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WO2025202118A1 - Monolithic device including a transistor and a capacitor that are co-integrated onto a diamond-based substrate, and process for producing such a device - Google Patents

Monolithic device including a transistor and a capacitor that are co-integrated onto a diamond-based substrate, and process for producing such a device

Info

Publication number
WO2025202118A1
WO2025202118A1 PCT/EP2025/057979 EP2025057979W WO2025202118A1 WO 2025202118 A1 WO2025202118 A1 WO 2025202118A1 EP 2025057979 W EP2025057979 W EP 2025057979W WO 2025202118 A1 WO2025202118 A1 WO 2025202118A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductive layer
layer
support substrate
transistor
active layer
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/EP2025/057979
Other languages
French (fr)
Inventor
Thierry Boudet
Gauthier CHICOT
Khaled DRICHE
Juliette LETELLIER
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.)
Diamfab
Original Assignee
Diamfab
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
Application filed by Diamfab filed Critical Diamfab
Publication of WO2025202118A1 publication Critical patent/WO2025202118A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D1/00—Resistors, capacitors or inductors
    • H10D1/60—Capacitors
    • H10D1/68—Capacitors having no potential barriers
    • H10D1/692—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/637—Lateral IGFETs having no inversion channels, e.g. buried channel lateral IGFETs, normally-on lateral IGFETs or depletion-mode lateral IGFETs
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    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
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    • H10D62/8303—Diamond
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/01—Manufacture or treatment
    • H10D84/02—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies
    • H10D84/03—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group IV technology, e.g. silicon technology or silicon-carbide [SiC] technology
    • H10D84/032—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group IV technology, e.g. silicon technology or silicon-carbide [SiC] technology using diamond technology
    • H—ELECTRICITY
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    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/80—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs
    • H10D84/811—Combinations of field-effect devices and one or more diodes, capacitors or resistors
    • H10D84/813—Combinations of field-effect devices and capacitor only

