FR3071662A1 - PROCESS FOR PREPARING A STRUCTURE HAVING A TRANSFERABLE MONOCRYSTALLINE SEMICONDUCTOR MATERIAL LAYER AND STRUCTURE OBTAINED BY SUCH A METHOD - Google Patents
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Abstract
Procédé de réalisation d'une structure (100) ayant une couche de matériau semi-conducteur monocristallin (101) transférable, comprenant les étapes successives suivantes : a) fourniture d'un substrat support (102) recouvert par une couche barrière de diffusion (103), b) formation, sur la couche barrière de diffusion (103), d'un empilement comprenant successivement, depuis la couche barrière de diffusion (103) : - une couche de détachement en oxyde de tungstène (104), l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène, - une couche en un matériau amorphe thermiquement isolant (105), - une couche en un matériau semi-conducteur (101), amorphe ou polycristallin, c) chauffage de l'empilement, de préférence par balayage laser et, de préférence, en présence d'un germe monocristallin, de manière à liquéfier la couche en matériau semi-conducteur cristallin (101) et, simultanément, de manière à chauffer la couche de détachement (104) à une température supérieure à 400°C pour diminuer partiellement la cohésion et/ou l'adhésion de ladite couche de détachement (104), d) Refroidissement de l'empilement de manière à cristalliser la couche en matériau semi-conducteur (101) sous forme monocristalline.A method of making a structure (100) having a layer of transferable monocrystalline semiconductor material (101), comprising the following successive steps: a) providing a support substrate (102) covered by a diffusion barrier layer (103) ), b) forming, on the diffusion barrier layer (103), a stack comprising successively, from the diffusion barrier layer (103): - a tungsten oxide release layer (104), the oxide of tungsten comprising at least 70 at% oxygen, - a layer of thermally insulating amorphous material (105), - a layer of amorphous or polycrystalline semiconductor material (101), c) heating the stack, preferably by laser scanning and, preferably, in the presence of a monocrystalline seed, so as to liquefy the layer of crystalline semiconductor material (101) and, simultaneously, so as to heat the release layer (104) to a temperature knew less than 400 ° C to partially reduce the cohesion and / or adhesion of said release layer (104), d) Cooling of the stack so as to crystallize the layer of semiconductor material (101) in monocrystalline form.
Description
PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D'UNE STRUCTURE AYANT UNE COUCHE EN MATÉRIAU SEMI-CONDUCTEUR MONOCRISTALLIN TRANSFÉRABLE ET STRUCTURE OBTENUE SELON UN TEL PROCÉDÉMETHOD FOR PREPARING A STRUCTURE HAVING A LAYER OF TRANSFERABLE SINGLE-CRYSTAL SEMICONDUCTOR MATERIAL AND STRUCTURE OBTAINED BY SUCH A METHOD
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURETECHNICAL AREA AND PRIOR ART
La présente invention se rapporte à procédé de préparation d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur monocristallin transférable, et à une structure obtenue selon un tel procédé.The present invention relates to a method for preparing a structure having a layer of transferable monocrystalline semiconductor material, and to a structure obtained by such a method.
L'invention se rapporte également à un procédé de transfert d'une couche en matériau semi-conducteur monocristallin avec une telle structure.The invention also relates to a method of transferring a layer of monocrystalline semiconductor material with such a structure.
La présente invention trouve son application dans le domaine de la microélectronique, des microsystèmes électromécaniques, du photovoltaïque, de l'électronique bas coût ou encore dans le domaine de la biologie où il peut être intéressant d'avoir des couches en matériau semi-conducteur cristallin, par exemple, pour réaliser des capteurs de masse sur lesquels sont déposés des organismes vivants, tel que des bactéries ou des cellules.The present invention finds its application in the field of microelectronics, electromechanical microsystems, photovoltaics, low cost electronics or even in the field of biology where it may be advantageous to have layers of crystalline semiconductor material , for example, to produce mass sensors on which living organisms are deposited, such as bacteria or cells.
Classiquement, pour obtenir une couche de matériau semi-conducteur monocristallin, on dépose une couche polycristalline ou amorphe à la surface d'un substrat germe qui est, ensuite, balayée par une source de chaleur localisée, telle qu'un balayage laser, de manière à produire la fusion locale de la couche puis sa solidification. La couche se (re)cristallise selon l'information cristalline du substrat germe. Cette technique de cristallisation est connue sous le nom ZMR (« Zone Melting Recrystallization »), dans le cas d'une couche déposée polycristalline ou ZMC (« Zone Melting Crystallization ») dans le cas d'une couche déposée amorphe. Cependant, en pratique, les couches obtenues ne sont pas de qualité monocristalline. En effet, il est difficile de contrôler le front de cristallisation et la coexistence de zones liquides et solides créent une accumulation de contraintes entraînant l'apparition de défauts cristallins. Les couches obtenues sont, généralement, polycristallines avec des grains de grandes tailles distribués de façon homogène.Conventionally, to obtain a layer of monocrystalline semiconductor material, a polycrystalline or amorphous layer is deposited on the surface of a seed substrate which is then scanned by a localized heat source, such as a laser scan, so to produce the local fusion of the layer then its solidification. The layer is (re) crystallized according to the crystalline information of the germ substrate. This crystallization technique is known under the name ZMR (“Zone Melting Recrystallization”), in the case of a polycrystalline deposited layer or ZMC (“Zone Melting Crystallization”) in the case of an amorphous deposited layer. However, in practice, the layers obtained are not of monocrystalline quality. Indeed, it is difficult to control the crystallization front and the coexistence of liquid and solid zones create an accumulation of stresses leading to the appearance of crystal defects. The layers obtained are, generally, polycrystalline with grains of large sizes distributed in a homogeneous manner.
Pour obtenir des couches de meilleures qualités, le procédé ZMR a été amélioré en introduisant un germe monocristallin en début de balayage pour contrôler l'orientation cristalline de la couche, à partir du germe. Dans le cas d'un substrat de type silicium sur isolant (SOI pour « Silicon on Insulator»), le germe peut être obtenu en réalisant une ouverture dans la couche d'oxyde amorphe de manière à rendre accessible le substrat cristallin. Comme décrit dans le document US-A-2015191847 ou dans l'article de Kühnapfel et al. (« Towards monocrystalline silicon thin films grown on glass by liquid phase crystallization », Solar Energy Materials & Solar Cells 140, 2015, 86-91), le procédé peut également être réalisé sur un substrat non monocristallin (comme du verre), le germe étant alors positionné sur le substrat par collage ou pressage. Ce procédé peut être, par exemple, réalisé pour former des films monocristallins, de ΙΟμιτι à ΙΟΟμιτι d'épaisseur, sur un substrat de verre, en face avant d'une cellule photovoltaïque. Comme le verre a une faible conductivité thermique, la chaleur apportée par le laser reste confinée, préservant la structure sous-jacente au substrat. Cependant, ce procédé ne peut pas être appliqué à des substrats de type CMOS ou des substrats souples, en polymère par exemple, car ceux-ci ne résistent pas aux températures élevées (typiquement aux températures supérieures à 400°C, voire supérieures à 200°C).To obtain better quality layers, the ZMR process has been improved by introducing a monocrystalline seed at the start of scanning to control the crystal orientation of the layer, starting from the seed. In the case of a silicon on insulator type substrate (SOI for “Silicon on Insulator”), the seed can be obtained by making an opening in the layer of amorphous oxide so as to make the crystalline substrate accessible. As described in document US-A-2015191847 or in the article by Kühnapfel et al. ("Towards monocrystalline silicon thin films grown on glass by liquid phase crystallization", Solar Energy Materials & Solar Cells 140, 2015, 86-91), the process can also be carried out on a non-monocrystalline substrate (like glass), the germ then being positioned on the substrate by gluing or pressing. This process can, for example, be carried out to form monocrystalline films, from ΙΟμιτι to ΙΟΟμιτι thick, on a glass substrate, on the front face of a photovoltaic cell. As glass has a low thermal conductivity, the heat provided by the laser remains confined, preserving the structure underlying the substrate. However, this method cannot be applied to CMOS type substrates or flexible substrates, for example made of polymer, since these do not withstand high temperatures (typically at temperatures above 400 ° C, or even above 200 ° VS).
