WO2022200712A1 - Procede de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en semi-conducteur monocristallin sur un substrat support - Google Patents

Procede de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en semi-conducteur monocristallin sur un substrat support Download PDF

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WO2022200712A1
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thermal budget
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composite structure
thin layer
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Hugo BIARD
Didier Landru
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Soitec
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Definitions

  • TITLE METHOD FOR MANUFACTURING A COMPOSITE STRUCTURE COMPRISING A THIN LAYER OF MONOCRYSTALLINE SEMICONDUCTOR
  • the present invention relates to the field of semiconductor materials for microelectronic components. It relates in particular to a process for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline semiconductor material placed on a support substrate: the thin layer can for example be made of monocrystalline silicon carbide and the support substrate of polysilicon carbide -crystalline.
  • Silicon carbide (SiC) is increasingly widely used for the manufacture of innovative power devices, meeting the needs of rising areas of electronics, such as electric vehicles.
  • power devices and integrated power systems based on monocrystalline silicon carbide can handle much higher power density compared to their traditional silicon counterparts, and this with smaller active area dimensions.
  • vertical electrical conduction, between an electrode arranged on the front face of the Sic structure and an electrode arranged on the rear face must be permitted by said structure.
  • Monocrystalline SiC substrates intended for the microelectronics industry nevertheless remain expensive and difficult to supply in large sizes. It is therefore advantageous to resort to thin layer transfer solutions, to produce composite structures typically comprising a thin monocrystalline SiC layer on a lower cost support substrate.
  • a well-known thin film transfer solution is the Smart CutTM process, based on light ion implantation and direct bonding assembly.
  • Such a process makes it possible, for example, to manufacture a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline SiC (c-SiC), taken from a donor substrate of c-SiC, in direct contact with a support substrate of polycrystalline SiC (p- SiC), and allowing vertical electrical conduction. It nevertheless remains difficult to achieve direct bonding by molecular adhesion of good quality between two c-SiC and p-SiC substrates, because the management of the roughness and the surface condition of said substrates is complex.
  • c-SiC monocrystalline SiC
  • p- SiC polycrystalline SiC
  • the document US8436363 overcomes bonding by molecular adhesion by proposing a process for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of c-SiC placed on a metal support substrate whose coefficient of thermal expansion is matched with that of the thin layer. .
  • This manufacturing process includes the following steps:
  • a metal layer for example tungsten or molybdenum
  • Such a manufacturing process is however not compatible when the material forming the support substrate is p-SiC requiring deposition at temperatures above 1000°C, or even above or equal to 1200°C (normal temperatures for the manufacture of p-SiC). Indeed, at these high temperatures, the growth kinetics of the cavities and microcracks present in the buried fragile plane is faster than the growth kinetics of the p-SiC layer, and the thickness required for a stiffening effect is not not reached before the appearance of the bubbling phenomenon, linked to the deformation of the thin layer directly above the microcracks.
  • the kinetics of bubbling and the kinetics of fracture depend on the properties of the buried fragile plane, defined by the nature of the semiconductor material and by the ion implantation conditions applied to the donor substrate: in particular, the energy of the implantation of the light species defines the depth of the buried fragile plane, and the implanted dose defines the quantity of species capable of forming, developing microcavities and putting them under pressure by thermal activation; other implantation parameters, including temperature, will also influence the properties of the buried fragile plane and the associated bubbling and fracture kinetics.
  • the bubbling appears when there is not a sufficient stiffening effect on the free face of the donor substrate, the fracture is obtained when there is a sufficient stiffening effect on this free face to allow the microcracks to join in the plane buried brittle, without deforming the layer above, thereby causing complete separation along said buried brittle plane.
  • the present invention addresses the aforementioned problem. It relates to a method for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of a semiconductor material monocrystalline arranged on a support substrate of lower quality, the composite structure being capable, in addition, of providing vertical electrical conduction between the thin layer and the support substrate.
  • the invention relates to a method for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline semiconductor material placed on a support substrate, the method comprising: a) a step of supplying a donor substrate composed of the semi-conductor material single-crystal conductor, b) a step of ion implantation of light species in the donor substrate, excluding an annular peripheral zone of said substrate, according to implantation conditions, to form a buried fragile plane delimiting the thin layer between the buried fragile plane and a front face of the donor substrate, the buried fragile plane comprising lenticular microcavities capable of developing by thermal activation in the form of microcracks,
  • the implantation conditions defining a first thermal budget for obtaining bubbling on the front face of the donor substrate, and a second thermal budget for obtaining a fracture in the buried fragile plane
  • a step of depositing a support substrate on the front face of the donor substrate provided with the stiffening film carried out by applying a thermal budget greater than the first thermal budget
  • a separation step to form on the one hand the composite structure and on the other hand the rest of the donor substrate.
  • the annular peripheral zone of the donor substrate, at which the ion implantation of step b) is not carried out, has a width of between 1mm and 2cm;
  • step d) is carried out by applying a thermal budget greater than or equal to the second thermal budget
  • the monocrystalline semiconductor material of the donor substrate is chosen from silicon carbide, silicon, germanium, a III-V or III-N compound, diamond, gallium oxide;
  • the stiffening film comprises a material chosen from tungsten, silicon carbide, silicon, silicon nitride, boron nitride, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum nitride;
  • step c) comprises one or more sequence(s) of deposition, bonding, photolithography, nano-imprinting, etching and/or thinning;
  • the thickness of the perforated stiffening film is between 0.5 micron and 5 microns;
  • the support substrate has a monocrystalline or polycrystalline structure, and comprises at least one material chosen from silicon carbide, silicon, diamond, III-V or III-N compounds such as gallium nitride, oxide gallium;
  • the support substrate has a thickness greater than or equal to 50 microns
  • the manufacturing process comprises a step f) of mechanical (s) and/or chemical (s) and/or thermal (s) treatment(s) of the composite structure, to smooth the free surface of the thin layer and/or to improve the quality of the edges of the composite structure and/or to correct the thickness uniformity of the composite structure;
  • step f) one (or more) mechanical (s) or chemical (s) treatment(s) of step f) are carried out before step e) of separation to improve the quality of the edges of a stack resulting from step d) and/or to correct the thickness uniformity of the support substrate;
  • the manufacturing process comprises a step of reconditioning the remainder of the donor substrate with a view to reuse as donor substrate.
  • the invention also relates to a composite structure resulting from the manufacturing method as above, comprising a power component all or part of which is formed on and/or in the thin layer, and comprising a metal electrode on a rear face of the substrate support.
  • FIG. 1 shows a composite structure developed according to a manufacturing method according to the invention
  • FIG. 2f Figures 2a, 2a', 2b, 2c, 2d, 2e and 2f show steps of a manufacturing method according to the invention
  • FIG. 3 represents bubbling kinetics in the form of an Arrhenius graph, in the case of a SiC donor substrate, implanted at a dose of 6 ⁇ 10 16 H/cm 2 and an energy of 150keV, given as an example in the description below.
  • the same references in the figures may be used for elements of the same type.
  • the figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not to scale.
  • the thicknesses of the layers along the z axis are not to scale with respect to the lateral dimensions along the x and y axes; and the relative thicknesses of the layers between them are not necessarily observed in the figures.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite structure 1 comprising a thin layer 10 of a single-crystal semiconductor material placed on a support substrate 200, as represented in FIG. 1.
  • the method firstly comprises a step a) of supplying a donor substrate 111 composed of the single-crystal semiconductor material intended to compose the thin layer 10.
  • This single-crystal semiconductor material may be chosen from among silicon carbide, silicon , germanium, a III-V or III-N compound, diamond, gallium oxide (Ga2O3) or other materials for which the removal of a thin layer is of interest.
  • the donor substrate 111 is preferably in the form of a circular wafer with a diameter of 100mm, 150mm, 200mm or even 300mm or even 450mm, and with a thickness typically comprised between 300 and 800 microns. It has a front face 111a and a rear face 111b (FIG. 2a).
  • the surface roughness of the front face 111a is advantageously chosen to be less than 1 nm Ra, average roughness (“average roughness” according to English terminology) measured by atomic force microscopy (AFM) on a scan of 20 microns ⁇ 20 microns.
  • the thin layer 10 of the composite structure will be taken from the donor substrate 111: the latter must therefore have the mechanical, electrical and crystallographic properties required for the intended application.
