WO2024084179A1 - Procede de fabrication d'une couche piezoelectrique sur un substrat - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche (10) piézoélectrique sur un substrat (11), caractérisé en ce qu'il comprend : - la formation par une première épitaxie d'une couche germe (102) pseudomorphique d'un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur (100), - le transfert de la couche germe (102) et d'une portion (103) du substrat donneur (100) sur un substrat receveur (110) par l'intermédiaire d'au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice (105) adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe, - le retrait de la portion (103) du substrat donneur (100) transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe (102), - la formation d'une couche monocristalline (104) d'un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102).
Description
PROCEDE DE FABRICATION D’UNE COUCHE PIEZOELECTRIQUE SUR UN SUBSTRAT
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique sur un substrat.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Différents composants acoustiques sont utilisés pour le filtrage dans le domaine radiofréquence, dont les filtres à ondes acoustiques de surface, connus sous l’acronyme SAW (du terme anglo-saxon « Surface Acoustic Wave »), qui comprennent typiquement une couche piézoélectrique épaisse (c’est-à-dire d’épaisseur généralement de plusieurs dizaines de nm à plusieurs dizaines de pm) et deux électrodes sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Un signal électrique, typiquement une variation de tension électrique, appliqué à une électrode est converti en onde élastique qui se propage à la surface de la couche piézoélectrique. La propagation de cette onde élastique est favorisée si la fréquence de l’onde correspond à la bande de fréquence du filtre. Cette onde est à nouveau convertie en signal électrique en parvenant à l’autre électrode. La couche piézoélectrique doit présenter une excellente qualité cristalline pour ne pas engendrer d’atténuation de l’onde de surface. On préférera donc ici utiliser une couche monocristalline. A l’heure actuelle, les matériaux adéquats utilisables industriellement sont le quartz, le LiNbOs ou le LiTaCX
Actuellement, la couche piézoélectrique est obtenue par découpe d’un lingot de l’un desdits matériaux, ce qui a pour conséquence une précision faible pour l’épaisseur de ladite couche ainsi qu’une épaisseur non uniforme sur l’ensemble de la couche.
De plus, les diamètres des lingots de matériaux piézoélectriques sont inférieurs aux diamètres des lingots de matériaux utilisés pour le substrat, comme le silicium par exemple. Or, pour réaliser un transfert direct, en particulier un transfert de couche de type Smart Cut™, il est nécessaire que les substrats donneurs et receveurs soient de même diamètre.
Il subsiste à ce jour le besoin d’avoir des procédés permettant de former une couche piézoélectrique épaisse uniforme de haute qualité sur un substrat de grand diamètre.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de concevoir un procédé de fabrication d’un substrat pour un dispositif microélectronique, photonique ou optique, notamment mais de manière non limitative un dispositif à ondes acoustiques de surface, en particulier en permettant d’obtenir des couches épaisses (c’est-à-dire d’épaisseur supérieure à 5 pm, voire supérieure à 15
pm), uniformes, de haute qualité et de grand diamètre (c’est-à-dire de diamètre supérieur à 15 ou 20 cm).
Conformément à l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique sur un substrat, caractérisé en ce qu’il comprend ;
- la formation par une première épitaxie d’une couche germe d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur,
- le transfert de la couche germe et d’une portion du substrat donneur sur un substrat receveur par l’intermédiaire d’au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe,
- le retrait de la portion du substrat donneur transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe,
- la formation d’une couche monocristalline d’un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe.
Selon un premier mode de réalisation, le transfert de la couche germe et de la portion du substrat donneur comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter la portion à transférer, l’assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche germe étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, et la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée avant la formation de la zone de fragilisation.
Selon un deuxième mode de réalisation, le transfert de la couche germe et de la portion du substrat donneur comprend les étapes suivantes :
- la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter la portion à transférer,
- l’assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche germe étant à l’interface d’assemblage,
- le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, et la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée après la formation de la zone de fragilisation.
La zone de fragilisation peut être formée par implantation ionique, en particulier d’hydrogène et/ou d’hélium, dans le substrat donneur.
De préférence, la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée par dépôt de couche atomique. Alternativement, la formation de la couche germe sur le substrat donneur est réalisée par épitaxie par jet moléculaire.
De préférence, la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique est réalisée par une deuxième épitaxie.