II est donc nécessaire de réaliser la cristallisation sur un premier substrat support, résistant aux températures élevées, puis de transférer la couche monocristalline sur le substrat receveur.It is therefore necessary to carry out the crystallization on a first support substrate, resistant to high temperatures, then to transfer the monocrystalline layer to the receiving substrate.
Dans le document US-A-5397713, la couche en matériau semiconducteur est cristallisée sur un substrat support contenant un film de graphite. Le graphite est un matériau résistant aux hautes températures et présentant des plans de clivage de faibles énergies. Après cristallisation, un substrat receveur est fixé sur la couche monocristalline, puis en appliquant une contrainte mécanique, le film de graphite est cassé, suivant les plans de clivage, libérant le substrat receveur et la couche monocristalline du substrat support. Cependant, il peut être difficile de réaliser un film de graphite sur une grande surface tout en maîtrisant son orientation cristallographique et sa rugosité, et donc de réaliser des couches monocristallines de faible épaisseur et de bonne qualité.In document US-A-5397713, the layer of semiconductor material is crystallized on a support substrate containing a graphite film. Graphite is a material resistant to high temperatures and having low energy cleavage planes. After crystallization, a receiving substrate is fixed on the monocrystalline layer, then by applying mechanical stress, the graphite film is broken, along the cleavage planes, releasing the receiving substrate and the monocrystalline layer from the support substrate. However, it can be difficult to produce a graphite film over a large area while controlling its crystallographic orientation and its roughness, and therefore to produce monocrystalline layers of thin thickness and of good quality.
II est également possible, comme décrit dans le document US-A2012074526, de réaliser une couche fortement dopée en impuretés volatiles (arsenic ou antimoine par exemple) sous la couche en matériau semi-conducteur à cristalliser. Lorsque la couche en matériau semi-conducteur est cristallisée par balayage laser, la couche dopée est liquéfiée et les impuretés s'échappent de la couche liquide. Lors du refroidissement, les impuretés précipitent créant localement des zones de défauts cristallins, ce qui fragilise la structure. Un substrat receveur est ensuite collé sur la couche cristallisée, et l'application de contraintes mécaniques permet de séparer la couche cristallisée du reste du substrat support au niveau de la zone fragilisée. Cependant, dans ce procédé, deux phases liquides (la couche en matériau semi-conducteur et la couche dopée) sont produites simultanément sous irradiation laser, ce qui rend la structure instable et plus difficilement maîtrisable, pouvant conduire à la formation de défauts au sein de la couche en matériau semi-conducteur cristallin.It is also possible, as described in document US-A2012074526, to produce a layer heavily doped with volatile impurities (arsenic or antimony for example) under the layer of semiconductor material to be crystallized. When the layer of semiconductor material is crystallized by laser scanning, the doped layer is liquefied and the impurities escape from the liquid layer. During cooling, the impurities precipitate locally creating zones of crystalline defects, which weakens the structure. A receiving substrate is then bonded to the crystallized layer, and the application of mechanical stress makes it possible to separate the crystallized layer from the rest of the support substrate at the level of the weakened zone. However, in this process, two liquid phases (the layer of semiconductor material and the doped layer) are produced simultaneously under laser irradiation, which makes the structure unstable and more difficult to control, which can lead to the formation of defects within the layer of crystalline semiconductor material.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
C'est, par conséquent, un but de la présente invention de proposer un procédé de réalisation d'une structure, ayant une couche matériau semi-conducteur monocristallin transférable, facile à mettre en œuvre et conduisant à une structure cristalline de bonne qualité.It is, therefore, an object of the present invention to provide a process for producing a structure, having a layer of transferable monocrystalline semiconductor material, easy to implement and leading to a good quality crystal structure.
Le but énoncé ci-dessus est atteint par un procédé de réalisation d'une structure ayant une couche de matériau semi-conducteur monocristallin transférable, comprenant les étapes successives suivantes :The aim stated above is achieved by a process for producing a structure having a layer of transferable monocrystalline semiconductor material, comprising the following successive steps:
a) Fourniture d'un substrat support recouvert par une couche barrière de diffusion,a) Supply of a support substrate covered by a diffusion barrier layer,
b) Formation, sur la couche barrière de diffusion, d'un empilement comprenant successivement, depuis la couche barrière de diffusion :b) Formation, on the diffusion barrier layer, of a stack comprising successively, from the diffusion barrier layer:
- une couche de détachement en oxyde de tungstène, l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène, une couche en un matériau amorphe thermiquement isolant, une couche en un matériau semi-conducteur, amorphe ou polycristallin,a tungsten oxide release layer, the tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen, a layer of a thermally insulating amorphous material, a layer of a semiconductor, amorphous or polycrystalline material,
c) Chauffage de l'empilement, de préférence par balayage laser et, de préférence, en présence d'un germe monocristallin, de manière à liquéfier la couche en matériau semi-conducteur, et, simultanément, de manière à chauffer la couche de détachement à une température supérieure à 400°C pour diminuer partiellement la cohésion et/ou l'adhésion de ladite couche de détachement,c) Heating of the stack, preferably by laser scanning and, preferably, in the presence of a monocrystalline seed, so as to liquefy the layer of semiconductor material, and, simultaneously, so as to heat the release layer at a temperature above 400 ° C to partially reduce the cohesion and / or the adhesion of said detachment layer,
d) Refroidissement de l'empilement de manière à cristalliser la couche en matériau semi-conducteur, amorphe ou polycristallin, sous forme monocristalline.d) Cooling of the stack so as to crystallize the layer of semiconductor material, amorphous or polycrystalline, in monocrystalline form.
Par cristallisation, on entend indifféremment, ici et par la suite, la recristallisation d'une couche déposée polycristalline ou la cristallisation d'une couche déposée amorphe conduisant à une couche en matériau semi-conducteur monocristallin.By crystallization is meant, here and thereafter, the recrystallization of a polycrystalline deposited layer or the crystallization of an amorphous deposited layer leading to a layer of monocrystalline semiconductor material.
Par couche en matériau monocristallin, on entend qu'au moins 80% de la couche est sous forme monocristalline, de préférence au moins 90% et encore plus préférentiellement au moins 95%.By layer of monocrystalline material is meant that at least 80% of the layer is in monocrystalline form, preferably at least 90% and even more preferably at least 95%.
Par couche transférable, on entend que la couche peut être détachée d'un premier substrat (substrat support) et reportée sur un second substrat dit d'intérêt (substrat receveur).By transferable layer, it is meant that the layer can be detached from a first substrate (support substrate) and transferred to a second said substrate of interest (receiving substrate).
Par oxyde de tungstène, on entend un oxyde de formule générale WOX (avec x l'indice de stœchiométrie de l'oxyde, entier ou non entier), tel que, par exemple, WO3 et WO3,5. On choisira x tel que x > 7/3.By tungsten oxide is meant an oxide of general formula WO X (with x the stoichiometry index of the oxide, whole or not whole), such as, for example, WO 3 and WO 3 , 5 . We will choose x such that x> 7/3.