  • the donor substrate 111 comprises an initial substrate 11 consisting of monocrystalline semiconductor material and a donor layer 110 also formed by this material, produced by epitaxial growth on the initial substrate 11 (FIG. 2a').
  • the growth step by epitaxy is carried out so that the donor layer 110 has a density of crystalline defects lower than that of the initial substrate 11.
  • the thin layer 10 will, in this case, be taken from the donor layer 110: the initial substrate 11 therefore does not require a level of quality as high as the donor layer 110.
  • the initial substrate 11 is made of single-crystal SiC (c-SiC), of 4H or 6H polytype, having a disorientation ("offcut") of less than or equal to 4.0 ° with respect to the crystallographic axis ⁇ 11-20> ⁇ 0.5 ° , and a density of traversing dislocations (“micropipes”) less than or equal to 5/cm 2 , or even less than 1/cm 2 .
  • N-type doped (nitrogen) it has a resistivity preferably between 0.015 ohm.cm and 0.030 ohm.cm.
  • an initial substrate 11 having a low density of defects of the basal plane dislocation type or BPD typically less than or equal to 3000/cm 2 .
  • BPD basal plane dislocation
  • c-SiC substrates exhibiting BPD densities of the order of 1500/cm 2 are reasonably available, which facilitates their supply.
  • Extended defects in thin layer 10 can affect component performance and reliability.
  • the c-SiC donor layer 110 is therefore produced in such a way as to have a density of BPD type defects less than or equal to 1/cm 2 .
  • the growth by epitaxy of the donor layer 110 is carried out at a temperature above 1200°C, preferably between 1500°C and 1900°C.
  • the precursors used are silane (SiH4), propane (C3H8) or ethylene (C2H4); the carrier gas may be hydrogen with or without argon.
  • the low rate of BPD defects in the donor layer 110 is obtained by favoring the conversion of the BPD defects present in the initial substrate 11 into through-edge dislocations or TEDs (for “Threading Edge Dislocations”).
  • this comprises a step b) of ion implantation of light species in the donor substrate 111, up to a determined depth representative of the thickness of thin layer 10 desired. Note that the depth will always remain less than the thickness of the donor layer 110, when the latter is present.
  • This implantation generates a buried fragile plane 12 which delimits the thin layer 10 between said buried fragile plane 12 and a free surface 111a of the donor substrate 111 (FIG. 2b).
  • the ion implantation is carried out so as to form a buried fragile plane 12 in a central zone 12a of the donor substrate 111, and not in an annular peripheral zone 12b.
  • a mask placed on the front face 111a, facing the annular peripheral zone 12b is for example applied during the ion implantation step, so as to prevent the penetration of ions into the substrate 111, at this peripheral zone 12b.
  • the annular peripheral zone 12b has a width of between 1mm and 2cm; in other words, the buried fragile plane 12 is absent in an annular peripheral zone 12b extending from the edge of the donor substrate 111 to a distance of between 1mm and 2cm towards the center of said substrate 111.
  • this annular peripheral zone 12b in which the donor substrate 111 does not include the buried fragile plane 12.
  • the implanted light species are preferably hydrogen, helium or a co-implantation of these two species. As is well known with reference to the Smart CutTM process, these light species will form, around the determined depth, microcavities distributed in a thin layer parallel to the front face 111a of the donor substrate 111, i.e. parallel to the plane (x, y) in the figures. This thin layer is called the buried fragile plane 12, for simplicity.
  • the implantation energy of the light species is chosen so as to reach the determined depth in the donor substrate 111.
  • hydrogen ions are implanted at an energy comprised between 10 keV and 250 keV, and at a dose comprised between 5 E 16/cm2 and l E 17/cm2, to delimit a thin layer 10 having a thickness of between 100 and 1500 nm, this thickness of course depending on the nature of the semiconductor material of the donor substrate 111.
  • a thin protective layer may be deposited on the front face 111a of the donor substrate 111, prior to the ion implantation step.
  • This protective layer can be composed of a material such as silicon oxide or silicon nitride for example, and can be removed at the end of step b).
  • the buried fragile plane 12 comprises lenticular microcavities capable of developing by thermal activation in the form of microcracks.
  • the implantation conditions define a first thermal budget for obtaining bubbling on the front face 111a of the donor substrate 111: this first thermal budget can be reached at different temperatures by different annealing times causing the appearance of bubbling (bubbling kinetics).
  • the implantation conditions also define a second thermal budget for obtaining a fracture in the buried fragile plane 12: this second thermal budget can be reached at different temperatures by different annealing times causing the spontaneous propagation of a fracture ( fracture kinetics).
  • bubbling corresponds to the deformation of the thin layer 10 directly above the microcracks, in the absence of a stiffening effect at the level of the front face 111a, and the fracture corresponds to complete cracking in the fragile plane. buried 12, in the presence of a stiffening effect at the level of the front face 111a.
  • the manufacturing method then comprises a step c) of forming a stiffening film 20 on the front face 111a of the donor substrate 111 (FIG. 2c).
  • This step is carried out by applying a thermal budget lower than the first thermal budget: the objective here is to remain below the thermal budget likely to generate deformation by bubbling of the thin layer 10 or its partial delamination, due to the growth microcracks in the buried fragile plane 12.
  • the stiffening film 20 is perforated, taking the form of a mesh in the plane of the front face 111a, with a coverage rate less than or equal to 30%, preferably between 5% and 30%. Due to its mesh shape, the perforated stiffening film 20 defines a plurality of areas of the bare front face 111a (perforated areas of the stiffening film 20), in the form of patterns 20' whose lateral dimensions are less than or equal to 50 microns .
  • the lateral dimensions are the dimensions of the patterns in the plane (x,y) of the front face 111a of the donor substrate 111. At least one dimension of the patterns 20' can be less than or equal to 20 microns, to 10 microns, even 5 microns, or even 2 microns.
  • the patterns 20' can have a square, rectangular, triangular, circular or other polygonal shape.
  • the width of the mesh, in the plane (x,y), that is to say the width of the walls separating the patterns 20' defined by the stiffening film 20, can be between 5 microns and 50 microns.
  • the stiffening film 20 also has a thickness greater than or equal to 0.5 micron, typically between 0.5 micron and 50 microns, preferably between 0.5 micron and 5 microns.
  • the role of the perforated stiffening film 20 is to maintain the mechanical integrity of the thin layer 10 during the next step d) of deposition of the support substrate 200, which requires a thermal budget greater than the first bubbling thermal budget, or even greater or equal to the second fracture thermal budget.
  • the perforated stiffening film 20 allows direct contact between the thin layer 10 and the support substrate 200 over a surface greater than 70% of the surface of the thin layer 10. This is particularly advantageous for establishing conduction electric vertical in the future composite structure 1 because the deposition of the support substrate 200 at high temperatures is very favorable to good interface states with the thin layer 10.
  • the perforated stiffening film 20 does not need ensure electrical conduction between the thin layer 10 and the support substrate 200. It can therefore comprise a wide variety of materials, chosen in particular from tungsten, silicon carbide, silicon, silicon nitride, boron nitride, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, etc.
  • the crystalline quality of the perforated stiffening film 20, as well as the quality of its interface with the useful layer 10 are not critical, which allows the formation of said stiffening film 20 at low thermal budgets. However, care should be taken to choose a material for the stiffening film 20 which is compatible with the temperatures applied to the following stages of the process (in particular, to the following stage d)), typically a material whose melting temperature is higher than the temperatures involved in said stages.
  • step c) comprises one or more sequence(s) of deposition, bonding, photolithography, nano-imprinting, etching and/or thinning, or any other technique making it possible to form a film openwork in the form of a mesh.
  • the perforated stiffening film 20 can be produced by implementing the deposition of a continuous film, then a lithography to define the shape of the mesh, and finally, an etching at the level of the patterns 20' to create the bare zones in front face 111a of the donor substrate 111.
  • the temperature of step c) is chosen to be less than 800° C, or even less than or equal to 500°C. In this temperature range, the bubbling kinetics is very slow (see Figure 3), and allows the formation of a stiffening film 20 of polycrystalline silicon carbide 2 microns thick, produced by thermal CVD deposition, for example around 700° C., for about 2 hours.
  • the black circle in Figure 3 represents this thermal budget, which appears well below the bubbling thermal budget.
  • a conventional photolithography and etching step then makes it possible to finalize the perforated stiffening film 20 in polycrystalline SiC, which defines square patterns 20' of 25 microns in diameter. side and a 4 micron mesh. The degree of coverage of said mesh is of the order of 25%.
