[go: up one dir, main page]

WO2025073392A1 - Procede de fabrication d'une structure composite pour la microelectronique, l'optique ou l'optoelectronique - Google Patents

Procede de fabrication d'une structure composite pour la microelectronique, l'optique ou l'optoelectronique Download PDF

Info

Publication number
WO2025073392A1
WO2025073392A1 PCT/EP2024/059623 EP2024059623W WO2025073392A1 WO 2025073392 A1 WO2025073392 A1 WO 2025073392A1 EP 2024059623 W EP2024059623 W EP 2024059623W WO 2025073392 A1 WO2025073392 A1 WO 2025073392A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
layer
interest
portions
support substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/059623
Other languages
English (en)
Inventor
Bruno Ghyselen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/FR2023/051563 external-priority patent/WO2024074797A1/fr
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of WO2025073392A1 publication Critical patent/WO2025073392A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02002—Preparing wafers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/185—Joining of semiconductor bodies for junction formation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L21/6835—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2221/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof covered by H01L21/00
    • H01L2221/67—Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L2221/683—Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L2221/68304—Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support
    • H01L2221/68368—Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support used in a transfer process involving at least two transfer steps, i.e. including an intermediate handle substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a composite structure for microelectronics, optics or optoelectronics.
  • the design of multilayer structures sometimes requires transferring tiles in the form of portions of a layer from a donor substrate to a support substrate or receiving substrate.
  • This type of process is generally referred to as a paving process, and involves a partial transfer of a layer taken from the donor substrate to form one or more paving stones arranged in a predetermined pattern or location on the supporting substrate.
  • Such tiling may be made necessary by a size difference between the donor substrate and the support substrate. Indeed, due to this size difference, it is not possible to transfer a layer of the donor substrate covering the entire surface of the support substrate.
  • a well-known layer transfer method is the Smart CutTM method, in which an embrittlement zone is formed by implantation of atomic species into the donor substrate, delimiting the layer to be transferred, the donor substrate is bonded to the support substrate, and the donor substrate is detached along the embrittlement zone to transfer the layer from the donor substrate to the support substrate.
  • this method assumes that the donor substrate and the support substrate are of identical size.
  • silicon substrates are available with a relatively large size, typically a diameter of 300 mm
  • other materials of interest currently only exist in the form of bulk substrates of smaller size, for example 100 or 150 mm in diameter.
  • these materials of interest are sometimes particularly expensive, so that it is desirable to minimize any waste formed during the transfer.
  • III-V semiconductor materials including nitrides (for example, for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)), arsenides (for example, for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlAs)), and phosphides (e.g., for binary compounds, indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP) and aluminum phosphide (AIP)).
  • nitrides for example, for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)
  • arsenides for example, for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlAs)
  • phosphides
  • a solution based on the Smart CutTM process consists of removing one or more tiles from at least one donor substrate and transferring said tiles to an intermediate support, to form a so-called pseudo-donor substrate, forming by implantation of atomic species a weakening zone in each tile, bonding the pseudo-donor substrate to a receiving substrate via the tiles, and detaching each tile along the weakening zone so as to transfer a portion of each tile to the receiving substrate.
  • the intermediate substrate and the receiving substrate have the same size.
  • the material of the tile portions and the material of the receiving substrate must be subjected to different and incompatible process steps.
  • the material of the tile portions is a III-V material such as InP and the material of the receiving substrate is silicon
  • the tile portions are intended to receive one or more additional layers of III-V materials formed by epitaxy, while the receiving substrate is intended to form electronic circuit elements using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) process.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CMOS manufacturing line is not suitable for including epitaxy of III-V materials, in particular due to the risks of contamination of the line by III-V materials.
  • Document US 2011/0244613 describes a method for manufacturing a structure comprising a silicon substrate comprising a photonic component, such as a waveguide or a modulator, and InP-based tiles supporting a laser structure.
  • the tiles are first formed on a support substrate and then portions of the tiles are transferred from the support substrate to the silicon receiving substrate comprising the photonic component.
  • this transfer which is based on the Smart CutTM process, poses several problems.
  • hydrogen implantation is performed in the tiles arranged on the support substrate, so as to form a weakened zone therein. Consequently, the implanted hydrogen must pass through the laser structure located at the top of the tiles, which risks damaging it. Furthermore, depending on the thickness of the laser structure, it may be difficult to achieve the desired implantation depth with industrially available implantation devices.
  • hydrogen implantation is performed in an InP donor substrate before cutting the tiles, from the face opposite the face on which the laser structure is formed, so as to prevent the implanted hydrogen from passing through the laser structure.
  • this method generates a loss of a large quantity of InP.
  • the donor substrate can only be used once to form the tiles, the residual thickness after assembly of the tiles on the support substrate not allowing new tiles to be formed; on the other hand, after transfer of the tile portions from the support substrate to the receiving substrate, a significant thickness of InP, which is not part of the laser structure, is removed by chemical or plasma etching. Given the cost of InP, this process is therefore very expensive.
  • the problem of lack of compatibility between two parts of the composite structure also arises when said structure includes, instead of the paving stones, a continuous layer of the first material.
  • An aim of the invention is therefore to design a method for manufacturing, from a temporary substrate comprising a layer or blocks of interest, a structure comprising a receiving substrate on which portions of said layer or blocks of interest extend, said structure being composite in the sense that it combines, for the receiving substrate and the portions of layer or blocks of interest, materials undergoing different and mutually incompatible treatments, under conditions which make it possible to minimize damage to the blocks or said layer of interest and to optimize the recycling of the temporary substrate.
  • An object of the invention relates to a method for manufacturing a composite structure comprising portions of paving stones or a layer of interest.
  • said method comprises:
  • the method comprises:
  • removable interface excludes the case of a weakening zone formed by the implantation of atomic species.
  • assembly via the paving stone portions (or layer of interest) is meant in this text that the assembly of the temporary substrate on the receiving substrate is done with the paving stone portions (or layer of interest) oriented towards the receiving substrate (the support substrate being located on the side of the paving stone portions or layer of interest opposite the receiving substrate). This does not imply direct contact of the paving stone portions (or layer of interest) and the receiving substrate. Thus, if, as explained below, additional layers have been formed on the paving stone portions or layer of interest as part of one or more treatments of the paving stone portions or layer of interest before the assembly step, it is the layer located on the free surface of the portions of paving stones or of the layer of interest which is in contact with the receiving substrate.
  • the invention therefore makes it possible to delay as much as possible the assembly of two substrates which are not compatible with each other during the manufacture of the composite structure, in particular by avoiding treating the blocks or the layer of interest using processes which are incompatible with the material of the receiving substrate.
  • the entire intermediate substrate and the paving stones or layer of interest lends itself to the formation of several temporary substrates, which minimizes the unit cost of said temporary substrates.
  • the method comprises at least one step of treating the portions of paving stones or the layer of interest before assembling said portions of paving stones or said layer of interest on the receiving substrate.
  • Said processing may include:
  • said step of treating the portions of paving stones or the layer of interest is carried out at a temperature greater than or equal to 500°C.
  • the receiving substrate includes at least a portion of an electronic circuit formed prior to assembly of the temporary substrate and the receiving substrate.
  • the formation of said electronic circuit part can be carried out in particular by a CMOS process.
  • the method may comprise at least one step of finalizing the electronic circuit after transferring the portions of tiles or the layer of interest onto the receiving substrate.
  • finalization is meant in the present text the assembly of the transistors, laser diodes and chip elements formed in the portions of tiles or the layer of interest and the receiving substrate to form electronic components. and/or optoelectronics. These finalization stages are generally referred to as the “back-end” in the field of microelectronics.
  • Said electronic circuit may advantageously comprise at least one transistor, in particular a field effect transistor, a CMOS transistor, a BiCMOS transistor or a bipolar transistor, and/or at least one diode, in particular a laser diode or a light-emitting diode (LED).
  • transistor in particular a field effect transistor, a CMOS transistor, a BiCMOS transistor or a bipolar transistor, and/or at least one diode, in particular a laser diode or a light-emitting diode (LED).
  • III-V materials such as indium nitride (InN), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AIN), indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), aluminum arsenide (AlAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP) or aluminum phosphide (AIP),
  • InN indium nitride
  • GaN gallium nitride
  • AlAs aluminum arsenide
  • InP indium phosphide
  • GaP gallium phosphide
  • AIP aluminum phosphide
  • lithium tantalate LiTaO3
  • lithium niobate LiNbOa
  • potassium sodium niobate KxNa1-xNbO3 or KNN
  • barium titanate BaTiOa
  • quartz lead zirconate titanate
  • PMN-PT a compound of lead magnesium niobate and lead titanate
  • ZnO zinc oxide
  • aluminium nitride AIN
  • aluminium scandium nitride AIScN
  • an electrically insulating material such as diamond, strontium titanate, yttria zirconia or sapphire.
  • the third material can then be chosen from: III-V materials, piezoelectric materials, silicon carbide, silicon germanium (SiGe) and germanium.
  • the second material is preferably chosen from silicon, germanium, silicon carbide and III-V materials, in particular gallium arsenide.
  • the support substrate advantageously comprises silicon, silicon carbide, in particular polycrystalline silicon carbide, or aluminum nitride, in particular polycrystalline aluminum nitride.
  • the removable interface comprises a selective etch layer, a porous layer and/or a layer having a low bonding energy and, upon removal from the support substrate, the disassembly of the interface comprises the application of a mechanical action, a chemical etch and/or a thermal treatment on said layer.
  • the method comprises depositing a stack of layers on a free surface of each portion of paving stone or of the layer of interest of the temporary substrate, the removable interface being formed from one of the layers of said stack.
  • Figure 1A illustrates an embodiment of a composite structure obtained by a method according to the invention, implementing blocks of interest
  • Figure 1B illustrates a variant of said composite structure
  • Figure 1C illustrates another embodiment of a composite structure obtained by a method according to the invention, implementing a continuous layer of interest
  • FIGS. 2A to 2E respectively illustrate steps of removing paving stones from a donor substrate, placing said paving stones on an intermediate substrate, forming a weakening zone in said paving stones, bonding the intermediate substrate to a support substrate via the paving stones and transferring portions of the paving stones to the support substrate following detachment of the paving stones along the weakening zone;
  • FIG. 4 illustrates a step of removing the support substrate to transfer the paving portions onto the receiving substrate
  • FIGS. 5A to 5D respectively illustrate steps of forming a layer forming a removable interface on the blocks of Figure 2C, of bonding the intermediate substrate and the blocks to a support substrate via said layer forming a removable interface, of transferring portions of the blocks to the support substrate following detachment of the blocks along the weakening zone, and of assembling the temporary substrate to the receiving substrate;
  • FIG. 6 illustrates the formation of a stack of layers on the paving portions of the temporary substrate of Figure 2E, said stack including a layer forming a removable interface
  • figure 7 illustrates a step of assembling the temporary substrate of figure 6 on the receiving substrate.
  • Figure 1A illustrates an example of a composite structure combining blocks or portions of blocks P'1, P'2, P'3 of a first material and a substrate 4 (called the receiving substrate) formed from a second material different from the first material.
  • the paving stone portions comprise a material that is not commercially available as a large donor substrate.
  • the donor substrate may have a diameter of less than 300 mm, for example of the order of 100 or 150 mm.
  • III-V semiconductor materials including nitrides (e.g., for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)), arsenides (e.g., for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlAs)), and phosphides (e.g., for binary compounds, indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP) and aluminum phosphide (AIP)).
  • nitrides e.g., for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)
  • arsenides e.g., for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (Al
  • the paving stone portions may also include IV or IV-IV semiconductor compounds, such as germanium and silicon carbide.
  • the paving stone portions may also comprise a piezoelectric material, for example lithium tantalate (LiTaOs) or lithium niobate (LiNbOa), potassium sodium niobate (K x Nai. x NbO3 or KNN), barium titanate (BaTiOs), quartz, lead zirconate titanate (PZT), a compound of lead magnesium niobate and lead titanate (PMN-PT), zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AIN) or aluminum scandium nitride (AIScN) (non-limiting list).
  • a piezoelectric material for example lithium tantalate (LiTaOs) or lithium niobate (LiNbOa), potassium sodium niobate (K x Nai. x NbO3 or KNN), barium titanate (BaTiOs), quartz, lead zirconate titanate (PZT), a compound of lead magnesium n
  • the paving stone portions may also include an electrically insulating material, such as diamond, strontium titanate (SrTiOa), yttria zirconia (YSZ), or sapphire.
  • an electrically insulating material such as diamond, strontium titanate (SrTiOa), yttria zirconia (YSZ), or sapphire.
  • the receiving substrate is made of a second material distinct from that of the paving stones, said second material being typically adapted for different technological stages and not compatible with the technological stages carried out on the first material.
  • a bonding layer 40 for example a dielectric layer such as a layer of silicon oxide (SiOa), may be interposed between the portions of tiles P'1-P'3 and the receiving substrate 4.
  • Figure 1C illustrates another example of a composite structure formed from a stack of a layer of interest 20 of a first material and a receiving substrate 4 formed from a second material different from the first material.
  • the layer of interest advantageously comprises a III-V semiconductor material, comprising nitrides (for example, for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)), arsenides (for example, for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlAs)), and phosphides (for example, for binary compounds, indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP) and aluminum phosphide (AIP)).