Definitions

  • the present invention relates to the field of microelectronics and semiconductors.
  • the invention relates to a device comprising a transistor and at least one capacitor, monolithically integrated on a diamond-based substrate, said device being suitable for power applications.
  • Monocrystalline diamond is a very wide bandgap semiconductor. It has properties and characteristics that theoretically allow the production of power components, such as diodes, transistors and capacitors, with performances not previously achieved with other semiconductors.
  • a transistor made on diamond makes it possible to drastically reduce switching losses, which allows a power converter to operate at very high frequencies (typically beyond 1 MHz). At these frequencies, the voltage switching edges are very steep and each switching at the terminals of the transistor generates an overvoltage of several hundred or even several thousand volts; this requires an oversizing of the transistor voltage compared to the initial specification of the converter.
  • the present invention makes it possible to limit this overvoltage at the terminals of the transistor during switching by adding one or more high-voltage capacitors.
  • the invention relates to a monolithic device including at least one transistor and at least one capacitor, co-integrated on diamond.
  • the invention also relates to a method for monolithic integration of a transistor and at least one capacitor on a diamond-based substrate.
  • the present invention relates to a monolithic device including a field effect transistor and at least one capacitor, comprising:
  • a stack comprising a first conductive layer and a second conductive layer of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, and an intermediate layer of monocrystalline diamond, electrically insulating, interposed between the first conductive layer and the second conductive layer, the first conductive layer and the second conductive layer respectively forming a first and a second contact of the capacitor.
  • the first conductive layer has an epitaxial interface with the active layer; and the first conductive layer is structured in a plane parallel to the principal plane and forms a source electrode and a drain electrode of the transistor.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a monolithic device as above, comprising the following steps:
  • Figures 3a, 3b, 3b', 3b'', 3b'', 3c, 3d, 3e, 3f and 3f' show a second mode of implementation of the manufacturing method, in accordance with the invention.
  • the invention relates to a monolithic device 200 including at least one field effect transistor 100 (JFET, MESFET, MOSFET, ...) and at least one capacitor 150, said components being monolithically cointegrated on a diamond-based substrate ( , , ).
  • JFET field effect transistor 100
  • MESFET MESFET
  • MOSFET MOSFET
  • the device 200 comprises an active layer 40 made of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, an active layer in which the conduction channel 41 of the transistor 100 is formed.
  • the active layer 40 like the other layers and stack described later, extends parallel to a main plane (x,y) and has a thickness along a z axis normal to said plane.
  • the active layer 40 has a boron concentration of between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 ; its thickness is typically between 100 nm and 20 ⁇ m, preferably between 100 nm and 5 ⁇ m.
  • the device 200 also includes a monocrystalline diamond stack comprising a first conductive layer 10, a second conductive layer 20 and an electrically insulating intermediate layer 30, interposed between the first conductive layer 10 and the second conductive layer 20.
  • the first conductive layer 10 and the second conductive layer 20 comprise p-type dopants and have a resistivity typically between 1 mohm.cm and 10 kohm.cm, advantageously less than or equal to 1 ohm.cm, less than or equal to 100 mohm.cm, or even less than or equal to 10 mohm.cm.
  • the first conductive layer 10 and the second conductive layer 20 therefore have a boron concentration typically greater than 10 19 /cm 3 . They respectively form a first 11 and a second 21 contact of the capacitor 150.
  • the first conductive layer 10 comprises an epitaxial interface 61 with the active layer 40.
  • the first conductive layer 10 is structured in a plane parallel to the main plane (x,y), so as to form on the one hand a source electrode 12 of the transistor 100 and on the other hand a drain electrode 13.
  • the source electrode 12, the drain electrode 13 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are defined in the first conductive layer 10.
  • the capacitor 150 is preferably connected in parallel with the transistor 100.
  • the RC circuit (capacitor 150), mounted in parallel with the switch (transistor 100) protects the terminals of the latter from switching overvoltages.
  • the source 12 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are electrically connected.
  • This connection made possible by the production of a single continuous layer (the first conductive layer 10), is particularly advantageous because it avoids the addition of unfavorable connections in terms of parasitic inductances.
  • the drain 13 of the transistor 100 is connected to the second contact 21 of the capacitor 150 (not illustrated in the figures), either by wire connection or by metal interconnection (involving an additional lithography level, a passivation layer and metallization).
  • This monolithic integration is also advantageous in that the two components 100,150 benefit from excellent heat transfer due to the thermal conductivity properties of diamond.
  • the geographical proximity of the components 100,150 makes it possible to considerably reduce parasitic inductances.
  • an epitaxial interface 63 is defined between the support substrate 50 and the active layer 40.
  • the support substrate 50 is formed from monocrystalline diamond or comprises a surface film (on the side of its face intended to receive the active layer 40) from monocrystalline diamond, to allow epitaxial growth of the active layer 40, during the development of the monolithic device 200.
  • the method for manufacturing the monolithic device 200 comprises a step a) consisting of providing the support substrate 50 ( , ).