  • the manufacturing method according to the invention then comprises step d) of depositing the support substrate 200 on the front face 111a of the donor substrate 111 provided with the perforated stiffening film 20 (FIG. 2d).
  • the deposition of step d) is carried out by applying a thermal budget greater than the first thermal budget (namely, the bubbling thermal budget), or even greater than or equal to the second thermal budget (of fracture).
  • the high temperatures favored in step d) promote the structural quality of the support substrate 200 and the quality of its interface with the thin layer 10.
  • the deposition can be carried out by any known technique, in particular involving chemical vapor deposition. (CVD), thermal or plasma assisted, or physical vapor deposition (PVD).
  • the stack 211 is formed and the support substrate 200 has a thickness greater than or equal to 50 microns, or even greater than or equal to 200 microns or even 300 microns.
  • the high thermal budget applied during step d) does not irreparably damage the thin layer 10 because the perforated stiffening film 20 ensures the mechanical retention of the thin layer 10, by limiting the phenomenon of bubbling and by preventing any local exfoliation of the thin layer 10.
  • the support substrate 200 can have a monocrystalline or polycrystalline structure and comprise at least one material chosen from among silicon carbide, silicon, diamond, III-V or III-N compounds such as gallium nitride, gallium oxide, etc. Since the deposition of step d) involves a thermal budget greater than the first bubbling thermal budget, or even greater than or equal to the second fracture thermal budget, and the stiffening film 20 limits the expansion of the microcracks in the form of blisters and prevents the appearance of local exfoliations of the thin layer 10, the microcracks will join together and propagate in the buried fragile plane 12, during step d).
  • the buried fragile plane 12 does not extend to the edges of the donor substrate 111, due to the exclusion of an annular peripheral zone 12b, prevents the fracture, which propagates in the buried fragile plane 12 , does not cause premature separation between the composite structure 1 (thin layer 10, stiffening film 20 and support substrate 200) and the rest 111' of the donor substrate. Indeed, below a certain thickness of support substrate 200, the composite structure 1 would tend to dislocate and break, because it would be overall too thin to be self-supporting.
  • the fracture along the buried fragile plane 12 quickly appearing at high thermal budgets, the annular peripheral zone 12b makes it possible to maintain the stack 211 joined, until the desired thickness of support substrate 200 is obtained, typically greater than or equal to at 50 microns.
  • a support substrate 200 in p-SiC can be formed on the front face 111a of the donor substrate 111 provided with the film openwork stiffener 20.
  • a thermal CVD deposition of p-SiC is carried out at a temperature between 900° C. and 1500° C., for example at 1000° C., for 4 hours, to reach a thickness of 400 microns; the black triangle in FIG. 3 represents this thermal budget which appears much higher than the first thermal budget (bubbling kinetics).
  • the fracture along the buried fragile plane 12 appears less than one hour after the start of the deposition: the thermal budget of the deposition of step d) is here also greater than the fracture thermal budget.
  • the stack 211 is nevertheless kept integral due to the presence of the annular peripheral zone 12b, devoid of buried fragile plane 12.
  • the manufacturing method according to the invention comprises a step e) of separation of the stack 211, to form on the one hand the composite structure 1 and on the other hand the rest 111' of the donor substrate (FIG. 2e).
  • This separation can be carried out mechanically or chemically.
  • the application of a mechanical stress at the edges of the stack 211 for example by the insertion of a tool (for example, a blade or a bevel shape) can cause cracking of the annular peripheral zone 12b and separating the stack 211.
  • a chemical etching of the edges of the donor substrate 111 (at the level of the annular peripheral zone 12b), applied alone or together with a mechanical stress also makes it possible to obtain the separation of step e ).
  • the separation step can generate thickness non-uniformities and significant roughnesses of the thin layer 10, in the annular peripheral zone 12b, because said thin layer 10 does not will a priori not be entirely transferred to the peripheral zone 12b. These defects can be processed in a subsequent step f) of the method.
  • the manufacturing method according to the invention may comprise a step f) of mechanical(s) and/or chemical(s) and/or thermal(s) treatment(s) of the composite structure 1, to smooth the free surface of the thin layer 10 and/or to improve the quality of edges of the composite structure 1 (edges of the thin layer 10 or edges of the support substrate 200) and/or to correct the uniformity of thickness of the composite structure 1.
  • the free face 10a of the thin layer 10 of the composite structure 1 has a surface roughness of between 5 and 100 nm RMS (by measurement at atomic force microscope (AFM), on scans of 20 microns x 20 microns), at least in its central zone 12a.
  • RMS atomic force microscope
  • Step f) can then comprise chemical-mechanical polishing (CMP) of the free face 10a of the thin layer 10, typically with a removal of material of the order of 50 nm to 1000 nm, so as to obtain a roughness final less than 0.5 nm Rms (on an AFM field of 20x20 ym), or even less than 0.3 nm.
  • Step f) can also comprise a chemical or plasma treatment (cleaning or etching), for example cleaning of the SC1/SC2 type (Standard Clean 1, Standard Clean 2) and/or HF (hydrofluoric acid), or an N2 plasma , Ar, CF4, etc., to further improve the quality of the free face 10a of the thin layer 10.
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • etching or cleaning chemical treatment
  • grinding mechanical treatment
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • Such a treatment makes it possible to improve the uniformity of thickness of said support substrate 200 as well as its roughness on the rear face 200b.
  • a roughness of less than 0.5 nm RMS (by measurement with an atomic force microscope (AFM), on fields of 20 microns x 20 microns) is desired to produce vertical components, for which at least one metal electrode will be present on the rear face 200b of the composite substrate 1.
  • these treatments applied to the rear face 200b of the support substrate 200 could optionally be carried out just before step e) of separation, that is to say before the front face 10a of the composite structure 1 is exposed, so as to limit its contamination, in particular during polluting or restrictive treatments such as chemical etching or mechanical lapping (or mechanical grinding).
  • step f polish or grind the edges of the composite structure 1 to make the shape of its circular contour and of the drop edge compatible with the requirements of the microelectronic manufacturing processes.
  • step f) may comprise a heat treatment at high temperatures (for example, a temperature between 1000° C. and 1900° C., depending on the nature of the materials of the composite structure 1), during about an hour and up to a few hours.
  • high temperatures for example, a temperature between 1000° C. and 1900° C., depending on the nature of the materials of the composite structure 1.
  • the objective of this step is to stabilize the composite structure 1, by healing structural or surface defects, still present in and/or on the thin layer 10, and by changing, if necessary, the crystalline configuration of the support substrate. 200, so that the structure 1 is compatible with subsequent heat treatments at high temperatures, required for the manufacture of components on the thin layer 10, such as epitaxies, dopant activation annealings, deposits, etc.
  • the method according to the invention may comprise an additional step of growth by epitaxy of an additional layer on the thin layer 10 of the composite structure 1.
  • a step is applied when a relatively large thickness of useful layer is necessary for the manufacture of components, typically, of the order of 5 to 50 microns.
  • the epitaxy conditions may optionally be chosen similar to those of step a), preferably at lower temperature so as to limit the stresses induced in the useful layer (corresponding to the whole layer thin 10 and additional layer) due to the potentially heterogeneous materials of the composite structure 1.
  • the manufacturing process may comprise a step of reconditioning the remainder 111' of the donor substrate with a view to reuse as initial substrate 11 or as donor substrate 111.
  • a reconditioning step is based on one or more treatments of face 110'a (FIG. 2e), by mechanical-chemical polishing of the surface or edges, and/or by mechanical grinding, and/or by dry or wet chemical etching.
  • the thickness of the donor layer 110, when it is formed in step a) is defined so that the remainder 111' of the donor substrate 111 can be reused at least twice as donor substrate 111.
  • the invention also relates to a composite structure 1 resulting from the manufacturing process as described previously.
  • the composite structure 1 is particularly suitable for power applications: a composite structure comprising a thin layer 10 of c-SiC of high crystalline quality, a stiffening film 20 of p-SiC and a support substrate of p-SiC, as described example above, is very favorable for the development of vertical power components.
  • the composite structure 1 can thus comprise one (or more) vertical power component(s), such as for example a transistor, a diode or any high-voltage and/or high-frequency component, whose development techniques belong to the state of the art.
  • the composite structure 1 according to the invention is entirely compatible with said techniques.