  • nitrides for example, for binary compounds, indium nitride (InN), gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AIN)
  • arsenides for example, for binary compounds, indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlA
  • a bonding layer for example a dielectric layer such as a silicon oxide (SiO2) layer, may be interposed between the layer of interest 20 and the receiving substrate 4.
  • a dielectric layer such as a silicon oxide (SiO2) layer
  • the manufacturing process of the composite structure is substantially the same whether it comprises a plurality of paving stones of interest or a continuous layer of interest. Indeed, all of the paving stones can be considered a discontinuous layer; conversely, the layer of interest can be considered a single paving stone. Furthermore, the transfer or treatment of the paving stones implements the same processes as in the case of a single layer. Thus, unless specifically indicated, the description applies equally to a set of paving stones of interest as to a continuous layer of interest even if, for the sake of brevity, the description relates to the case of paving stones.
  • Figures 2A to 2E schematically illustrate the formation of a temporary substrate comprising the pavers placed on an intermediate substrate and the transfer of portions of said pavers onto a support substrate.
  • blocks P1-P3 are cut from a donor substrate 2.
  • the cutting of the blocks can be carried out by any technique known to those skilled in the art. It can in particular be carried out by sawing and/or cleaving, or by laser cutting. It can also, for example, be combined with a step of partial plasma etching of the cutting lines, a technique known by the English term “plasma dicing”).
  • Figure 2B illustrates the placement of the tiles taken from the donor substrate 2 of Figure 2A on a base substrate 1 to form an intermediate substrate T.
  • Placement can be implemented by the “Pick and Place” technique, whereby a robot picks up a previously cut tile from the donor substrate and places it at a predetermined location on the intermediate substrate.
  • each paving stone adheres to the base substrate 1 by molecular adhesion.
  • surface treatments of the paving stones and/or the base substrate 1 may be implemented beforehand in order to promote good molecular adhesion. These treatments may include in particular cleaning, the deposition of a bonding layer such as silicon oxide (SiCh), plasma activation before bonding and annealing.
  • SiCh silicon oxide
  • the bonding of the tiles to the base substrate 1 may involve a bonding layer, for example a polymer bonding layer, a eutectic bonding layer or a ceramic glue layer.
  • the base substrate 1 advantageously has a diameter greater than that of the donor substrate 2, for example a diameter of the order of 300 mm.
  • the donor substrate Given the size difference between the donor substrate and the base substrate 1, several donor substrates may be required to tile the entire surface of the base substrate 1 according to the desired tiling density to form the intermediate substrate T.
  • the steps of cutting the donor substrate(s) and placing them on the base substrate can be omitted.
  • Figure 2C illustrates the formation of a weakening zone in said PIPS tiles (or, in the case of a continuous layer, in the donor substrate) in order to delimit a surface portion of said tiles intended to be transferred onto a support substrate 3.
  • the weakening zone 11 is advantageously formed by implantation of atomic species, such as hydrogen and/or helium, in the tiles, at a depth corresponding to the thickness of the layer to be transferred.
  • Figure 2D illustrates the bonding of the intermediate substrate T of Figure 2C to a support substrate 3 via the blocks.
  • each block adheres to the support substrate 3 by molecular adhesion.
  • surface treatments of the blocks and/or the support substrate 3 may be implemented beforehand in order to promote good molecular adhesion. These treatments may include in particular cleaning, the deposition of a bonding layer such as silicon oxide (SiCh), plasma activation before bonding, polishing and annealing, preferably at low temperature (i.e. typically below 300°C).
  • each block adheres to the support substrate via a layer 5 forming a removable interface.
  • the intermediate substrate T and the support substrate 3 have an identical diameter.
  • the support substrate is a silicon substrate.
  • a silicon support substrate is particularly advantageous due to its availability in a large diameter, typically 300 mm. Such a substrate is particularly suitable for the transfer of interest paving stones.
  • the support substrate is a silicon carbide or aluminum nitride substrate.
  • Silicon carbide and aluminum nitride substrates are generally available in smaller diameters, for example 100 or 150 mm. These substrates are particularly suitable for transferring a layer of interest from a 100 or 150 mm diameter donor substrate, but are also usable for transferring tiles of interest.
  • the support substrate is chosen primarily for its mechanical and/or chemical properties, and not for its electrical or optical properties, it can be used in a low-cost form, for example polycrystalline (p-SiC, p-AIN). Furthermore, the choice of a polycrystalline form can make it possible to obtain a support substrate with a larger diameter than a monocrystalline form.
  • a SiC or AIN substrate has a thermal expansion coefficient closer to that of a III-V material constituting the tiles or the layer of interest.
  • the thermal expansion coefficient of p-SiC can be adjusted quite finely by varying its structure (polytype (notably the hexagonal polytypes SiC-4H and SiC-6H or the cubic polytype SiC-3C), crystalline orientation of the grains, grain size, grain boundary structure, etc.) and/or its manufacturing process.
  • the step of transferring the tiles or the layer of interest onto the support substrate using the Smart CutTM process requires one or more annealing operations, particularly for bond consolidation.
  • epitaxy resumptions represent a significant thermal budget, especially since the epitaxial layer(s) have a high thickness (typically several ⁇ m). For example, epitaxy is carried out at a temperature above 500 or 600°C for materials in the InP family, and an even higher temperature for materials in the GaAs and GaN families.
  • the paving stones are detached along the weakening zone 11, in order to transfer the paving stone portions P’1, P’2, P’3 delimited by said weakening zone onto the support substrate.
  • a temporary substrate 3’ is thus formed comprising the paving stone portions P’1, P’2, P’3 and the support substrate 3.
  • the tiles placed on the base substrate 1 typically have a thickness of between 20 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 100 ⁇ m and 700 ⁇ m.
  • transferred portion of each block onto the support substrate 3 generally has a thickness of between 30 nm and 1.5 pm.
  • the majority of the treatments to be carried out on the paving portions are carried out on the temporary substrate 3', before assembling the latter with the receiving substrate 4.
  • the so-called “front end” phase corresponding to the preparation of the substrates to form, for example, transistors or laser diodes and other chip elements
  • the so-called “back end” phase corresponding to the assembly of the transistors, laser diodes and chip elements formed from said substrates to form electronic and/or optoelectronic components.
  • the steps carried out at high temperature for example, above 500°C
  • the "back end” phase only involves lower temperatures (below 500°C) so as not to damage the chips.
  • only treatments which do not involve a temperature higher than 500°C and which do not risk contaminating the receiving substrate are carried out after the transfer of the paving stone portions onto the receiving substrate 4.
  • the treatments involving a temperature higher than 500°C and/or likely to contaminate or damage the receiving substrate are preferably carried out while the paving stone portions still belong to the temporary substrate 3', before their transfer onto the receiving substrate.
  • the treatment of the tile portions comprises the epitaxial formation of at least one layer of a third material on each tile portion.
  • the third material may be identical to the first material. This makes it possible in particular to thicken the tile portions to a target thickness.
  • an additional layer of a fourth material distinct from the third material may be formed by epitaxy, the tile portion serving as a seed layer for the formation of said additional layer.
  • the fourth material and the The operating conditions of the epitaxy are chosen so that the additional layer has good crystalline quality.
  • the third or fourth material may be a III-V material.
  • the third material may be germanium or silicon germanium (respectively silicon carbide).
  • the third or fourth material may be a piezoelectric material.
  • a person skilled in the art can carry out the epitaxial deposition of a plurality of layers of materials to form a complex epitaxial stack. He will be able to apply all his know-how, for example, in the field of epitaxy of stacks of III-V or non-III materials on GaAs, InP, Ge, GaN, SiC, etc. substrates.
  • a support substrate is preferably chosen whose coefficient of thermal expansion is as close as possible to that of the material of the tiles or the layer of interest and the epitaxial layers to minimize the stresses within the temporary substrate.
  • Figure 6 thus illustrates the structure of Figure 2E on which a stack, preferably epitaxial, 6 has been deposited on each PT-P3' tile portion.
  • the stack can be deposited by any deposition technique.
  • Said stack comprises, on the side of the tile portions, a layer 5 intended to form the disassemblable interface.
  • Layer 5 can in particular be made of the same material as one of the layers constituting the stack, but with a different doping, so that it can be selectively etched relative to the rest of the stack.
  • layer 5 which is intended to be transferred to a receiving substrate.
  • This portion of the stack is shown consisting of two layers, but may include any other number of layers depending on the specifications of the devices to be formed in the stack.
  • the processing applied to the tile portions may be etching.
  • etching may in particular be implemented to delimit the outline of transistors or other optoelectronic elements such as diodes. It may also be implemented to remove a peripheral or interior zone from each tile portion, for example to resize the tile portions or subdivide them into several smaller portions, or to correct defects in the arrangement or alignment of the tile portions.
  • a protective film is formed on the surface of the paving stone portions, so that the protective film covers the areas of the paving stone portions to be preserved, the protective film having openings located opposite the areas of the paving stone portions to be removed.
  • etching means a chemical and/or physical attack on the paving stone material, leading to the removal of the area of the paving stone not covered by the protective film.
  • the processing may include selective etching allowing the formation of channels or trenches delimiting islands or bands, allowing an etchant to more easily reach an area to be etched upon removal of the supporting substrate.
  • the treatment of the paving stone portions comprises at least one surface treatment, such as polishing, cleaning or even a dielectric deposition.
  • a surface treatment can in particular make it possible to improve the subsequent adhesion of the paving stone portions to the receiving substrate, particularly in the case where the assembly of the temporary substrate and the receiving substrate is done by gluing.
  • a dielectric deposition can also, for example, passivate the surface of a laser diode.
  • the treatment of the tile portions may include doping at least a portion of the tile portions, in order to give said portion expected electrical properties. This doping operation may take place during an epitaxy step carried out on the tile portions, or be carried out independently by ion implantation or by diffusion for example.
  • the treatment of the tiles may comprise at least one heat treatment.
  • said heat treatment may comprise a smoothing annealing of the tile portions, in order to remove defects linked to the transfer of the tile portions onto the support substrate. It may also, for example, accompany a doping step by implantation or by diffusion.
  • processing the tile portions may include forming an interconnect, for example by doping a region of the tiles and/or depositing an electrically conductive layer on the tiles.
  • the above-mentioned treatments can be combined, simultaneously or successively, the person skilled in the art being able to choose the order in which the treatments are carried out.
  • epitaxy of an additional layer can be accompanied by doping of said layer.
  • epitaxy steps can be implemented separated by other operations, such as photolithography.
  • the receiving substrate is advantageously a substrate suitable for the production of electronic components, in particular by a CMOS process.
  • Said receiving substrate can thus typically be a silicon substrate. It can also be made of other materials, in particular germanium, silicon carbide and II l-V materials, in particular gallium arsenide (GaAs).
  • the material of the receiving substrate can be chosen in particular according to the material of the tiles.
  • a GaAs receiving substrate can be combined with a temporary substrate whose tiles are made of InP material, or a SiC receiving substrate can be combined with a temporary substrate whose tiles are made of diamond material.
  • the receiving substrate may be subjected to photolithography, localized doping, deposition of electrically insulating and/or electrically conductive layers, in particular with a view to manufacturing transistors.
  • Said transistors may include field effect transistors, CMOS transistors, BiCMOS transistors, bipolar transistors, etc.
  • the receiving substrate may simply be a bulk semiconductor substrate or a silicon on insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon on insulator
  • the receiving substrate is suitable for the production of radiofrequency (RF) devices.
  • the receiving substrate can then have a high electrical resistivity (for example greater than 1000 G. cm) and/or include a charge trapping layer (called “trap rich” in English).
  • the assembly of the temporary substrate and the receiving substrate can be achieved by molecular adhesion bonding.
  • the receiving substrate 4 may be covered with a bonding layer 40, for example a layer of silicon oxide (SiO2).
  • a bonding layer 40 for example a layer of silicon oxide (SiO2).
  • the bonding is direct, without the intermediary of such a layer.
  • the assembly may include annealing at a suitable temperature to strengthen the adhesion between the paving portions and the receiving substrate (or the bonding layer where applicable).
  • the support substrate 3 is removed after the assembly of the temporary substrate 3' on the receiving substrate 4, so as to transfer the portions of tiles P'1-P'3 onto the receiving substrate 4.
  • this removal is carried out by grinding the support substrate until the surface of the paving stone portions opposite the receiving substrate 4 is exposed.
  • the grinding of the support substrate stops at a few ⁇ m to a few tens of ⁇ m from the surface of the paving stone portions.
  • the remainder of the support substrate can be removed by polishing and/or etching.
  • this operation of removing the support substrate can be carried out either by the substrate manufacturer or preferably by the customer manufacturing the optoelectronic device.
  • removal may include polishing and/or engraving.
  • the removal may also be achieved by detaching the support substrate from the paving stone portions (see Figures 5A-5D) or by detaching within the paving stone portions (see Figures 6-7).
  • the interface between the paving stone portions and the support substrate or within the paving stone portions may be designed to promote the detachment of the paving stone portions in this removal step.
  • the disassembly of said interface may be assisted by the application of mechanical stress, a chemical etching agent and/or a heat treatment.
