WO2023156193A1 - Structure composite et procede de fabrication associe - Google Patents

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WO2023156193A1
WO2023156193A1 PCT/EP2023/052346 EP2023052346W WO2023156193A1 WO 2023156193 A1 WO2023156193 A1 WO 2023156193A1 EP 2023052346 W EP2023052346 W EP 2023052346W WO 2023156193 A1 WO2023156193 A1 WO 2023156193A1
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WO
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layer
substrate
thin layer
carbon film
composite structure
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PCT/EP2023/052346
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English (en)
Inventor
Gweltaz Gaudin
Hugo BIARD
Original Assignee
Soitec
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02002—Preparing wafers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/185—Joining of semiconductor bodies for junction formation

Definitions

  • the present invention is aimed at the field of microelectronics and semiconductors.
  • the invention relates to a substrate made of polycrystalline material comprising a surface film of vitreous carbon, and particularly suitable for receiving a thin layer transferred from a donor substrate.
  • the invention also relates to a method of manufacturing said support substrate and the composite structure resulting from the transfer of the thin layer onto the support substrate.
  • SiC Silicon carbide
  • SiC silicon carbide
  • c-SiC monocrystalline SiC
  • p-SiC polycrystalline SiC
  • a well-known thin film transfer solution is the Smart Cut® process, based on an implantation of light ions in a donor substrate (c-SiC) and on an assembly, by direct bonding, at a bonding interface. between the donor substrate and a support substrate (for example p-SiC).
  • p-SiC substrates due to the hardness of the material and the polycrystalline structure, are difficult to polish and generally have residual surface roughness which complicates an assembly by direct bonding. Indeed, direct bonding does not use adhesive substances but involves molecular bonds between the surfaces of the substrates brought into contact: such bonding therefore requires excellent flatness as well as very low surface roughness and defects.
  • composite structures based on silicon carbide may also be affected.
  • Mention may be made, for example, of a composite structure comprising a thin layer of galium nitride (GaN) and a polycrystalline support substrate, for example of aluminum nitride (AlN).
  • GaN galium nitride
  • AlN aluminum nitride
  • the present invention proposes a solution, an alternative to the solutions of the state of the art, which favors obtaining a low surface roughness of the support substrate and favors its electrical and thermal properties.
  • the invention relates in particular to an initial polycrystalline substrate comprising a surface film of vitreous carbon, particularly suitable for receiving a useful layer transferred from a donor substrate.
  • the invention also relates to a method of manufacturing said support substrate and the composite structure resulting from the transfer of the thin layer onto the support substrate.
  • the present invention relates to a process for manufacturing a composite structure comprising a thin layer of a first monocrystalline material placed on a support substrate, the manufacturing process comprising the following steps: a) the supply of an initial substrate made of a second polycrystalline material, b) the deposition by centrifugal coating, at least on a front face of the initial substrate, of a layer of polymer resin comprising carbon-carbon bonds preformed in three dimensions, c) the application of a first annealing at a temperature of between 120° C. and 180° C.
  • the invention also relates to a composite structure comprising a thin layer of a first monocrystalline material placed on a support substrate, said support substrate including: - an initial substrate made of a second polycrystalline material, - a vitreous carbon film, in contact with the front surface of the initial substrate.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d present steps of a process for manufacturing a support substrate, in accordance with the invention
  • FIGS. 4a, 4b, 4c, 4c′, 4d show steps in the process for manufacturing a composite structure, in accordance with the invention.
  • Some figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not to scale.
  • the layer thicknesses along the z axis are not to scale with respect to the lateral dimensions along the x and y axes.
  • the invention relates to a method for manufacturing a composite structure 100 comprising a thin layer 10 of a first monocrystalline material placed on a support substrate 20, which is at least partly composed of a second polycrystalline material ( ).
  • the targeted composite structure 100 allows vertical electrical conduction between the thin layer 10 and the support substrate 20, in particular for power electronics applications.
  • the first monocrystalline material can be chosen from silicon carbide (c-SiC), galium nitride (c-GaN), silicon, silicon-germanium, germanium, III-V compounds, or others semiconductor materials, or even piezoelectric materials such as lithium tantalate, lithium niobate, etc....
  • the second polycrystalline material can be chosen from silicon carbide (p-SiC), nitride d aluminum (p-AlN), silicon (p-Si), or any material stated above with reference to the first material but having a polycrystalline structure or comprising a surface polycrystalline layer.
  • the first materials stated may be associated with one or the other of the second materials above, provided of course that this is of interest for the final application.
  • the composite structure 100 will be formed from a first and a second material having similar coefficients of thermal expansion.
  • the manufacturing method firstly comprises a step a) of supplying an initial substrate 2 in polycrystalline silicon carbide (p-SiC), having a front face 2a and a rear face 2b ( ).
  • the initial substrate 2 can be produced by a conventional technique such as sintering or chemical vapor deposition.
  • the initial substrate 2 is preferably in the form of a wafer with a diameter of 100mm, 150mm, 200mm or even 300mm and a thickness typically comprised between 300 and 800 microns.
  • the surface condition of the front face 2a of the initial substrate 2 is preferably chosen so that the peak-to-valley roughness (hereinafter called “PV roughness” in reference to “peak-to-valley” according to English terminology -Saxon) is less than or equal to a few micrometers, typically less than or equal to 2 ⁇ m, 1 ⁇ m, 500 nm, 100 nm, or even 50 nm.
  • PV roughness peak-to-valley roughness
  • roughness is measured by atomic force microscopy (AFM) over a surface area (scan area or "scan") less than or equal to 30 ⁇ m x 30 ⁇ m.
  • the measured surface area may for example extend over 5 ⁇ m x 5 ⁇ m, 10 ⁇ m x 10 ⁇ m, 20 ⁇ m x 20 ⁇ m or 30 ⁇ m x 30 ⁇ m.
  • An example of the surface state of an initial substrate 2 is given in . Although the RMS roughness remains less than 1 nm, a PV roughness is observed which can exceed 30 nm due to the presence of scratches on the surface. Such a surface state is likely to generate physical defects (holes) at the level of the future interface between the substrate and the thin layer of the composite structure 100: this leads to degrading the quality and integrity of the thin layer transferred thus as the electrical conductivity of the interface.
  • the initial substrate 2 can have a surface roughness PV of up to a few micrometers, which greatly relaxes the manufacturing or supply constraints of the initial substrate 2.
  • the surface condition of the rear face 2b of the initial substrate 2 is not specified here. It may be similar to that of the front face 2a or more degraded, provided that it does not globally affect the curvature or the quality (defectiveness) of the initial substrate 2.
  • the manufacturing method according to the invention provides for a step b) comprising deposition by spin coating, at least on the front face 2a of the initial substrate 2, of a layer of resin polymer 3 ( ).
  • a layer of resin polymer 3 ( ).
  • An important feature of this layer is that it has preformed three-dimensional (3D) carbon-carbon (CC) bonds.
  • the carbon polymer chains which have sequences of CC bonds, are randomly dispersed in a solvent: they thus have a more or less random 3D structure. The more these chains are randomly dispersed in 3D, the less we will promote graphitization and the closer we will come to a vitreous state, during crosslinking.
  • a layer of polymer resin 3 leading to the highest possible amorphous/crystalline ratio is favored, after crosslinking, to obtain a vitreous carbon film 30, at the end of a subsequent step d) of the process .