Le chauffage est réalisé de manière à atteindre, au niveau de la couche en matériau semi-conducteur, une température supérieure à la température de fusion du matériau semi-cristallin, c'est-à-dire, par exemple, à une température supérieure à 1414°C pour le silicium et à une température supérieure à 938°C pour le germanium.The heating is carried out so as to reach, at the level of the layer of semiconductor material, a temperature higher than the melting temperature of the semi-crystalline material, that is to say, for example, at a temperature higher than 1414 ° C for silicon and at a temperature higher than 938 ° C for germanium.
Le procédé se différencie de l'art antérieur fondamentalement en ce qu'il met en œuvre une couche en oxyde de tungstène ayant une stœchiométrie particulière.The method differs from the prior art basically in that it implements a tungsten oxide layer having a particular stoichiometry.
L'apport d'énergie nécessaire au procédé de cristallisation conduit à une augmentation de la température, au niveau de la couche de détachement. Lors de l'étape c), la température de la couche de détachement est localement supérieure à 400°C, et de préférence supérieur ou égal à 500°C, par exemple de 500°C à 700°C. Il a été mis en évidence de manière surprenante que, lorsqu'une couche en oxyde de tungstène ayant au moins 70% atomique d'oxygène est chauffée à de telles températures, des défauts apparaissent dans la couche, et celle-ci perd en partie ses propriétés d'adhésion et de cohésion.The supply of energy necessary for the crystallization process leads to an increase in temperature at the detachment layer. During step c), the temperature of the detachment layer is locally greater than 400 ° C., and preferably greater than or equal to 500 ° C., for example from 500 ° C. to 700 ° C. It has surprisingly been demonstrated that, when a layer of tungsten oxide having at least 70 atomic% of oxygen is heated to such temperatures, defects appear in the layer, and the latter partially loses its adhesion and cohesion properties.
Après le traitement thermique de l'étape c) nécessaire à la cristallisation, la couche en oxyde de tungstène perd de 20% à 80%, de préférence de 30% à 60%, encore plus préférentiellement de 30% à 50%, ses propriétés de cohésion et/ou d'adhérence.After the heat treatment of step c) necessary for crystallization, the tungsten oxide layer loses from 20% to 80%, preferably from 30% to 60%, even more preferably from 30% to 50%, its properties. of cohesion and / or adhesion.
La couche de détachement en oxyde tungstène, après le traitement thermique, a par exemple une énergie de collage inférieure à 1000mJ/m2, et de préférence inférieure ou égale à 700mJ/m2 et, encore plus préférentiellement, inférieure ou égale à 500mJ/m2.The detachment layer of tungsten oxide, after the heat treatment, has for example a bonding energy of less than 1000 mJ / m 2 , and preferably less than or equal to 700 mJ / m 2 and, even more preferably, less than or equal to 500 mJ / m 2 .
La couche de détachement reste néanmoins suffisamment cohésive et/ou adhésive pour maintenir la partie supérieure de la structure (la couche amorphe thermiquement isolante, la couche en matériau semi-conducteur, et éventuellement, le substrat d'intérêt) avec la partie inférieure de la structure (le substrat support, la couche barrière).The release layer nevertheless remains sufficiently cohesive and / or adhesive to hold the upper part of the structure (the thermally insulating amorphous layer, the layer of semiconductor material, and possibly the substrate of interest) with the lower part of the structure (the support substrate, the barrier layer).
La faible tenue mécanique de la couche de tungstène après le traitement thermique facilite le détachement ultérieur de la couche monocristalline du substrat support. En appliquant une contrainte mécanique sur la couche de détachement fragilisée, il est alors facile de séparer la partie supérieure de la partie inférieure de la structure,The poor mechanical strength of the tungsten layer after the heat treatment facilitates the subsequent detachment of the monocrystalline layer from the support substrate. By applying mechanical stress to the weakened detachment layer, it is then easy to separate the upper part from the lower part of the structure,
Avantageusement, l'oxyde de tungstène comprend de 70% à 90% atomique d'oxygène, de préférence de 75% à 90% et encore plus préférentiellement de 80% à 90%.Advantageously, the tungsten oxide comprises from 70% to 90 atomic% of oxygen, preferably from 75% to 90% and even more preferably from 80% to 90%.
Avantageusement, la couche de détachement a une épaisseur allant de 2 à lOOnm, de préférence de 5nm à 50nm, et encore plus préférentiellement de lOnm à 50nm.Advantageously, the release layer has a thickness ranging from 2 to 100 nm, preferably from 5 nm to 50 nm, and even more preferably from 10 nm to 50 nm.
Avantageusement, la couche en oxyde de tungstène est déposée par pulvérisation. Cette technique permet d'obtenir des couches de faible rugosité (inférieure à lnm RMS), ce qui permet de moins interférer avec la formation de la couche monocristalline lors de la cristallisation, mais également de mieux maîtriser la stœchiométrie de l'oxyde de tungstène.Advantageously, the tungsten oxide layer is deposited by spraying. This technique makes it possible to obtain layers of low roughness (less than 1 nm RMS), which makes it possible to interfere less with the formation of the monocrystalline layer during crystallization, but also to better control the stoichiometry of tungsten oxide.
La couche en matériau amorphe thermiquement isolante empêche la fusion de la couche en oxyde de tungstène, notamment dans le cas de la cristallisation d'une couche de silicium qui nécessite à un fort apport énergétique, tout en laissant passer suffisamment d'énergie pour obtenir localement une température telle que la couche perd une partie de ses propriétés d'adhésion.The layer of thermally insulating amorphous material prevents the melting of the tungsten oxide layer, in particular in the case of the crystallization of a silicon layer which requires a high energy supply, while allowing sufficient energy to pass locally a temperature such that the layer loses part of its adhesion properties.
Avantageusement, la couche en matériau amorphe thermiquement isolant est en oxyde, de préférence en oxyde de silicium. Les couches d'oxydes présentent des températures de fusion élevées (par exemple, supérieures à 1600°C pour l'oxyde de silicium) et sont particulièrement adaptées aux températures mises en jeu lors de la cristallisation.Advantageously, the layer of thermally insulating amorphous material is made of oxide, preferably of silicon oxide. The oxide layers have high melting temperatures (for example, higher than 1600 ° C. for silicon oxide) and are particularly suitable for the temperatures involved during crystallization.
Avantageusement, la couche amorphe thermiquement isolante a une épaisseur allant de 500nm à 15pm, de préférence de lpm à lOpm.Advantageously, the thermally insulating amorphous layer has a thickness ranging from 500 nm to 15 pm, preferably from 1 pm to 10 pm.
La couche barrière de diffusion permet de séparer physiquement les matériaux du substrat et la couche de détachement, et d'éviter la diffusion des éléments constitutifs du substrat support vers la couche de tungstène.The diffusion barrier layer makes it possible to physically separate the materials from the substrate and the release layer, and to avoid the diffusion of the constituent elements of the support substrate towards the tungsten layer.
Avantageusement, la couche barrière de diffusion est en nitrure métallique, de préférence en nitrure de silicium. Par nitrure métallique, on entend un nitrure de métal ou un nitrure de métalloïde tel que le silicium.Advantageously, the diffusion barrier layer is made of metallic nitride, preferably of silicon nitride. By metallic nitride is meant a metal nitride or a metalloid nitride such as silicon.
Avantageusement, la couche barrière de diffusion a une épaisseur allant de 5nm à lOOnm, de préférence de 5nm à 50nm. Une couche fine sera moins rugueuse et interférera moins lors de la cristallisation. De telles épaisseurs sont propices à la rétention des impuretés susceptibles de diffuser.Advantageously, the diffusion barrier layer has a thickness ranging from 5 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 50 nm. A thin layer will be less rough and will interfere less during crystallization. Such thicknesses are conducive to the retention of impurities liable to diffuse.