  • the support substrate 50 may comprise one or more materials chosen from monocrystalline or polycrystalline diamond, monocrystalline or polycrystalline silicon carbide, or a dielectric material.
  • the nature of the support substrate 50 may nevertheless be constrained according to the different modes of implementation of the subsequent step b) of the method.
  • the support substrate 50 may be in the form of a circular wafer, as is usually the case in the field of microelectronics, with a diameter of 25 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm or 200 mm. Its thickness is typically between 50 ⁇ m and 900 ⁇ m, preferably between 200 ⁇ m and 700 ⁇ m.
  • the support substrate 50 is not limited to the aforementioned shape and dimensions, and may also be in a square or rectangular form with smaller or larger dimensions.
  • HPHT High Pressure High Temperature
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the support substrate 50 has a resistivity greater than 10 kohm.cm.
  • the method then comprises a step b) corresponding to the formation of the active layer 40 on the support substrate 50, by epitaxial growth, according to a first mode of implementation ( ), or by thin layer transfer, according to a second implementation method ( , ', '', '').
  • the active layer 40 of monocrystalline diamond intended to form the conduction channel 41 of the transistor 100, is preferably expected with a boron concentration (p-type dopants) of between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 , and with a thickness typically of between 100 nm and 20 ⁇ m, preferably between 100 nm and 5 ⁇ m.
  • a support substrate 50 made of monocrystalline diamond is required to allow epitaxial growth of the active layer 40, itself intended to be made of monocrystalline diamond.
  • the support substrate 50 can then be entirely monocrystalline, or consist of a composite structure 50' including a base substrate 501 and a surface film 502 made of monocrystalline diamond which will serve as a seed for the epitaxial growth ( ).
  • the composite structure 50' offers more flexibility as to the nature of the base substrate 501, which may be polycrystalline or monocrystalline of lower quality or even made of a material different from that of the surface film 502.
  • An epitaxial interface 63 is created between the active layer 40 and the support substrate 50 ( ).
  • the front face of the support substrate 50 which serves as a seed for the growth of the active layer 40, is chosen so as to provide excellent crystalline quality to said active layer 40.
  • the choice of the nature of the support substrate 50 is more flexible, because the active layer 40 is transferred via a direct bonding interface onto said substrate 50 and therefore does not require a growth seed.
  • the support substrate 50 is preferably chosen so as to minimize the difference in thermal expansion compared to a monocrystalline diamond substrate.
  • an implantation of light species of the hydrogen, helium type or a combination of these two species is carried out in a donor substrate 4 made of monocrystalline diamond whose characteristics and properties correspond to those expected for the active layer 40.
  • These implanted species will define a buried fragile plane 1, according to the main plane (x,y), in the donor substrate 4 ( ').
  • An implantation energy of between 10 keV and 250 keV, and an implantation dose of between 1.10 16 /cm 2 and 1.10 18 /cm 2 may be used to form a buried fragile plane 1 at a depth of between 10 nm and 1500 nm, more particularly between a few tens of nm and 1000 nm.
  • a protective layer may be deposited on the donor substrate 4 before the ion implantation.
  • cleaning sequences may be applied before and/or after the implantation sub-step, so as to eliminate potential particulate, hydrocarbon or metallic contamination.
  • the protective layer may be retained or removed prior to the following sub-step.
  • the implanted donor substrate 4 is then assembled, by molecular adhesion, on the support substrate 50 via a direct bonding interface 71 ( '').
  • a dielectric film 51 may be raw or deposited on the support substrate 50 prior to assembly ( '''). The role of this film 51 may be to facilitate bonding or to improve the adhesion forces of the interface 72; it may also have an electrical (vertical insulation) or thermal (improvement of thermal conductivity) function in the targeted device 200.
  • this dielectric film 51 will not be illustrated for reasons of simplification of the figures.
  • the faces to be assembled of the donor substrates 4 and support 50 advantageously undergo cleaning (for example, RCA) and/or surface activations (in particular by N2 or O2 plasma) so as to improve the quality and mechanical strength of the bonding interface 71.
  • Direct bonding by molecular adhesion does not require an adhesive material, because bonds are established at the atomic scale between the assembled surfaces.
  • the sub-step of separation along the buried fragile plane 1 is usually carried out by applying a heat treatment, at a temperature between 400°C and 1200°C.
  • a heat treatment induces the development of cavities and microcracks in the buried fragile plane 1, and their pressurization by the light species present in gaseous form, until the propagation of a fracture along said fragile plane 1.
  • a mechanical stress can be applied to the bonded assembly and in particular at the level of the buried fragile plane 1, so as to propagate or help to mechanically propagate the fracture leading to the separation.
  • a useful layer 40' is obtained, originating from the donor substrate 4 and intended to form the active layer 40, transferred onto the support substrate 50 ( ).
  • the free face of the useful layer 40' is usually rough after separation. Heat treatments or surface treatments can be applied to it to improve the crystalline quality of the layer and its surface roughness, and thus obtain the active layer 40.
  • the useful layer 40' has a thickness of less than 2 ⁇ m after separation. If the active layer 40 is expected to have a greater thickness, an epitaxial growth sub-step (for example by MW-PECVD) can be carried out to increase this thickness.
  • a step c) corresponding to the formation of the first conductive layer 10 on the active layer 40 is carried out ( , ).