  • this method of removing the support substrate allows for the recovery of the support substrate and its multiple reuse, which is particularly advantageous when the support substrate is relatively expensive. Furthermore, the process is more environmentally friendly since it minimizes material waste.
  • a SiC, especially p-SiC, or AIN, especially p-AIN, substrate is particularly advantageous for the following reasons.
  • SiC or AIN although more expensive than silicon, SiC or AIN has a high mechanical hardness which makes it a substrate particularly resistant to scratches and other degradations related to multiple uses.
  • Another advantage of SiC or AIN is its chemical inertness, which makes the support substrate particularly robust with respect to many chemical etching agents which are likely to be used to etch III-V materials or a possible bonding layer or removable interface.
  • the interface comprises a layer suitable for selective etching, i.e. formed from a material suitable for being etched selectively relative to the material of the portions of blocks intended to be transferred onto the receiving substrate.
  • Said material must therefore be different from the material of the portions of blocks intended to be transferred onto the receiving substrate and chosen to be able to be attacked by a chemical etching agent without the material of the portions of blocks intended to be transferred onto the receiving substrate being damaged by said etching agent.
  • said selective etching layer can be integrated into the portions of tiles, by being formed by epitaxy or by any other deposition technique, on the tiles before their bonding to the support substrate (see figures 5A-5D) or within a stack of layers formed on the portions of tiles (see figures 6-7).
  • Figure 5A illustrates the formation of a layer 5 intended to form a removable interface on the tiles P1-P3 of Figure 2C, said layer 5 being able to be formed before or after the implantation intended to form the weakening layer. If the formation of the layer 5 involves a thermal budget likely to cause detachment of the tiles along the weakening zone, the layer 5 is preferably formed before the implantation.
  • the detachment of the paving stones is caused along the weakening zone, so as to transfer the portions of the paving stones P'1-P'3 onto the support substrate 3 with the layer 5 at the interface between the support substrate and the paving stone portions.
  • the temporary substrate 3’ is assembled on the receiving substrate 4.
  • the disassembly of the interface 5 therefore leads to the transfer of all the paving stone portions onto the receiving substrate.
  • the support substrate 3 can therefore be recovered alone and reused to form a new temporary substrate.
  • Figures 6 and 7 illustrate a preferred embodiment of a removable interface.
  • a stack 6 of layers is formed, for example by epitaxy, on the portions of tiles of the temporary substrate of Figure 2E.
  • Said stack includes a layer 5 forming a removable interface.
  • Said layer 5 is preferably the first layer deposited on the free surface of the portions of tiles, or possibly a layer deposited subsequently, but it is in any case not located on the surface of the stack.
  • Said layer 5 forms an interface between the portions of tiles, which are intended to remain integral with the support substrate after the disassembly, and the remainder of the stack, which is intended to be transferred to the support substrate after disassembly.
  • Figure 7 illustrates a step of assembling the temporary substrate of Figure 6 on the receiving substrate.
  • the selective etching layer can be formed from indium aluminum phosphide (InAlP) and a mixture of hydrochloric acid and ethanol can be used to selectively etch said layer.
  • InAlP indium aluminum phosphide
  • An advantage of such a selective etching layer integrated into the tile portions is that the etchant can circulate in the free spaces between the tiles, which promotes etching at any point of the temporary substrate.
  • a selective etching layer extending over the entire interface between two substrates, it may be difficult for the etchant to reach the center of the layer and etch it efficiently, or to be evacuated after reaction, which tends to slow down the etching or even stop it.
  • a first solution consists of using mechanical assistance to apply a stress tending to separate the substrates to be detached and/or cause better circulation of the etching agent.
  • a stress can be caused by a force of separation of the substrates or by the application of ultrasound.
  • Other solutions consist of creating external accesses to the layer to be etched, so as to better irrigate the etching front with the etching agent. These accesses can be in the form of etching channels, which can be created by perforating the upper layer or the support substrate of the temporary substrate up to the area to be etched, in a direction perpendicular to the main surface of the temporary substrate and/or laterally, i.e. parallel to said main surface.
  • This etching can also be implemented after having delimited in the temporary substrate structures to be under-etched, said structures being able to correspond to the final devices (of the MESA type) or not.
  • the characteristic lateral distances of these accesses can be between a few tens of pm to a few mm, depending on the efficiency of the etching selectivity of the stacks considered.
  • the design of these accesses and the associated processes can also be inspired by the field of MEMS (microelectromechanical systems), in which it is common to carry out selective etching of buried layers.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • another advantage is that not only the support substrate 3 but also the portions of blocks integral with it are recovered. Consequently, the temporary substrate can be directly reused.
  • the selective etching layer may be a silicon oxide (SiCh) layer formed on the support substrate before bonding the tiles.
  • the material of the receiving substrate is chosen to be a material suitable for not being etched by the etching agent used to etch the oxide.
  • the interface between the paving portions and the support substrate comprises a porous layer. Due to its porosity, said layer may be more mechanically fragile and/or promote chemical attack.
  • finishing treatments of the free surface of the paving stones in particular smoothing, polishing or cleaning, can be implemented to facilitate the technological steps to be carried out subsequently on the portions of paving stones.
  • the Smart CutTM process does not involve removing the support substrate.
  • no implantation is carried out in the paving stones to form a weakened zone. This avoids the problems of paving stone damage and the impossibility of recycling mentioned in the introductory section.
  • the formation of the temporary substrate requires only a small thickness of paving stones, which are transferred from the intermediate substrate to the temporary substrate using the Smart CutTM process. Once this transfer is complete, the entire intermediate substrate and remaining paving stones are available for the formation of a new temporary substrate.
  • the remainder of the paving stones is advantageously polished and/or cleaned in order to remove the defects linked to the installation and obtain a surface condition suitable for bonding to a support substrate.
  • the support substrate has been preserved at least in part, thanks to the use of a removable interface (in the embodiment of figures 5A-5D), it can be reused as a new support substrate.
  • it can if necessary be surface treated to make it suitable for bonding to the remaining paving stones. The steps described above are then repeated with the new temporary substrate thus formed.
  • the remainder can be reused directly as a new temporary substrate.
  • the free surface of the paving stone portions can be surface treated to make them suitable for bonding to a new receiving substrate. This optimizes the number of uses of the paving stone portions.
  • Example #1 Layer of interest in InP
  • a temporary substrate of 150 mm diameter is fabricated comprising a p-SiC support substrate and an InP layer of interest, bonded via a buried electrically insulating SiO2 layer of 1 pm thickness.
  • An epitaxial stack is formed on the layer of interest, successively comprising a 0.5 pm thick InP layer, a 3 pm thick InGaAs layer and a 0.5 pm thick InP layer to form a PIN photodiode.
  • a chemical-mechanical polishing of the InP surface layer is implemented, leading to the removal of 50 to 100 nm of InP thickness.
  • the temporary substrate is bonded to a 150 mm diameter silicon receiving substrate, by atomic diffusion bonding (ADB) or SAG, no SiO2 type bonding layer being used for this final bonding.
  • ADB atomic diffusion bonding
  • SAG SiO2 type bonding layer
  • a selective etching based on HF of the buried electrically insulating layer is implemented, so as to detach the support substrate from the composite structure consisting of the epitaxial stack and the receiving substrate.
  • etching access channels are produced after epitaxy by making trenches crossing the temporary substrate, parallel to the main plane of said substrate, and/or mechanical assistance is used to separate the support substrate and the composite structure during etching.
  • Example #2 - InP interest blocks and p-SiC support substrate The method of this example is substantially identical to that of example no. 1 but uses a plurality of tiles instead of a continuous layer of InP.
  • a temporary substrate of 300 mm diameter is fabricated comprising a p-SiC support substrate and InP interest tiles, bonded via a buried electrically insulating layer of SiO2 1 pm thick.
  • An epitaxial stack is formed on each tile, successively comprising a 0.5 pm thick InP layer, a 3 pm thick InGaAs layer and a 0.5 pm thick InP layer to form a PIN photodiode.
  • a chemical-mechanical polishing of the InP surface layer of each block is carried out, leading to the removal of 50 to 100 nm of InP thickness.
  • the temporary substrate is bonded to a 150 mm diameter silicon receiving substrate, by atomic diffusion bonding (ADB) or SAG, no SiO2 type bonding layer being used for this final bonding.
  • ADB atomic diffusion bonding
  • SAG SiO2 type bonding layer
  • Selective etching based on HF is implemented in the buried electrically insulating layer, so as to detach the support substrate from the composite structure consisting of the epitaxial stack and the receiving substrate.
  • Example #3 InP layer of interest and sacrificial epitaxial layer
  • the process of this example is substantially identical to that of example no. 1 but implements detachment by selective etching using a sacrificial layer formed in the epitaxial stack.
  • a temporary substrate of 150 mm diameter is fabricated comprising a p-SiC support substrate and an InP layer of interest, bonded via a buried electrically insulating SiO2 layer of 0.2 pm thickness.
  • An epitaxial stack is formed on the layer of interest, successively comprising a sacrificial layer, a 0.5 pm thick InP layer, a 3 pm thick InGaAs layer and a 0.5 pm thick InP layer to form a PIN photodiode.
  • a chemical-mechanical polishing of the InP surface layer is implemented, leading to the removal of 50 to 100 nm of InP thickness.
  • the temporary substrate is bonded to a 150 mm diameter silicon receiving substrate, by atomic diffusion bonding (ADB) or SAG, no SiO2 type bonding layer being used for this final bonding.
  • ADB atomic diffusion bonding
  • SAG SiO2 type bonding layer
  • Selective etching of the sacrificial layer is carried out with respect to the other layers of the epitaxial stack, so as to detach the support substrate from the composite structure consisting of the rest of the epitaxial stack and the receiving substrate.
  • etching access channels are produced after epitaxy by making trenches crossing the temporary substrate, parallel to the main plane of said substrate, and/or mechanical assistance is used to separate the support substrate and the composite structure during etching.
  • the process of this example is substantially identical to that of example no. 1, except that no SiC>2 layer is present at the interface between the layer of interest and the support substrate.
  • Example No. 4 InP interest tiles and sacrificial epitaxial layer
  • the process of this example is substantially identical to that of example no. 2 but includes, as in example no. 4, the formation of a sacrificial layer in the epitaxial stack formed on each tile.
  • Example No. 6 Receiving substrate comprising components
  • the method of this example is substantially identical to that of examples 1 to 5 but the silicon receiving substrate comprises components formed at least partially before bonding to the temporary substrate.
  • Example No. 7 Receiving substrate comprising components
  • the process of this example is substantially identical to that of example 3 but the temporary substrate comprises III-V components formed at least partially before bonding to the receiving substrate.
  • the composite structure thus obtained can be used for various applications.
  • the composite structure aims to combine several stages of radiofrequency devices operating in different frequency ranges. Thanks to stacks of epitaxially grown materials on portions of InP tiles, elements such as transistors can be produced to operate at very high frequencies, typically beyond 100 GHz. Power amplifiers or low-noise amplifiers, both characterized by good high-frequency performance, can be produced.
  • the receiving substrate for example a silicon substrate or a silicon-on-insulator (SOI) substrate, optionally comprising one or more SiGe layers, allows for optimal integration of the other stages of the component that can operate at lower frequencies, typically below 100 GHz.
  • SOI silicon-on-insulator
  • tile portions serve as growth seeds for an epitaxial stack based on gallium nitride for the production of pLEDs.
  • the receiving substrate houses the pLED management and reading circuit in silicon technology.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite, comprenant : (a) la formation d'un substrat temporaire (3') comprenant un substrat support (3) et une pluralité de portions de pavés (P'1-P'3), respectivement une couche d'intérêt (20), d'un premier matériau disposée(s) sur le substrat support (3), (b) la formation d'une interface démontable (5) agencée entre le substrat support (3) et les portions de pavés, respectivement la couche d'intérêt, ou dans ou sur les portions de pavés, respectivement la couche d'intérêt, (c) l'assemblage du substrat temporaire (3') avec un substrat receveur (4) en un second matériau différent du premier matériau par l'intermédiaire desdites portions de pavés, respectivement de la couche d'intérêt, et (d) le retrait du substrat support (3) par démontage de l'interface démontable (5) de sorte à transférer au moins une partie des portions de pavés (P'1-P'3) ou de la couche d'intérêt (20) sur le substrat receveur (4) pour former la structure composite.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE STRUCTURE COMPOSITE POUR LA MICROELECTRONIQUE, L’OPTIQUE OU L’OPTOELECTRONIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite pour la microélectronique, l’optique ou l’optoélectronique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine de la microélectronique, de l’optique ou de l’optoélectronique, la conception de structures multicouches nécessite parfois de transférer des pavés se présentant sous forme de portions d’une couche d’un substrat donneur sur un substrat support ou substrat receveur.
Ce type de procédé est généralement appelé procédé de pavage, et met en jeu un transfert partiel d’une couche prélevée dans le substrat donneur pour former un ou plusieurs pavés agencés selon un motif ou à un emplacement prédéterminé sur le substrat support.
Un tel pavage peut être rendu nécessaire par une différence de taille entre le substrat donneur et le substrat support. En effet, du fait de cette différence de taille, il n’est pas possible de transférer une couche du substrat donneur recouvrant la totalité de la surface du substrat support.