De préférence, la deuxième épitaxie du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe est un dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques.
Alternativement, la formation de la couche monocristalline sur la couche germe est réalisée par un dépôt du deuxième matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit deuxième matériau.
De manière avantageuse, l’épaisseur de la couche germe est comprise entre 2 nm et 20 nm.
De manière avantageuse, la portion du substrat donneur transférée sur le substrat receveur présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
De manière avantageuse, l’épaisseur de la couche du deuxième matériau piézoélectrique à l’issue de la deuxième épitaxie est comprise entre 20 nm et 15 pm.
Selon une forme d’exécution particulière, le procédé comprend, après la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique, le transfert d’au moins une partie de la couche du deuxième matériau piézoélectrique sur un substrat final.
De manière avantageuse, la partie de la couche du deuxième matériau piézoélectrique transférée sur le substrat final présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
Le substrat receveur ou le substrat final peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Le substrat receveur ou le substrat final peut comprendre une couche de piégeage de charges.
Le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être identiques. Alternativement, le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être différents.
Selon un mode de réalisation, une couche intermédiaire adaptée pour la croissance épitaxiale de la couche germe sur le substrat donneur peut être formée sur le substrat donneur avant la formation de la couche germe.
Un autre objet concerne un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de surface, comprenant la formation de deux électrodes interdigitées sur la surface d’une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.
Un autre objet concerne un procédé de fabrication d’un dispositif photonique, comprenant la formation d’au moins un composant photonique, tel qu’un laser ou une diode électroluminescente, au moins en partie dans une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.
Un autre objet concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus, et deux électrodes interdigitées sur une face de la couche piézoélectrique.
Un autre objet concerne un dispositif photonique, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé tel que décrit ci- dessus, et au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, formé au moins en partie dans ladite couche piézoélectrique.
L’invention concerne également une structure comprenant au moins un tel dispositif à ondes acoustiques de surface et un tel dispositif photonique, comprenant une même couche piézoélectrique dans laquelle sont agencés ledit dispositif à ondes acoustiques de surface et ledit dispositif photonique.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue de principe en coupe d’un filtre à ondes acoustiques de surface, les figures 2A et 2B illustrent deux premières étapes successives du procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique monocristalline selon un premier mode de réalisation de l’invention, les figures 3A et 3B illustrent deux premières étapes successives dudit procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, les figures 4 à 8 illustrent des étapes successives dudit procédé selon le premier ou le deuxième mode de réalisation de l’invention, les figures 9 à 11 illustrent des étapes ultérieures optionnelles dudit procédé.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les éléments illustrés ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle. Par ailleurs, les éléments désignés par les mêmes signes de référence sur différentes figures sont identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
La figure 1 est une vue de principe d’un filtre à ondes acoustiques de surface.
Ledit filtre comprend une couche piézoélectrique 10 et deux électrodes 12, 13 sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Du côté opposé aux électrodes 12, 13, la couche piézoélectrique repose sur un substrat 11 . La couche piézoélectrique 10 est monocristalline, une excellente qualité cristalline étant en effet préférable pour ne pas engendrer d’atténuation de l’onde de surface.
D’une manière générale, l’invention propose la formation d’une couche piézoélectrique monocristalline au moyen d’un transfert d’une couche germe réalisée par épitaxie d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur, ledit transfert étant effectué du substrat donneur vers un substrat receveur. Ensuite, une couche d’un deuxième matériau piézoélectrique est formée sur la couche germe de sorte à obtenir l’épaisseur souhaitée pour la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique.
Le substrat donneur peut être un substrat massif monocristallin du premier matériau piézoélectrique ou d’un autre matériau. De manière alternative, le substrat donneur peut être un substrat composite, c’est-à-dire formé d’un empilement d’au moins deux couches de matériaux différents, dont une couche superficielle est constituée du premier matériau piézoélectrique monocristallin ou d’un autre matériau monocristallin. Ledit matériau monocristallin est adapté à la croissance par épitaxie de la couche germe ; en particulier, il présente un paramètre de maille suffisamment proche du paramètre de maille de la couche germe afin de ne pas générer de défauts cristallins lors de la croissance de la couche germe.