  • the polymer resin can be formed from coal tar, phenol formaldehyde, polyfurfuryl alcohol, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride, and/or polystyrene, etc.
  • photosensitive resins usually implemented for photolithography steps in the field of microelectronics, can be used, such as commercial products:
  • AZ-5214, AZ-4330, AZ-P4620 registered trademarks (based on 1-methoxy-2-propanol acetate, diazonaphthoquinonesulfonic esters, 2-methoxy-1-propanol acetate, Cresol novolak resin),
  • Epoxy resins such as for example the Epoxy Novolac EPON product (registered trademark) proposed to cover and protect different surfaces in various fields (aeronautics, marine, automobile, construction, etc.), can also be implemented at the step b) of the process according to the invention.
  • step b) The spreading by centrifugation carried out in step b) requires that the polymer resin solution is in a viscous form.
  • This mode of deposition is particularly advantageous because the viscous solution fills in the hollows (holes and scratches) present on the surface of the initial substrate 2 and therefore effectively flattens these microreliefs.
  • the thickness of the layer of polymer resin 3 deposited in step b) can typically vary between a few hundred nanometers (for example 500 nm) and several microns (for example 3 to 5 ⁇ m).
  • the manufacturing method then comprises a step c) consisting in the application of an anneal (called first anneal), having a plateau at a temperature between 120° C. and 180° C., to the initial substrate 2 provided with the layer of polymer resin 3 ( ).
  • the stage can last between a few minutes (typically 30min) and a few hours (typically 2h).
  • a gradual rise in temperature, namely between 1° C./min and 5° C./min, from room temperature to plateau is preferred, so as to gradually degas the layer of polymer resin 3 and to evacuate the solvent and the impurities initially present in the viscous solution.
  • Intermediate stages may also be provided in the thermal cycle of the first anneal, depending on the nature of the polymer resin.
  • the layer of polymer resin 3′ is crosslinked, therefore solidified against the front surface 2a of the initial substrate 2.
  • the crosslinking is characterized by the formation of bonds between the carbon chains, which will result in the solidification of the 3' layer.
  • the arrangement, in the 3′ crosslinked polymer resin layer, of the 3-dimensional polymer chains will influence the 3-dimensional orientation of the sp2-type bond chains, during the next step d) of the process.
  • the manufacturing process comprises a step d) consisting of the application of a second anneal having a plateau at a temperature greater than 600° C., preferably greater than 700° C., under a neutral atmosphere, to transform the layer of resin cross-linked polymer 3' into a glassy carbon film 30 ( ).
  • the bearing temperature can for example be 650° C., 750° C., 800° C. or even 850° C., or more.
  • the temperature of this level may go up to approximately 1800° C., taking care to remain compatible with the nature of the second material making up the initial substrate 2.
  • This second anneal causes carbonization of the 3′ crosslinked layer. It is essential that this carbonization gives rise to a glassy carbon structure, which presents carbon-carbon (C-C) atomic bonds of the sp2 type.
  • the vitreous carbon structure can be characterized by Raman spectroscopy, with a particular band signature (G-band), or by ellipsometry, with a specific absorption signature as known in the literature.
  • the glassy carbon film 30 advantageously has 100% sp2-type C-C atomic bonds; if inclusions of another phase are present in the film 30, it can be tolerated that the percentage of sp2 atomic bonds is greater than 95%, or preferably greater than 99%.
  • the neutral atmosphere of the second annealing is typically based on argon and/or under vacuum (i.e. at a pressure lower than the atmosphere and up to a few mBar).
  • the second annealing takes place with a rise in temperature that can range from 5°C/min, to 15°C/min, and up to 50°C/min, or even 100°C/min, from ambient temperature to at the landing.
  • the duration of the stage can vary between a few minutes (for example 30min) and a few hours (for example 2h).
  • the vitreous carbon film 30 typically has a thickness of between a few hundred nanometers (typically 500-600 nm) and a few micrometers (typically 1, 2, 3 or 4 ⁇ m). Preferably, the vitreous carbon film 30 has a thickness of the order of ten times the surface roughness PV of the initial substrate 2.
  • the contraction in thickness can typically be between 70% and 95%.
  • the carbon ratio that is to say the ratio between the mass of the glassy carbon film 30 and the initial mass of the spread layer of polymer resin 3, must be at least 5%, preferably greater than 50%.
  • the initial substrate 2 provided with the vitreous carbon film 30 corresponds to the support substrate 20 according to the present invention.
  • a root mean square roughness less than or equal to 0, 8nm RMS and a peak-to-valley roughness less than or equal to 7nm PV can be obtained, starting from the initial substrate roughnesses 2 indicated in .
  • the roughnesses are here again measured by atomic force microscopy on a surface area less than or equal to 30 ⁇ m ⁇ 30 ⁇ m.
  • the surface condition is significantly improved compared to the surface 2a of the initial substrate 2; a strong resorption of scratches and other hollow defects is observed and a roughness typically less than or equal to 1 nm RMS and 10 nm PV. This surface condition is particularly favorable for assembly by direct bonding with very good interface quality.
  • the manufacturing method according to the invention comprises, after step d), a step e) of mechanical and/or mechanical-chemical polishing of the vitreous carbon film 30, to adjust its thickness or to further improve its roughness of surface.
  • the aim is for example an RMS roughness of less than 1 nm, or even 0.5 nm, and a PV roughness of less than 5 nm.
  • the glassy carbon film 30 has excellent electrical conduction characteristics, with a resistivity typically less than 6.10 -3 ohm.cm.
  • the mechanical, electrical and thermal properties of the vitreous carbon film 30 make the support substrate 20 an excellent candidate for the fabrication of a composite structure 100 by transferring a thin layer 10 of monocrystalline silicon carbide (c-SiC) onto said supporting substrate 20.
  • c-SiC monocrystalline silicon carbide
  • the manufacturing method in accordance with the invention may thus comprise a step f) of transferring a thin layer 10 of c-SiC onto the vitreous carbon film 30.
  • step f) of the process involves implantation of light species according to the principle of the Smart Cut® process.
  • a donor substrate 1 in monocrystalline silicon carbide, from which the thin layer 10 will come is provided ( ).
  • the donor substrate 1 is preferably in the form of a wafer with a diameter of 100mm, 150mm, 200mm or even 300mm (identical to or very close to that of the support substrate 20) and with a thickness typically comprised between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m. It has a front face 1a and a rear face 1b.
  • the surface roughness of the front face 1a is advantageously chosen to be less than 1 nm RMS, or even less than 0.5 nm RMS, measured by atomic force microscopy (AFM) over a surface area of for example 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m.
  • the donor substrate 1 can be of 4H or 6H polytype, and have an n or p type doping, depending on the requirements of the components which will be produced on and/or in the thin layer 10 of the composite structure 100.
  • the donor substrate 1 intended to form a thin layer 10 of c-GaN may be formed from a base substrate of GaN, SiC, Si(111) or sapphire on which epitaxy of monocrystalline GaN will be carried out, according to conventional methods.
  • a second phase f2) corresponds to the introduction of light species into the donor substrate 1 to form a buried fragile plane 11 delimiting, with a front face 1a of the donor substrate 1, the thin layer 10 to be transferred ( ).
  • the light species are preferably hydrogen, helium or a co-implantation of these two species, and are implanted at a determined depth in the donor substrate 1, consistent with the thickness of the thin layer 10 targeted. These light species will form, around the determined depth, microcavities distributed in a thin layer parallel to the free surface 1a of the donor substrate 1, ie parallel to the plane (x,y) in the figures. This thin layer is called the buried fragile plane 11, for simplicity.
