 1.2*1012at/cm2, en particulier inférieure à 5*1011at/cm2. - Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon la revendication 1, dans lequel la couche barrière (122, 122’) de diffusion d’élément métallique a une épaisseur tEMcomprise entre 5nm et 1500nm, en particulier entre 10nm et 100nm, et l’épaisseur tpde la couche de piégeage (102) est comprise entre 5nm et 5µm.
- Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure intermédiaire (120) comprend au moins une couche diélectrique (132, 132’), en particulier à base de dioxyde de Silicium ou de Nitrure de Silicium (SiN) ou encore d‘Oxynitrure de Silicium (SiOxNy), en contact avec la au moins une couche barrière (122, 122’) de diffusion d’élément métallique.
- Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon une des revendications précédentes, dans lequel la couche barrière (122’) est positionnée en sandwich entre deux couches diélectriques (132’, 146).
- Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon une des revendications précédentes, dans lequel la structure intermédiaire (120) comprend en outre une deuxième couche barrière (154, 156, 158, 160).
- Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon la revendication 5, dans lequel la deuxième couche barrière (154) est une couche barrière de diffusion d’hydrogène (156), en particulier à base de Nitrure de Silicium (SiN) ou d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou de Nitrure d’Aluminium (AIN).
- Le substrat piézoélectrique sur isolant (POI) selon une des revendications précédentes, dans lequel la structure intermédiaire (120) comprend au moins une couche (158) avec une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3.
- Procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 160) selon une des revendications 1 à 7 comprenant les étapes de:
- fournir un substrat support (100), en particulier un substrat à base de silicium, comprenant une couche de piégeage (102), en particulier une couche à base de silicium poly cristallin ou amorphe ou poreux,
- fournir un substrat comprenant une couche piézoélectrique (106), en particulier une couche piézoélectrique (108) à base de Tantalate de Lithium (LTO) ou de Niobate de Lithium (LNO),
- former une structure intermédiaire (120) sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique (106) et/ou sur le substrat support (100), la formation de la structure intermédiaire (120) comprenant la formation d’au moins une couche barrière d’élément métallique (122, 122’), en particulier de Lithium, à base d’Oxyde d’Aluminium (Al2O3) ) comprenant une épaisseur tEMsupérieure à une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur prédéterminée étant déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche de piégeage (102) de telle manière que la dose d’élément métallique, en particulier la dose de Lithium, dans la couche de piégeage (102) est inférieure à une dose seuil prédéterminée, en particulier une dose seuil d’élément métallique, encore plus en particulier une dose de Lithium, inférieure à 1.2*1012at/cm2, en particulier inférieure à 5*1011at/cm2, et
- assembler le substrat comprenant une couche piézoélectrique (106) avec le substrat support (100). - Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (138, 152, 160) selon la revendication 8, dans lequel l’étape de formation de la structure intermédiaire (120) comprend en outre la formation d’une deuxième couche barrière (154, 156, 158, 160).
- Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (138, 152, 160) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l’étape de formation de la structure intermédiaire (120) comprend en outre une étape de formation d’une couche (158) avec une concentration d’hydrogène inférieure à 1020at/cm3, en particulier inférieure à 1018at/cm3.
- Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (138, 152, 160) selon la revendication 9 ou selon la revendication 10 en combinaison avec la revendication 9, dans lequel l’étape de formation de la deuxième couche barrière (154) comprend la formation d’une couche (156) à base de Nitrure de Silicium (SiN) ou d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy) ou de Nitrure d’Aluminium (AIN).
- Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 160) selon une des revendications 8 à 11, comprenant en outre une étape de formation d’une couche diélectrique (132, 146) sur le substrat support (100) et/ou sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique (106) avant l’étape d’assemblage, de telle manière que l’interface de collage soit une interface de liaison oxyde – oxyde.
- Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 160) selon une des revendications 8 à 11, comprenant en outre une étape de formation d’une couche diélectrique (132, 146) d’un premier matériau sur le substrat support (100) et/ou d’un deuxième matériau différent du premier matériau sur le substrat comprenant une couche piézoélectrique (106) avant l’étape d’assemblage.
- Le procédé de fabrication d’un substrat piézoélectrique sur isolant (POI) (130, 138, 144, 152, 160) selon la revendication 13, dans lequel le premier matériau est à base de Nitrure de Silicium, en particulier du Si3N4, et le deuxième matériau est à base d’Oxynitrure de Silicium (SiOxNy), en particulier du SiON.
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