De manière particulièrement avantageuse, la couche germe est pseudomorphique, c’est-à-dire que le paramètre de maille réel du matériau de la couche germe est forcé, par exemple par des forces atomiques, à correspondre sensiblement au paramètre de maille du substrat donneur sur lequel elle est formée. A cet effet, l’épaisseur de la couche germe ne doit pas dépasser une épaisseur critique au-delà de laquelle il y aurait une relaxation de contraintes et une génération de défauts dans la couche germe. Cette épaisseur critique dépend du matériau de la couche germe. Par exemple, l’épaisseur critique est typiquement inférieure à 5 nm pour une couche germe de germanium formée sur un substrat de silicium. Généralement, l’épaisseur critique est comprise entre 2 nm et 20 nm selon les matériaux choisis pour la couche germe et pour le substrat.
Dans certains modes de réalisation, une couche intermédiaire (dite « couche intermédiaire d’épitaxie ») d’un matériau adapté à la croissance de la couche germe sur le substrat donneur peut être formée sur le substrat donneur avant la formation de la couche germe. L’utilité d’une telle couche intermédiaire dépend notamment de la stabilité chimique entre la couche germe et le substrat donneur. Ainsi, si la croissance de la couche germe directement sur le substrat donneur n’est pas entravée par des interactions ou des réactions chimiques entre le matériau de la couche germe et celui du substrat donneur, il n’est pas nécessaire d’utiliser une couche intermédiaire. En revanche, si des interactions ou des réactions chimiques entre le matériau de la couche germe et celui du substrat donneur sont susceptibles d’empêcher la croissance de la couche germe, il est souhaitable d’utiliser une couche intermédiaire en un matériau stable vis-à-vis du matériau du substrat donneur et du matériau de la couche germe. Par exemple, une couche de germanium monocristalline peut être formée sur un substrat donneur en silicium pour favoriser la croissance de la couche
germe du premier matériau piézoélectrique. Dans d’autres modes de réalisation, la couche intermédiaire peut être réalisée en titanate de strontium (SrTiOs) monocristallin, oxyde d’aluminium monocristallin (AI2O3), aluminate de lanthane monocristallin (LaAIO3), ou un métal monocristallin comme par exemple de l’aluminium.
Le substrat receveur a une fonction de support mécanique de la couche germe. Il peut être de toute nature adaptée à la mise en oeuvre d’une épitaxie (notamment en termes de tenue en température) et, de manière avantageuse mais non impérative, adaptée à l’application visée. Il peut être massif ou composite. De manière avantageuse, le substrat receveur peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Au moins une couche intermédiaire (dite « couche intermédiaire de relaxation ») est intercalée entre le substrat receveur et la couche germe. Par exemple, une telle couche intermédiaire peut être électriquement conductrice ou électriquement isolante. L’homme du métier est à même de choisir le matériau et l’épaisseur de cette couche en fonction des propriétés qu’il souhaite conférer au dispositif radiofréquence destiné à comprendre la couche piézoélectrique. Cette couche intermédiaire permet la relaxation libre de la couche germe. La couche germe transférée pseudomorphique peut ainsi librement reprendre son paramètre de maille pendant le transfert, ou entre le transfert et la formation de la deuxième couche du deuxième matériau piézoélectrique, ou encore pendant la formation de la deuxième couche du deuxième matériau piézoélectrique.
Le matériau de la couche intermédiaire peut avantageusement être choisi parmi l’oxyde de silicium (SiC>2), un nitrure ou un métal.
Ladite couche intermédiaire peut être formée sur le substrat donneur (sur la couche germe) ou sur le substrat receveur.
S’agissant d’une couche intermédiaire en oxyde de silicium, elle peut être déposée ou obtenue par oxydation thermique. La technique de formation de ladite couche est choisie notamment en fonction du substrat sur lequel elle doit être formée et d’éventuelles limites (par exemple, thermiques) à respecter. Par exemple, si la couche intermédiaire est formée sur le substrat receveur et que celui-ci contient des composants électroniques, on choisira une technique présentant un budget thermique ne risquant pas d’endommager lesdits composants.
De manière avantageuse, le substrat receveur peut être en matériau semi- conducteur. Il peut s’agir par exemple d’un substrat de silicium.