  • the implantation energy of the light species is chosen so as to reach the determined depth.
  • hydrogen ions will be implanted at an energy of between 10 keV and 250 keV, and at a dose of between 5E16/cm 2 and 1E17/cm 2 , to delimit a thin layer 10 having a thickness of the order of 100 nm at 1500nm.
  • a protective layer may be deposited on the front face 1a of the donor substrate 1, prior to the ion implantation step. This protective layer can be composed of a material such as silicon oxide or silicon nitride for example. It is removed prior to the next phase.
  • an intermediate layer 4 can be formed on the front face 1a of the donor substrate 1, before or after the second phase f2) of introducing the light species.
  • This intermediate layer 4 can be made of a semiconductor material or a metallic material; for example, one can choose silicon, silicon carbide, silicon oxycarbide (SiOC), carbon, for example a vitreous or turbostratic carbon, tungsten, titanium, etc.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is advantageously limited, typically between a few nanometers and a few tens of nanometers.
  • the implantation energy (and potentially the dose) of the light species will be adjusted when crossing this additional layer.
  • care will be taken to form this layer by applying a thermal budget lower than the bubbling thermal budget, said bubbling thermal budget corresponding to the appearance of blisters on the surface of the donor substrate 1 due to growth and excessive pressurization of the microcavities in the buried fragile plane 11.
  • Step f) of transfer then comprises a third phase f3) of assembly of the donor substrate 1, on the side of its front face 1a, on the support substrate 20, on the side of its first face 20a, by bonding by molecular adhesion, along a bonding interface 5 to form a bonded assembly 50 (FIGS. 4c, 4c').
  • an additional layer can also be deposited on the side to be assembled of the support substrate 20 (namely on the glassy carbon layer 30), prior to the assembly phase f3); it can be chosen of the same nature or of a different nature from the intermediate layer 4 mentioned for the donor substrate 1.
  • An intermediate or additional layer 4 can optionally be deposited only on one or the other of the two substrates 1,20 to assemble.
  • the objective of the intermediate layer(s) is essentially to promote the bonding energy (especially in the range of temperatures below 1100°C), due to the formation of covalent bonds at more lower temperatures than in the case of a direct assembly without this (these) intermediate layer(s); another advantage of this (these) intermediate layer(s) may be to further improve the vertical electrical conduction of the bonding interface 5.
  • the assembly phase f3) may comprise, prior to bringing the faces 1a, 20a to be assembled into contact, conventional sequences of chemical cleaning (for example, RCA cleaning), surface activation (for example, by oxygen or nitrogen plasma) or other surface preparations (such as cleaning by brushing (“scrubbing”)), likely to promote the quality of the bonding interface 5 (low defectivity, high adhesion energy).
  • chemical cleaning for example, RCA cleaning
  • surface activation for example, by oxygen or nitrogen plasma
  • other surface preparations such as cleaning by brushing (“scrubbing”)
  • a fourth phase f4) comprises the separation along the buried fragile plane 11, which leads to the transfer of the thin layer 10 onto the support substrate 20 ( ).
  • the separation along the buried fragile plane 11 usually takes place by the application of a heat treatment to the bonded assembly 50, at a temperature between 800°C and 1200°C (in the case described of an assembly bonded 50 based on SiC).
  • a heat treatment to the bonded assembly 50, at a temperature between 800°C and 1200°C (in the case described of an assembly bonded 50 based on SiC).
  • this temperature strongly depends on the nature of the first and second materials involved in the bonded assembly 50, as is known to those skilled in the art, and will naturally be adjusted according to the materials chosen.
  • Such a heat treatment induces the development of cavities and microcracks in the buried fragile plane 11, and their pressurization by the light species present in gaseous form, until the propagation of a fracture along said fragile plane 11.
  • a mechanical stress can be applied to the bonded assembly 50 and in particular at the level of the buried fragile plane 11, so as to propagate or help to mechanically propagate the fracture leading to the separation.
  • the composite structure 100 comprising the support substrate 20 and the thin monocrystalline layer 10 transferred, and on the other hand, the rest 1′ of the donor substrate.
  • the level and type of doping of the thin layer 10 are defined by the choice of the properties of the donor substrate 1 or can be adjusted later via known techniques for doping semiconductor layers.
  • the free surface 10a of the thin layer 10 is usually rough after separation: for example, it has a roughness of between 5 nm and 100 nm RMS (AFM, scan 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m).
  • Cleaning and/or smoothing phases can be applied to restore a good surface state (typically, a roughness lower than a few Angstroms RMS, on a 20 ⁇ m x 20 ⁇ m scan by AFM).
  • these phases may comprise a mechanical-chemical smoothing treatment of the free surface of the thin layer 10.
  • a removal of between 50 nm and 300 nm makes it possible to effectively restore the surface condition of said layer 10.
  • They may also comprise at least one heat treatment, for example at a temperature between 1300° C. and 1800° C. in the case of the composite structure 100 based on SiC.
  • Such a heat treatment is applied to evacuate the residual light species from the thin layer 10 and to promote the rearrangement of its crystal lattice. It also makes it possible to reinforce the bonding interface 5.
  • the heat treatment can also include or correspond to an epitaxy of silicon carbide on the thin layer 10.
  • the support substrate 20, and in particular the vitreous carbon film 30, is perfectly compatible with the heat treatments potentially at very high temperatures applied during the development of the composite structure 100.
  • transfer step f) can comprise a step of reconditioning the rest 1' of the donor substrate with a view to reuse as donor substrate 1 for a new composite structure 100.
  • Mechanical and/or chemical treatments similar to those applied to the composite structure 100, can be implemented at the level of the front face 1'a of the remaining substrate 1'.
  • the composite structure 100 obtained comprises a thin layer 10 of monocrystalline silicon carbide placed on the support substrate 20, said support substrate 20 including an initial substrate 2 of polycrystalline silicon carbide and a vitreous carbon film 30, in contact with the front surface 2a of the initial substrate 2.
  • the composite structure 100 is described here in the case of a first material in c-SiC and a second material in p-SiC.
  • the invention also relates to a composite structure 100 based on other pairs of first and second materials (stated non-exhaustively above), in particular a composite structure 100 comprising a thin c-GaN layer and an initial substrate 2 (included in the support substrate 20) in p-AlN.
  • An intermediate layer 4 and/or an additional layer as mentioned in the method may optionally be interposed between the glassy carbon film 30 and the thin layer 10.
  • the case of an intermediate layer 4 made of carbon is advantageous in that it does not add a separate material interface likely to increase the total vertical resistance and provides very good temperature resistance.
  • the electrical conduction at the interface between the thin layer 10 and the intermediate layer 4 or the glassy carbon film 30 is advantageously less than or equal to 10 -4 ohm.cm 2 , or even less than 10 -5 ohm.cm 2 , or even even less than 10 -6 ohm.cm 2 .
  • Such a composite structure 100 is extremely robust to heat treatments at high temperatures likely to be applied to manufacture components on and/or in said layer 20.