  • a vertical power component all or part of said component is formed on and/or in the thin layer 10, and a metal electrode is produced on the rear face 200b of the support substrate 200.
  • the direct contact between the thin layer thin 10 and the support substrate 200, which exists in the perforated zones 20' of the stiffening film 20, ensures good vertical electrical conduction, as well as effective thermal conductivity. Electrical conduction is guaranteed regardless of the material of the film 20, which opens up multiple possibilities for the selection of said material, on the essential criterion of mechanical stiffness.
  • the lateral dimensions of the targeted power components are of the order of a square millimeter, which is significantly larger than the size of the patterns 20' and of the grid defined by the perforated stiffening film 20: a vertical electrical contact will therefore exist always between the thin layer 10 and the support substrate 200 plumb with each component produced.
  • the shape and dimensions of the mesh can be adjusted to the design and distribution of the components intended to be produced on the composite structure 1.
  • composite structures 1 than the SiC-based structure given as an example can of course be produced by the manufacturing method according to the invention, from other combinations of materials.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en un matériau semi-conducteur monocristallin disposée sur un substrat support, le procédé comprenant : a) une étape de fourniture d'un substrat donneur composé du matériau semi-conducteur monocristallin, b) une étape d' implantationionique d' espèces légères dans le substrat donneur, à l'exclusion d'une zone périphérique annulaire dudit substrat, pour former un plan fragile enterré délimitant la couche mince entre ledit plan fragile enterré et une face avant du substrat donneur, les conditions d'implantation définissant un premier budget thermique pour l ' obtention d'un bullage sur la face avant du substrat donneur et un deuxième budget thermique pour l ' obtention d'une fracture dans le plan fragile enterré, c) une étape de formation d' un film raidisseur sur le substrat donneur, opérée en appliquant un budget thermique inférieur au premier budget thermique, le film raidisseur étant ajouré sous forme d' un grillage avec un taux de couverture inférieur ou égal à 30 %, et présentant une épaisseur supérieure ou égale à 0,5 micron, ledit film raidisseur ajouré laissant une pluralité de zones de la face avant nues, sous forme de motifs dont les dimensions latérales sont inférieures ou égales à 50 microns, d) une étape de dépôt d'un substrat support sur la face avant du substrat donneur munie du film raidisseur ajouré, opérée en appliquant un budget thermique supérieur au premier budget thermique, e) une étape de séparation, pour former d'une part la structure composite et d'autre part le reste du substrat donneur.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE COMPOSITE COMPRENANT UNE COUCHE MINCE EN SEMI-CONDUCTEUR MONOCRISTALLIN
SUR UN SUBSTRAT SUPPORT
DOMAINE DE L' INVENTION
La présente invention concerne le domaine des matériaux semi- conducteurs pour composants microélectroniques. Elle concerne en particulier un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en matériau semi-conducteur monocristallin disposée sur un substrat support : la couche mince peut par exemple être en carbure de silicium monocristallin et le substrat support en carbure de silicium poly-cristallin.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION
Le carbure de silicium (SiC) est de plus en plus largement utilisé pour la fabrication de dispositifs de puissance innovants, répondant aux besoins de domaines montants de l'électronique, comme notamment les véhicules électriques.
En effet, les dispositifs de puissance et les systèmes intégrés d'alimentation basés sur du carbure de silicium monocristallin peuvent gérer une densité de puissance beaucoup plus élevée par rapport à leurs homologues traditionnels en silicium, et ce avec des dimensions de zone active inférieures. Pour limiter encore les dimensions des dispositifs de puissance sur Sic, il est avantageux de fabriquer des composants verticaux plutôt que latéraux. Pour cela, une conduction électrique verticale, entre une électrode disposée en face avant de la structure Sic et une électrode disposée en face arrière, doit être autorisée par ladite structure. Les substrats en SiC monocristallin destinés à l'industrie microélectronique restent néanmoins chers et difficiles à approvisionner en grande taille. Il est donc avantageux de recourir à des solutions de transfert de couches minces, pour élaborer des structures composites comprenant typiquement une couche mince en SiC monocristallin sur un substrat support plus bas coût. Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart Cut™, basé sur une implantation d'ions légers et sur un assemblage par collage direct. Un tel procédé permet par exemple de fabriquer une structure composite comprenant une couche mince en SiC monocristallin (c-SiC), prélevée d'un substrat donneur en c-SiC, en contact direct avec un substrat support en SiC poly-cristallin (p-SiC), et autorisant une conduction électrique verticale. Il reste néanmoins difficile de réaliser un collage direct par adhésion moléculaire de bonne qualité entre deux substrats c-SiC et p- SiC, car la gestion de la rugosité et de l'état de surface desdits substrats est complexe.
Le document US8436363 s'affranchit du collage par adhésion moléculaire en proposant un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en c-SiC disposée sur un substrat support métallique dont le coefficient de dilatation thermique est apparié avec celui de la couche mince. Ce procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
- la formation d'un plan fragile enterré dans un substrat donneur de c-SiC, délimitant une couche mince entre ledit plan fragile enterré et une surface avant du substrat donneur,
- le dépôt d'une couche métallique, par exemple en tungstène ou en molybdène, sur la face avant du substrat donneur pour former le substrat support d'une épaisseur suffisante pour remplir le rôle de raidisseur,
- la fracture le long du plan fragile enterré, menant à la séparation entre, d'une part, la structure composite comprenant le substrat support métallique et la couche mince en c-SiC, et d'autre part, le reste du substrat donneur en c-SiC.
Un tel procédé de fabrication n'est cependant pas compatible lorsque le matériau formant le substrat support est du p-SiC requérant un dépôt à des températures supérieures à 1000°C, voire supérieures ou égales à 1200°C (températures habituelles pour la fabrication de p-SiC). En effet, à ces températures élevées, la cinétique de croissance des cavités et microfissures présentes dans le plan fragile enterré est plus rapide que la cinétique de croissance de la couche en p-SiC, et l'épaisseur requise pour un effet raidisseur n'est pas atteinte avant l'apparition du phénomène de bullage, lié à la déformation de la couche mince à l'aplomb des microfissures.
Bien que la problématique ait été décrite ci-dessus en référence à une structure composite en carbure de silicium, elle peut se poser pour tout type de matériau semi-conducteur dont il est envisagé de prélever une couche mince par la technique de fragilisation basée sur une implantation d'espèces légères, et pour lequel le budget thermique provoquant le bullage (cinétique de bullage) est inférieur au budget thermique requis pour le dépôt du substrat support.
Les budgets thermiques de bullage (« blistering » selon la terminologie anglo-saxonne) et de fracture (« splitting ») ont été largement étudiés pour de nombreux matériaux semi- conducteurs monocristallins tels que le silicium, le carbure de silicium, le germanium, les composés III-V, etc (voir par exemple, Aspar et al, « The generic nature of the Smart Cut® process for thin film transfer », Journal of Electronic Materials, vol. 30, n°7, Juillet 2001, ou Bedell et al, « Investigation of surface blistering of hydrogen implanted crystals », Journal of Applied Physics, Volume 90, n°3, Août 2001). Il est connu que la cinétique de bullage et la cinétique de fracture dépendent des propriétés du plan fragile enterré, définies par la nature du matériau semi-conducteur et par les conditions d'implantation ionique appliquées au substrat donneur : en particulier, l'énergie d'implantation des espèces légères définit la profondeur du plan fragile enterré, et la dose implantée définit la quantité d'espèces aptes à former, développer des microcavités et à les mettre sous pression par activation thermique ; d'autres paramètres d'implantation, dont la température, vont également influencer les propriétés du plan fragile enterré et les cinétiques de bullage et de fracture associées.
Le bullage apparaît lorsqu'il n'y a pas un effet raidisseur suffisant sur la face libre du substrat donneur, la fracture est obtenue lorsqu'il y a un effet raidisseur suffisant sur cette face libre pour permettre aux microfissures de se rejoindre dans le plan fragile enterré, sans déformer la couche au-dessus, provoquant ainsi la séparation complète le long dudit plan fragile enterré.
Compte tenu de ces phénomènes physiques, il apparaît inconciliable de définir une couche mince (typiquement d'épaisseur inférieure à 1,5 micron) dans un substrat donneur (via un plan fragile enterré issu d'une implantation ionique d'espèces légères) et de former un substrat support par dépôt en appliquant un budget thermique supérieur au budget thermique de bullage.