Dans certains modes de réalisation, notamment lorsque le substrat receveur constitue le support final de la couche piézoélectrique, le substrat receveur comprend une couche de type « trap-rich » (que l’on peut traduire en français par une couche de piégeage de charges), qui peut être soit formée sur le substrat receveur, soit formée dans une région superficielle du substrat receveur. Ladite couche de type « trap-rich » est ainsi située entre la couche germe et le substrat receveur et permet d’améliorer les performances d’isolation
électrique du substrat receveur. Ladite couche de type « trap-rich » peut être formée par au moins un matériau semi-conducteur de type polycristallin, amorphe ou poreux, en particulier du silicium polycristallin, du silicium amorphe ou du silicium poreux, sans se limiter à ces matériaux. De plus, en fonction de la tenue en température de la couche de type « trap- rich » pour la réalisation de l’épitaxie, il peut s’avérer avantageux d’introduire une couche supplémentaire entre le substrat receveur et ladite couche de type « trap-rich », afin d’éviter la recristallisation de cette dernière lors d’un traitement thermique.
La couche germe présente une épaisseur négligeable par rapport à l’épaisseur de la couche piézoélectrique monocristalline finale. Par conséquent, on considère qu’elle n’influe pas significativement sur le fonctionnement du dispositif radiofréquence incorporant la couche piézoélectrique monocristalline.
La couche germe présente typiquement une épaisseur comprise entre 1 nm et 20 nm.
L’épaisseur de la couche du deuxième matériau piézoélectrique formée sur la couche germe dépend des spécifications du dispositif destiné à incorporer la couche piézoélectrique monocristalline. A cet égard, l’épaisseur de la couche formée sur la couche germe n’est pas limitée ni en termes de valeur minimale ni de valeur maximale. L’épaisseur de la couche piézoélectrique finale est typiquement comprise entre 20 nm et 15 pm.
Le premier matériau piézoélectrique est choisi avantageusement parmi un composé de formule ABO3, où A est choisi parmi le baryum et le lithium et B est choisi parmi le titane et le niobium. Toutefois, l’intérêt que l’on peut porter à ces matériaux ne se limite pas à leur caractère piézoélectrique. Notamment pour d’autres applications, par exemple liées à l’optique intégrée, on pourra aussi s’y intéresser le cas échéant pour leur permittivité diélectrique, pour leurs indices de réfraction, ou encore pour leurs propriétés pyroélectriques, ferroélectriques ou encore ferromagnétiques par exemple et selon les cas.
La première épitaxie peut être réalisée par toute technique adaptée pour obtenir une haute qualité cristalline, notamment par dépôt de couche atomique (ALD, acronyme du terme anglo-saxon « Atomic Layer Deposition ») ou par épitaxie par jets moléculaires (MBE, acronyme du terme anglo-saxon « Molecular Beam Epitaxy »), etc. Ces techniques se caractérisent par une vitesse de croissance très faible. Cependant, la couche germe présentant une épaisseur faible, l’utilisation de l’une de ces techniques pour faire croître la couche germe a un faible impact économique sur le procédé mais permet d’obtenir une qualité cristalline de la couche germe, qui favorisera la qualité cristalline de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique.
Selon une première alternative, la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe peut être réalisée par une deuxième épitaxie.
La deuxième épitaxie peut être réalisée par toute technique procurant une vitesse de croissance plus grande que la première épitaxie, notamment par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD, acronyme du terme anglo-saxon « Metal Organic
Chemical Vapor Deposition »). Bien que procurant une qualité cristalline moins élevée que les techniques ALD ou MBE, cette deuxième épitaxie est plus économique pour faire croître une couche monocristalline relativement épaisse.
Selon une seconde alternative, la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique peut être réalisée par un dépôt dudit matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit matériau afin de lui conférer une structure monocristalline. Eventuellement, on peut procéder en plusieurs cycles successifs comprenant chacun un dépôt du matériau piézoélectrique amorphe sur une certaine épaisseur, suivi de la recristallisation du matériau sur ladite épaisseur, jusqu’à obtenir l’épaisseur totale souhaitée pour la couche du deuxième matériau piézoélectrique.
Le dépôt de matériau amorphe peut être réalisé par toute technique connue de l’homme du métier, et de manière avantageuse par MOCVD, par dépôt chimique en phase vapeur réalisé à pression sous-atmosphérique (LPCVD, acronyme du terme anglo-saxon « Low-Pressure Chemical Vapor Deposition »), par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, acronyme du terme anglo-saxon « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition ») ou par pulvérisation.
L’homme du métier est en mesure de déterminer les réactifs et les conditions opératoires en fonction du matériau piézoélectrique à faire croître et de la technique choisie.