Un procédé de transfert de couche bien connu est le procédé Smart Cut™, dans lequel on forme par implantation d’espèces atomiques dans le substrat donneur une zone de fragilisation délimitant la couche à transférer, on colle le substrat donneur sur le substrat support et on détache le substrat donneur le long de la zone de fragilisation pour transférer la couche du substrat donneur sur le substrat support. Cependant, ce procédé suppose que le substrat donneur et le substrat support présentent une taille identique.
Or, si des substrats de silicium sont disponibles avec une taille relativement grande, typiquement un diamètre de 300 mm, d’autres matériaux d’intérêt n’existent actuellement que sous la forme de substrats massifs de plus petite taille, par exemple de 100 ou 150 mm de diamètre. Par ailleurs, ces matériaux d’intérêt sont parfois particulièrement onéreux, de sorte qu’il est souhaitable de minimiser les éventuels déchets formés lors du transfert. Tel est le cas en particulier des matériaux semi- conducteurs lll-V, comprenant les nitrures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le nitrure d'indium (InN), le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’aluminium (AIN)), les arséniures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, l’arséniure d'indium (InAs), l’arséniure de gallium (GaAs) et l’arséniure d’aluminium (AlAs)), et les phosphures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le phosphure d'indium (InP), le phosphure de gallium (GaP) et le phosphure d’aluminium (AIP)).
Au lieu de transférer une couche entière du substrat donneur, une solution basée sur le procédé Smart Cut™ consiste à prélever d’au moins un substrat donneur un ou plusieurs pavés et de reporter lesdits pavés sur un support intermédiaire, pour former un substrat dit pseudo-donneur, former par implantation d’espèces atomiques une zone de fragilisation dans chaque pavé, coller le substrat pseudo-donneur sur un substrat receveur par l’intermédiaire des pavés, et détacher chaque pavé le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer une portion de chaque pavé sur le substrat receveur. Le substrat intermédiaire et le substrat receveur présentent une taille identique.
Cependant, dans certains cas, le matériau des portions de pavés et le matériau du substrat receveur doivent être soumis à des étapes de procédé différentes et non compatibles entre elles. Par exemple, si le matériau des portions de pavés est un matériau lll-V tel que de l’InP et le matériau du substrat receveur est du silicium, les portions de pavés sont destinées à recevoir une ou plusieurs couches additionnelles de matériaux lll-V formées par épitaxie, tandis que le substrat receveur est destiné à former des éléments de circuits électroniques selon un procédé CMOS (acronyme du terme anglo-saxon « Complementary Metal Oxide Semiconductor »).
Toutefois, une ligne de fabrication CMOS n’est pas apte à inclure de l’épitaxie de matériaux lll-V, notamment en raison des risques de contamination de la ligne par les matériaux lll-V.
Le document US 2011/0244613 décrit un procédé de fabrication d’une structure comprenant un substrat de silicium comprenant un composant photonique, tel qu’un guide d’onde ou un modulateur, et des pavés à base d’InP supportant une structure laser. Les pavés sont d’abord formés sur un substrat support puis des portions de pavés sont transférées du substrat support sur le substrat receveur de silicium comprenant le composant photonique. Cependant, ce transfert, qui est basé sur le procédé Smart Cut™, pose plusieurs problèmes.
Dans certains modes de réalisation, une implantation d’hydrogène est réalisée dans les pavés agencés sur le substrat support, de sorte à y former une zone de fragilisation. Par conséquent, l’hydrogène implanté doit traverser la structure laser située au sommet des pavés, ce qui risque de l’endommager. Par ailleurs, selon l’épaisseur de la structure laser, il peut être difficile d’atteindre la profondeur d’implantation souhaitée avec les dispositifs d’implantation disponibles dans l’industrie.
Dans d’autres modes de réalisation, une implantation d’hydrogène est réalisée dans un substrat donneur d’InP avant la découpe des pavés, par la face opposée à la face sur laquelle est formée la structure laser, de sorte à éviter que l’hydrogène implanté ne traverse la structure laser. Cependant, ce procédé engendre une perte d’une grande quantité d’InP. En effet, d’une part, le substrat donneur ne peut être utilisé qu’une seule fois pour former les pavés, l’épaisseur résiduelle après l’assemblage des pavés sur le substrat support ne permettant pas de former de nouveaux pavés ; d’autre part, après le transfert des portions de pavés du substrat support sur le substrat receveur, une épaisseur importante d’InP, qui ne fait pas partie de la structure laser, est retirée par gravure chimique ou plasma. Compte tenu du coût de l’InP, ce procédé est donc très onéreux.
Le problème du manque de compatibilité entre deux parties de la structure composite se pose également lorsque ladite structure comprend, au lieu des pavés, une couche continue du premier matériau.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
Un but de l’invention est donc de concevoir un procédé permettant de fabriquer, à partir d’un substrat temporaire comprenant une couche ou des pavés d’intérêt, une structure comprenant un substrat receveur sur lequel s’étendent des portions de ladite couche ou desdits pavés d’intérêt, ladite structure étant composite en ce sens qu’elle combine, pour le substrat receveur et les portions de couche ou de pavés d’intérêt, des matériaux subissant des traitements différents et non compatibles entre eux, dans des conditions qui permettent de minimiser l’endommagement des pavés ou de ladite couche d’intérêt et d’optimiser le recyclage du substrat temporaire.
Un objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure composite comprenant des portions de pavés ou une couche d’intérêt. Dans le cas des pavés, ledit procédé comprend :
(a) la formation d’un substrat temporaire comprenant un substrat support et une pluralité de portions de pavés d’un premier matériau disposées sur le substrat support, la formation dudit substrat temporaire comprenant :
(i) le prélèvement d’une pluralité de pavés à partir d’au moins un substrat donneur et le placement de chaque pavé sur un substrat intermédiaire, chaque substrat donneur présentant un diamètre inférieur au diamètre du substrat intermédiaire,
(ii) la formation d’une zone de fragilisation dans chaque pavé par implantation d’espèces atomiques, de sorte à délimiter une portion de pavé à transférer,
(iii) le collage du substrat intermédiaire sur le substrat support par l’intermédiaire des pavés, et
(iv) le détachement des pavés le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer les portions de pavés sur le substrat support, (b) la formation d’une interface démontable agencée entre le substrat support et les portions de pavés, ou dans ou sur les portions de pavés,
(c) l’assemblage du substrat temporaire avec un substrat receveur en un second matériau différent du premier matériau par l’intermédiaire desdites portions de pavés, et
(d) le retrait du substrat support par démontage de l’interface démontable de sorte à transférer au moins une partie des portions de pavés sur le substrat receveur pour former la structure composite.
Dans le cas de la couche d’intérêt, le procédé comprend :
(a) la formation d’un substrat temporaire comprenant un substrat support et une couche d’intérêt d’un premier matériau disposée sur le substrat support, la formation dudit substrat temporaire comprenant :
(i) la fourniture d’un substrat donneur,
(ii) la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une couche d’intérêt à transférer,
(iii) le collage du substrat donneur sur le substrat support par l’intermédiaire de la couche d’intérêt, et
(iv) le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche d’intérêt sur le substrat support,
(b) la formation d’une interface démontable agencée entre le substrat support et la couche d’intérêt, ou dans ou sur ladite couche d’intérêt,
(c) l’assemblage du substrat temporaire avec un substrat receveur en un second matériau différent du premier matériau par l’intermédiaire de la couche d’intérêt, et
(d) le retrait du substrat support par démontage de l’interface démontable de sorte à transférer au moins une partie de la couche d'intérêt sur le substrat receveur (4) pour former la structure composite.
Le terme « interface démontable » exclut le cas d’une zone de fragilisation formée par implantation d’espèces atomiques.
Par « assemblage par l’intermédiaire des portions de pavés (ou de la couche d’intérêt) », on entend dans le présent texte que l’assemblage du substrat temporaire sur le substrat receveur se fait avec les portions de pavés (ou la couche d’intérêt) orientée(s) vers le substrat receveur (le substrat support étant situé du côté des portions de pavés ou de la couche d’intérêt opposé au substrat receveur). Ceci n’implique pas un contact direct des portions de pavés (ou de la couche d’intérêt) et du substrat receveur. Ainsi, si, comme exposé plus bas, des couches additionnelles ont été formées sur les portions de pavés ou la couche d’intérêt dans le cadre d’un ou plusieurs traitements des portions de pavés ou de la couche d’intérêt avant l’étape d’assemblage, c’est la couche située à la surface libre des portions de pavés ou de la couche d’intérêt qui est en contact avec le substrat receveur.
L’invention permet donc de différer autant que possible l’assemblage de deux substrats non compatibles entre eux lors de la fabrication de la structure composite, en évitant en particulier de traiter les pavés ou la couche d’intérêt selon des procédés incompatibles avec le matériau du substrat receveur.
Par ailleurs, l’ensemble du substrat intermédiaire et des pavés ou de la couche d’intérêt (ou des reliquats de pavés ou de couche d’intérêt après transfert d'une portion des pavés ou de la couche d’intérêt sur le substrat receveur) se prête à la formation de plusieurs substrats temporaires, ce qui minimise le coût unitaire desdits substrats temporaires.
De manière particulièrement avantageuse, le procédé comprend au moins une étape de traitement des portions de pavés ou de la couche d’intérêt avant l’assemblage desdites portions de pavés ou de ladite couche d’intérêt sur le substrat receveur.
Ledit traitement peut comprendre :
- une épitaxie d’une couche d’un troisième matériau sur chaque pavé ou sur la couche d’intérêt,
- une gravure,
- un traitement de surface,
- un dopage,
- un traitement thermique,
- la formation, dans le substrat temporaire, de canaux ou tranchées d’accès d’un agent de gravure vers l’interface démontable, et/ou
- la formation d’une interconnexion.
Dans certains modes de réalisation, ladite étape de traitement des portions de pavés ou de la couche d’intérêt est réalisée à une température supérieure ou égale à 500°C.
Dans certains modes de réalisation, le substrat receveur comprend au moins une partie d’un circuit électronique formée avant l’assemblage du substrat temporaire et du substrat receveur.
La formation de ladite partie de circuit électronique peut être réalisée en particulier par un procédé CMOS.
Le procédé peut comprendre au moins une étape de finalisation du circuit électronique après le transfert des portions de pavés ou de la couche d’intérêt sur le substrat receveur. Par « finalisation », on entend dans le présent texte l’assemblage des transistors, des diodes laser et éléments de puces formés dans les portions de pavés ou la couche d’intérêt et le substrat receveur pour former des composants électroniques et/ou opto-électroniques. Ces étapes de finalisation sont généralement désignées par le terme de « back-end » dans le domaine de la microélectronique.
De manière particulièrement avantageuse, chaque étape de finalisation du circuit électronique est réalisée à une température inférieure à 500°C.
Ledit circuit électronique peut avantageusement comprendre au moins un transistor, notamment un transistor à effet de champ, un transistor CMOS, un transistor BiCMOS ou un transistor bipolaire, et/ou au moins une diode, notamment une diode laser ou une diode électroluminescente (LED).
Le premier matériau est avantageusement choisi parmi :
- les matériaux lll-V, tels que le nitrure d'indium (InN), le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d’aluminium (AIN), l’arséniure d'indium (InAs), l’arséniure de gallium (GaAs), l’arséniure d’aluminium (AlAs), le phosphure d'indium (InP), le phosphure de gallium (GaP) ou le phosphure d’aluminium (AIP),
- les matériaux piézoélectriques, tels que le tantalate de lithium (LiTaO3), le niobate de lithium (LiNbOa), le niobate de potassium-sodium (KxNa1-xNbO3 ou KNN), le titanate de baryum (BaTiOa), le quartz, le titano-zirconate de plomb (PZT), un composé de niobate de plomb-magnésium et de titanate de plomb (PMN-PT), l’oxide de zinc (ZnO), le nitrure d’aluminium (AIN) ou le nitrure d’aluminium et de scandium (AIScN),
- le germanium ou le carbure de silicium, et
- un matériau électriquement isolant tel que le diamant, le titanate de strontium, la zircone yttriée ou le saphir.
Le troisième matériau peut alors être choisi parmi : les matériaux lll-V, les matériaux piézoélectriques, le carbure de silicium, le silicium germanium (SiGe) et le germanium.
Le second matériau est de préférence choisi parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium et les matériaux lll-V, notamment l’arséniure de gallium.
Le substrat support comprend avantageusement du silicium, du carbure de silicium, notamment du carbure de silicium polycristallin, ou du nitrure d’aluminium, notamment du nitrure d’aluminium polycristallin
Dans certains modes de réalisation, l’interface démontable comprend une couche de gravure sélective, une couche poreuse et/ou une couche présentant une énergie de collage faible et, lors du retrait du substrat support, le démontage de l’interface comprend l’application d’une action mécanique, d’une gravure chimique et/ou d’un traitement thermique sur ladite couche.