OBJET DE L' INVENTION
La présente invention adresse le problème susmentionné. Elle concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en un matériau semi-conducteur monocristallin disposée sur un substrat support de plus faible qualité, la structure composite étant capable, en outre, de procurer une conduction électrique verticale entre la couche mince et le substrat support.
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en un matériau semi- conducteur monocristallin disposée sur un substrat support, le procédé comprenant : a) une étape de fourniture d'un substrat donneur composé du matériau semi-conducteur monocristallin, b) une étape d'implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur, à l'exclusion d'une zone périphérique annulaire dudit substrat, selon des conditions d'implantation, pour former un plan fragile enterré délimitant la couche mince entre le plan fragile enterré et une face avant du substrat donneur, le plan fragile enterré comprenant des microcavités lenticulaires aptes à se développer par activation thermique sous forme de microfissures,
- les conditions d'implantation définissant un premier budget thermique pour l'obtention d'un bullage sur la face avant du substrat donneur, et un deuxième budget thermique pour l'obtention d'une fracture dans le plan fragile enterré,
- le bullage correspondant à la déformation de la couche mince à l'aplomb des microfissures, et la fracture correspondant à une fissuration complète dans le plan fragile enterré, c) une étape de formation d'un film raidisseur sur le substrat donneur, opérée en appliquant un budget thermique inférieur au premier budget thermique, le film raidisseur :
- étant ajouré sous forme d'un grillage, dans le plan de la face avant, avec un taux de couverture compris entre 5% et 30%, et laissant une pluralité de zones de la face avant nues, sous forme de motifs dont les dimensions latérales sont inférieures ou égales à 50 microns, et
- présentant une épaisseur supérieure ou égale à 0,5 micron, d) une étape de dépôt d'un substrat support sur la face avant du substrat donneur munie du film raidisseur, opérée en appliquant un budget thermique supérieur au premier budget thermique, e) une étape de séparation, pour former d'une part la structure composite et d'autre part le reste du substrat donneur.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- la zone périphérique annulaire du substrat donneur, au niveau de laquelle l'implantation ionique de l'étape b) n'est pas réalisée, présente une largeur comprise entre 1mm et 2cm ;
- l'étape d) est opérée en appliquant un budget thermique supérieur ou égal au deuxième budget thermique ;
- le matériau semi-conducteur monocristallin du substrat donneur est choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le germanium, un composé III-V ou III-N, le diamant, l'oxyde de gallium ;
- le film raidisseur comprend un matériau choisi parmi le tungstène, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure de silicium, le nitrure de bore, l'oxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium ;
- l'étape c) comprend une ou plusieurs séquence (s) de dépôt, de collage, de photolithographie, de nano-impression, de gravure et/ou d'amincissement ;
- l'épaisseur du film raidisseur ajouré est comprise entre 0,5 micron et 5 microns ; - le substrat support présente une structure monocristalline ou poly-cristalline, et comprend au moins un matériau choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le diamant, les composés III-V ou III-N comme le nitrure de gallium, l'oxyde de gallium ;
- à l'issue du dépôt de l'étape d), le substrat support présente une épaisseur supérieure ou égale à 50 microns ;
- le procédé de fabrication comprend une étape f) de traitement (s) mécanique (s) et/ou chimique (s) et/ou thermique (s) de la structure composite, pour lisser la surface libre de la couche mince et/ou pour améliorer la qualité des bords de la structure composite et/ou pour corriger l'uniformité d'épaisseur de la structure composite ;
- un (ou des) traitement(s) mécanique (s) ou chimique (s) de l'étape f) sont opérés avant l'étape e) de séparation pour améliorer la qualité des bords d'un empilement issu de l'étape d) et/ou pour corriger l'uniformité d'épaisseur du substrat support ;
- le procédé de fabrication comprend une étape de reconditionnement du reste du substrat donneur en vue d'une réutilisation en tant que substrat donneur.
L'invention concerne également une structure composite issue du procédé de fabrication tel que ci-dessus, comprenant un composant de puissance dont tout ou partie est formé sur et/ou dans la couche mince, et comprenant une électrode métallique sur une face arrière du substrat support.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : [Fig. 1] La figure 1 présente une structure composite élaborée selon un procédé de fabrication conforme à l'invention ;
[Fig. 2a]
[Fig. 2a']
[Fig. 2b]
[Fig. 2c]
[Fig. 2d]
[Fig. 2e]
[Fig. 2f] Les figures 2a, 2a', 2b, 2c, 2d, 2e et 2f présentent des étapes d'un procédé de fabrication conforme à l'invention ;
[Fig. 3] La figure 3 représente une cinétique de bullage sous forme de graphe d'Arrhenius, dans le cas d'un substrat donneur en SiC, implanté à une dose de 6xl016 H/cm2 et une énergie de 150keV, donné en exemple dans la description ci-après.
Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l'axe z ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y ; et les épaisseurs relatives des couches entre elles ne sont pas nécessairement respectées sur les figures.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite 1 comprenant une couche mince 10 en un matériau semi-conducteur monocristallin disposée sur un substrat support 200, telle que représentée sur la figure 1. Le procédé comprend en premier lieu une étape a) de fourniture d'un substrat donneur 111 composé du matériau semi-conducteur monocristallin destiné à composer la couche mince 10. Ce matériau semi-conducteur monocristallin pourra être choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le germanium, un composé III- V ou III-N, le diamant, l'oxyde de gallium (Ga2Û3) ou autres matériaux pour lesquels le prélèvement d'une couche mince présente un intérêt.
Le substrat donneur 111 se présente préférentiellement sous la forme d'une plaquette circulaire de diamètre 100mm, 150mm, 200mm voire 300mm ou même 450mm, et d'épaisseur comprise typiquement entre 300 et 800 microns. Il présente une face avant 111a et une face arrière 111b (figure 2a). La rugosité de surface de la face avant 111a est avantageusement choisie inférieure à lnm Ra, rugosité moyenne (« average roughness » selon la terminologie anglo-saxonne) mesurée par microscopie à force atomique (AFM) sur un scan de 20 microns x 20 microns.
Dans la suite du procédé, la couche mince 10 de la structure composite sera prélevée du substrat donneur 111 : ce dernier doit donc présenter les propriétés mécaniques, électriques et cristallographiques requises pour l'application visée.
Selon un mode de réalisation particulier, le substrat donneur 111 comprend un substrat initial 11 constitué du matériau semi- conducteur monocristallin et une couche donneuse 110 également formée par ce matériau, réalisée par croissance épitaxiale sur le substrat initial 11 (figure 2a'). L'étape de croissance par épitaxie est effectuée de sorte que la couche donneuse 110 présente une densité de défauts cristallins inférieure à celle du substrat initial 11. La couche mince 10 sera, dans ce cas, prélevée dans la couche donneuse 110 : le substrat initial 11 ne nécessite donc pas un niveau de qualité aussi élevé que la couche donneuse 110. A titre d'illustration de ce mode de réalisation particulier, le substrat initial 11 est en SiC monocristallin (c-SiC), de polytype 4H ou 6H, présentant une désorientation ("offcut") inférieure ou égale à 4.0° par rapport à l'axe cristallographique <ll-20> ± 0.5°, et une densité de dislocations traversantes (« Micropipes ») inférieure ou égale à 5/cm2, voire inférieure à l/cm2. Dopé de type N (azote), il présente une résistivité préférentiellement comprise entre 0.015 ohm.cm et 0.030 ohm.cm. On pourra choisir un substrat initial 11 présentant une faible densité de défauts de type dislocation du plan basal ou BPD (pour « basal plane dislocation » selon la terminologie anglo- saxonne), typiquement inférieure ou égale à 3000/cm2. Des substrats de c-SiC présentant des densités de BPD de l'ordre de 1500/cm2 sont raisonnablement disponibles, ce qui facilite leur approvisionnement .
Les défauts étendus dans la couche mince 10 peuvent affecter les performances et la fiabilité des composants. La couche donneuse 110 en c-SiC est donc élaborée de manière à présenter une densité de défauts de type BPD inférieure ou égale à l/cm2. Pour cela, la croissance par épitaxie de la couche donneuse 110 est effectuée à une température supérieure à 1200°C, préférentiellement comprise entre 1500°C et 1900°C. Les précurseurs utilisés sont le silane (SiH4), le propane (C3H8) ou l'éthylène (C2H4) ; le gaz porteur pourra être de l'hydrogène avec ou sans argon. Le faible taux de défauts BPD dans la couche donneuse 110 est obtenu en privilégiant la conversion des défauts BPD présents dans le substrat initial 11 en dislocations coins traversantes ou TED (pour « Threading Edge Dislocations »).