  • the composite structure 100 according to the invention is particularly suitable for producing a (or more) high-voltage microelectronic component(s), such as for example Schottky diodes, MOSFET transistors, etc. It responds more generally to power microelectronic applications, by allowing excellent vertical electrical conduction, good thermal conductivity and by providing a useful layer of high quality monocrystalline material.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant une couche mince en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : a) la fourniture d'un substrat initial en un deuxième matériau poly-cristallin, b) le dépôt par enduction centrifuge, au moins sur une face avant du substrat initial, d'une couche de résine polymère comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions, c) l'application d'un premier recuit à une température comprise entre 120°C et 180°C au substrat initial muni de la couche de résine polymère, pour former une couche de résine polymère réticulée, d) l'application d'un deuxième recuit à une température supérieure à 600°C, sous atmosphère neutre, pour transformer la couche de résine polymère réticulée en un film de carbone vitreux. L'invention concerne également une structure composite comprenant une couche mince en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support, ledit substrat support incluant : - un substrat initial en un deuxième matériau poly-cristallin, - un film de carbone vitreux, en contact avec la surface avant du substrat initial.

Description

STRUCTURE COMPOSITE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention vise le domaine de la microélectronique et des semi-conducteurs. En particulier, l’invention concerne un substrat en matériau poly-cristallin comportant un film superficiel en carbone vitreux, et particulièrement adapté pour recevoir une couche mince transférée d’un substrat donneur. L’invention concerne également un procédé de fabrication dudit substrat support et de la structure composite issue du transfert de la couche mince sur le substrat support.
ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Le carbure de silicium (SiC) est de plus en plus largement utilisé pour la fabrication de dispositifs de puissance performants. Les substrats en SiC monocristallin (c-SiC) de haute qualité, 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, pour élaborer des structures composites comprenant typiquement une couche mince en c-SiC (issue d’un substrat en c-SiC de haute qualité et destinée à accueillir les parties fonctionnelles sensibles des dispositifs) sur un substrat support plus bas coût, par exemple en SiC poly-cristallin (p-SiC).
Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart Cut®, basé sur une implantation d’ions légers dans un substrat donneur (c-SiC) et sur un assemblage, par collage direct, au niveau d’une interface de collage entre le substrat donneur et un substrat support (par exemple en p-SiC).
Les substrats en p-SiC, du fait de la dureté du matériau et de la structure poly-cristalline, sont difficiles à polir et présentent en général des rugosités de surface résiduelles qui complexifient un assemblage par collage direct. En effet, un collage direct ne fait pas appel à des substances adhésives mais fait intervenir des liaisons moléculaires entre les surfaces des substrats mis en contact : un tel collage nécessite donc une excellente planéité ainsi que de très faibles rugosités et défectivités de surface.
Il est connu de déposer une couche intermédiaire sur l’un et/ou l’autre des substrats à assembler, ladite couche étant facile à préparer (faible rugosité, notamment) en vue de l’assemblage par collage direct. Il est à noter que cette couche intermédiaire ne doit pas affecter les performances des dispositifs élaborés sur la structure composite ; en l’occurrence, pour les dispositifs verticaux de puissance, une telle couche intermédiaire ne doit pas affecter la conductivité électrique verticale entre la couche mince en c-SiC et le substrat support en p-SiC.
Il est notamment connu de l’état de la technique l’utilisation de couches intermédiaires métalliques pour assurer une conduction verticale dans la structure composite.
Bien que la présente introduction évoque essentiellement l’intérêt de structures composites à base de carbure de silicium, des structures composites à base d’autres matériaux, performants mais onéreux en substrat de grande dimension et complexes à préparer en vue d’un transfert de couche mince, comme l’est le SiC, peuvent également être concernées. On peut citer par exemple une structure composite comprenant une couche mince en nitrure de galium (GaN) et un substrat support poly-cristallin, par exemple en nitrure d’aluminium (AlN).
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention propose une solution, alternative aux solutions de l’état de la technique, qui favorise l’obtention d’une faible rugosité de surface du substrat support et favorise ses propriétés électriques et thermiques. L’invention concerne en particulier un substrat initial poly-cristallin comportant un film superficiel en carbone vitreux, particulièrement adapté pour recevoir une couche utile transférée d’un substrat donneur. L’invention concerne également un procédé de fabrication dudit substrat support et de la structure composite issue du transfert de la couche mince sur le substrat support.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite comprenant une couche mince en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
a) la fourniture d’un substrat initial en un deuxième matériau poly-cristallin,
b) le dépôt par enduction centrifuge, au moins sur une face avant du substrat initial, d’une couche de résine polymère comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions,
c) l’application d’un premier recuit à une température comprise entre 120°C et 180°C au substrat initial muni de la couche de résine polymère, pour former une couche de résine polymère réticulée,
d) l’application d’un deuxième recuit à une température supérieure à 600°C, sous atmosphère neutre, pour transformer la couche de résine polymère réticulée en un film de carbone vitreux.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • le procédé comprend, après l’étape d), une étape e) de polissage mécanique et/ou mécano-chimique du film de carbone vitreux ;
  • la résine polymère est à base de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d’alcool polyfurfurylique, d’alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène ;
  • le procédé comprend une étape f) de transfert d’une couche mince formée du premier matériau monocristallin directement sur le film de carbone vitreux ou via une couche intermédiaire ;
  • l’étape f) met en œuvre un assemblage entre un substrat donneur comprenant le premier matériau monocristallin, dont sera issue la couche mince, et le film de carbone vitreux, par collage direct, pour former un ensemble collé ;
  • le substrat donneur comprend un plan fragile enterré qui délimite, avec une face avant dudit substrat, la couche mince à transférer, et l’étape f) met en œuvre une séparation de l’ensemble collé le long du plan fragile enterré, pour donner lieu d’une part, à une structure composite incluant la couche mince disposée sur le film de carbone vitreux, elle-même disposée sur le substrat initial, et d’autre part, le reste du substrat donneur ;
  • le premier matériau monocristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure de galium, le silicium, le silicium-germanium, le germanium, les composés III-V, ou autres matériaux semi-conducteurs, ou parmi les matériaux piézoélectriques ;
  • le deuxième matériau poly-cristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, le silicium, le silicium-germanium, le germanium, les composés III-V ou autres matériaux semi-conducteurs, ou parmi les matériaux piézoélectriques ;
  • le premier matériau et le deuxième matériau sont semi-conducteurs.
L’invention concerne également une structure composite comprenant une couche mince en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support, ledit substrat support incluant :
- un substrat initial en un deuxième matériau poly-cristallin,
- un film de carbone vitreux, en contact avec la surface avant du substrat initial.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • le substrat initial présente une rugosité de surface comprise entre 10nm et 2μm crête-à-creux, mesurée par microscopie à force atomique sur une zone de surface inférieure ou égale à 30μm x 30μm ;
  • le film de carbone vitreux présente une épaisseur comprise entre 100nm et 4μm ;
  • la structure composite comprend une couche intermédiaire, entre la couche mince et le film de carbone vitreux, choisie parmi le silicium, le carbure de silicium, le carbone, le tungstène ou le titane ;
  • le premier matériau monocristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure de gallium, ou autres matériaux semi-conducteurs, et le deuxième matériau poly-cristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, ou autres matériaux semi-conducteurs.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
Les figures 1a, 1b, 1c et 1d présentent des étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat support, conforme à l’invention ;
La présente un exemple d’état de surface d’un substrat initial composant un substrat support conforme à l’invention ;
La présente un exemple d’état de surface d’un film de carbone vitreux composant un substrat support conforme à l’invention ;
Les figures 4a, 4b, 4c, 4c’, 4d présentent des étapes du procédé de fabrication d’une structure composite, conforme à l’invention.