Avantageusement, le substrat support est en verre, ce qui permet de réaliser le procédé à une échelle industrielle tout en réduisant les coûts d'élaboration.Advantageously, the support substrate is made of glass, which makes it possible to carry out the process on an industrial scale while reducing the development costs.
Avantageusement, le matériau semi-conducteur est du silicium ou du germanium.Advantageously, the semiconductor material is silicon or germanium.
Le procédé selon l'invention est réalisable sur de grandes surfaces. Actuellement, la taille des films monocristallins est limitée par le diamètre des lingots (typiquement 200mm ou 300mm de diamètre, pour une croissance de type Czochralski). Il est ici possible de travailler avec des plaques du plusieurs mètres carrés (vitres) et de former une couche monocristalline de grande surface.The method according to the invention can be carried out on large surfaces. Currently, the size of monocrystalline films is limited by the diameter of the ingots (typically 200mm or 300mm in diameter, for growth of the Czochralski type). It is possible here to work with plates of several square meters (panes) and to form a monocrystalline layer of large surface.
L'empilement, et les éléments sous-jacents sont capables de supporter le budget thermique d'un procédé de cristallisation de type ZMR ou ZMC.The stack and the underlying elements are capable of supporting the thermal budget of a ZMR or ZMC type crystallization process.
L'invention concerne également une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable comprenant successivement, et de préférence constituée par :The invention also relates to a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material successively comprising, and preferably consisting of:
- un substrat support,- a support substrate,
- une couche barrière de diffusion,- a diffusion barrier layer,
- une couche de détachement en oxyde de tungstène, l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène,a tungsten oxide release layer, the tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen,
- une couche en matériau amorphe thermiquement isolant,- a layer of thermally insulating amorphous material,
- une couche en matériau semi-conducteur monocristallin.- a layer of monocrystalline semiconductor material.
Le substrat et les différentes couches préférées ont été décrits cidessus.The substrate and the various preferred layers have been described above.
Avantageusement, la structure comprend successivement, et de préférence est constituée par :Advantageously, the structure successively comprises, and preferably consists of:
- un substrat support en verre,- a glass support substrate,
- une couche barrière de diffusion en oxyde, de préférence en SiO2,a diffusion barrier layer of oxide, preferably of SiO 2 ,
- une couche de détachement en oxyde de tungstène, l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène,a tungsten oxide release layer, the tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen,
- une couche en nitrure métallique, de préférence en nitrure de silicium,a layer of metallic nitride, preferably of silicon nitride,
- une couche en silicium monocristallin ou en germanium monocristallin.- a layer of monocrystalline silicon or monocrystalline germanium.
La structure de l'invention se différencie fondamentalement de l'art antérieur par la présence de la couche de détachement en oxyde de tungstène qui permet le transfert d'une partie de la structure, et plus particulièrement le transfert de la couche en matériau semi-conducteur cristallin, sur un substrat d'intérêt.The structure of the invention differs fundamentally from the prior art by the presence of the tungsten oxide release layer which allows the transfer of a part of the structure, and more particularly the transfer of the layer of semi-material. crystalline conductor, on a substrate of interest.
L'invention concerne également un procédé de transfert d'une couche en matériau semi-conducteur cristallin à partir de la structure telle que définie précédemment, comprenant les étapes suivantes :The invention also relates to a method for transferring a layer of crystalline semiconductor material from the structure as defined above, comprising the following steps:
- fixation d'un ou plusieurs substrats receveurs, sur la couche en matériau semi-conducteur monocristallin de la structure,fixing one or more receiving substrates to the layer of monocrystalline semiconductor material of the structure,
- application d'une contrainte mécanique de manière à détacher la couche de détachement en oxyde de tungstène de la couche de la couche barrière de diffusion et à transférer la couche en matériau semi-conducteur monocristallin sur le substrat receveur.- application of mechanical stress so as to detach the tungsten oxide release layer from the layer of the diffusion barrier layer and to transfer the layer of monocrystalline semiconductor material to the receiving substrate.
Avantageusement, le ou les substrats receveurs sont choisis parmi un substrat de type CMOS ou une couche en polymère, par exemple adhésive.Advantageously, the receiving substrate or substrates are chosen from a CMOS type substrate or a layer of polymer, for example adhesive.
La couche en matériau semi-conducteur est cristallisée sur le substrat support, résistant aux températures, puis elle est reportée sur le substrat d'intérêt (substrat receveur). Le substrat d'intérêt peut être de tout type, par exemple souple, en polymère, et/ou contenir des composants électroniques sensibles à la température. Si le substrat receveur (pour l'application visée) est de taille inférieure à la celle de la couche cristallisée, alors il est possible d'obtenir plusieurs reports de film à partir d'un seul balayage de cristallisation.The layer of semiconductor material is crystallized on the support substrate, resistant to temperatures, then it is transferred to the substrate of interest (receiving substrate). The substrate of interest can be of any type, for example flexible, made of polymer, and / or contain electronic components sensitive to temperature. If the receiving substrate (for the intended application) is smaller in size than that of the crystallized layer, then it is possible to obtain several film transfers from a single crystallization scan.
Avantageusement, après le transfert de la couche en matériau semiconducteur cristallin sur le substrat receveur, le substrat support recouvert de la couche barrière de diffusion est réutilisé dans un procédé de préparation d'une structure ayant une couche de en matériau semi-conducteur cristallin telle que définie précédemment. Comme le film cristallin est détaché du substrat support, il est possible de recycler et réutiliser ce substrat, ce qui réduit les coûts de préparation.Advantageously, after the transfer of the layer of crystalline semiconductor material onto the receiving substrate, the support substrate covered with the diffusion barrier layer is reused in a process for preparing a structure having a layer of of crystalline semiconductor material such as previously defined. As the crystalline film is detached from the support substrate, it is possible to recycle and reuse this substrate, which reduces preparation costs.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels :The present invention will be better understood on the basis of the description which follows and of the appended drawings in which:
- la figure 1 est une vue schématique, en coupe et de profil, d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable selon un premier mode de réalisation de l'invention,FIG. 1 is a schematic view, in section and in profile, of a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material according to a first embodiment of the invention,
- la figure 2 est une représentation schématique, d'une étape du procédé de préparation d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 2 is a schematic representation of a step in the process for preparing a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 3 est une vue schématique, en coupe et de profil, d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable sur laquelle a été fixé un substrat d'intérêt selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 3 is a schematic view, in section and in profile, of a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material on which a substrate of interest has been fixed according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 4 est une vue schématique, en coupe et de profil, d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable sur laquelle ont fixés plusieurs substrats d'intérêt selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 4 is a schematic view, in section and in profile, of a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material on which several substrates of interest have been fixed according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 5 représente schématiquement une étape du procédé de transfert d'une couche en matériau semi-conducteur cristallin, selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 5 schematically represents a step in the process for transferring a layer of crystalline semiconductor material, according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 6 représente schématiquement une étape du procédé de transfert d'une couche en matériau semi-conducteur cristallin, selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 6 schematically represents a step in the process for transferring a layer of crystalline semiconductor material, according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 7 représente schématiquement, en coupe et de profil, une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférée sur un substrat receveur, selon un mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 7 schematically represents, in section and in profile, a layer of crystalline semiconductor material transferred onto a receiving substrate, according to a particular embodiment of the invention,
- la figure 8 représente schématiquement, en coupe et de profil, une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférée sur un substrat receveur, selon un mode particulier de réalisation.- Figure 8 shows schematically, in section and in profile, a layer of crystalline semiconductor material transferred to a receiving substrate, according to a particular embodiment.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.The different parts shown in the figures are not necessarily shown on a uniform scale, to make the figures more readable.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et pouvant se combiner entre elles.The different possibilities (variants and embodiments) must be understood as not being mutually exclusive and capable of being combined with one another.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
La structure 100 :Structure 100:
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une structure 100 ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable 101. La structure 100 comprend successivement :First of all, reference is made to FIG. 1 which represents a structure 100 having a layer of transferable crystalline semiconductor material 101. The structure 100 successively comprises:
- un substrat support 102,a support substrate 102,
- une couche barrière de diffusion 103,- a diffusion barrier layer 103,
- une couche de détachement 104 en oxyde de tungstène, l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène,a detachment layer 104 of tungsten oxide, the tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen,
- une couche en matériau amorphe thermiquement isolant 105,a layer of thermally insulating amorphous material 105,
- une couche en matériau semi-conducteur monocristallin 101.- a layer of monocrystalline semiconductor material 101.