Revenant à la description générale du procédé de fabrication selon l'invention, celui-ci comprend une étape b) d'implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur 111, jusqu'à une profondeur déterminée représentative de l'épaisseur de couche mince 10 souhaitée. Notons que la profondeur restera toujours inférieure à l'épaisseur de la couche donneuse 110, lorsque celle-ci est présente. Cette implantation génère un plan fragile enterré 12 qui délimite la couche mince 10 entre ledit plan fragile enterré 12 et une surface libre 111a du substrat donneur 111 (figure 2b).
L'implantation ionique est effectuée de manière à former un plan fragile enterré 12 dans une zone centrale 12a du substrat donneur 111, et non dans une zone périphérique annulaire 12b. Pour cela, un masque disposé sur la face avant 111a, en vis-à-vis de la zone périphérique annulaire 12b est par exemple appliqué durant l'étape d'implantation ionique, de manière à éviter la pénétration des ions dans le substrat 111, au niveau de cette zone périphérique 12b.
Préférentiellement, la zone périphérique annulaire 12b présente une largeur comprise entre 1mm et 2cm ; en d'autres termes, le plan fragile enterré 12 est absent dans une zone périphérique annulaire 12b s'étendant depuis le bord du substrat donneur 111 jusqu'à une distance comprise entre 1mm et 2cm vers le centre dudit substrat 111. Nous reviendrons plus loin sur l'importance de cette zone périphérique annulaire 12b, dans laquelle le substrat donneur 111 ne comprend pas le plan fragile enterré 12.
Les espèces légères implantées sont préférentiellement de l'hydrogène, de l'hélium ou une co-implantation de ces deux espèces. Comme cela est bien connu en référence au procédé Smart Cut™, ces espèces légères vont former, autour de la profondeur déterminée, des microcavités distribuées dans une fine couche parallèle à la face avant 111a du substrat donneur 111, soit parallèle au plan (x,y) sur les figures. On appelle cette fine couche le plan fragile enterré 12, par souci de simplification. L'énergie d'implantation des espèces légères est choisie de manière à atteindre la profondeur déterminée dans le substrat donneur 111. Typiquement, des ions hydrogène sont implantés à une énergie comprise entre 10 keV et 250 keV, et à une dose comprise entre 5E16/cm2 et lE17/cm2, pour délimiter une couche mince 10 présentant une épaisseur comprise entre 100 à 1500 nm, cette épaisseur dépendant bien sûr de la nature du matériau semi- conducteur du substrat donneur 111.
Notons qu'une fine couche de protection pourra être déposée sur la face avant 111a du substrat donneur 111, préalablement à l'étape d'implantation ionique. Cette couche de protection peut être composée par un matériau tel que l'oxyde de silicium ou le nitrure de silicium par exemple, et pourra être retirée à l'issue de l'étape b).
Comme évoqué précédemment, le plan fragile enterré 12 comprend des microcavités lenticulaires aptes à se développer par activation thermique sous forme de microfissures. Dans le matériau semi-conducteur monocristallin choisi du substrat donneur 111, les conditions d'implantation définissent un premier budget thermique pour l'obtention d'un bullage sur la face avant 111a du substrat donneur 111 : ce premier budget thermique peut être atteint à différentes températures par différents temps de recuit provoquant l'apparition du bullage (cinétique de bullage). Les conditions d'implantation définissent également un deuxième budget thermique pour l'obtention d'une fracture dans le plan fragile enterré 12 : ce deuxième budget thermique peut être atteint à différentes températures par différents temps de recuit provoquant la propagation spontanée d'une fracture (cinétique de fracture). Rappelons que le bullage correspond à la déformation de la couche mince 10 à l'aplomb des microfissures, en l'absence d'effet raidisseur au niveau de la face avant 111a, et la fracture correspond à une fissuration complète dans le plan fragile enterré 12, en présence d'un effet raidisseur au niveau de la face avant 111a.
Comme cela a été rappelé dans l'introduction, les cinétiques de bullage et de fracture ont été largement étudiées, dans nombre de matériaux semi-conducteurs monocristallins, et ce pour différentes conditions d'implantation ionique. Il est donc à la portée de l'homme du métier de trouver les informations relatives au budget thermique de bullage et au budget thermique de fracture, ou de les déterminer dans un cas particulier de matériau semi-conducteur monocristallin et de conditions d'implantation ionique.
Le procédé de fabrication comprend ensuite une étape c) de formation d'un film raidisseur 20 sur la face avant 111a du substrat donneur 111 (figure 2c). Cette étape est opérée en appliquant un budget thermique inférieur au premier budget thermique : l'objectif est ici de demeurer en-dessous du budget thermique susceptible de générer la déformation par bullage de la couche mince 10 ou sa délamination partielle, du fait de la croissance des microfissures dans le plan fragile enterré 12.
De plus, le film raidisseur 20 est ajouré, prenant la forme d'un grillage dans le plan de la face avant 111a, avec un taux de couverture inférieur ou égal à 30%, préférentiellement compris entre 5% et 30%. Du fait de sa forme de grillage, le film raidisseur ajouré 20 définit une pluralité de zones de la face avant 111a nues (zones ajourées du film raidisseur 20), sous forme de motifs 20' dont les dimensions latérales sont inférieures ou égales à 50 microns. Les dimensions latérales sont les dimensions des motifs dans le plan (x,y) de la face avant 111a du substrat donneur 111. Au moins une dimension des motifs 20' peut être inférieure ou égale à 20 microns, à 10 microns, voire à 5 microns, ou encore à 2 microns. Les motifs 20' peuvent avoir une forme carrée, rectangulaire, triangulaire, circulaire ou autre forme polygonale. La largeur du grillage, dans le plan (x,y), c'est-à-dire la largeur des parois séparant les motifs 20' définis par le film raidisseur 20, peut être comprise entre 5 microns et 50 microns.
Le film raidisseur 20 présente en outre une épaisseur supérieure ou égale à 0,5 micron, typiquement comprise entre 0,5 micron et 50 microns, préférentiellement comprise entre 0,5 micron et 5 microns.
Le rôle du film raidisseur ajouré 20 est de maintenir l'intégrité mécanique de la couche mince 10 lors de l'étape suivante d) de dépôt du substrat support 200, qui requiert un budget thermique supérieur au premier budget thermique de bullage, voire supérieur ou égale au deuxième budget thermique de fracture.
Un autre avantage du film raidisseur ajouré 20 est qu'il permet un contact direct entre la couche mince 10 et le substrat support 200 sur une surface supérieure à 70% de la surface de la couche mince 10. Cela est particulièrement intéressant pour établir une conduction électrique verticale dans la future structure composite 1 car le dépôt du substrat support 200 à hautes températures est très favorable à de bons états d'interface avec la couche mince 10. Le film raidisseur ajouré 20 n'a, quant à lui, pas besoin d'assurer une conduction électrique entre la couche mince 10 et le substrat support 200. Il peut donc comprendre une grande variété de matériaux, notamment choisis parmi le tungstène, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure de silicium, le nitrure de bore, l'oxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium, etc. La qualité cristalline du film raidisseur ajouré 20, ainsi que la qualité de son interface avec la couche utile 10 ne sont pas critiques, ce qui autorise la formation dudit film raidisseur 20 à des faibles budgets thermiques. On prendra néanmoins soin de choisir un matériau pour le film raidisseur 20 qui soit compatible avec les températures appliquées aux étapes suivantes du procédé (en particulier, à l'étape suivante d)), typiquement un matériau dont la température de fusion est supérieure aux températures impliquées dans lesdites étapes.
Pour former ledit film 20, l'étape c) comprend une ou plusieurs séquence (s) de dépôt, de collage, de photolithographie, de nano impression, de gravure et/ou d'amincissement, ou toute autre technique permettant de constituer un film ajouré sous forme de grillage. Par exemple, le film raidisseur ajouré 20 peut être élaboré en mettant en œuvre le dépôt d'un film continu, puis une lithographie pour définir la forme de grillage, et enfin, une gravure au niveau des motifs 20' pour créer les zones nues en face avant 111a du substrat donneur 111.