Certaines 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.
Les mêmes références sur les figures ou dans la description pourront être utilisées pour des éléments de même nature.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite 100 comprenant une couche mince 10 en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support 20, lequel est au moins en partie composé d’un deuxième matériau poly-cristallin ( ). La structure composite 100 visée autorise une conduction électrique verticale entre la couche mince 10 et le substrat support 20, en particulier pour des applications d’électronique de puissance.
En particulier, le premier matériau monocristallin peut être choisi parmi le carbure de silicium (c-SiC), le nitrure de galium (c-GaN), le silicium, le silicium-germanium, le germanium, les composés III-V, ou autres matériaux semi-conducteurs, ou encore des matériaux piézoélectriques tels que le tantalate de lithium, le niobate de lithium, etc.... Le deuxième matériau poly-cristallin peut être choisi parmi le carbure de silicium (p-SiC), le nitrure d’aluminium (p-AlN), le silicium (p-Si), ou tout matériau énoncé ci-dessus en référence au premier matériau mais présentant une structure poly-cristalline ou comportant une couche poly-cristalline superficielle. Dans la structure composite 100, les premiers matériaux énoncés pourront être associés à l’un ou l’autre des deuxièmes matériaux ci-dessus, à condition bien sûr que cela présente un intérêt pour l’application finale. Avantageusement, la structure composite 100 sera formée d’un premier et d’un deuxième matériau présentant des coefficients de dilatation thermique voisins.
Dans la suite de la description, nous décrirons en particulier le cas d’un premier matériau en c-SiC et d’un deuxième matériau en p-SiC. Cette description s’applique néanmoins à tout autre couple de premier et deuxième matériau. Lorsque certaines situations le nécessiteront, des précisions seront apportées pour les différentes natures de premiers et deuxièmes matériaux.
Le procédé de fabrication comprend en premier lieu une étape a) de fourniture d’un substrat initial 2 en carbure de silicium poly-cristallin (p-SiC), présentant une face avant 2a et une face arrière 2b ( ). Le substrat initial 2 peut être élaboré par une technique classique telle que le frittage ou le dépôt chimique en phase vapeur.
Le substrat initial 2 se présente préférentiellement sous la forme d’une plaquette de diamètre 100mm, 150mm, 200mm voire 300mm et d’épaisseur comprise typiquement entre 300 et 800 microns.
L’état de surface de la face avant 2a du substrat initial 2 est préférentiellement choisi de sorte que la rugosité crête-à-creux (appelée par la suite « rugosité PV » en référence à « peak-to-valley » selon la terminologie anglo-saxonne) soit inférieure ou égale à quelques micromètres, typiquement inférieure ou égale à 2 μm, à 1 μm, à 500 nm, à 100 nm, ou encore à 50nm.
Dans le contexte de la présente invention, la rugosité est mesurée par microscopie à force atomique (AFM) sur une zone de surface (zone de balayage ou « scan ») inférieure ou égale à 30μm x 30μm. La zone de surface mesurée pourra par exemple s’étendre sur 5μm x 5μm, 10μm x 10μm, 20μm x 20μm ou 30μm x 30μm. On parlera par la suite de rugosité PV et de rugosité moyenne quadratique ou RMS.
Rappelons qu’il est complexe d’obtenir un très bon état de surface sur un substrat en p-SiC, du fait de la dureté du matériau et de la structure poly-cristalline : un polissage mécanique ou mécano-chimique peut générer la formation de rayures à la surface du substrat et l’apparition de défauts (trous) du fait de l’arrachage intempestif de grains p-SiC à la surface.
Un exemple d’état de surface d’un substrat initial 2 est donné en . Bien que la rugosité RMS demeure inférieure à 1nm, on observe une rugosité PV pouvant excéder 30nm du fait de la présence de rayures à la surface. Un tel état de surface est susceptible de générer des défauts physiques (trous) au niveau de la future interface entre le substrat et la couche mince de la structure composite 100 : cela amène à dégrader la qualité et l’intégrité de la couche mince transférée ainsi que la conductivité électrique de l’interface.
Typiquement, dans le cadre de la présente invention, le substrat initial 2 peut présenter une rugosité PV de surface jusqu’à quelques micromètres, ce qui relaxe fortement les contraintes de fabrication ou d’approvisionnement du substrat initial 2.
Il n’est pas précisé ici l’état de surface de la face arrière 2b du substrat initial 2. Il peut être similaire à celui de la face avant 2a ou plus dégradé, à condition qu’il n’affecte pas globalement la courbure ou la qualité (défectivité) du substrat initial 2.
Pour accommoder l’état de surface du substrat initial 2, le procédé de fabrication selon l’invention prévoit une étape b) comprenant un dépôt par enduction centrifuge, au moins sur la face avant 2a du substrat initial 2, d’une couche de résine polymère 3 ( ). Une caractéristique importante de cette couche est qu’elle comporte des liaisons carbone-carbone (C-C) préformées dans les trois dimensions (3D). Dans cette couche, les chaines polymères carbonées, qui présentent des enchainements de liaisons C-C, sont dispersées aléatoirement dans un solvant : elles présentent ainsi une structure en 3D plus ou moins aléatoire. Plus ces chaines sont dispersées aléatoirement en 3D, moins on va favoriser la graphitisation et plus on va se rapprocher d’un état vitreux, lors de la réticulation.
On favorise ici une couche de résine polymère 3 menant à un rapport amorphe / cristallin le plus élevé possible, après réticulation, pour l’obtention d’un film de carbone vitreux 30, à l’issue d’une étape d) ultérieure du procédé.
La résine polymère peut être formée de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d’alcool polyfurfurylique, d’alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène, etc.
A titre d’exemple, des résines photosensibles connues, habituellement mises en œuvre pour des étapes de photolithographie dans le domaine de la microélectronique, peuvent être utilisées, telles que les produits commerciaux :
- AZ-5214, AZ-4330, AZ-P4620 (marques déposées) (à base de 1-methoxy-2-propanol acetate, esters diazonaphthoquinonesulfonic, 2-methoxy-1-propanol acetate, résine Cresol novolak),
- OCG-825 (à base d’ethyl-3-ethoxypropionate),
- SU-8 2000 (à base de cyclopentanone, sels triarylsulfonium/hexafluoroantimonate, propylene carbonate, résine epoxy).
Des résines époxy, telles que par exemple le produit Epoxy Novolac EPON (marque déposée) proposé pour recouvrir et protéger différentes surfaces dans des domaines variés (aéronautique, marine, automobile, construction...), peuvent également être mises en œuvre à l’étape b) du procédé selon l’invention.
L’étalement par centrifugation effectué à l’étape b) nécessite que la solution de résine polymère se présente sous forme visqueuse.
Ce mode de dépôt est particulièrement avantageux car la solution visqueuse vient combler les creux (trous et rayures) présents à la surface du substrat initial 2 et planarise donc efficacement ces microreliefs.
L’épaisseur de la couche de résine polymère 3 déposée à l’étape b) peut varier typiquement entre quelques centaines de nanomètres (par exemple 500nm) et plusieurs microns (par exemple 3 à 5 μm).