  • the first conductive layer 10 has a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 and a thickness of between 5 nm and 50 ⁇ m, preferably between 50 nm and 1 ⁇ m.
  • This step can be carried out by any known technique allowing epitaxial growth, preferably by a MW-PECVD deposition technique. Parameters in the same ranges of values as previously mentioned can be used.
  • An epitaxial interface 61 is then defined between the first conductive layer 10 and the active layer 40.
  • the active layer 40 having very good crystalline quality, the same is true for the first conductive layer 10.
  • the next step d) corresponds to the formation of the intermediate layer 30 on the first conductive layer 10 ( , ).
  • the intermediate layer 30 has a nitrogen or phosphorus concentration of between 10 14 /cm 3 and 10 21 /cm 3 .
  • the thickness of the intermediate layer 30 may be between 10 nm and 2 mm, preferably between 500 nm and 50 ⁇ m.
  • step d) can be carried out by any technique allowing epitaxial growth, advantageously by a MW-PECVD deposition technique.
  • An epitaxial interface 61' is then created between the intermediate layer 30 and the first conductive layer 10.
  • the next step e) corresponds to the formation of the second conductive layer 20 on the intermediate layer 30 ( , ).
  • the second conductive layer 20 has a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 and a thickness of between 5 nm and 50 ⁇ m, preferably between 50 nm and 1 ⁇ m (as mentioned previously).
  • step e) can be carried out by any technique allowing epitaxial growth, preferably by a MW-PECVD deposition technique.
  • a 61" epitaxial interface is then defined between the second conductive layer 20 and the intermediate layer 30.
  • the sequence of steps c), d), e) is repeated N times to form N stacked capacitors.
  • N stacked capacitors By connecting them in parallel in the final device 200, it is then possible to increase the value of the capacitance, depending on the needs of the application.
  • this sequence of steps c), d), e) is carried out in the deposition chamber of MW-PECVD equipment, without exit to the ambient atmosphere, so as to avoid any contamination. If one or more exits to the ambient atmosphere had to be made, cleaning would be required before returning to the deposition chamber so as to rid the surface of particulate, metallic or hydrocarbon contamination.
  • the manufacturing method comprises a step f) of structuring the conductive layers 10, 20 and the intermediate layer 30 in the main plane (x, y). It is based on successive local etchings of the three layers 20, 30, 10, making it possible to form the capacitor 150, adjacent to the transistor 100, and to define the source electrode 12, the drain electrode 13 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 in the first conductive layer 10 ( , ).
  • the source 12 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are electrically connected by continuity of the first conductive layer 10, with the aim of connecting the capacitor 150 in parallel with the transistor 100.
  • Other electrical connection modes could of course be implemented to connect the source 12 and the first contact 11, the continuity of the first conductive layer 10 remaining the simplest and most effective option.
  • a mask for example made of silicon nitride, is deposited and structured on the surface of the second conductive layer 20 by photolithography and etching, so as to mask only the areas in which the second conductive layer 20 must be preserved.
  • the etching of the second conductive layer 20 can be carried out by dry etching, for example by oxygen plasma.
  • the etching of the intermediate layer 30 can be carried out while keeping the same mask, because the design of the capacitor 150 provides that the second conductive layer 20 covers the entirety of the intermediate layer 30.
  • the etching of the intermediate layer 30 can be carried out by dry etching (plasma).
  • a second mask must then be deposited and structured, to define the areas to be etched of the first conductive layer 10.
  • the first mask can be removed prior to the formation of the second mask, or at the end of step f) at the same time as the second mask.
  • the same etching solutions as for the second conductive layer 20 can be used to structure the first conductive layer 10.
  • the device 200 After removing the masks, the device 200 comprises the capacitor 150 in the vicinity of the transistor 100, as well as the source 12 and drain 13 electrodes of said transistor 100 ( , ).
  • Step f) may optionally comprise the formation of insulation between the region of the active layer 40 under the transistor 100, and the region of the active layer 40 under the capacitor 150.
  • trenches extending over all or part of the thickness of the active layer 40, filled with an insulating material (such as silicon oxide or nitride), may be defined around the transistor 100 and the capacitor 150.
  • Step f) also comprises the formation of a gate electrode G, between the source 12 and drain 13 electrodes, above the conduction channel 41 ( ', ').
  • This gate electrode G comprises an insulating layer, for example made of aluminum oxide, in contact with the active layer 40 and a metal layer, for example made of aluminum, in contact with said insulating layer.
  • Conventional steps of deposition, photolithography and etching can be implemented for the production of the gate electrode G.
  • the transistor 100 and the capacitor 150 are advantageously connected in parallel.
  • the source 12 and the first contact 11 are directly connected via the first conductive layer 10, if the latter remains continuous. If the first conductive layer 10 were to be interrupted, the source 12 and the first contact 11 can be connected as described below with reference to the drain 13 and the second contact 21.
  • the drain 13 and the second contact 21 of the capacitor 150 can be connected by a metal wire (“wire bonding” according to English terminology).
  • the proximity of the two cointegrated components reduces the length of the metal connection wire and therefore limits the problems of parasitic inductances.
  • a metal interconnection level (involving an additional lithography level, a passivation layer and a metallization line connecting the drain 13 and the second contact 21) can be produced.