A titre d'exemple, dans le cas d'un substrat donneur 111 en c- SiC (et d'une couche donneuse 110 en c-SiC, si elle est présente) implanté en ions hydrogène à une énergie de 150 keV et une dose de 6xl016 H+/cm2, le plan fragile enterré 12 se trouvant à environ 800nm de profondeur à l'exclusion d'une zone périphérique annulaire 12b de 5mm de largeur, la température de l'étape c) est choisie inférieure à 800°C, voire inférieure ou égale à 500°C. Dans cette gamme de températures, la cinétique de bullage est très lente (cf. figure 3), et autorise la formation d'un film raidisseur 20 en carbure de silicium poly-cristallin de 2 microns d'épaisseur, élaboré par dépôt CVD thermique, par exemple autour de 700°C, pendant environ 2h. Le rond noir sur la figure 3 représente ce budget thermique, lequel apparaît bien en-dessous du budget thermique de bullage.
Une étape classique de photolithographie et gravure permet ensuite de finaliser le film raidisseur ajouré 20 en SiC poly- cristallin, qui définit des motifs 20' carrés de 25 microns de côté et un grillage de 4 microns. Le taux de recouvrement dudit grillage est de l'ordre de 25%.
Le procédé de fabrication selon l'invention comprend ensuite l'étape d) de dépôt du substrat support 200 sur la face avant 111a du substrat donneur 111 munie du film raidisseur ajouré 20 (figure 2d). Le dépôt de l'étape d) est opéré en appliquant un budget thermique supérieur au premier budget thermique (à savoir, le budget thermique de bullage), voire supérieur ou égal au deuxième budget thermique (de fracture).
Les hautes températures privilégiées à l'étape d) favorisent la qualité structurelle du substrat support 200 et la qualité de son interface avec la couche mince 10. Le dépôt peut être effectué par toute technique connue, notamment relevant d'un dépôt chimique en phase vapeur (CVD), thermique ou assisté par plasma, ou d'un dépôt physique en phase vapeur (PVD).
A l'issue du dépôt de l'étape d), l'empilement 211 est formé et le substrat support 200 présente une épaisseur supérieure ou égale à 50 microns, voire supérieure ou égale à 200 microns ou encore à 300 microns.
Comme évoqué précédemment, le haut budget thermique appliqué lors de l'étape d) n'endommage pas de manière irrémédiable la couche mince 10 car le film raidisseur ajouré 20 assure le maintien mécanique de la couche mince 10, en limitant le phénomène de bullage et en empêchant toute exfoliation locale de la couche mince 10.
Selon la structure composite 1 visée, le substrat support 200 peut présenter une structure monocristalline ou poly-cristalline et comprendre au moins un matériau choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le diamant, les composés III-V ou III-N comme le nitrure de gallium, l'oxyde de gallium, etc. Comme le dépôt de l'étape d) implique un budget thermique supérieur au premier budget thermique de bullage, voire supérieur ou égal au deuxième budget thermique de fracture, et que le film raidisseur 20 limite l'expansion des microfissures sous forme de cloques et empêche l'apparition d'exfoliations locales de la couche mince 10, les microfissures vont se rejoindre entre elles et se propager dans le plan fragile enterré 12, au cours de l'étape d).
Le fait que le plan fragile enterré 12 ne s'étende pas jusqu'aux bords du substrat donneur 111, du fait de l'exclusion d'une zone périphérique annulaire 12b, évite que la fracture, qui se propage dans le plan fragile enterré 12, ne provoque la séparation prématurée entre la structure composite 1 (couche mince 10, film raidisseur 20 et substrat support 200) et le reste 111' du substrat donneur. En effet, en dessous d'une certaine épaisseur de substrat support 200, la structure composite 1 aurait tendance à se disloquer et à casser, car elle serait globalement trop fine pour être autoportée. La fracture le long du plan fragile enterré 12 apparaissant rapidement à hauts budgets thermiques, la zone périphérique annulaire 12b permet de maintenir l'empilement 211 joint, jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée de substrat support 200, typiquement supérieure ou égale à 50 microns.
Reprenant l'exemple précité d'un substrat donneur 111 en c-SiC et d'un film raidisseur 20 en p-SiC, un substrat support 200 en p-SiC peut être formé sur la face avant 111a du substrat donneur 111 pourvue du film raidisseur ajouré 20. Pour cela, un dépôt CVD thermique de p-SiC est opéré à une température comprise entre 900°C et 1500°C, par exemple à 1000°C, pendant 4h, pour atteindre une épaisseur de 400 microns ; le triangle noir sur la figure 3 représente ce budget thermique qui apparaît bien supérieur au premier budget thermique (cinétique de bullage). La fracture le long du plan fragile enterré 12 apparaît moins d'une heure après le début du dépôt : le budget thermique du dépôt de l'étape d) est ici également supérieur au budget thermique de fracture. L'empilement 211 est néanmoins maintenu intégral du fait de la présence de la zone périphérique annulaire 12b, dépourvue de plan fragile enterré 12.
Enfin, le procédé de fabrication selon l'invention comprend une étape e) de séparation de l'empilement 211, pour former d'une part la structure composite 1 et d'autre part le reste 111' du substrat donneur (figure 2e).
Cette séparation peut être effectuée par voie mécanique ou chimique. L'application d'une contrainte mécanique au niveau des bords de l'empilement 211, par exemple par l'insertion d'un outil (par exemple, une lame ou une forme en biseau) peut provoquer la fissuration de la zone périphérique annulaire 12b et séparer l'empilement 211. Alternativement, une gravure chimique des bords du substrat donneur 111 (au niveau de la zone périphérique annulaire 12b), appliquée seule ou conjointement à une sollicitation mécanique, permet également d'obtenir la séparation de l'étape e).
Même si cela n'est pas illustré sur la figure 2e, l'étape de séparation peut générer des non-uniformités d'épaisseur et des rugosités importantes de la couche mince 10, dans la zone périphérique annulaire 12b, car ladite couche mince 10 ne sera a priori pas intégralement transférée dans la zone périphérique 12b. Ces défauts pourront être traités dans une étape ultérieure f) du procédé.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre une étape f) de traitement(s) mécanique (s) et/ou chimique (s) et/ou thermique (s) de la structure composite 1, pour lisser la surface libre de la couche mince 10 et/ou pour améliorer la qualité des bords de la structure composite 1 (bords de la couche mince 10 ou bords du substrat support 200) et/ou pour corriger l'uniformité d'épaisseur de la structure composite 1.
Comme cela est connu en soi, à l'issue de l'étape e) de séparation, la face libre 10a de la couche mince 10 de la structure composite 1 présente une rugosité de surface comprise entre 5 et 100 nm RMS (par mesure au microscope à force atomique (AFM), sur des scans de 20 microns x 20 microns), au moins dans sa zone centrale 12a.
L'étape f) peut alors comprendre un polissage mécano-chimique (CMP) de la face libre 10a de la couche mince 10, typiquement avec un retrait de matière de l'ordre de 50 nm à 1000 nm, de manière à obtenir une rugosité finale inférieure à 0,5 nm Rms (sur un champ AFM de 20x20ym), voire inférieure à 0,3 nm. L'étape f) peut également comprendre un traitement chimique ou plasma (nettoyage ou gravure), par exemple un nettoyage de type SC1/SC2 (Standard Clean 1, Standard Clean 2) et/ou HF (acide fluorhydrique), ou un plasma N2, Ar, CF4, etc, pour améliorer encore la qualité de la face libre 10a de la couche mince 10.
En outre, un polissage mécano-chimique (CMP) et/ou un traitement chimique (gravure ou nettoyage) et/ou un traitement mécanique (rectification) de la face arrière 200b du substrat support 200 peut être appliqué. Un tel traitement permet d'améliorer l'uniformité d'épaisseur dudit substrat support 200 ainsi que sa rugosité en face arrière 200b. Une rugosité inférieure à 0,5 nm RMS (par mesure au microscope à force atomique (AFM), sur des champs de 20 microns x 20 microns) est souhaitée pour élaborer des composants verticaux, pour lesquels au moins une électrode métallique sera présente sur la face arrière 200b du substrat composite 1.
Notons que ces traitements appliqués à la face arrière 200b du substrat support 200 pourraient optionnellement être opérés juste avant l'étape e) de séparation, c'est-à-dire avant que la face avant 10a de la structure composite 1 ne soit mise à nu, de manière à limiter sa contamination, notamment au cours de traitements polluants ou contraignants tels que la gravure chimique ou le rodage mécanique (ou rectification mécanique).