De manière particulièrement avantageuse, le procédé comprend le dépôt d’un empilement de couches sur une surface libre de chaque portion de pavé ou de la couche d’intérêt du substrat temporaire, l’interface démontable étant formée de l’une des couches dudit empilement. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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 1A illustre un mode de réalisation d’une structure composite obtenue par un procédé selon l’invention, mettant en œuvre des pavés d’intérêt ; la figure 1 B illustre une variante de ladite structure composite ; la figure 1C illustre un autre mode de réalisation d’une structure composite obtenue par un procédé selon l’invention, mettant en œuvre une couche d’intérêt continue ;
- les figures 2A à 2E illustrent respectivement des étapes de prélèvement de pavés d’un substrat donneur, de placement desdits pavés sur un substrat intermédiaire, de formation d’une zone de fragilisation dans lesdits pavés, de collage du substrat intermédiaire sur un substrat support par l’intermédiaire des pavés et de transfert des portions des pavés sur le substrat support suite au détachement des pavés le long de la zone de fragilisation ;
- la figure 3 illustre une étape d’assemblage du substrat temporaire sur le substrat receveur,
- la figure 4 illustre une étape de retrait du substrat support pour transférer les portions de pavés sur le substrat receveur,
- les figures 5A à 5D illustrent respectivement des étapes de formation d’une couche formant une interface démontable sur les pavés de la figure 2C, de collage du substrat intermédiaire et des pavés sur un substrat support par l’intermédiaire de ladite couche formant une interface démontable, de transfert des portions des pavés sur le substrat support suite au détachement des pavés le long de la zone de fragilisation, et d’assemblage du substrat temporaire sur le substrat receveur ;
- la figure 6 illustre la formation d’un empilement de couches sur les portions de pavés du substrat temporaire de la figure 2E, ledit empilement incluant une couche formant une interface démontable,
- la figure 7 illustre une étape d’assemblage du substrat temporaire de la figure 6 sur le substrat receveur.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments n’ont pas été représentés à l’échelle. Par ailleurs, le nombre de portions de pavés illustrées n’est qu’indicatif. Les signes de référence identiques d’une figure à l’autre désignent les mêmes éléments, qui ne sont donc pas décrits en référence à chaque figure.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION La figure 1A illustre un exemple d’une structure composite combinant des pavés ou portions de pavés P’1 , P’2, P’3 d’un premier matériau et un substrat 4 (dit substrat receveur) formé d’un second matériau différent du premier matériau.
De manière avantageuse, les portions de pavés comprennent un matériau qui n’est pas disponible commercialement sous forme de substrat donneur de grandes dimensions. Ainsi, le substrat donneur peut présenter un diamètre inférieur à 300 mm, par exemple de l’ordre de 100 ou 150 mm.
Tel est le cas en particulier des matériaux semi-conducteurs lll-V, comprenant les nitrures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le nitrure d'indium (I nN), le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’aluminium (AIN)), les arséniures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, l’arséniure d'indium (InAs), l’arséniure de gallium (GaAs) et l’arséniure d’aluminium (AlAs)), et les phosphures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le phosphure d'indium (InP), le phosphure de gallium (GaP) et le phosphure d’aluminium (AIP)).
Les portions de pavés peuvent également comprendre des composés semi- conducteurs IV ou IV-IV, comme par exemple le germanium et le carbure de silicium.
Les portions de pavés peuvent également comprendre un matériau piézoélectrique, par exemple le tantalate de lithium (LiTaOs) ou encore le niobate de lithium (LiNbOa), le niobate de potassium-sodium (KxNai.xNbO3 ou KNN), le titanate de baryum (BaTiOs), le quartz, le titano-zirconate de plomb (PZT), un composé de niobate de plomb-magnésium et de titanate de plomb (PMN-PT), l’oxide de zinc (ZnO), le nitrure d’aluminium (AIN) ou le nitrure d’aluminium et de scandium (AIScN) (liste non limitative).
Les portions de pavés peuvent également comprendre un matériau électriquement isolant, tel que par exemple le diamant, le titanate de strontium (SrTiOa), la zircone yttriée (YSZ), ou encore le saphir.
Le substrat receveur est quant à lui réalisé en un second matériau distinct de celui des pavés, ledit second matériau étant typiquement adapté pour des étapes technologiques différentes et non compatibles avec les étapes technologiques réalisées sur le premier matériau.
Dans certains modes de réalisation (cf. figure 1 B), une couche de collage 40, par exemple une couche diélectrique telle qu’une couche d’oxyde de silicium (SiOa), peut être intercalée entre les portions de pavés P’1-P’3 et le substrat receveur 4.
La figure 1C illustre un autre exemple d’une structure composite formée d’un empilement d’une couche d’intérêt 20 d’un premier matériau et d’un substrat receveur 4 formé d’un second matériau différent du premier matériau.
De manière avantageuse, les dimensions de la couche d’intérêt et du substrat receveur sont identiques. La couche d’intérêt est en un matériau qui est, de préférence, disponible commercialement sous forme de substrat donneur d’une dimension égale à celle du substrat receveur. Ainsi, le substrat donneur peut présenter avantageusement un diamètre de 100 ou 150 mm.
La couche d’intérêt comprend avantageusement un matériau semi-conducteur III- V, comprenant les nitrures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le nitrure d'indium (I nN), le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’aluminium (AIN)), les arséniures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, l’arséniure d'indium (InAs), l’arséniure de gallium (GaAs) et l’arséniure d’aluminium (AlAs)), et les phosphures (par exemple pour ce qui est des composés binaires, le phosphure d'indium (InP), le phosphure de gallium (GaP) et le phosphure d’aluminium (AIP)). S’agissant des composés ternaires ou quaternaires d’intérêt, on peut citer InGaAs, InGaP et InGaAlAs.
Bien que non illustrée, une couche de collage, par exemple une couche diélectrique telle qu’une couche d’oxyde de silicium (SiÛ2), peut être intercalée entre la couche d’intérêt 20 et le substrat receveur 4.
Le procédé de fabrication de la structure composite est sensiblement le même qu’elle comprenne une pluralité de pavés d’intérêt ou une couche d’intérêt continue. En effet, l’ensemble des pavés peut être assimilé à une couche discontinue ; inversement, la couche d’intérêt peut être assimilée à un pavé unique. Par ailleurs, le transfert ou le traitement des pavés mettent en œuvre les mêmes procédés que dans le cas d’une couche unique. Ainsi, sauf indication spécifique, la description s’applique aussi bien à un ensemble de pavés d’intérêt qu’à une couche d’intérêt continue même si, dans un souci de concision, la description porte sur le cas des pavés.
Formation du substrat temporaire
Les figures 2A à 2E illustrent de manière schématique la formation d’un substrat temporaire comprenant les pavés placés sur un substrat intermédiaire et le transfert de portions desdits pavés sur un substrat support.
En référence à la figure 2A, on découpe des pavés P1-P3 d’un substrat donneur 2. La découpe des pavés peut être réalisée par toute technique connue de l’homme du métier. Elle peut notamment être réalisée par sciage et/ou clivage, ou encore par découpe laser. Elle peut aussi par exemple être combinée avec une étape de gravure partielle par plasma des traits de découpe, technique connue sous le terme anglais de « plasma dicing »).
La figure 2B illustre le placement des pavés prélevés du substrat donneur 2 de la figure 2A sur un substrat de base 1 pour former un substrat intermédiaire T.
Le placement peut être mis en œuvre par la technique de « Pick and Place », par laquelle un robot saisit un pavé préalablement découpé dans le substrat donneur et le place à un emplacement prédéterminé sur le substrat intermédiaire.
Dans certains modes de réalisation, chaque pavé adhère au substrat de base 1 par adhésion moléculaire. A cet effet, des traitements de surface des pavés et/ou du substrat de base 1 peuvent être mis en œuvre au préalable afin de favoriser une bonne adhésion moléculaire. Ces traitements peuvent comprendre notamment un nettoyage, le dépôt d’une couche de collage tel qu’un oxyde de silicium (SiCh), une activation par plasma avant collage et un recuit.
Dans d’autres modes de réalisation, le collage des pavés au substrat de base 1 peut faire intervenir une couche de collage, par exemple une couche de collage polymère, une couche de collage eutectique ou une couche de colle céramique.
Le substrat de base 1 présente avantageusement un diamètre supérieur à celui du substrat donneur 2, par exemple un diamètre de l’ordre de 300 mm.
Compte tenu de la différence de taille entre le substrat donneur et le substrat de base 1 , plusieurs substrats donneurs peuvent être nécessaires pour paver l’ensemble de la surface du substrat de base 1 selon la densité de pavage souhaitée pour former le substrat intermédiaire T.
Dans le cas d’une couche d’intérêt continue, les étapes de découpe du ou des substrats donneurs et de placement sur le substrat de base peuvent être omises.
La figure 2C illustre la formation d’une zone de fragilisation dans lesdits pavés PIPS (ou, dans le cas d’une couche continue, dans le substrat donneur) afin de délimiter une portion superficielle desdits pavés destinée à être transférée sur un substrat support 3. Comme schématisé par les flèches, la zone de fragilisation 11 est avantageusement formée par implantation d’espèces atomiques, telles que de l’hydrogène et/ou de l’hélium, dans les pavés, à une profondeur correspondant à l’épaisseur de la couche à transférer.
La figure 2D illustre le collage du substrat intermédiaire T de la figure 2C sur un substrat support 3 par l’intermédiaire des pavés.
De manière particulièrement avantageuse, chaque pavé adhère au substrat support 3 par adhésion moléculaire. A cet effet, des traitements de surface des pavés et/ou du substrat support 3 peuvent être mis en œuvre au préalable afin de favoriser une bonne adhésion moléculaire. Ces traitements peuvent comprendre notamment un nettoyage, le dépôt d’une couche de collage tel qu’un oxyde de silicium (SiCh), une activation plasma avant collage, un polissage et un recuit, préférentiellement à basse température (c’est-à-dire typiquement en dessous de 300°C).
Dans un autre mode de réalisation, qui sera décrit plus bas en référence aux figures 5A-5D, chaque pavé adhère au substrat support par l’intermédiaire d’une couche 5 formant une interface démontable.
Le substrat intermédiaire T et le substrat support 3 présentent un diamètre identique.
Dans certains modes de réalisation, le substrat support est un substrat de silicium. Un substrat support en silicium est particulièrement avantageux en raison de sa disponibilité dans un grand diamètre, typiquement de 300 mm. Un tel substrat est particulièrement adapté pour le transfert de pavés d’intérêt.
Dans d’autres modes de réalisation, le substrat support est un substrat de carbure de silicium ou de nitrure d’aluminium. Les substrats de carbure de silicium et nitrure d’aluminium sont généralement disponibles dans de plus petits diamètres, par exemple 100 ou 150 mm. Ces substrats sont particulièrement adaptés pour le transfert d’une couche d’intérêt à partir d’un substrat donneur de 100 ou 150 mm de diamètre, mais sont également utilisables pour le transfert de pavés d’intérêt.
Dans la mesure où le substrat support est choisi principalement pour ses propriétés mécaniques et/ou chimiques, et non pour ses propriétés électriques ou optiques, il peut être utilisé sous une forme peu onéreuse, par exemple polycristalline (p-SiC, p-AIN). Par ailleurs, le choix d’une forme polycristalline peut permettre de se procurer un substrat support de plus grand diamètre qu’une forme monocristalline.
Par rapport à un substrat de silicium, un substrat de SiC ou d’AIN présente un coefficient de dilatation thermique plus proche de celui d’un matériau lll-V constituant les pavés ou la couche d’intérêt. Le coefficient de dilatation thermique du p-SiC peut être ajusté assez finement en jouant sur sa structure (polytype (notamment les polytypes hexagonaux SiC-4H et SiC-6H ou le polytype cubique SiC-3C), orientation cristalline des grains, taille des grains, structure des joints de grains...) et/ou son procédé de fabrication.
Cette meilleure compatibilité des coefficients de dilatation thermique permet de minimiser les contraintes de tension ou de compression au sein du substrat temporaire pendant la fabrication de celui-ci. En effet, l’étape de transfert des pavés ou de la couche d’intérêt sur le substrat support par le procédé Smart Cut™ nécessite un ou plusieurs recuits, notamment pour la consolidation du collage. En outre, parmi les éventuels traitements (détaillés plus bas) appliqués aux portions de pavés ou à la couche d’intérêt avant leur transfert sur le substrat receveur, les reprises d’épitaxie représentent un budget thermique important, d’autant plus que la ou les couches épitaxiales présentent une épaisseur élevée (typiquement, plusieurs pm). Par exemple, l’épitaxie est réalisée à une température supérieure à 500 ou 600°C pour des matériaux de la famille de l’InP, et une température encore plus élevée pour des matériaux de la famille du GaAs et du GaN.
Ensuite, en référence à la figure 2E, les pavés sont détachés le long de la zone de fragilisation 11 , afin de transférer les portions de pavés P’1 , P’2, P’3 délimitées par ladite zone de fragilisation sur le substrat support. On forme ainsi un substrat temporaire 3’ comprenant les portions de pavés P’1 , P’2, P’3 et le substrat support 3.
Les pavés placés sur le substrat de base 1 présentent typiquement une épaisseur comprise entre 20 pm et 1000 pm, de préférence comprise entre 100 pm et 700 pm. La portion transférée de chaque pavé sur le substrat support 3 présente généralement une épaisseur comprise entre 30 nm et 1 ,5 pm.
Traitement des pavés du substrat temporaire
De manière particulièrement avantageuse, la majeure partie des traitements à effectuer sur les portions de pavés sont réalisées sur le substrat temporaire 3’, avant l’assemblage de celui-ci avec le substrat receveur 4.