Le transfert de la couche germe implique typiquement une étape de collage du substrat donneur et du substrat receveur, la couche germe et la couche intermédiaire de relaxation étant à l’interface de collage, puis une étape d’amincissement du substrat receveur de sorte à exposer la couche germe en vue de l’épitaxie ultérieure.
L’étape de collage peut être réalisée par exemple par collage moléculaire direct de type « wafer bonding » selon la terminologie anglo-saxonne, avec ou sans couche intermédiaire supplémentaire.
De manière particulièrement avantageuse, le transfert est réalisé selon le procédé Smart Cut™ qui est bien connu pour le transfert de couches minces semi-conductrices, notamment de silicium.
A cet effet, en référence à la figure 2A, selon un premier mode de réalisation, on fournit un substrat donneur 100 et on fait croître par une première épitaxie une couche d’un premier matériau piézoélectrique monocristallin, appelée couche germe 102. Le premier matériau piézoélectrique a un paramètre de maille proche de celui du substrat donneur. Ainsi, le substrat donneur 100 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche germe est atteinte. Sur cette figure, le substrat donneur 100 est représenté massif mais, comme indiqué plus haut, il pourrait éventuellement être composite.
Avantageusement mais de manière optionnelle, une couche intermédiaire d’épitaxie 106 peut être formée sur le substrat donneur 100 avant l’épitaxie de la couche germe 102. Dans un souci de simplification des figures, ladite couche 106 n’a pas été représentée sur les figures suivantes.
En référence à la figure 2B, on forme, par implantation ionique (schématisée par les flèches) à travers la couche germe dans le substrat donneur, une zone de fragilisation 101 qui délimite une couche monocristalline 103 à transférer, comprenant la couche germe et une portion du substrat donneur. De manière avantageuse, et selon le matériau piézoélectrique considéré, les espèces implantées sont de l’hydrogène ou de l’hélium, seuls ou en combinaison. L’homme du métier est à même de déterminer la dose et l’énergie d’implantation de ces espèces pour forme la zone de fragilisation à une profondeur déterminée, qui est de préférence comprise entre 0,2 pm et 0,6 pm : typiquement et toujours selon le matériau piézoélectrique et l’espèce implantée considérés, la dose est dans la gamme de 2 E+16 à 2 E+17 espèces ioniques/cm2, et l’énergie d’implantation est de 30keV à 500keV. La couche fragilisée enterrée peut également être obtenue par tout autre moyen connu de l’homme du métier, par exemple par porosification du matériau, ou encore par irradiation laser. Cependant, comme exposé plus bas, il existe des procédés de transfert ne nécessitant pas la mise en oeuvre d’une implantation ionique, et la présente invention peut être mise en oeuvre avec ces procédés.
Les figures 3A et 3B illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication d’une couche piézoélectrique monocristalline. Le deuxième mode de réalisation est une alternative au premier mode de réalisation, illustré sur les figures 2A et 2B, dans lequel l’implantation dans le substrat donneur est réalisée avant la formation de la couche germe par une première épitaxie.
En référence à la figure 3A, on fournit un substrat donneur 100 et on forme, par implantation ionique (schématisée par les flèches) dans le substrat donneur 100, une zone de fragilisation 101 qui délimite une couche monocristalline 103 à transférer.
En référence à la figure 3B, on fait croître par une première épitaxie une couche d’un premier matériau piézoélectrique monocristallin, appelée couche germe 102, sur la couche à transférer 103. Comme exposé précédemment, le substrat donneur 100 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. Le premier matériau piézoélectrique a un paramètre de maille proche de celui du substrat donneur. La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche germe est atteinte. Sur cette figure, le substrat donneur 100 est représenté massif mais, comme indiqué plus haut, il pourrait éventuellement être composite.
De manière avantageuse, le budget thermique de la première épitaxie est inférieur au budget thermique susceptible de provoquer la fracture du substrat donneur le long de la
zone de fragilisation. Ainsi, le substrat donneur conserve sa cohésion mécanique jusqu’à la fin de la croissance de la couche germe.
Suite aux étapes illustrées aux figures 2A et 2B ou 3A et 3B, on obtient une couche germe 102 sur le substrat donneur 100 dans lequel une zone de fragilisation a été formée par implantation et qui définit une couche à transférer 103 qui comprend la couche germe 102.