On pourra également réaliser, lors de cette étape f), un polissage ou une rectification des bords de la structure composite 1 pour rendre compatible la forme de son contour circulaire et de la tombée de bord avec les exigences des procédés de fabrication microélectronique.
Toujours selon un mode de réalisation avantageux, l'étape f) peut comprendre un traitement thermique à hautes températures (par exemple, une température comprise entre 1000°C et 1900°C, selon la nature des matériaux de la structure composite 1), pendant environ une heure et jusqu'à quelques heures. L'objectif de cette étape est de stabiliser la structure composite 1, en guérissant des défauts structurels ou de surface, encore présents dans et/ou sur la couche mince 10, et en faisant, le cas échéant, évoluer la configuration cristalline du substrat support 200, de sorte que la structure 1 soit compatible avec des traitements thermiques ultérieurs à hautes températures, requis pour la fabrication de composants sur la couche mince 10, tels que des épitaxies, des recuits d'activation de dopants, des dépôts, etc.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape supplémentaire de croissance par épitaxie d'une couche additionnelle sur la couche mince 10 de la structure composite 1. Une telle étape est appliquée lorsqu'une épaisseur relativement importante de couche utile est nécessaire pour la fabrication de composants, typiquement, de l'ordre de 5 à 50 microns. Les conditions d'épitaxie peuvent éventuellement être choisies similaires à celles de l'étape a), préférentiellement à plus basse température de manière à limiter les contraintes induites dans la couche utile (correspondant à l'ensemble couche mince 10 et couche additionnelle) du fait des matériaux potentiellement hétérogènes de la structure composite 1.
Enfin, le procédé de fabrication peut comprendre une étape de reconditionnement du reste 111' du substrat donneur en vue d'une réutilisation en tant que substrat initial 11 ou en tant que substrat donneur 111. Une telle étape de reconditionnement est basée sur un ou plusieurs traitements de la face 110'a (figure 2e), par polissage mécano-chimique de surface ou de bords, et/ou par rectification mécanique, et/ou par gravure chimique sèche ou humide. Préférentiellement, l'épaisseur de la couche donneuse 110, lorsqu'elle est formée à l'étape a), est définie de sorte que le reste 111' du substrat donneur 111 puisse être réutilisé au moins deux fois en tant que substrat donneur 111.
L'invention porte également sur une structure composite 1 issue du procédé de fabrication tel que décrit précédemment. La structure composite 1 s'adapte particulièrement aux applications de puissance : une structure composite comprenant une couche mince 10 en c-SiC de haute qualité cristalline, un film raidisseur 20 en p-SiC et un substrat support en p-SiC, telle que décrite en exemple précédemment, est très favorable pour l'élaboration de composants de puissance verticaux.
La structure composite 1 peut ainsi comprendre un (ou plusieurs) composant (s) de puissance vertical(aux), tel que par exemple un transistor, une diode ou tout composant hautes tensions et/ou hautes fréquences, dont les techniques d'élaboration appartiennent à l'état de l'art. La structure composite 1 selon l'invention est tout à fait compatible avec lesdites techniques. Dans le cas d'un composant de puissance vertical, tout ou partie dudit composant est formé sur et/ou dans la couche mince 10, et une électrode métallique est élaborée sur la face arrière 200b du substrat support 200. Le contact direct entre la couche mince 10 et le substrat support 200, qui existe dans les zones ajourées 20' du film raidisseur 20, assure une bonne conduction électrique verticale, ainsi qu'une conductivité thermique efficace. La conduction électrique est garantie quel que soit le matériau du film 20, ce qui ouvre de multiples possibilités pour la sélection dudit matériau, sur le critère essentiel de raidisseur mécanique.
Rappelons également que les dimensions latérales des composants de puissance visés sont de l'ordre du millimètre carré, ce qui est significativement plus grand que la taille des motifs 20' et du grillage définis par le film raidisseur ajouré 20 : un contact électrique vertical existera donc toujours entre la couche mince 10 et le substrat support 200 à l'aplomb de chaque composant élaboré. La forme et les dimensions du grillage pourront être ajustés au design et à la répartition des composants destinés à être élaborés sur la structure composite 1.
D'autres types de structures composites 1 que la structure à base de Sic donnée en exemple, peuvent bien sûr être élaborées par le procédé de fabrication selon l'invention, à partir d'autres combinaisons de matériaux. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer les empilements couche mince (10) monocristalline / film raidisseur ajouré (20) / substrat support (200) suivants :
- GaN / Si / Diamant
- GaN / W / SiC
- SiC / Si02 / Diamant
- Si /Si02 / Diamant
- Si / Si02 / SiC
- Diamant / Si / Diamant.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une structure composite (1) comprenant une couche mince (10) en un matériau semi- conducteur monocristallin disposée sur un substrat support (20), le procédé comprenant: a) une étape de fourniture d'un substrat donneur (111) composé du matériau semi-conducteur monocristallin, b) une étape d'implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur (111), à l'exclusion d'une zone périphérique annulaire dudit substrat (111), selon des conditions d'implantation, pour former un plan fragile enterré (12) délimitant la couche mince (10) entre le plan fragile enterré (12) et une face avant (111a) du substrat donneur (111),
- le plan fragile enterré (12) comprenant des microcavités lenticulaires aptes à se développer par activation thermique sous forme de microfissures, les conditions d'implantation définissant un premier budget thermique pour l'obtention d'un bullage sur la face avant (111a) du substrat donneur (111), et un deuxième budget thermique pour l'obtention d'une fracture dans le plan fragile enterré (12),
- le bullage correspondant à la déformation de la couche mince (10) à l'aplomb des microfissures, et la fracture correspondant à une fissuration complète dans le plan fragile enterré (12), c) une étape de formation d'un film raidisseur (20) sur le substrat donneur (111), opérée en appliquant un budget thermique inférieur au premier budget thermique, le film raidisseur (20) :
- étant ajouré sous forme d'un grillage, dans le plan de la face avant (111a), avec un taux de couverture compris entre 5% et 30%, et laissant une pluralité de zones de la face avant (111a) nues, sous forme de motifs dont les dimensions latérales sont inférieures ou égales à 50 microns, et - présentant une épaisseur supérieure ou égale à 0,5 micron, d) une étape de dépôt d'un substrat support (200) sur la face avant (111a) du substrat donneur (111) munie du film raidisseur (20), opérée en appliquant un budget thermique supérieur au premier budget thermique, e) une étape de séparation, pour former d'une part la structure composite (1) et d'autre part le reste (111') du substrat donneur.
2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel la zone périphérique annulaire (12b) du substrat donneur (111), au niveau de laquelle l'implantation ionique de l'étape b) n'est pas réalisée, présente une largeur comprise entre 1mm et 2cm.
3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape d) est opérée en appliquant un budget thermique supérieur ou égal au deuxième budget thermique.
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, le matériau semi-conducteur monocristallin du substrat donneur (111) est choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le germanium, un composé III-V ou III-N, le diamant, l'oxyde de gallium.
5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le film raidisseur (20) comprend un matériau choisi parmi le tungstène, le carbure de silicium, le silicium, le nitrure de silicium, le nitrure de bore, l'oxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium.
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) comprend une ou plusieurs séquence(s) de dépôt, de collage, de photolithographie, de nano-impression, de gravure et/ou d' amincissement.
7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur du film raidisseur ajouré (20) est comprise entre 0,5 micron et 5 microns.
8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat support (200) présente une structure monocristalline ou poly-cristalline, et comprend au moins un matériau choisi parmi le carbure de silicium, le silicium, le diamant, les composés III-V ou III-N comme le nitrure de gallium, l'oxyde de gallium.
9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, à l'issue du dépôt de l'étape d), le substrat support (200) présente une épaisseur supérieure ou égale à 50 microns.
10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape f) de traitement(s) mécanique (s) et/ou chimique(s) et/ou thermique(s) de la structure composite (1), pour lisser la surface libre de la couche mince (10) et/ou pour améliorer la qualité des bords de la structure composite (1) et/ou pour corriger l'uniformité d'épaisseur de la structure composite (1).
11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de reconditionnement du reste (111') du substrat donneur en vue d'une réutilisation en tant que substrat donneur.
12. Structure composite (1) issue du procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant un composant de puissance dont tout ou partie est formé sur et/ou dans la couche mince (10), et comprenant une électrode métallique sur une face arrière du substrat support (200).
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