Ceci permet en particulier de surmonter toute incompatibilité des étapes technologiques mises en œuvre sur les portions de pavés d’une part, et sur le substrat receveur d’autre part.
Ainsi, tous les traitements des portions de pavés qui risqueraient de porter atteinte au substrat receveur ou à la ligne de fabrication sont réalisés de préférence sur le substrat temporaire, dans un équipement spécifique.
En particulier, dans la fabrication des composants électroniques, on distingue classiquement la phase dite de « front end », correspondant à la préparation des substrats pour y former par exemple des transistors ou des diodes lasers et autres éléments de puces et la phase dite de « back end », correspondant à l’assemblage des transistors, des diodes laser et éléments de puces formés à partir desdits substrats pour former des composants électroniques et/ou opto-électroniques. En général, les étapes réalisées à haute température (par exemple supérieure à 500°C) sont effectuées pendant la phase de « front end », et la phase de « back end » n’implique que des températures plus basses (inférieures à 500°C) afin de ne pas endommager les puces.
Dans l’invention, de préférence, seuls des traitements qui n’impliquent pas une température supérieure à 500°C et qui ne risquent pas de contaminer le substrat receveur sont réalisés après le transfert des portions de pavés sur le substrat receveur 4. Les traitements impliquant une température supérieure à 500°C et/ou susceptibles de contaminer ou d’endommager le substrat receveur sont réalisés préférentiellement alors que les portions de pavés appartiennent encore au substrat temporaire 3’, avant leur transfert sur le substrat receveur.
Selon les applications, différents traitements peuvent être effectués sur les portions de pavés.
Dans certains modes de réalisation, le traitement des portions de pavés comprend la formation par épitaxie d’au moins une couche d’un troisième matériau sur chaque portion de pavé. Le troisième matériau peut être identique au premier matériau. Ceci permet notamment d’épaissir les portions de pavés jusqu’à une épaisseur cible. Eventuellement, une couche additionnelle d’un quatrième matériau distinct du troisième matériau peut être formée par épitaxie, la portion de pavé servant de couche germe à la formation de ladite couche additionnelle. A cet effet, le quatrième matériau et les conditions opératoires de l’épitaxie sont choisis pour que la couche additionnelle présente une bonne qualité cristalline.
Par exemple, si les portions de pavés sont en un premier matériau lll-V (notamment InP, GaN, GaAs...), en saphir ou en germanium, le troisième ou le quatrième matériau peut être un matériau lll-V. Si les portions de pavés sont en germanium (respectivement du carbure de silicium), le troisième matériau peut être du germanium ou du silicium germanium (respectivement du carbure de silicium). Si les portions de pavés sont en un matériau piézoélectrique, le troisième ou le quatrième matériau peut être un matériau piézoélectrique.
Plus généralement l’homme du métier peut procéder au dépôt par épitaxie d’une pluralité de couches de matériaux pour former un empilement épitaxial complexe. Il pourra appliquer tout son savoir-faire par exemple dans le domaine des épitaxies d’empilements de matériaux lll-V ou non sur substrat GaAs, InP, Ge, GaN, SiC, etc.
Comme indiqué plus haut, on choisit de préférence un substrat support dont le coefficient de dilatation thermique est le plus proche possible de celui du matériau des pavés ou de la couche d’intérêt et des couches épitaxiales pour minimiser les contraintes au sein du substrat temporaire.
Par ailleurs, l’homme du métier peut procéder au dépôt par épitaxie d’une couche formant une interface de démontage adaptée pour être démontée entre le substrat support et les portions de pavés destinées à être transférées sur le substrat receveur. La figure 6 illustre ainsi la structure de la figure 2E sur laquelle un empilement, préférentiellement épitaxial, 6 a été déposé sur chaque portion de pavé PT-P3’. L’empilement peut être déposé par n’importe quelle technique de dépôt. Ledit empilement comprend, du côté des portions de pavé, une couche 5 destinée à former l’interface démontable. La couche 5 peut en particulier être constituée du même matériau que l’une des couches constituant l’empilement, mais avec un dopage différent, de sorte à pouvoir être gravée sélectivement par rapport au reste de l’empilement. Comme on le verra plus bas, c’est la partie de l’empilement située sur la couche 5 qui est destinée à être transférée sur un substrat receveur. Cette partie de l’empilement est représentée constituée de deux couches, mais elle peut comprendre tout autre nombre de couches selon les spécifications des dispositifs à former dans l’empilement.
Dans certains modes de réalisation, le traitement appliqué aux portions de pavés peut être une gravure. Une telle gravure peut notamment être mise en œuvre pour délimiter le contour des transistors ou d’autres éléments opto-électroniques tels que des diodes. Elle peut encore être mise en œuvre pour retirer une zone périphérique ou intérieure de chaque portion de pavé, afin par exemple de redimensionner les portions de pavés ou les subdiviser en plusieurs portions de plus petites dimensions, ou pour corriger des défauts d’agencement ou d’alignement des portions de pavés. A cet effet, on forme un film protecteur sur la surface des portions de pavés, de sorte que le fil protecteur recouvre les zones des portions de pavés à préserver, le film protecteur présentant des ouvertures localisées en regard des zones des portions de pavés à retirer. Par « gravure », on entend dans le présent texte une attaque chimique et/ou physique du matériau des pavés, conduisant à une élimination de la zone des pavés non recouverte par le film protecteur.
Dans le cas où une couche d’intérêt continue est utilisée au lieu des pavés, le traitement peut comprendre une gravure sélective permettant la formation de canaux ou de tranchées délimitant des îlots ou bandes, permettant à un agent de gravure d’atteindre plus facilement une zone à graver lors du retrait du substrat support.
Dans certains modes de réalisation, le traitement des portions de pavés comprend au moins un traitement de surface, tel qu’un polissage, un nettoyage ou encore un dépôt de diélectrique... Un tel traitement de surface peut en particulier permettre d’améliorer l’adhésion ultérieure des portions de pavés sur le substrat receveur notamment dans le cas où l’assemblage du substrat temporaire et du substrat receveur se fait par collage. Un dépôt de diélectrique peut aussi par exemple passiver la surface d’une diode laser.
Dans certains modes de réalisation, le traitement des portions de pavés peut comprendre un dopage d’au moins une partie des portions de pavés, afin de conférer à ladite partie des propriétés électriques attendues. Cette opération de dopage peut avoir lieu au cours d’une étape d’épitaxie réalisée sur les portions de pavés, ou être réalisée indépendamment par implantation ionique ou par diffusion par exemple.
Dans certains modes de réalisation, le traitement des pavés peut comprendre au moins un traitement thermique. Par exemple, ledit traitement thermique peut comprendre un recuit de lissage des portions de pavés, afin de supprimer les défauts liés au transfert des portions de pavés sur le substrat support. Il peut aussi par exemple accompagner une étape de dopage par implantation ou par diffusion.
Dans certains modes de réalisation, le traitement des portions de pavés peut comprendre la formation d’une interconnexion, par exemple par dopage d’une région des pavés et/ou dépôt d’une couche électriquement conductrice sur les pavés.
Naturellement, les traitements susmentionnés peuvent être combinés, simultanément ou successivement, l’homme du métier étant à même de choisir l’ordre de réalisation des traitements. Par exemple, une épitaxie d’une couche additionnelle peut être accompagnée d’un dopage de ladite couche. Selon un autre exemple, pour former des composants tels que des lasers, on peut mettre en œuvre plusieurs étapes d’épitaxie séparées par d’autres opérations, telles que des photo-lithogravures.
Au final, ces opérations peuvent amener à la réalisation intermédiaire de sous- composants complets. On tire ainsi partie du substrat support dont les propriétés mécaniques sont généralement meilleures que celles du substrat donneur. Traitement du substrat receveur
Dans certaines applications, le substrat receveur est avantageusement un substrat adapté pour la réalisation de composants électroniques, notamment par un procédé CMOS. Ledit substrat receveur peut ainsi être typiquement un substrat de silicium. Il peut aussi être constitué d’autres matériaux, notamment le germanium, le carbure de silicium et les matériaux II l-V, notamment l’arséniure de gallium (GaAs).
Le matériau du substrat receveur peut être notamment choisi en fonction du matériau des pavés. A titre d’exemple, on pourra combiner un substrat receveur en GaAs avec un substrat temporaire dont les pavés sont en matériau InP, ou encore combiner un substrat receveur en SiC avec un substrat temporaire dont les pavés sont en matériau diamant.
De manière connue en elle-même, le substrat receveur peut être soumis à des opérations de photolithographie, de dopage localisé, de dépôt de couches électriquement isolantes et/ou électriquement conductrices, notamment en vue de fabriquer des transistors. Lesdits transistors peuvent inclure, des transistors à effet de champ, des transistors CMOS, des transistors BiCMOS, des transistors bipolaires, etc.
Dans d’autres modes de réalisation, le substrat receveur peut être simplement un substrat semi-conducteur massif ou un substrat de type silicium sur isolant (SOI, acronyme du terme anglo-saxon « Silicon On Insulator »).
Dans certaines applications, le substrat receveur est adapté pour la réalisation de dispositifs radiofréquences (RF). Le substrat receveur peut alors présenter une résistivité électrique élevée (par exemple supérieure à 1000 G. cm) et/ou inclure une couche de piégeages de charges (dite « trap rich » en anglais).
Assemblage du substrat temporaire et du substrat receveur
L’assemblage du substrat temporaire et du substrat receveur peut être réalisé par collage par adhésion moléculaire.
Dans un mode de réalisation, tel qu’illustré sur la figure 3, le substrat receveur 4 peut être recouvert d’une couche de collage 40, par exemple une couche d’oxyde de silicium (SiÛ2).
Dans d’autres modes de réalisation, le collage est direct, sans l’intermédiaire d’une telle couche.
L’assemblage peut inclure un recuit à une température adaptée pour renforcer l’adhésion entre les portions de pavés et le substrat receveur (ou la couche de collage le cas échéant).
D’autres techniques de collage connues de l’homme du métier sont également envisageables.
Retrait du substrat support En référence à la figure 4, le substrat support 3 est retiré après l’assemblage du substrat temporaire 3’ sur le substrat receveur 4, de sorte à transférer les portions de pavés P’1-P’3 sur le substrat receveur 4.
Dans certaines formes d’exécution, ce retrait est réalisé par meulage (« grinding » en anglais) du substrat support jusqu’à exposer la surface des portions de pavés opposée au substrat receveur 4. Préférentiellement, le meulage du substrat support s’arrête à quelques pm jusqu’à quelques dizaines de pm de la surface des portions de pavés. Ensuite, le reste du substrat support peut être retiré par un polissage et/ou une gravure. Par ailleurs, cette opération du retrait du substrat support peut être réalisée soit par le fabriquant de substrat, soit préférentiellement par le client fabriquant de dispositif optoélectronique.
De manière alternative ou complémentaire, le retrait peut comprendre un polissage et/ou une gravure.
Bien que cet enlèvement de matière consomme le substrat support et ne permette pas de le réutiliser, il ne pénalise pas significativement le procédé sur un plan économique car le substrat support est constitué d’un matériau plus disponible et moins onéreux que celui des pavés.
Dans d’autres formes d’exécution, le retrait peut aussi être réalisé par détachement du substrat support vis-à-vis des portions de pavés (cf. figures 5A-5D) ou par détachement au sein des portions de pavés (cf. figures 6-7). A cet effet, l’interface entre les portions de pavés et le substrat support ou au sein des portions de pavés peut être conçue de sorte à favoriser la désolidarisation des portions de pavés dans cette étape de retrait. Le démontage de ladite interface peut être assisté par l’application d’une contrainte mécanique, d’un agent de gravure chimique et/ou d’un traitement thermique.
Par rapport au retrait par meulage, cette modalité de retrait du substrat support permet la récupération du substrat support et sa réutilisation multiple, ce qui est particulièrement avantageux lorsque le substrat support est relativement onéreux. Par ailleurs, le procédé est plus vertueux sur le plan écologique puisqu’il minimise les rejets de matériaux.
Dans ce contexte, un substrat de SiC, notamment de p-SiC, ou d’AIN, notamment de p-AIN, est particulièrement avantageux pour les raisons suivantes. D’une part, bien que plus onéreux que le silicium, le SiC ou l’AIN présente une grande dureté mécanique qui en fait un substrat particulièrement résistant aux rayures et autres dégradations liées à de multiples utilisations. Un autre avantage du SiC ou de l’AIN est son inertie chimique, qui rend le substrat support particulièrement robuste vis-à-vis de nombreux agents de gravure chimique qui sont susceptibles d’être utilisés pour graver des matériaux lll-V ou une éventuelle couche de collage ou interface démontable. Selon un premier mode de réalisation, l’interface comprend une couche adaptée pour une gravure sélective, c’est-à-dire formée d’un matériau adapté pour être gravé sélectivement par rapport au matériau des portions de pavés destinées à être transférées sur le substrat receveur. Ledit matériau doit donc être différent du matériau des portions de pavés destinées à être transférées sur le substrat receveur et choisi pour pouvoir être attaqué par un agent de gravure chimique sans que le matériau des portions de pavés destinées à être transférées sur le substrat receveur ne soit endommagé par ledit agent de gravure.