En référence à la figure 4, on forme au moins une couche intermédiaire de relaxation 105 électriquement isolante ou électriquement conductrice à la surface du substrat receveur 110. Le substrat receveur 110 peut en outre comprendre une couche de piégeage de charges 107. Dans un souci de simplification, la couche 107 n’a pas été représentée sur les figures suivantes.
En référence à la figure 5, on colle le substrat donneur 100 ainsi fragilisé sur le substrat receveur 110, la couche germe 102 et la couche intermédiaire de relaxation 105 étant à l’interface de collage.
En référence à la figure 6, on effectue un détachement du substrat donneur 100 le long de la zone de fragilisation 101 . Un tel détachement peut être provoqué par tout moyen connu de l’homme du métier, par exemple thermique, mécanique, chimique, etc. On transfère ainsi la couche 103 sur le substrat receveur 110. Avantageusement, on peut récupérer ensuite le reliquat du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé.
En référence à la figure 7, on retire une partie superficielle de la couche transférée, par exemple par polissage mécanique et/ou par gravure chimique. Ce retrait de matière a pour but d’exposer la couche germe 102. A l’issue de ce retrait on obtient une couche 102 amincie sur le substrat receveur 110, qui servira de couche germe à l’étape suivante.
En référence à la figure 8, on forme une couche d’un deuxième matériau piézoélectrique 104 sur la couche germe 102. Le matériau de la couche 104 présente un paramètre de maille proche ou identique à celui de la couche germe 102. Ainsi, la couche germe 102 impose son paramètre de maille et permet la croissance d’un matériau monocristallin de bonne qualité. La couche 104 pourra être de nature légèrement différente par rapport à la couche germe 102, notamment par l’introduction contrôlée de légers niveaux d’impuretés dans des buts divers (dopage, ajustement des propriétés piézoélectriques, optimisation des densités de défauts cristallins/dislocations, surfactant, etc.). La croissance est stoppée lorsque l’épaisseur souhaitée pour la couche piézoélectrique monocristalline est atteinte. La couche piézoélectrique 10 finale est formée de l’empilement de la couche germe 102 et de la couche 104.
Le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être identiques.
Alternativement, le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique peuvent être différents.
Comme indiqué plus haut, la couche germe est considérée comme n’ayant pas d’effet ou un effet de second ordre sur le fonctionnement d’un dispositif radiofréquence incorporant la couche piézoélectrique formée sur la couche germe. Par conséquent, même si l’implantation réalisée pour la mise en oeuvre du procédé Smart Cut™ endommage la couche germe et perturbe ses propriétés piézoélectriques, ces défauts ne sont pas ou peu pénalisants.
Dans un mode de réalisation non illustré, on ne forme pas de zone de fragilisation dans le substrat donneur. Dans ce cas, le transfert de la couche germe sur le substrat receveur est réalisé par assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur puis gravure du substrat donneur jusqu’à exposer la couche germe. Ce mode de réalisation est cependant moins préféré que celui comportant la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur, car il engendre une perte de matériau plus importante.
Dans un autre mode de réalisation non illustré, on ne forme pas de zone de fragilisation dans le substrat donneur mais on forme une interface détachable par réaction chimique ou thermique. Dans ce cas, le transfert de la couche germe sur le substrat receveur est réalisé par assemblage du substrat donneur sur le substrat receveur puis par détachement de l’interface suite à une réaction chimique ou thermique afin d’exposer la couche germe.
Comme on le voit sur la figure 8, on obtient, à l’issue du procédé, un substrat pour un dispositif à ondes acoustiques de surface qui comprend un substrat receveur 110 et une couche piézoélectrique monocristalline 10 sur ledit substrat 110. Un tel substrat peut également se révéler utile pour d’autres applications, par exemple pour la photonique et l’optique intégrée.
La couche 10 se caractérise par la présence de deux portions présentant des caractéristiques différentes :
- une première portion 102 située à l’interface avec le substrat receveur 110, correspondant à la couche germe,
- une seconde portion 104 s’étendant à partir de la première portion 102, correspondant à la couche formée sur la portion 102, qui peut présenter une qualité cristalline différente de celle de la première portion (ladite qualité pouvant être ajustée et optimisée lors de l’étape de la deuxième épitaxie par exemple) et/ou une composition différente (notamment si des impuretés, telles que des dopants, ont été introduites lors de l’épitaxie), conférant éventuellement des propriétés particulières à la couche formée sur la portion 102.