Le substrat support 102 :Support substrate 102:
Le substrat support 102 est un support mécanique pour réaliser la couche en matériau semi-conducteur cristallin 101.The support substrate 102 is a mechanical support for producing the layer of crystalline semiconductor material 101.
Le substrat support 102 a, avantageusement, un coefficient de conductivité thermique inférieur à 200W/m.K pour limiter la perte de chaleur dans le substrat. On utilisera, par exemple, un substrat support 102 ayant un coefficient de conductivité thermique de l'ordre de 150W/m.K, comme du silicium ou une céramique. Ce mode de réalisation sera particulièrement avantageux dans le cas de la cristallisation d'une couche de germanium.The support substrate 102 advantageously has a coefficient of thermal conductivity less than 200W / m.K to limit the loss of heat in the substrate. We will use, for example, a support substrate 102 having a coefficient of thermal conductivity of the order of 150W / m.K, such as silicon or ceramic. This embodiment will be particularly advantageous in the case of the crystallization of a germanium layer.
Selon une variante, on utilisera un très bon isolant thermique, par exemple, un matériau ayant coefficient de conductivité thermique de l'ordre de 1-2According to a variant, a very good thermal insulator will be used, for example, a material having a coefficient of thermal conductivity of the order of 1-2
W/m.K, comme par exemple du verre. Ce mode de réalisation sera particulièrement avantageux dans le cas de la cristallisation d'une couche de silicium.W / m.K, such as glass. This embodiment will be particularly advantageous in the case of the crystallization of a silicon layer.
On utilisera, de préférence, un substrat support 102 en verre car ce matériau résiste bien en température, et permet de diminuer les coûts d'élaboration du procédé. Des substrats en verre de grande surface peuvent être utilisés.Preferably, a support substrate 102 made of glass will be used because this material resists well in temperature, and makes it possible to reduce the costs of developing the process. Large surface glass substrates can be used.
Le substrat support 102 a une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres à quelques millimètres. On utilisera, par exemple, un substrat ayant une épaisseur allant de 80μιτι à 2mm, et de préférence de 500μιτι à ΙΟΟΟμιτι.The support substrate 102 has a thickness of several tens of micrometers to a few millimeters. We will use, for example, a substrate having a thickness ranging from 80μιτι to 2mm, and preferably from 500μιτι to ΙΟΟΟμιτι.
La couche en matériau semi-conducteur monocristallin 101 :The layer of monocrystalline semiconductor material 101:
Le matériau semi-conducteur est du silicium ou du germanium.The semiconductor material is silicon or germanium.
La couche en matériau semi-conducteur 101 a une épaisseur allant de lOnm à 10pm. Elle pourrait également avoir des épaisseurs supérieures, telle que 50pm. Des épaisseurs inférieures ou égales à 10pm seront préférées, notamment pour la réalisation de MEMS.The layer of semiconductor material 101 has a thickness ranging from 10 nm to 10 μm. It could also have greater thicknesses, such as 50pm. Thicknesses less than or equal to 10 μm will be preferred, in particular for the production of MEMS.
La couche de détachement en oxyde de tungstène 104 :The tungsten oxide release layer 104:
La couche 101 en matériau semi-conducteur cristallin est transférable grâce à la présence de la couche de détachement 104. La couche de détachement 104 est en oxyde de tungstène WOX, avec de préférence 3 < x < 4.The layer 101 of crystalline semiconductor material is transferable thanks to the presence of the detachment layer 104. The detachment layer 104 is of tungsten oxide WO X , preferably with 3 <x <4.
L'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène. De préférence, l'oxyde de tungstène comprend de 70% à 90% atomique d'oxygène, encore plus préférentiellement de 75% à 90% et encore plus préférentiellement de 80% à 90%.Tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen. Preferably, the tungsten oxide comprises from 70% to 90 atomic% of oxygen, even more preferably from 75% to 90% and even more preferably from 80% to 90%.
De préférence, l'oxyde de tungstène est WO3. Par exemple, il s'agit de la forme monoclinique ou quadratique de WO3. La couche de détachement 104 a une épaisseur allant de 2nm à lOOnm, de préférence de 5nm à 50nm, et encore plus préférentiellement de lOnm à 50nm.Preferably, the tungsten oxide is WO 3 . For example, it is the monoclinic or quadratic form of WO 3 . The release layer 104 has a thickness ranging from 2 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 50 nm, and even more preferably from 10 nm to 50 nm.
Avantageusement, la rugosité d'une telle couche en oxyde de tungstène est faible (typiquement inférieure à lnm RMS, de préférence inférieure à 0,5nm).Advantageously, the roughness of such a tungsten oxide layer is low (typically less than 1 nm RMS, preferably less than 0.5 nm).
La couche 104 en oxyde de tungstène est entourée, de part et d'autre, par une couche barrière de diffusion 103 et par une couche amorphe thermiquement isolante 105.The layer 104 of tungsten oxide is surrounded on both sides by a diffusion barrier layer 103 and by a thermally insulating amorphous layer 105.
La couche barrière de diffusion 103 :The diffusion barrier layer 103:
La couche barrière de diffusion 103 empêche la contamination de la couche en oxyde de tungstène par les éléments chimiques contenus dans le substrat support. Par exemple, dans le cas d'un substrat support en verre, la couche barrière de diffusion empêche la contamination par des chlorures.The diffusion barrier layer 103 prevents contamination of the tungsten oxide layer by the chemical elements contained in the support substrate. For example, in the case of a glass support substrate, the diffusion barrier layer prevents contamination by chlorides.
La couche barrière de diffusion 103 est, de préférence, en nitrure métallique. Elle peut être en un nitrure de métalloïde, comme un nitrure de silicium, ou en nitrure métallique, comme du nitrure de tungstène.The diffusion barrier layer 103 is preferably made of metallic nitride. It may be made of a metalloid nitride, such as a silicon nitride, or of a metallic nitride, such as tungsten nitride.
Elle a une épaisseur allant de 5nm à lOOnm, de préférence de 5nm à 50nm.It has a thickness ranging from 5 nm to 100 nm, preferably from 5 nm to 50 nm.
La couche en matériau amorphe thermiquement isolant 105 :The layer of thermally insulating amorphous material 105:
La couche en matériau amorphe thermiquement isolant 105 empêche toute interférence entre la couche en matériau semi-conducteur 101 et la couche de détachement 104 lors de la cristallisation. Il s'agit, par exemple, d'une couche d'oxyde métallique. Il s'agit par exemple d'alumine ou d'oxyde de silicium SiO2.The layer of thermally insulating amorphous material 105 prevents any interference between the layer of semiconductor material 101 and the release layer 104 during crystallization. It is, for example, a layer of metal oxide. It is, for example, alumina or silicon oxide SiO 2 .