En particulier, ladite couche de gravure sélective peut être intégrée aux portions de pavés, en étant formée par épitaxie ou par n’importe quelle autre technique de dépôt, sur les pavés avant leur collage au substrat support (cf. figures 5A-5D) ou au sein d’un empilement de couches formé sur les portions de pavés (cf. figures 6-7).
La figure 5A illustre la formation d’une couche 5 destinée à former une interface démontable sur les pavés P1-P3 de la figure 2C, ladite couche 5 pouvant être formée avant ou après l’implantation destinée à former la couche de fragilisation. Si la formation de la couche 5 implique un budget thermique susceptible de provoquer un détachement des pavés le long de la zone de fragilisation, la couche 5 est de préférence formée avant l’implantation.
Comme illustré sur la figure 5B, le substrat intermédiaire 1 et les pavés P1-P3 sont collés sur le substrat support 3 par l’intermédiaire de la couche 5.
En référence à la figure 5C, on provoque le détachement des pavés le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer les portions des pavés P’1-P’3 sur le substrat support 3 avec la couche 5 à l’interface entre le substrat support et les portions de pavés. On obtient ainsi le substrat temporaire 3’ qui incorpore une interface démontable.
En référence à la figure 5D, on assemble le substrat temporaire 3’ sur le substrat receveur 4.
Le démontage de l’interface 5 conduit donc au transfert de l’intégralité des portions de pavés sur le substrat receveur. On peut donc récupérer le substrat support 3 seul et le réutiliser pour la formation d’un nouveau substrat temporaire.
Les figures 6 et 7 illustrent une forme d’exécution préférée d’une interface démontable.
Comme illustré la figure 6, on forme, par exemple par épitaxie, un empilement 6 de couches sur les portions de pavés du substrat temporaire de la figure 2E. Ledit empilement inclut une couche 5 formant une interface démontable. Ladite couche 5 est de préférence la première couche déposée sur la surface libre des portions de pavés, ou éventuellement une couche déposée ultérieurement, mais elle n’est en tout état de cause pas située à la surface de l’empilement. Ladite couche 5 forme une interface entre les portions de pavés, qui sont destinées à rester solidaires du substrat support après le démontage, et le reste de l’empilement, qui est destiné à être transféré sur le substrat support à l’issue du démontage.
La figure 7 illustre une étape d’assemblage du substrat temporaire de la figure 6 sur le substrat receveur.
Pour retirer le substrat support 3 des portions de pavés ou des parties de l’empilement destinées à être transférées sur le substrat receveur, il suffit donc d’exposer l’interface à un agent de gravure choisi pour graver sélectivement la couche 5 par rapport au reste des portions de pavés P1’-P3’.
L’homme du métier est à même de déterminer le matériau de la couche 5 et de l’agent de gravure en fonction du matériau des portions de pavés et du substrat receveur. Par exemple, pour des pavés en arséniure de gallium (GaAs), on pourra former la couche de gravure sélective en phosphure d’aluminium et d’indium (InAlP) et utiliser un mélange d’acide chlorhydrique et d’éthanol pour graver sélectivement ladite couche.
Un avantage d’une telle couche de gravure sélective intégrée aux portions de pavés est que l’agent de gravure peut circuler dans les espaces libres entre les pavés, ce qui favorise la gravure en tout point du substrat temporaire. Dans le cas d’une couche de gravure sélective s’étendant sur toute l’interface entre deux substrats, il peut être difficile à l’agent de gravure d’atteindre le centre de la couche et de la graver efficacement, ou d’être évacué après réaction, ce qui tend à ralentir la gravure, voire à la stopper.
Pour pallier cet inconvénient, dans le cas d’une couche d’intérêt continue, une première solution consiste à utiliser une assistance mécanique pour appliquer une contrainte tendant à séparer les substrats à détacher et/ou provoquer une meilleure circulation de l’agent de gravure. Une telle contrainte peut être provoquée par un effort d’écartement des substrats ou encore par l’application d’ultra-sons. D’autres solutions consistent à créer des accès extérieurs à la couche à graver, de manière à mieux irriguer le front de gravure avec l’agent de gravure. Ces accès peuvent se présenter sous la forme de canaux de gravure, qui peuvent être créés en perforant la couche supérieure ou le substrat support du substrat temporaire jusqu’à la zone à graver, dans une direction perpendiculaire à la surface principale du substrat temporaire et/ou latéralement, c’est- à-dire parallèlement à ladite surface principale. On peut aussi mettre en œuvre cette gravure après avoir délimité dans le substrat temporaire des structures à sous-graver, lesdites structures pouvant correspondre aux dispositifs finaux (de type MESA) ou non. Les distances latérales caractéristiques de ces accès peuvent être comprises entre quelques dizaines de pm à quelques mm, selon l’efficacité de la sélectivité de gravure des empilements considérés. Le design de ces accès et les procédés associés peuvent aussi s’inspirer du domaine des MEMS (microsystèmes électromécaniques), dans lequel il est usuel de réaliser des gravures sélectives de couches enterrées. Par ailleurs, dans le cas de la couche de gravure agencée dans l’empilement de couches (cf. figures 6-7), un autre avantage est que l’on récupère non seulement le substrat support 3 mais aussi les portions de pavés solidaires de celui-ci. Par conséquent, le substrat temporaire peut être directement réutilisé.
Selon une variante, la couche de gravure sélective peut être une couche d’oxyde de silicium (SiCh) formée sur le substrat support avant le collage des pavés. On choisit le matériau du substrat receveur en un matériau adapté pour ne pas être gravé par l’agent de gravure utilisé pour graver l’oxyde.
Selon un deuxième mode de réalisation, l’interface entre les portions de pavés et le substrat support comprend une couche poreuse. Du fait de sa porosité, ladite couche peut être plus fragile mécaniquement et/ou favoriser une attaque chimique.
Selon un troisième mode de réalisation, l’interface entre les portions de pavés et le substrat support comprend une couche présentant une énergie de collage faible vis- à-vis des portions de pavés et/ou du substrat support. Une telle couche peut alors être démontée par une action mécanique, éventuellement assistée chimiquement.
Eventuellement, des traitements de finition de la surface libre des pavés, notamment de lissage, de polissage, ou de nettoyage, peuvent être mis en œuvre pour favoriser les étapes technologiques à réaliser ultérieurement sur les portions de pavés.
Contrairement aux procédés de l’état de la technique, le retrait du substrat support ne met pas en œuvre le procédé Smart Cut™. En particulier, aucune implantation n’est réalisée dans les pavés afin d’y former une zone de fragilisation. On évite ainsi les problèmes d’endommagement des pavés et d’impossibilité de recyclage indiqués dans la partie introductive.
Formation d’un nouveau substrat temporaire
La formation du substrat temporaire ne requiert qu’une faible épaisseur des pavés, qui est transférée du substrat intermédiaire sur le substrat temporaire par le procédé Smart Cut™. A l’issue de ce transfert, l’ensemble du substrat intermédiaire et du reliquat des pavés est donc disponible pour la formation d’un nouveau substrat temporaire.
A cet effet, le reliquat des pavés est avantageusement poli et/ou nettoyé afin de retirer les défauts liés à l’implantation et obtenir un état de surface adapté pour le collage sur un substrat support.
Dans le cas où le substrat support a été consommé par enlèvement de matière lors du transfert des portions de pavés sur le substrat receveur, on fournit un nouveau substrat support similaire au précédent et on réitère les étapes décrites précédemment avec le nouveau substrat temporaire ainsi formé.
Dans le cas où le substrat support a été conservé au moins en partie, grâce à l’utilisation d’une interface démontable (dans le mode de réalisation des figures 5A-5D), il peut être réutilisé en tant que nouveau substrat support. A cet effet, il peut si nécessaire faire l’objet d’un traitement de surface pour le rendre apte au collage sur le reliquat des pavés. On réitère ensuite les étapes décrites précédemment avec le nouveau substrat temporaire ainsi formé.
Selon l’épaisseur initiale des pavés et l’épaisseur des portions de pavés transférées sur le substrat support, il est ainsi possible de former plusieurs substrats temporaires à partir d’un même ensemble de pavés disposés sur le substrat intermédiaire. On optimise ainsi la quantité de matière utilisée des pavés, ce qui permet de réduire le coût unitaire des substrats temporaires.
Enfin, dans le cas où les portions de pavés ont été conservées sur le substrat support à l’issue du démontage (dans le mode de réalisation des figures 6-7), le reliquat peut être réutilisé directement en tant que nouveau substrat temporaire. A cet effet, la surface libre des portions de pavés peut faire l’objet d’un traitement de surface pour les rendre aptes au collage sur un nouveau substrat receveur. On optimise ainsi le nombre d’utilisations des portions de pavés.
Exemples
Exemple n°1 - Couche d’intérêt en InP
On fabrique un substrat temporaire de 150 mm de diamètre comprenant un substrat support de p-SiC et une couche d’intérêt en InP, collés par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante enterrée en SiÛ2 de 1 pm d’épaisseur.
On forme sur la couche d’intérêt un empilement épitaxial comprenant successivement une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur, une couche d’InGaAs de 3 pm d’épaisseur et une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur pour former une photodiode PIN.
On met en œuvre un polissage mécano-chimique de la couche superficielle d’InP, conduisant au retrait de 50 à 100 nm d’épaisseur d’InP.
On colle le substrat temporaire sur un substrat receveur de silicium de 150 mm de diamètre, par collage par diffusion atomique (ADB) ou SAG, aucune couche de collage de type SiÛ2 n’étant utilisée pour ce collage final.
On met en œuvre une gravure sélective à base de H F de la couche électriquement isolante enterrée, de sorte à détacher le substrat support de la structure composite constituée de l’empilement épitaxial et du substrat receveur.
De manière optionnelle, on réalise des canaux d’accès de gravure après l’épitaxie par réalisation de tranchées traversant le substrat temporaire, parallèlement au plan principal dudit substrat, et/ou on utilise une assistance mécanique pour séparer le substrat support et la structure composite pendant la gravure.
Exemple n°2 - Pavés d’intérêt en InP et substrat support en p-SiC Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°1 mais met en œuvre une pluralité de pavés au lieu d’une couche continue d’InP.
On fabrique un substrat temporaire de 300 mm de diamètre comprenant un substrat support de p-SiC et des pavés d’intérêt en InP, collés par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante enterrée en SiÛ2 de 1 pm d’épaisseur.
On forme sur chaque pavé un empilement épitaxial comprenant successivement une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur, une couche d’InGaAs de 3 pm d’épaisseur et une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur pour former une photodiode PIN.
Après l’épitaxie, on met en œuvre une gravure photolithographique du contour des pavés (la largeur de contour enlevée étant de l’ordre de 500 pm).
On met en œuvre un polissage mécano-chimique de la couche superficielle d’InP de chaque pavé, conduisant au retrait de 50 à 100 nm d’épaisseur d’InP.
On colle le substrat temporaire sur un substrat receveur de silicium de 150 mm de diamètre, par collage par diffusion atomique (ADB) ou SAG, aucune couche de collage de type SiÛ2 n’étant utilisée pour ce collage final.
On met en œuvre une gravure sélective à base de H F dans la couche électriquement isolante enterrée, de sorte à détacher le substrat support de la structure composite constituée de l’empilement épitaxial et du substrat receveur.
Exemple n°3 - Couche d’intérêt en InP et couche épitaxiale sacrificielle
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°1 mais met en œuvre un détachement par gravure sélective grâce à une couche sacrificielle formée dans l’empilement épitaxial.
On fabrique un substrat temporaire de 150 mm de diamètre comprenant un substrat support de p-SiC et une couche d’intérêt en InP, collés par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante enterrée en SiÛ2 de 0,2 pm d’épaisseur.
On forme sur la couche d’intérêt un empilement épitaxial comprenant successivement une couche sacrificielle, une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur, une couche d’InGaAs de 3 pm d’épaisseur et une couche d’InP de 0,5 pm d’épaisseur pour former une photodiode PIN.
On met en œuvre un polissage mécano-chimique de la couche superficielle d’InP, conduisant au retrait de 50 à 100 nm d’épaisseur d’InP.
On colle le substrat temporaire sur un substrat receveur de silicium de 150 mm de diamètre, par collage par diffusion atomique (ADB) ou SAG, aucune couche de collage de type SiÛ2 n’étant utilisée pour ce collage final.
On met en œuvre une gravure sélective de la couche sacrificielle vis-à-vis des autres couches de l’empilement épitaxial, de sorte à détacher le substrat support de la structure composite constituée du reste de l’empilement épitaxial et du substrat receveur.
De manière optionnelle, on réalise des canaux d’accès de gravure après l’épitaxie par réalisation de tranchées traversant le substrat temporaire, parallèlement au plan principal dudit substrat, et/ou on utilise une assistance mécanique pour séparer le substrat support et la structure composite pendant la gravure.
Exemple n°3bis - Couche d’intérêt en InP et couche épitaxiale sacrificielle
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°1 , hormis le fait qu’aucune couche de SiC>2 n’est présente à l’interface entre la couche d’intérêt et le substrat support.
Exemple n°4 - Pavés d’intérêt en InP et couche épitaxiale sacrificielle
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°2 mais comprend, comme dans l’exemple n°4, la formation d’une couche sacrificielle dans l’empilement épitaxial formé sur chaque pavé.