Ce substrat est avantageusement utilisé pour fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface tel qu’illustré à la figure 1 et/ou tout autre dispositif microélectronique, photonique ou optique comprenant une couche piézoélectrique.
Dans certains cas, le substrat receveur sur lequel est transférée la couche germe peut ne pas être optimal pour l’application visée. En effet, dans certains modes de réalisation, le substrat receveur devant subir les conditions opératoires de l’épitaxie, le choix de matériaux adaptés est limité. Notamment, le substrat receveur ne peut contenir de couches ou d’éléments susceptibles d’être endommagés par la température d’épitaxie. Il peut alors être avantageux de transférer la couche piézoélectrique 10 sur un substrat final 120 dont les propriétés sont choisies en fonction de l’application visée, en la collant sur ledit substrat 120 par l’intermédiaire de la surface de la couche 104 formée sur la couche germe 102 (cf. figure 9), et en retirant le substrat receveur (cf. figure 10). Ce transfert peut être réalisé par toute technique de transfert mentionnée plus haut. Un autre avantage de ce transfert sur un substrat final est que la couche germe 102, qui était enterrée dans la structure issue de la formation de la couche du deuxième matériau piézoélectrique, est alors exposée et peut éventuellement être retirée (cf. figure 11 ), notamment dans le cas où elle présenterait des défauts. Seule la couche du deuxième matériau piézoélectrique 104 reste alors sur le substrat final 120.
Le substrat final peut être massif ou composite.
De manière avantageuse, le substrat final peut comprendre au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
Dans certains modes de réalisation, le substrat final comprend une couche de piégeage de charges (désignée par le repère 121 sur la figure 9), qui peut être soit formée sur ledit substrat final, soit formée dans une région superficielle dudit substrat final. Ladite couche de piégeage de charges est ainsi située entre la couche piézoélectrique et le substrat final et permet d’améliorer les performances d’isolation électrique du substrat final. Ladite couche de piégeage de charges peut être formée par au moins un matériau semi- conducteur de type polycristallin, amorphe ou poreux, en particulier du silicium polycristallin, du silicium amorphe ou du silicium poreux, sans se limiter à ces matériaux.
Dans le cas où l’on souhaite fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface, on dépose, sur la surface de la couche piézoélectrique 10 opposée au substrat receveur ou, le cas échéant, au substrat final (qu’il s’agisse du substrat receveur 110 ou du substrat final 120, ledit substrat forme le substrat support noté 11 sur la figure 1 ), des électrodes métalliques 12, 13 sous la forme de deux peignes interdigités.
Dans d’autres applications, on peut former dans la couche piézoélectrique, ou dans un empilement de couches comprenant ladite couche piézoélectrique, au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur.
De manière particulièrement avantageuse, il est possible d’intégrer un dispositif à ondes acoustiques de surface et un dispositif photonique dans un même substrat. A cet effet, on forme, dans la même couche piézoélectrique, au moins un dispositif à ondes acoustiques de surface et un dispositif photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide
d’onde ou un multiplexeur. Il est aussi possible de combiner ces dispositifs tels que décrits avec d’autres dispositifs présents dans le substrat receveur ou le substrat final visant ainsi des approches de co-intégration de dispositifs connues de type 2D, 2.5D et 3D.
Claims
REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’une couche (10) piézoélectrique sur un substrat (11 ), caractérisé en ce qu’il comprend : la formation par une première épitaxie d’une couche germe (102) pseudomorphique d’un premier matériau piézoélectrique sur un substrat donneur (100), le transfert de la couche germe (102) et d’une portion (103) du substrat donneur
(100) sur un substrat receveur (110) par l’intermédiaire d’au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice (105) adaptée pour permettre une relaxation de la couche germe, le retrait de la portion (103) du substrat donneur (100) transférée de sorte à exposer une surface de la couche germe (102), la formation d’une couche monocristalline (104) d’un deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le transfert de la couche germe (102) et de la portion (102) du substrat donneur (100) comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation (101 ) dans le substrat donneur (100) de sorte à délimiter la portion (103) à transférer, l’assemblage du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (110), la couche germe (102) étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur (100) le long de la zone de fragilisation
(101 ), et dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée après la formation de la zone de fragilisation (101 ).
3. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le transfert de la couche germe
(102) et de la portion (103) du substrat donneur (100) comprend les étapes suivantes : la formation d’une zone de fragilisation (101 ) dans le substrat donneur (100) de sorte à délimiter la portion à transférer (103), l’assemblage du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (110), la couche germe (102) étant à l’interface d’assemblage, le détachement du substrat donneur (100) le long de la zone de fragilisation (101 ), et dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée avant la formation de la zone de fragilisation (101 ).
4. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la zone de fragilisation (101 ) est formée par implantation ionique d’hydrogène et/ou d’hélium dans le substrat donneur (100).
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée par dépôt de couche atomique.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100) est réalisée par épitaxie par jet moléculaire.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la formation de la couche monocristalline (104) sur la couche germe (102) est réalisée par une deuxième épitaxie.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la deuxième épitaxie du deuxième matériau piézoélectrique sur la couche germe (102) est un dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la formation de la couche monocristalline (104) sur la couche germe (102) est réalisée par un dépôt du deuxième matériau piézoélectrique sous forme amorphe suivi d’une recristallisation dudit deuxième matériau.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche germe (102) est comprise entre 2 nm et 20 nm.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la portion (103) du substrat donneur (100) transférée sur le substrat receveur (110) présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique à l’issue de la deuxième épitaxie est comprise entre 20 nm et 15 pm.
13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le substrat receveur (110) comprend au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
14. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le substrat receveur (110) comprend une couche de piégeage de charges (107).
15. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, comprenant, après la formation de la couche monocristalline du deuxième matériau piézoélectrique, le transfert d’au moins une partie de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique sur un substrat final (120).
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la partie de la couche (104) du deuxième matériau piézoélectrique transférée sur le substrat final (120) présente une épaisseur inférieure à 2 pm, de préférence inférieure à 1 pm.
17. Procédé selon l’une des revendications 15 ou 16, dans lequel le substrat final (120) comprend au moins un dispositif électronique ou une interconnexion.
18. Procédé selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel le substrat final (120) comprend une couche de piégeage de charges (121 ).
19. Procédé selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique sont identiques.
20. Procédé selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le premier matériau piézoélectrique et le deuxième matériau piézoélectrique sont différents.
21. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant, avant la formation de la couche germe (102), la formation d’une couche intermédiaire (106) sur le substrat donneur (100), ladite couche intermédiaire étant adaptée pour la croissance épitaxiale de la couche germe (102) sur le substrat donneur (100).
22. Procédé de fabrication d’un dispositif à ondes acoustiques de surface, comprenant la formation de deux électrodes (12, 13) interdigitées sur la surface d’une couche piézoélectrique (10), caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de la couche piézoélectrique (10) par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21.
23. Procédé de fabrication d’un dispositif photonique, comprenant la formation d’au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, au moins en partie dans une couche piézoélectrique, caractérisé en ce qu’il
comprend la fabrication de la couche piézoélectrique (10) par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21.
24. Dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique (10) susceptible d’être obtenue par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21 , et deux électrodes (12, 13) interdigitées sur une face de la couche piézoélectrique (10).
25. Dispositif photonique, caractérisé en ce qu’il comprend une couche piézoélectrique susceptible d’être obtenue par un procédé selon l’une des revendications 1 à 21 , et au moins un composant photonique, tel qu’un laser, un modulateur, un guide d’onde ou un multiplexeur, formé au moins en partie dans ladite couche piézoélectrique.
26. Structure comprenant un dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 24 et un dispositif photonique selon la revendication 25, dans laquelle ledit dispositif à ondes acoustiques de surface et ledit dispositif photonique sont agencés au moins en partie dans la même couche piézoélectrique.
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| FR3045677A1 (fr) * | 2015-12-22 | 2017-06-23 | Soitec Silicon On Insulator | Procede de fabrication d'une couche monocristalline, notamment piezoelectrique |
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2022
- 2022-10-20 FR FR2210858A patent/FR3141308A1/fr active Pending
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2023
- 2023-10-20 WO PCT/FR2023/051650 patent/WO2024084179A1/fr unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3045677A1 (fr) * | 2015-12-22 | 2017-06-23 | Soitec Silicon On Insulator | Procede de fabrication d'une couche monocristalline, notamment piezoelectrique |
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