Le procédé de fabrication comprend ensuite une étape c) consistant en l’application d’un recuit (dit premier recuit), présentant un palier à une température comprise entre 120°C et 180°C, au substrat initial 2 muni de la couche de résine polymère 3 ( ). Le palier peut avoir une durée comprise entre quelques minutes (typiquement 30min) et quelques heures (typiquement 2h). Une montée en température progressive, à savoir entre 1°C/min et 5°C/min, depuis la température ambiante jusqu’au palier est préférée, de manière à dégazer progressivement la couche de résine polymère 3 et à évacuer le solvant et les impuretés initialement présents dans la solution visqueuse.
Des paliers intermédiaires pourront également être prévus dans le cycle thermique du premier recuit, en fonction de la nature de la résine polymère.
A la suite du premier recuit, la couche de résine polymère 3’ est réticulée, donc solidifiée contre la surface avant 2a du substrat initial 2. La réticulation se caractérise par la formation de liaisons entre les chaines carbonées, ce qui va se traduire par la solidification de la couche 3’. L’arrangement, dans la couche de résine polymère réticulée 3’, des chaines polymères en 3 dimensions va influencer l’orientation en 3 dimensions des chaines de liaisons de type sp2, lors de l’étape d) suivante du procédé.
Enfin, le procédé de fabrication comprend une étape d) consistant en l’application d’un deuxième recuit présentant un palier à une température supérieure à 600°C, préférentiellement supérieure à 700°C, sous atmosphère neutre, pour transformer la couche de résine polymère réticulée 3’ en un film de carbone vitreux 30 ( ). La température de palier peut par exemple être de 650°C, 750°C, 800°C ou encore 850°C, ou plus. La température de ce palier pourra aller jusqu’à environ 1800°C, en prenant soin de rester compatible avec la nature du deuxième matériau composant le substrat initial 2.
Ce deuxième recuit provoque une carbonisation de la couche réticulée 3’. Il est essentiel que cette carbonisation donne lieu à une structure de carbone vitreux, laquelle présente des liaisons atomiques carbone-carbone (C-C) de type sp2. La structure de carbone vitreux peut être caractérisée par spectroscopie Raman, avec une signature de bande particulière (G-band), ou par ellipsométrie, avec une signature d’absorption spécifique comme cela est connu dans la littérature.
Le film de carbone vitreux 30 présente avantageusement 100% de liaisons atomiques C-C de type sp2 ; si des inclusions d’une autre phase sont présentes dans le film 30, il peut être toléré que le pourcentage de liaisons atomiques sp2 soient supérieur à 95%, ou préférentiellement supérieur à 99%.
L’atmosphère neutre du deuxième recuit est typiquement à base d’argon et/ou sous vide (à savoir à une pression inférieure à l’atmosphère et jusqu’à quelques mBar). Le deuxième recuit s’opère avec une montée en température pouvant aller de 5°C/min, à 15°C/min, et jusqu’à 50°C/min, voire 100°C/min, depuis la température ambiante jusqu’au palier. La durée du palier peut varier entre quelques minutes (par exemple 30min) et quelques heures (par exemple 2h).
Le film de carbone vitreux 30 présente typiquement une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres (typiquement 500-600nm) et quelques micromètres (typiquement 1, 2, 3 ou 4μm). De manière préférentielle, le film de carbone vitreux 30 présente une épaisseur de l’ordre de dix fois la rugosité PV de surface du substrat initial 2.
Il est important de tenir compte de la contraction que la couche visqueuse de résine polymère 3 (déposée à l’étape b) du procédé) va subir lors du premier recuit (étape c) et surtout lors du deuxième recuit (étape d), pour définir son épaisseur initiale suffisante en vue de l’obtention de l’épaisseur visée de film de carbone vitreux 30. La contraction en épaisseur peut être typiquement entre 70% et 95%. Le ratio carbone, c’est-à-dire le ratio entre la masse du film de carbone vitreux 30 et la masse initiale de la couche de résine polymère 3 étalée, doit être d’au moins 5%, préférentiellement supérieur à 50%.
Le substrat initial 2 muni du film de carbone vitreux 30 correspond au substrat support 20 selon la présente invention. La présente un exemple d’état de surface du substrat support 20 du côté de sa face avant 20a, c’est-à-dire du côté de la face libre du film de carbone vitreux 30. Une rugosité moyenne quadratique inférieure ou égale à 0,8nm RMS et une rugosité crête-à-creux inférieure ou égale à 7nm PV peut être obtenue, en partant des rugosités de substrat initial 2 indiquée en . Les rugosités sont ici encore mesurées par microscopie à force atomique sur une zone de surface inférieure ou égale à 30μm x 30μm.
L’état de surface est significativement amélioré par rapport à la surface 2a du substrat initial 2 ; on observe une forte résorption des rayures et autres défauts en creux et une rugosité typiquement inférieure ou égale à 1nm RMS et 10nm PV. Cet état de surface est particulièrement favorable à un assemblage par collage direct avec une très bonne qualité d’interface.
Avantageusement, le procédé de fabrication selon l’invention comprend, après l’étape d), une étape e) de polissage mécanique et/ou mécano-chimique du film de carbone vitreux 30, pour ajuster son épaisseur ou pour encore améliorer sa rugosité de surface.
A l’issue de l’étape e), on vise par exemple une rugosité RMS inférieure à 1nm, voire 0,5nm, et une rugosité PV inférieure à 5nm.
En outre, le film en carbone vitreux 30 présente d’excellentes caractéristiques de conduction électrique, avec une résistivité typiquement inférieure à 6.10-3ohm.cm.
Les propriétés mécaniques, électriques et thermiques du film de carbone vitreux 30 font du substrat support 20 un excellent candidat pour la fabrication d’une structure composite 100 par transfert d’une couche mince 10 en carbure de silicium monocristallin (c-SiC) sur ledit substrat support 20.
Notons que ces propriétés mécaniques, électriques et thermiques sont également un atout dans une structure composite 100 dont le substrat support 20 comprendrait par exemple un substrat initial 2 en p-AlN et dont la couche mince 10 serait par exemple en c-GaN, ou autres combinaisons de premiers et deuxièmes matériaux.
Revenant à la description d’une structure composite à base de SiC, le procédé de fabrication conforme à l’invention peut ainsi comprendre une étape f) de transfert d’une couche mince 10 en c-SiC sur le film de carbone vitreux 30.
Il existe différentes options, connues de l’état de la technique pour effectuer un transfert de couche mince, qui ne seront pas décrites ici de manière exhaustive.
Selon un mode préféré, l’étape f) du procédé implique une implantation d’espèces légères selon le principe du procédé Smart Cut®.
Dans une première phase f1), un substrat donneur 1 en carbure de silicium monocristallin, dont sera issue la couche mince 10, est fourni ( ). Le substrat donneur 1 se présente préférentiellement sous la forme d’une plaquette de diamètre 100mm, 150mm, 200mm voire 300mm (identique à ou très proche de celui du substrat support 20) et d’épaisseur comprise typiquement entre 300μm et 800μm. Il présente une face avant 1a et une face arrière 1b. La rugosité de surface de la face avant 1a est avantageusement choisie inférieure à 1nm RMS, voire inférieure à 0,5nm RMS, mesurée par microscopie à force atomique (AFM) sur une zone de surface par exemple de 20μm x 20μm. Le substrat donneur 1 peut être de polytype 4H ou 6H, et présenter un dopage de type n ou p, en fonction des besoins des composants qui seront élaborés sur et/ou dans la couche mince 10 de la structure composite 100.