Exemple n°5 - Pavés d’intérêt en InP et substrat support en p-AIN
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°2 hormis le fait que le support est en p-AIN au lieu de p-SiC.
Exemple n°6 - Substrat receveur comprenant des composants
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui des exemples 1 à 5 mais le substrat receveur en silicium comprend des composants formés au moins partiellement avant le collage sur le substrat temporaire.
Exemple n°7 - Substrat receveur comprenant des composants
Le procédé de cet exemple est sensiblement identique à celui de l’exemple n°3 mais le substrat temporaire comprend des composants lll-V formés au moins partiellement avant le collage sur le substrat receveur.
Naturellement, ces exemples ne sont donnés qu’à titre illustratif et non limitatif, et pourront être combinés dans toutes leurs variations techniquement réalisables.
Applications
La structure composite ainsi obtenue peut être utilisée pour diverses applications.
Selon un premier exemple d’application, correspondant à la technologie de communication 6G, la structure composite vise à combiner plusieurs étages de dispositifs radiofréquences fonctionnant dans des gammes de fréquence différentes. Grâce à des empilements de matériaux épitaxiés sur des portions de pavés en InP, des éléments tels que des transistors peuvent être réalisés pour fonctionner à très haute fréquence, typiquement au-delà de 100GHz. Des amplificateurs de puissance ou des amplificateurs faible bruit, tous deux caractérisés par de bonnes performances à haute fréquence peuvent être réalisés. Le substrat receveur, par exemple un substrat de silicium ou un substrat silicium sur isolant (SOI), comprenant optionnellement une ou plusieurs couches de SiGe, permet d’intégrer de manière optimum les autres étages du composant pouvant fonctionner à des fréquences moins élevées, typiquement inférieures à 100GHz.
Un autre exemple d’applications reposant sur la même combinaison de portions de pavés en InP, sur lesquelles des empilements épitaxiaux ont été formés, et de substrat receveur en silicium concerne l’intégration de diodes laser Infra-Rouge dans les portions de pavés avec leur circuit de gestion et de lecture en technologie silicium dans le substrat receveur. Des applications très variées sont concernées comme par exemple les interconnexions optiques pour les centres de données (« data centers ») ou encore les LiDARs (acronyme du terme anglo-saxon « Laser Imaging Detection And Ranging ») pour la conduite automobile autonome.
Un autre exemple encore concerne les écrans à base de micro-LEDs (pLEDS). Les portions de pavés servent de germe de croissance pour un empilement épitaxial à base de nitrure de gallium pour la réalisation des pLEDs. Le substrat receveur accueille le circuit de gestion et de lecture en technologie silicium des pLEDs.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’une structure composite (4’), comprenant :
(a) la formation d’un substrat temporaire (3’) comprenant un substrat support (3) et une pluralité de portions de pavés (P’1-P’3), respectivement une couche d’intérêt (20), d’un premier matériau disposée(s) sur le substrat support (3), la formation dudit substrat temporaire (3’) comprenant :
(i) le prélèvement d’une pluralité de pavés (P1-P3) à partir d’au moins un substrat donneur (2) et le placement de chaque pavé (P1-P3) sur un substrat intermédiaire (T), chaque substrat donneur (2) présentant un diamètre inférieur au diamètre du substrat intermédiaire (T), respectivement la fourniture d’un substrat donneur (2),
(ii) la formation d’une zone de fragilisation (11) dans chaque pavé (P1-P3) par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une portion (P’1-P’3) de pavé à transférer, respectivement la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une couche d’intérêt (20) à transférer,
(iii) le collage du substrat intermédiaire (T), respectivement du substrat donneur, sur le substrat support (3) par l’intermédiaire des pavés (P1-P3), respectivement de la couche d’intérêt, et
(iv) le détachement des pavés (P1-P3), respectivement du substrat donneur, le long de la zone de fragilisation (11), de sorte à transférer les portions de pavés (P’1-P’3), respectivement la couche d’intérêt (20) sur le substrat support (3),
(b) la formation d’une interface démontable (5) agencée entre le substrat support (3) et les portions de pavés (P’1-P’3), respectivement la couche d’intérêt (20), ou dans ou sur les portions de pavés (P’1-P’3), respectivement la couche d’intérêt (20),
(c) l’assemblage du substrat temporaire (3’) avec un substrat receveur (4) en un second matériau différent du premier matériau par l’intermédiaire desdites portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20), et
(d) le retrait du substrat support (3) par démontage de l’interface démontable (5) de sorte à transférer au moins une partie des portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d'intérêt (20), sur le substrat receveur (4) pour former la structure composite.
2. Procédé selon la revendication 1 , comprenant au moins une étape de traitement des portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20) avant l’assemblage desdites portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20) sur le substrat receveur (4).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit traitement comprend :
- une épitaxie d’une couche d’au moins un troisième matériau sur chaque portion de pavé, respectivement sur la couche d’intérêt,
- une gravure,
- un traitement de surface,
- un dopage,
- un traitement thermique,
- la formation, dans le substrat temporaire, de canaux ou tranchées d’accès d’un agent de gravure vers l’interface démontable, et/ou
- la formation d’une interconnexion.
4. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite étape de traitement des portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20), est réalisée à une température supérieure ou égale à 500°C.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le substrat receveur (4) comprend au moins une partie d’un circuit électronique formée avant l’assemblage du substrat temporaire (3’) et du substrat receveur (4).
6. Procédé selon la revendication 5, comprenant la formation de ladite partie de circuit électronique par un procédé CMOS.
7. Procédé selon la revendication 6, comprenant au moins une étape de finalisation du circuit électronique après le transfert des portions de pavés (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20), sur le substrat receveur (4).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel chaque étape de finalisation du circuit électronique est réalisée à une température inférieure à 500°C.
9. Procédé selon l’une des revendications 5 à 8, dans lequel ledit circuit électronique comprend au moins un transistor, notamment un transistor à effet de champ, un transistor CMOS, un transistor BiCMOS ou un transistor bipolaire, et/ou au moins une diode, notamment une diode laser ou une diode électroluminescente (LED).
10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le premier matériau est choisi parmi : - les matériaux lll-V, tels que le nitrure d'indium (InN), le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d’aluminium (AIN), l’arséniure d'indium (InAs), l’arséniure de gallium (GaAs), l’arséniure d’aluminium (AlAs), le phosphure d'indium (InP), le phosphure de gallium (GaP) ou le phosphure d’aluminium (AIP),
- les matériaux piézoélectriques, tels que le tantalate de lithium (LiTaO3), le niobate de lithium (LiNbOa), le niobate de potassium-sodium (KxNa1-xNbO3 ou KNN), le titanate de baryum (BaTiOa), le quartz, le titano-zirconate de plomb (PZT), un composé de niobate de plomb-magnésium et de titanate de plomb (PMN-PT), l’oxide de zinc (ZnO), le nitrure d’aluminium (AIN) ou le nitrure d’aluminium et de scandium (AIScN),
- le germanium ou le carbure de silicium, et
- un matériau électriquement isolant tel que le diamant, le titanate de strontium, la zircone yttriée ou le saphir.
11 . Procédé selon la revendication 10 en combinaison avec la revendication 4, dans lequel le troisième matériau est choisi parmi : les matériaux lll-V, les matériaux piézoélectriques, le carbure de silicium, le silicium germanium et le germanium.
12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel le second matériau est choisi parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium et les matériaux lll-V, notamment l’arséniure de gallium.
13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le substrat support (3) comprend du silicium, du carbure de silicium, notamment du carbure de silicium polycristallin, ou du nitrure d’aluminium, notamment du nitrure d’aluminium polycristallin.
14. Procédé selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel l’interface démontable (5) comprend une couche de gravure sélective, une couche poreuse et/ou une couche présentant une énergie de collage faible et, lors du retrait du substrat support (3), le démontage de l’interface comprend l’application d’une action mécanique, d’une gravure chimique et/ou d’un traitement thermique sur ladite couche.
15. Procédé selon la revendication 14, comprenant le dépôt d’un empilement de couches (6) sur une surface libre de chaque portion de pavé (P’1-P’3), respectivement de la couche d’intérêt (20) du substrat temporaire (3’), l’interface démontable (5) étant formée de l’une des couches dudit empilement (6).
PCT/EP2024/059623 2023-10-06 2024-04-09 Procede de fabrication d'une structure composite pour la microelectronique, l'optique ou l'optoelectronique Pending WO2025073392A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/FR2023/051563 WO2024074797A1 (fr) 2022-10-06 2023-10-06 Procede de fabrication d'une structure composite comprenant des paves
FRPCT/FR2023/051563 2023-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025073392A1 true WO2025073392A1 (fr) 2025-04-10

Family

ID=90720533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2024/059623 Pending WO2025073392A1 (fr) 2023-10-06 2024-04-09 Procede de fabrication d'une structure composite pour la microelectronique, l'optique ou l'optoelectronique

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2025073392A1 (fr)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6562127B1 (en) * 2002-01-16 2003-05-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method of making mosaic array of thin semiconductor material of large substrates
US20050178495A1 (en) * 2002-03-25 2005-08-18 Bernard Aspar Method for transferring elements between substrates
US20110244613A1 (en) 2010-04-02 2011-10-06 John Heck WAFER-LEVEL In-P Si BONDING FOR SILICON PHOTONIC APPARATUS
US20180182661A1 (en) * 2015-09-18 2018-06-28 Soitec Method for transferring monocrystalline pads
US20220037198A1 (en) * 2019-07-26 2022-02-03 Beijing Boe Display Technology Co., Ltd. Methods of manufacturing thin film transistor, biometric device, and display apparatus
WO2024074797A1 (fr) * 2022-10-06 2024-04-11 Soitec Procede de fabrication d'une structure composite comprenant des paves

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6562127B1 (en) * 2002-01-16 2003-05-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method of making mosaic array of thin semiconductor material of large substrates
US20050178495A1 (en) * 2002-03-25 2005-08-18 Bernard Aspar Method for transferring elements between substrates
US20110244613A1 (en) 2010-04-02 2011-10-06 John Heck WAFER-LEVEL In-P Si BONDING FOR SILICON PHOTONIC APPARATUS
US8084282B2 (en) * 2010-04-02 2011-12-27 Intel Corporation Wafer-level In-P Si bonding for silicon photonic apparatus
US20180182661A1 (en) * 2015-09-18 2018-06-28 Soitec Method for transferring monocrystalline pads
US20220037198A1 (en) * 2019-07-26 2022-02-03 Beijing Boe Display Technology Co., Ltd. Methods of manufacturing thin film transistor, biometric device, and display apparatus
WO2024074797A1 (fr) * 2022-10-06 2024-04-11 Soitec Procede de fabrication d'une structure composite comprenant des paves

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1378004B1 (fr) Procede de realisation d'un substrat demontable a tenue mecanique controlee
EP1378003B1 (fr) Procede de realisation d'un substrat ou structure demontable
EP1338030B1 (fr) Procede de fabrication d'un substrat notamment pour l'optique, l'electronique ou l'optoelectronique et substrat obtenu par ce procede
EP1324385B1 (fr) Procédé de report de couches minces semi-conductrices à partir d'une plaquette donneuse.
EP1923912B1 (fr) Procédé de fabrication d'une structure microtechnologique mixte
FR2942911A1 (fr) Procede de realisation d'une heterostructure avec adaptation locale de coefficient de dilatation thermique
FR2912552A1 (fr) Structure multicouche et son procede de fabrication.
FR2995136A1 (fr) Pseudo-substrat avec efficacite amelioree d'utilisation d'un materiau monocristallin
EP1938362B1 (fr) Procede de fabrication d'un element en couches minces
FR3051595A1 (fr) Procede de fabrication d'un substrat de type semi-conducteur contraint sur isolant
WO2024074797A1 (fr) Procede de fabrication d'une structure composite comprenant des paves
EP2676288B1 (fr) Procede de realisation d'un support de substrat
WO2025073392A1 (fr) Procede de fabrication d'une structure composite pour la microelectronique, l'optique ou l'optoelectronique
EP4128330B1 (fr) Procede de fabrication d'une structure empilee
WO2019186263A1 (fr) Procédé de fabrication d'une couche monocristalline de matériau lno et substrat pour croissance par épitaxie d'une couche monocristalline de matériau lno
EP4639610A1 (fr) Procédé de fabrication de deux substrats dits pseudo-substrats donneurs comprenant chacun au moins deux pavés sur un substrat support
EP4639611A1 (fr) Procede de fabrication d'une structure comprenant au moins deux paves sur un substrat
FR3156986A1 (fr) Procede de fabrication d’un substrat comprenant une pluralite de paves
EP4505515A1 (fr) Procede de fabrication d'une structure comprenant au moins deux puces sur un substrat
FR3151699A1 (fr) Procede de realisation d’un substrat multi-materiaux
FR3160050A1 (fr) Procédé de fabrication d’un substrat donneur pavé, impliquant une technique de fabrication additive
WO2025125417A1 (fr) Procede de fabrication d'un substrat comprenant une pluralite de paves
FR3155953A1 (fr) Super reseaux doubles obtenus par transfert de couche, structure et procede de fabrication