La couche en matériau amorphe thermiquement isolante 105 a, par exemple, une conductivité inférieure à 30W/m.K, de préférence inférieure à 10 et encore plus préférentiellement inférieure à 2.The layer of thermally insulating amorphous material 105 has, for example, a conductivity less than 30W / m.K, preferably less than 10 and even more preferably less than 2.
La couche amorphe thermiquement isolante 105 a une épaisseur allant de 500nm à 15μιτι, de préférence de Ιμιτι à ΙΟμιτι, par exemple de l'ordre de 5μιτι. On choisira une épaisseur suffisante pour contrôler le budget thermique appliqué à la couche de détachement 104. Ceci permet de confiner l'apport de chaleur et ainsi de contrôler le changement de phase de l'oxyde de tungstène. Lors du balayage laser, la partie de l'oxyde de tungstène, devançant le faisceau laser (en amont du faisceau laser), ne peut pas changer de phase car l'apport de chaleur n'est pas suffisant. Ainsi lorsque le faisceau atteint un point de la couche en matériau semi-conducteur à cristallier, la partie de la couche en oxyde de tungstène sous-jacente n'a pas encore changé de phase. Le changement de phase de l'oxyde tungstène a lieu uniquement lorsqu'il est sous le faisceau laser.The thermally insulating amorphous layer 105 has a thickness ranging from 500 nm to 15 μιτι, preferably from Ιμιτι to ΙΟμιτι, for example of the order of 5 μιτι. A sufficient thickness will be chosen to control the thermal budget applied to the detachment layer 104. This makes it possible to confine the heat supply and thus to control the phase change of the tungsten oxide. During laser scanning, the part of the tungsten oxide, ahead of the laser beam (upstream of the laser beam), cannot change phase because the heat supply is not sufficient. Thus when the beam reaches a point of the layer of semiconductor material to be crystallized, the part of the layer of underlying tungsten oxide has not yet changed phase. The phase change of tungsten oxide takes place only when it is under the laser beam.
Cette couche thermiquement isolante 105 joue, également, avantageusement, le rôle de couche barrière. Elle empêche la contamination de la couche à cristalliser par le tungstène, notamment lors de la cristallisation.This thermally insulating layer 105 also plays, advantageously, the role of barrier layer. It prevents contamination of the layer to be crystallized by tungsten, especially during crystallization.
Par exemple, la structure 100 comprend successivement, et de préférence est constituée par :For example, the structure 100 successively comprises, and preferably consists of:
- un substrat support 102 en verre,a support substrate 102 made of glass,
- une couche barrière de diffusion 103 en oxyde, de préférence en S1O2,a diffusion barrier layer 103 of oxide, preferably of S1O2,
- une couche de détachement en oxyde de tungstène 104, l'oxyde de tungstène comprenant au moins 70% atomique d'oxygène,a tungsten oxide detachment layer 104, the tungsten oxide comprising at least 70 atomic% of oxygen,
- une couche en matériau amorphe thermiquement isolant 105 en nitrure métallique, de préférence en nitrure de silicium,a layer of thermally insulating amorphous material 105 made of metal nitride, preferably silicon nitride,
- une couche 101 en silicium cristallin ou en germanium cristallin.a layer 101 of crystalline silicon or of crystalline germanium.
Le procédé de réalisation de la structure 100 :The process for producing the structure 100:
Le procédé de réalisation d'une structure 100 ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin 101, telle que définie précédemment, va maintenant être décrit. Le procédé comprend les étapes successives suivantes :The method of producing a structure 100 having a layer of crystalline semiconductor material 101, as defined above, will now be described. The process includes the following successive steps:
- fourniture d'un substrat support 101 recouvert par une couche barrière de diffusion 103,supply of a support substrate 101 covered by a diffusion barrier layer 103,
- formation d'un empilement sur la couche de diffusion par un empilement comprenant, successivement, depuis la couche barrière de diffusion 103 :formation of a stack on the diffusion layer by a stack comprising, successively, from the diffusion barrier layer 103:
o une couche de détachement 104 en oxyde de tungstène, o une couche en matériau amorphe thermiquement isolante 105, o une couche en matériau semi-conducteur 101, amorphe ou polycristallin,a detachment layer 104 of tungsten oxide, a layer of thermally insulating amorphous material 105, a layer of semiconductor material 101, amorphous or polycrystalline,
- apport local d'énergie sur l'empilement de manière à le chauffer; le chauffage conduit à la fusion de la couche en matériau semi-conducteur 101 et en même temps à la fragilisation (diminution de l'énergie de collage notamment) de la couche de détachement 104,- local supply of energy to the stack so as to heat it; the heating leads to the melting of the layer of semiconductor material 101 and at the same time to the embrittlement (reduction in the bonding energy in particular) of the detachment layer 104,
- refroidissement de l'empilement de manière à cristalliser la couche en matériau semi-conducteur 101, qui était initialement sous forme amorphe ou polycristalline, sous forme monocristalline.- cooling the stack so as to crystallize the layer of semiconductor material 101, which was initially in amorphous or polycrystalline form, in monocrystalline form.
Les différentes couches de la structure, et en particulier la couche barrière de diffusion 103, la couche amorphe thermiquement isolante 105, ainsi que la couche en matériau semi-conducteur 101 seront réalisées par toute technique classique de microélectronique adaptée et choisie par l'homme du métier. II peut s'agir, par exemple, de dépôt chimique en phase (ou CVD pour « Chemical Vapor Déposition »), dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour « Physical Vapor Déposition »), par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition »), etc.The different layers of the structure, and in particular the diffusion barrier layer 103, the thermally insulating amorphous layer 105, as well as the layer of semiconductor material 101 will be produced by any conventional technique of microelectronics adapted and chosen by those skilled in the art. job. It can be, for example, chemical phase deposition (or CVD for "Chemical Vapor Deposition"), physical vapor deposition (or PVD for "Physical Vapor Deposition"), by chemical vapor deposition assisted by plasma (or PECVD for “Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition”), etc.
La cristallisation est, de préférence, réalisée sous irradiation laser. Elle peut être réalisée pendant une durée d'environ une minute pour une température locale sur la couche en matériau semi-conducteur de 1400°C ou pendant 15minutes pour une température de 700°C.The crystallization is preferably carried out under laser irradiation. It can be carried out for a period of approximately one minute for a local temperature on the layer of semiconductor material of 1400 ° C. or for 15 minutes for a temperature of 700 ° C.
De préférence, comme représenté sur la figure 2, pour réaliser la cristallisation, un germe monocristallin peut être disposé en contact avec la couche en matériau semi-conducteur 101. Lors de l'étape b), le balayage laser est réalisé depuis l'interface entre le germe et la couche en matériau semi-conducteur vers la couche en matériau semi-conducteur de manière à donner l'orientation cristalline du germe à ladite couche lors de sa cristallisation. Le procédé de cristallisation décrit dans le document USA-2015191847 est ici incorporé par référence.Preferably, as shown in FIG. 2, to achieve crystallization, a monocrystalline seed can be placed in contact with the layer of semiconductor material 101. During step b), the laser scanning is carried out from the interface between the seed and the layer of semiconductor material towards the layer of semiconductor material so as to give the crystalline orientation of the seed to said layer during its crystallization. The crystallization process described in document USA-2015191847 is incorporated herein by reference.