Notons que le substrat donneur 1 destiné à former une couche mince 10 en c-GaN pourra être formé à partir d’un substrat de base en GaN, SiC, Si(111) ou saphir sur lequel une épitaxie de GaN monocristallin sera réalisée, selon les procédés classiques.
Une deuxième phase f2) correspond à l’introduction d’espèces légères dans le substrat donneur 1 pour former un plan fragile enterré 11 délimitant, avec une face avant 1a du substrat donneur 1, la couche mince 10 à transférer ( ).
Les espèces légères sont préférentiellement de l’hydrogène, de l’hélium ou une co-implantation de ces deux espèces, et sont implantées à une profondeur déterminée dans le substrat donneur 1, cohérente avec l’épaisseur de la couche mince 10 visée. Ces espèces légères vont former, autour de la profondeur déterminée, des microcavités distribuées dans une fine couche parallèle à la surface libre 1a du substrat donneur 1, soit parallèle au plan (x,y) sur les figures. On appelle cette fine couche le plan fragile enterré 11, par souci de simplification.
L’énergie d’implantation des espèces légères est choisie de manière à atteindre la profondeur déterminée. Par exemple, des ions hydrogène seront implantés à une énergie comprise entre 10 keV et 250 keV, et à une dose comprise entre 5E16/cm2 et 1E17/cm2, pour délimiter une couche mince 10 présentant une épaisseur de l’ordre de 100nm à 1500nm. Notons qu’une couche de protection pourra être déposée sur la face avant 1a du substrat donneur 1, 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. Elle est retirée préalablement à la phase suivante.
Optionnellement, une couche intermédiaire 4 peut être formée sur la face avant 1a du substrat donneur 1, avant ou après la deuxième phase f2) d’introduction des espèces légères. Cette couche intermédiaire 4 peut être en un matériau semi-conducteur ou en un matériau métallique ; par exemple, on pourra choisir le silicium, le carbure de silicium, l’oxycarbure de silicium (SiOC), le carbone, par exemple un carbone vitreux ou turbostratique, le tungstène, le titane, etc. L’épaisseur de la couche intermédiaire 4 est avantageusement limitée, typiquement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres.
Dans le cas où la couche intermédiaire 4 est formée avant la phase f2), l’énergie d’implantation (et potentiellement la dose) des espèces légères sera ajustée à la traversée de cette couche supplémentaire. Dans le cas où la couche intermédiaire 4 est formée après la phase f2), on prendra soin de former cette couche en appliquant un budget thermique inférieur au budget thermique de bullage, ledit budget thermique de bullage correspondant à l’apparition de cloques à la surface du substrat donneur 1 du fait d’une croissance et d’une mise sous pression trop importante des microcavités dans le plan fragile enterré 11.
L’étape f) de transfert comprend ensuite une troisième phase f3) d’assemblage du substrat donneur 1, du côté de sa face avant 1a, sur le substrat support 20, du côté de sa première face 20a, par collage par adhésion moléculaire, le long d’une interface de collage 5 pour former un ensemble collé 50 (figures 4c, 4c’).
De manière optionnelle, une couche additionnelle peut également être déposée sur la face à assembler du substrat support 20 (à savoir sur la couche de carbone vitreux 30), préalablement à la phase f3) d’assemblage ; elle peut être choisie de même nature ou de nature différente de la couche intermédiaire 4 évoquée pour le substrat donneur 1. Une couche intermédiaire 4 ou additionnelle peut éventuellement n’être déposée que sur l’un ou l’autre des deux substrats 1,20 à assembler.
L’objectif de la (ou des) couche(s) intermédiaire(s) est essentiellement de favoriser l’énergie de collage (notamment dans la gamme de températures inférieures à 1100°C), du fait de la formation de liaisons covalentes à plus basses températures que dans le cas d’un assemblage direct sans cette(ces) couche(s) intermédiaire(s) ; un autre avantage de cette(ces) couche(s) intermédiaire(s) peut être d’améliorer encore la conduction électrique verticale de l’interface de collage 5.
Revenant à la description de la phase f3) d’assemblage, et comme cela est bien connu en soi, le collage direct par adhésion moléculaire ne nécessite pas une matière adhésive, car des liaisons s’établissent à l’échelle atomique entre les surfaces assemblées. Plusieurs types de collage par adhésion moléculaire existent, qui diffèrent notamment par leurs conditions de température, de pression, d’atmosphère ou de traitements préalables à la mise en contact des surfaces. On peut citer le collage à température ambiante avec ou sans activation préalable par plasma des surfaces à assembler, le collage par diffusion atomique (« Atomic diffusion bonding » ou ADB selon la terminologie anglo-saxonne), le collage avec activation de surface (« Surface-activated bonding » ou SAB), etc.
La phase f3) d’assemblage peut comprendre, préalablement à la mise en contact des faces 1a,20a à assembler, des séquences classiques de nettoyages par voie chimique (par exemple, nettoyage RCA), d’activation de surface (par exemple, par plasma oxygène ou azote) ou autres préparations de surface (telles que le nettoyage par brossage (« scrubbing »)), susceptibles de favoriser la qualité de l’interface de collage 5 (faible défectivité, forte énergie d’adhésion).
Enfin, une quatrième phase f4) comprend la séparation le long du plan fragile enterré 11, qui mène au report de la couche mince 10 sur le substrat support 20 ( ).
La séparation le long du plan fragile enterré 11 s’opère habituellement par l’application d’un traitement thermique à l’ensemble collé 50, à une température comprise entre 800°C et 1200°C (dans le cas décrit d’un ensemble collé 50 à base de SiC). Bien sûr, cette température dépend fortement de la nature des premier et deuxième matériaux impliqués dans l’ensemble collé 50, comme cela est connu de l’homme du métier, et sera naturellement ajustée en fonction des matériaux choisis.
Un tel traitement thermique induit le développement des cavités et microfissures dans le plan fragile enterré 11, et leur mise sous pression par les espèces légères présentes sous forme gazeuse, jusqu’à la propagation d’une fracture le long dudit plan fragile 11. Alternativement ou conjointement, une sollicitation mécanique peut être appliquée à l’ensemble collé 50 et en particulier au niveau du plan fragile enterré 11, de manière à propager ou aider à propager mécaniquement la fracture menant à la séparation. A l’issue de cette séparation, on obtient d’une part la structure composite 100 comprenant le substrat support 20 et la couche mince monocristalline 10 transférée, et d’autre part, le reste 1’ du substrat donneur. Le niveau et le type de dopage de la couche mince 10 sont définis par le choix des propriétés du substrat donneur 1 ou peuvent être ajustés ultérieurement via les techniques connues de dopage de couches semi-conductrices.
La surface libre 10a de la couche mince 10 est habituellement rugueuse après séparation : par exemple, elle présente une rugosité comprise entre 5nm et 100nm RMS (AFM, scan 20μm x 20μm). Des phases de nettoyage et/ou de lissage peuvent être appliquées pour restaurer un bon état de surface (typiquement, une rugosité inférieure à quelques angströms RMS, sur un scan de 20μm x 20μm par AFM). En particulier, ces phases peuvent comprendre un traitement de lissage mécano-chimique de la surface libre de la couche mince 10. Un enlèvement compris entre 50nm et 300nm permet de restaurer efficacement l’état de surface de ladite couche 10. Elles peuvent également comprendre au moins un traitement thermique, par exemple à une température comprise entre 1300°C et 1800°C dans le cas de la structure composite 100 à base de SiC.
Un tel traitement thermique est appliqué pour évacuer les espèces légères résiduelles de la couche mince 10 et pour favoriser le réarrangement de son réseau cristallin. Il permet en outre de renforcer l’interface de collage 5.
Le traitement thermique peut également comprendre ou correspondre à une épitaxie de carbure de silicium sur la couche mince 10.
Le substrat support 20, et notamment le film de carbone vitreux 30, est parfaitement compatible avec les traitements thermiques potentiellement à très hautes températures appliqués au cours de l’élaboration de la structure composite 100.
Enfin, notons que l’étape f) de transfert peut comprendre une étape de reconditionnement du reste 1’ du substrat donneur en vue d’une réutilisation en tant que substrat donneur 1 pour une nouvelle structure composite 100. Des traitements mécaniques et/ou chimiques, similaires à ceux appliqués à la structure composite 100, peuvent être mis en œuvre au niveau de la face avant 1’a du substrat restant 1’.
La structure composite 100 obtenue comprend une couche mince 10 en carbure de silicium monocristallin disposée sur le substrat support 20, ledit substrat support 20 incluant un substrat initial 2 en carbure de silicium poly-cristallin et un film de carbone vitreux 30, en contact avec la surface avant 2a du substrat initial 2.
Comme évoqué précédemment en référence au procédé de fabrication selon l’invention, la structure composite 100 est décrite ici dans le cas d’un premier matériau en c-SiC et d’un deuxième matériau en p-SiC. L’invention concerne également une structure composite 100 basée sur d’autres couples de premier et deuxième matériaux (énoncés de manière non exhaustive précédemment), notamment une structure composite 100 comprenant une couche mince en c-GaN et un substrat initial 2 (inclus dans le substrat support 20) en p-AlN.
Une couche intermédiaire 4 et/ou une couche additionnelle telles qu’évoquées dans le procédé peuvent éventuellement être intercalées entre le film de carbone vitreux 30 et la couche mince 10. Le cas d’une couche intermédiaire 4 en carbone est avantageuse en ce qu’elle n’ajoute pas d’interface de matériau distinct susceptible d’augmenter la résistance totale verticale et procure une très bonne tenue en température.
La conduction électrique à l’interface entre la couche mince 10 et la couche intermédiaire 4 ou le film de carbone vitreux 30 est avantageusement inférieure ou égale à 10-4 ohm.cm2, voire inférieure à 10-5 ohm.cm2, voire même inférieure à 10-6 ohm.cm2.
Une telle structure composite 100 est extrêmement robuste aux traitements thermiques à hautes températures susceptibles d’être appliqués pour fabriquer des composants sur et/ou dans ladite couche 20. La structure composite 100 selon l’invention est particulièrement adaptée pour l’élaboration d’un (ou plusieurs) composant(s) microélectronique(s) à haute tension, tels que par exemple des diodes Schottky, des transistors MOSFET, etc. Elle répond plus généralement aux applications microélectroniques de puissance, en autorisant une excellente conduction électrique verticale, une bonne conductibilité thermique et en procurant une couche utile en matériau monocristallin de haute qualité.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.

Claims (13)

  1. Procédé de fabrication d’une structure composite (100) comprenant une couche mince (10) en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support (20), le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
    a) la fourniture d’un substrat initial (2) en un deuxième matériau poly-cristallin,
    b) le dépôt par enduction centrifuge, au moins sur une face avant (2a) du substrat initial (2), d’une couche de résine polymère (3) comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions,
    c) l’application d’un premier recuit à une température comprise entre 120°C et 180°C au substrat initial (2) muni de la couche de résine polymère (3), pour former une couche de résine polymère réticulée (3’),
    d) l’application d’un deuxième recuit à une température supérieure à 600°C, sous atmosphère neutre, pour transformer la couche de résine polymère réticulée (3’) en un film de carbone vitreux (30)
    f) le transfert de la couche mince (10) formée du premier matériau monocristallin, directement sur le film de carbone vitreux (30) ou via une couche intermédiaire (4), ledit transfert impliquant une interface (5) de collage par adhésion moléculaire, entre une face du film de carbone vitreux (30) et une face de la couche mince (10), ou entre une face du film de carbone vitreux (30) et une face d’une couche intermédiaire (4) disposée entre ledit film de carbone vitreux (30) et la couche mince (10).
  2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, comprenant, après l’étape d), une étape e) de polissage mécanique et/ou mécano-chimique du film de carbone vitreux (30).
  3. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel la résine polymère (3) est à base de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d’alcool polyfurfurylique, d’alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène.
  4. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape f) met en œuvre un assemblage entre un substrat donneur (1) comprenant le premier matériau monocristallin, dont sera issue la couche mince (10), et le film de carbone vitreux (30), pour former un ensemble collé (50).
  5. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel :
    - le substrat donneur (1) comprend un plan fragile enterré (11) qui délimite, avec une face avant (1a) dudit substrat (1), la couche mince (10) à transférer, et
    - l’étape f) met en œuvre une séparation de l’ensemble collé (50) le long du plan fragile enterré (11), pour donner lieu d’une part, à une structure composite (100) incluant la couche mince (10) disposée sur le film de carbone vitreux (30), elle-même disposée sur le substrat initial (2), et d’autre part, le reste du substrat donneur (1).
  6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau monocristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure de galium, le silicium, le silicium-germanium, le germanium, les composés III-V, ou autres matériaux semi-conducteurs, ou parmi les matériaux piézoélectriques.
  7. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau poly-cristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, le silicium, le silicium-germanium, le germanium, les composés III-V ou autres matériaux semi-conducteurs, ou parmi les matériaux piézoélectriques.
  8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau et le deuxième matériau sont semi-conducteurs.
  9. Structure composite (100) comprenant une couche mince (10) en un premier matériau monocristallin disposée sur un substrat support (20), ledit substrat support (20) incluant :
    - un substrat initial (2) en un deuxième matériau poly-cristallin,
    - un film de carbone vitreux (30), en contact avec la surface avant (2a) du substrat initial (2),
    la structure composite (100) comprenant en outre une interface (5) de collage par adhésion moléculaire, entre une face du film de carbone vitreux (30) et une face de la couche mince (10) ou entre une face du film de carbone vitreux (30) et une face d’une couche intermédiaire (4) disposée entre ledit film de carbone vitreux (30) et la couche mince (10).
  10. Structure composite (100) selon la revendication précédente dans laquelle le substrat initial (2) présente une rugosité de surface comprise entre 10nm et 2μm crête-à-creux, mesurée par microscopie à force atomique sur une zone de surface inférieure ou égale à 30μm x 30μm.
  11. Structure composite (100) selon l’une des deux revendications précédentes, dans laquelle le film de carbone vitreux (30) présente une épaisseur comprise entre 100nm et 4μm.
  12. Structure composite (100) selon la revendication précédente comprenant une couche intermédiaire (4), entre la couche mince (10) et le film de carbone vitreux (30), choisie parmi le silicium, le carbure de silicium, le carbone, le tungstène ou le titane.
  13. Structure composite (100) selon l’une des revendications 9 à 12, dans laquelle le premier matériau monocristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure de gallium, ou autres matériaux semi-conducteurs, et le deuxième matériau poly-cristallin est choisi parmi le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, ou autres matériaux semi-conducteurs.
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