La couche en oxyde de tungstène 104 est, de préférence, déposée par pulvérisation d'une cible de tungstène à l'aide d'un plasma composé d'un mélange d'Ar et de O2 (« reactive-PVD »), de préférence à température ambiante. Le dioxygène va réagir avec le tungstène pulvérisé et conduire au dépôt d'une phase oxydée dont la stœchiométrie dépend de la pression partielle en dioxygène. Une couche obtenue avec une telle technique de dépôt présente, avantageusement, une faible rugosité.The tungsten oxide layer 104 is preferably deposited by spraying a tungsten target using a plasma composed of a mixture of Ar and O 2 ("reactive-PVD"), preferably at room temperature. The dioxygen will react with the pulverized tungsten and lead to the deposition of an oxidized phase, the stoichiometry of which depends on the partial pressure of oxygen. A layer obtained with such a deposition technique advantageously has a low roughness.
La couche en oxyde tungstène 104 est cohésive et adhésive après dépôt et à température ambiante.The tungsten oxide layer 104 is cohesive and adhesive after deposition and at room temperature.
Lorsque la couche en oxyde de tungstène, ayant plus de 70% atomique d'oxyde, est chauffée au-delà d'une certaine température (par exemple au-delà de 400°C, et de préférence à au moins 500°C), des défauts apparaissent dans la couche, ce qui la rend plus fragile tout en conservant une cohésion et une adhérence suffisante pour maintenir en place les couches supérieures de la structure. Le budget thermique de la cristallisation est suffisant pour faire apparaître ces défauts. De préférence, la couche en oxyde de tungstène est chauffée à une température inférieure à 700°C.When the tungsten oxide layer, having more than 70 atomic% of oxide, is heated above a certain temperature (for example above 400 ° C., and preferably at least 500 ° C.), defects appear in the layer, which makes it more fragile while retaining sufficient cohesion and adhesion to hold the upper layers of the structure in place. The thermal budget for crystallization is sufficient to reveal these defects. Preferably, the tungsten oxide layer is heated to a temperature below 700 ° C.
Cette baisse d'adhérence et de cohésion est suffisante pour permettre le détachement ultérieur de cette couche en appliquant une contrainte mécanique (« peel-off »). La couche de détachement 104 reste, toutefois, assez cohérente et solide pour tenir la couche cristallisée 101, et empêcher sa rupture ou son plissement (du fait de contraintes internes ou thermiques).This drop in adhesion and cohesion is sufficient to allow the subsequent detachment of this layer by applying mechanical stress ("peel-off"). The detachment layer 104 remains, however, sufficiently coherent and solid to hold the crystallized layer 101, and prevent it from breaking or wrinkling (due to internal or thermal stresses).
Par exemple, pour une couche en oxyde de tungstène 104 contenant 75% atomique d'oxygène, un traitement thermique à 500°C conduit à une énergie de collage d'environ 600mJ/m2 alors que l'énergie de collage est de 1100mJ/m2 pour un traitement thermique à 400°C. Les mesures d'énergie de collage ont été réalisées par la technique DCB « (Double Cantilever Beam » ou Technique du double-levier).For example, for a tungsten oxide layer 104 containing 75 atomic% of oxygen, a heat treatment at 500 ° C. leads to a bonding energy of approximately 600 mJ / m 2 while the bonding energy is 1100mJ / m2 for heat treatment at 400 ° C. The bonding energy measurements were carried out using the DCB “Double Cantilever Beam” technique.
Transfert de la couche en matériau semi-conducteur monocristallin 101 sur un substrat d'intérêt 200 :Transfer of the layer of monocrystalline semiconductor material 101 onto a substrate of interest 200:
Un ou plusieurs substrats receveurs 200 peuvent être fixés sur la couche en matériau semi-conducteur cristallin 101 pour pouvoir la transférer (figures 3, 4 et 5). Le substrat receveur 200 est le substrat d'intérêt, c'est-à-dire celui sur lequel on veut reporter, transférer la couche en matériau semi-conducteur cristallin. Le substrat receveur 200 peut être de tout type. Il peut s'agir d'un substrat de type CMOS ou une couche en polymère. La couche en polymère peut être, par exemple, en polyimide ou en polyméthacrylate de méthyle. Le substrat receveur 200 peut être adhésif.One or more receiving substrates 200 can be fixed on the layer of crystalline semiconductor material 101 in order to be able to transfer it (FIGS. 3, 4 and 5). The receiving substrate 200 is the substrate of interest, that is to say the substrate on which it is desired to transfer, transfer the layer of crystalline semiconductor material. The receiving substrate 200 can be of any type. It can be a CMOS type substrate or a polymer layer. The polymer layer can be, for example, polyimide or polymethyl methacrylate. The receiving substrate 200 can be adhesive.
Le substrat receveur 200 peut être d'une surface similaire à celle de la couche en matériau semi-cristallin ou de taille inférieure. Avantageusement, comme représenté sur les figures 4 et 5, plusieurs substrats receveurs peuvent être positionnés, fixés, collés sur une même couche cristallisée 101. Ce procédé est particulièrement avantageux car plusieurs substrats receveurs peuvent être fixés sur un même substrat support 102, ce qui réduit considérablement les coûts d'élaboration et rend le procédé industrialisable à grande échelle.The receiving substrate 200 may have a surface similar to that of the layer of semi-crystalline material or of smaller size. Advantageously, as shown in FIGS. 4 and 5, several receiving substrates can be positioned, fixed, glued on the same crystallized layer 101. This process is particularly advantageous since several receiving substrates can be fixed on the same support substrate 102, which reduces considerably the development costs and makes the process industrializable on a large scale.
Une fois le substrat receveur 200 fixé, on applique une contrainte mécanique de manière à détacher la couche de détachement en oxyde de tungstène 104 de la couche barrière de diffusion 103, et à transférer la couche en matériau semiconducteur cristallin 101 sur le substrat receveur 200 (figure 6).Once the receiving substrate 200 is fixed, mechanical stress is applied so as to detach the tungsten oxide release layer 104 from the diffusion barrier layer 103, and to transfer the layer of crystalline semiconductor material 101 to the receiver substrate 200 ( figure 6).
Le procédé de transfert de la couche cristallisée 101 est idéalement réalisé, après la cristallisation, à froid et mécaniquement, par la fixation (par exemple par collage) du substrat receveur 200 sur la couche cristallisée 101. Des traitements de finition peuvent être réalisés sur la couche cristallisée 101 avant la fixation du substrat receveur 200.The process for transferring the crystallized layer 101 is ideally carried out, after crystallization, cold and mechanically, by fixing (for example by gluing) the receiving substrate 200 to the crystallized layer 101. Finishing treatments can be carried out on the crystallized layer 101 before fixing the receiving substrate 200.
A titre illustratif, la figure 7 représente une couche monocristalline 101 reportée sur un substrat receveur 200 formé d'un support massif 201, recouvert de plusieurs transistors 202 et d'interconnexion métalliques 203. Une interface de collage 204 est présente en contact avec la couche monocristalline 101. Après report, la couche monocristalline 101 est recouverte de la couche thermiquement isolante 105 et d'une partie de la couche en oxyde de tungstène 104.By way of illustration, FIG. 7 represents a monocrystalline layer 101 transferred onto a receiving substrate 200 formed of a solid support 201, covered with several transistors 202 and metallic interconnection 203. A bonding interface 204 is present in contact with the layer monocrystalline 101. After transfer, the monocrystalline layer 101 is covered with the thermally insulating layer 105 and with part of the tungsten oxide layer 104.
La surface de la couche monocristalline 101 peut être nettoyée par exemple avec une gravure humide sélective pour retirer les résidus d'oxyde de tungstène et, éventuellement, la couche amorphe 105 (figure 8).The surface of the monocrystalline layer 101 can be cleaned for example with selective wet etching to remove the tungsten oxide residues and, optionally, the amorphous layer 105 (FIG. 8).
Les résidus d'oxyde de tungstène peuvent retirés avec toute solution adaptée, et classiquement utilisée dans le domaine de la microélectronique, comme par exemple un mélange NH4OH :H2O2.The tungsten oxide residues can be removed with any suitable solution, conventionally used in the field of microelectronics, such as for example a NH 4 OH: H 2 O 2 mixture.
Le substrat support 102 recouvert par la couche barrière de diffusion 103 peut être recyclé, et utilisé pour réaliser une nouvelle structure. Une gravure humide sélective peut, éventuellement, être réalisée pour retirer les résidus d'oxyde de tungstène présents avant une nouvelle utilisation.The support substrate 102 covered by the diffusion barrier layer 103 can be recycled, and used to produce a new structure. Selective wet etching can, if necessary, be carried out to remove the tungsten oxide residues present before a new use.
Exemples illustratifs et non limitatifs d'un procédé de réalisation d'une structure ayant une couche en matériau semi-conducteur cristallin transférable et transfert de ladite couche :Illustrative and nonlimiting examples of a process for producing a structure having a layer of transferable crystalline semiconductor material and transfer of said layer:
Différentes structures 100 ont été réalisées. Dans la première structure, le substrat support 102 est un substrat en verre de 700pm d'épaisseur commercialisé par la société Eagle XG. Sur ce substrat support 102 sont successivement déposées :Different structures 100 have been produced. In the first structure, the support substrate 102 is a 700 μm thick glass substrate sold by the company Eagle XG. On this support substrate 102 are successively deposited:
une couche 103 de SiN de 50nm d'épaisseur par PECVD, une couche 104 de WOX de 4nm d'épaisseur par « reactive PVD », l'oxyde comprend environ 78% atomique d'oxygène. La couche a été réalisée un rapport R de 25% avec R défini par le rapport du débit d'oxygène sur la somme du débit d'oxygène et du débit d'argon, une couche 105 de SiO2 de 5pm d'épaisseur par PECVD, une couche de silicium amorphe de lpm d'épaisseur par PECVD.a layer 103 of SiN 50nm thick by PECVD, a layer 104 of WO X 4nm thick by "reactive PVD", the oxide comprises approximately 78 atomic% of oxygen. The layer was produced at a ratio R of 25% with R defined by the ratio of the oxygen flow rate to the sum of the oxygen flow rate and the argon flow rate, a layer 105 of SiO2 5 μm thick by PECVD, a layer of amorphous silicon 1 μm thick by PECVD.
Un germe monocristallin est ensuite introduit au niveau de la couche de silicium amorphe. Un balayage laser est ensuite réalisé de manière à cristalliser la couche de silicium 101 et à dégrader en introduisant des défauts dans la couche en oxyde de tungstène 104.A monocrystalline seed is then introduced at the level of the amorphous silicon layer. A laser scan is then carried out so as to crystallize the silicon layer 101 and to degrade by introducing defects in the tungsten oxide layer 104.
Lors du balayage laser, la température au niveau de la couche en silicium amorphe est de 1400°C. La couche en oxyde de tungstène 104 protégée par la couche thermiquement isolante 105 est à une température 1200°C sous le faisceau laser. La chaleur diffuse de manière raisonnable dans la couche en oxyde de tungstène 104. La couche en oxyde de tungstène 104 est par exemple à 700°C avant le front de cristallisation. Autrement dit, le front de cristallisation devance le front de changement de phase du tungstène, ce qui évite la formation de défauts, l'apparition de décollement locaux de la couche de tungstène au niveau de la partie de la couche non cristallisée. La cristallisation est ainsi de meilleure qualité.During laser scanning, the temperature at the amorphous silicon layer is 1400 ° C. The tungsten oxide layer 104 protected by the thermally insulating layer 105 is at a temperature of 1200 ° C. under the laser beam. The heat diffuses in a reasonable manner in the layer of tungsten oxide 104. The layer of tungsten oxide 104 is for example at 700 ° C. before the crystallization front. In other words, the crystallization front is ahead of the phase change front of the tungsten, which avoids the formation of defects, the appearance of local detachments of the tungsten layer at the part of the non-crystallized layer. The crystallization is thus of better quality.
Dans la deuxième structure, le substrat support 102 est en silicium et a une épaisseur de 500μιτι. Sur ce substrat support 102 sont successivement déposées :In the second structure, the support substrate 102 is made of silicon and has a thickness of 500 μιτι. On this support substrate 102 are successively deposited:
- une couche 103 de SiN de 50nm d'épaisseur par PECVD,- a layer 103 of SiN 50nm thick by PECVD,
- une couche 104 de WOX de 4nm d'épaisseur par « reactive PVD », l'oxyde comprend environ 78% atomique d'oxygène. La couche a été réalisée un rapport R de 25% avec R défini par le rapport du débit d'oxygène sur la somme du débit d'oxygène et du débit d'argon,- A layer 104 of WO X 4 nm thick by "reactive PVD", the oxide comprises approximately 78 atomic% of oxygen. The layer was produced at a ratio R of 25% with R defined by the ratio of the oxygen flow rate to the sum of the oxygen flow rate and the argon flow rate,
- une couche 105 de SiO2 de plus de 5μιτι d'épaisseur par PECVD,a layer 105 of SiO 2 more than 5 μm thick by PECVD,
- une couche de germanium amorphe de Ιμιτι d'épaisseur par PECVD- a layer of amorphous germanium Ιμιτι thick by PECVD
Un germe monocristallin de germanium est ensuite introduit au niveau de la couche de germanium amorphe. Un balayage laser est ensuite réalisé de manière à cristalliser la couche de germanium 101 et à introduire des défauts dans la couche en oxyde de tungstène 104.A monocrystalline germ of germanium is then introduced at the level of the layer of amorphous germanium. A laser scan is then carried out so as to crystallize the germanium layer 101 and to introduce defects into the tungsten oxide layer 104.
Un film adhésif souple 200 est ensuite positionné sur chaque structureA flexible adhesive film 200 is then positioned on each structure
100 des deux exemples. Un pelage mécanique est réalisé pour séparer la couche cristalline en silicium ou en germanium 101 du substrat support 102. La couche cristalline100 of the two examples. Mechanical peeling is carried out to separate the crystalline layer of silicon or germanium 101 from the support substrate 102. The crystalline layer
101 a été reportée sur le film adhésif 200 sans être cassée.101 has been transferred to the adhesive film 200 without being broken.
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|---|---|---|---|---|
| CN115156545A (en) * | 2022-06-30 | 2022-10-11 | 赣州有色冶金研究所有限公司 | Ultra-coarse tungsten powder, ultra-coarse tungsten carbide powder and preparation method thereof |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20090017581A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-01-15 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for manufacturing a semiconductor device |
| FR2993702A1 (en) * | 2012-07-17 | 2014-01-24 | Commissariat Energie Atomique | PROCESS FOR PRODUCING A MONOCRYSTALLINE LAYER |
| FR3022562A1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-12-25 | Commissariat Energie Atomique | PASSIVATION PROCESS AND METHOD FOR DIRECTLY BONDING TUNGSTEN LAYERS |
-
2017
- 2017-09-25 FR FR1758849A patent/FR3071662B1/en active Active
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20090017581A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-01-15 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for manufacturing a semiconductor device |
| FR2993702A1 (en) * | 2012-07-17 | 2014-01-24 | Commissariat Energie Atomique | PROCESS FOR PRODUCING A MONOCRYSTALLINE LAYER |
| FR3022562A1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-12-25 | Commissariat Energie Atomique | PASSIVATION PROCESS AND METHOD FOR DIRECTLY BONDING TUNGSTEN LAYERS |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115156545A (en) * | 2022-06-30 | 2022-10-11 | 赣州有色冶金研究所有限公司 | Ultra-coarse tungsten powder, ultra-coarse tungsten carbide powder and preparation method thereof |
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|---|---|
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