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

The invention relates to a monolithic device (200), including a field-effect transistor (100) and a capacitor (150), comprising: - a carrier substrate (50); - an active layer (40) made of single-crystal diamond containing p-type dopants, in which active layer the conduction channel (41) of the transistor (100) is formed, and which active layer is arranged on the carrier substrate (50); - a stack comprising a first conductive layer (10) and a second conductive layer (20) made of single-crystal diamond containing p-type dopants, and an intermediate layer (30) made of electrically insulating single-crystal diamond, the intermediate layer being between the first and second conductive layers, which form first and second contacts (11, 21) of the capacitor (150), respectively. The first conductive layer (10) has an epitaxial interface (61) with the active layer (40); it is structured and forms a source electrode (12) and a drain electrode (13) of the transistor (100).

Description

Dispositif monolithique incluant un transistor et un condensateur cointégrés sur un substrat à base de diamant, et procédé de fabrication d’un tel dispositifMonolithic device including a transistor and a capacitor cointegrated on a diamond-based substrate, and method of manufacturing such a device DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION

La présente invention vise le domaine de la microélectronique et des semi-conducteurs. En particulier, l’invention concerne un dispositif comprenant un transistor et au moins un condensateur, intégrés monolithiquement sur un substrat à base de diamant, ledit dispositif étant adapté pour des applications de puissance.The present invention relates to the field of microelectronics and semiconductors. In particular, the invention relates to a device comprising a transistor and at least one capacitor, monolithically integrated on a diamond-based substrate, said device being suitable for power applications.

ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION

Le diamant monocristallin est un semiconducteur à très large bande interdite. Il possède des propriétés et caractéristiques permettant théoriquement de réaliser des composants de puissance, tels que diodes, transistors et capacités, avec des performances non atteintes jusqu’à présent avec les autres semiconducteurs. Un transistor élaboré sur diamant permet de réduire drastiquement les pertes par commutation, ce qui autorise un convertisseur de puissance à fonctionner à très hautes fréquences (typiquement au-delà du MHz). A ces fréquences, les fronts de commutation en tension sont très raides et chaque commutation aux bornes du transistor génère une surtension de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de volts ; cela nécessite un surdimensionnement en tension du transistor par rapport à la spécification initiale du convertisseur. Monocrystalline diamond is a very wide bandgap semiconductor. It has properties and characteristics that theoretically allow the production of power components, such as diodes, transistors and capacitors, with performances not previously achieved with other semiconductors. A transistor made on diamond makes it possible to drastically reduce switching losses, which allows a power converter to operate at very high frequencies (typically beyond 1 MHz). At these frequencies, the voltage switching edges are very steep and each switching at the terminals of the transistor generates an overvoltage of several hundred or even several thousand volts; this requires an oversizing of the transistor voltage compared to the initial specification of the converter.

OBJET DE L’INVENTIONSUBJECT OF THE INVENTION

La présente invention permet de limiter cette surtension aux bornes du transistor lors de la commutation par l’adjonction d’une ou de plusieurs capacités haute tension. L’invention concerne un dispositif monolithique incluant au moins un transistor et au moins un condensateur, cointégrés sur diamant. L’invention concerne également un procédé d’intégration monolithique d’un transistor et d’au moins un condensateur sur un substrat à base de diamant.The present invention makes it possible to limit this overvoltage at the terminals of the transistor during switching by adding one or more high-voltage capacitors. The invention relates to a monolithic device including at least one transistor and at least one capacitor, co-integrated on diamond. The invention also relates to a method for monolithic integration of a transistor and at least one capacitor on a diamond-based substrate.

BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTIONBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

La présente invention concerne un dispositif monolithique incluant un transistor à effet de champ et au moins un condensateur, comprenant :The present invention relates to a monolithic device including a field effect transistor and at least one capacitor, comprising:

- un substrat support,- a support substrate,

- une couche active en diamant monocristallin comportant des dopants de type p, dans laquelle est formé le canal de conduction du transistor, la couche active s’étendant parallèlement à un plan principal et étant disposée sur le substrat support,- an active layer of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, in which the conduction channel of the transistor is formed, the active layer extending parallel to a main plane and being arranged on the support substrate,

- un empilement comprenant une première couche conductrice et une deuxième couche conductrice en diamant monocristallin comportant des dopants de type p, et une couche intermédiaire en diamant monocristallin, électriquement isolante, intercalée entre la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice, la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice formant respectivement un premier et un deuxième contact du condensateur.- a stack comprising a first conductive layer and a second conductive layer of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, and an intermediate layer of monocrystalline diamond, electrically insulating, interposed between the first conductive layer and the second conductive layer, the first conductive layer and the second conductive layer respectively forming a first and a second contact of the capacitor.

En outre, la première couche conductrice comporte une interface épitaxiale avec la couche active ; et la première couche conductrice est structurée dans un plan parallèle au plan principal et forme une électrode de source et une électrode de drain du transistor.
Further, the first conductive layer has an epitaxial interface with the active layer; and the first conductive layer is structured in a plane parallel to the principal plane and forms a source electrode and a drain electrode of the transistor.

Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :

  • la couche active présente une concentration en bore comprise entre 1015/cm3 et 1019/cm3,
  • la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice présentent une concentration en bore supérieure à 1019/cm3,
  • la couche intermédiaire présente une concentration en azote ou en phosphore comprise entre 1014/cm3 et 1021/cm3,
  • la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice présentent une épaisseur, selon un axe normal au plan principal, comprise entre 5 nm et 50 μm, préférentiellement entre 50 nm et 1 μm,
  • la couche intermédiaire présente une épaisseur, selon un axe normal au plan principal, comprise entre 10 nm et 2 mm, préférentiellement entre 500 nm et 50 μm,
  • la couche active présentent une épaisseur, selon un axe normal au plan principal, comprise entre 100 nm et 20 μm, préférentiellement entre 100 nm et 5 μm,
  • le substrat support présente une résistivité supérieure à 10 kohm.cm,
  • le condensateur est connecté en parallèle avec le transistor,
  • le substrat support est en diamant monocristallin ou comporte un film superficiel en diamant monocristallin, et une interface épitaxiale est définie entre ledit substrat support et la couche active,
  • une interface de collage est définie entre le substrat support et la couche active,
  • le substrat support comprend du diamant monocristallin ou polycristallin, et/ou du carbure de silicium monocristallin ou polycristallin, et/ou un film diélectrique adjacent à l’interface de collage.
According to advantageous characteristics of the invention, taken alone or in any feasible combination:
  • the active layer has a boron concentration between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 ,
  • the first conductive layer and the second conductive layer have a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 ,
  • the intermediate layer has a nitrogen or phosphorus concentration of between 10 14 /cm 3 and 10 21 /cm 3 ,
  • the first conductive layer and the second conductive layer have a thickness, along an axis normal to the main plane, of between 5 nm and 50 μm, preferably between 50 nm and 1 μm,
  • the intermediate layer has a thickness, along an axis normal to the main plane, of between 10 nm and 2 mm, preferably between 500 nm and 50 μm,
  • the active layer has a thickness, along an axis normal to the main plane, of between 100 nm and 20 μm, preferably between 100 nm and 5 μm,
  • the support substrate has a resistivity greater than 10 kohm.cm,
  • the capacitor is connected in parallel with the transistor,
  • the support substrate is made of monocrystalline diamond or comprises a surface film of monocrystalline diamond, and an epitaxial interface is defined between said support substrate and the active layer,
  • a bonding interface is defined between the support substrate and the active layer,
  • the support substrate comprises monocrystalline or polycrystalline diamond, and/or monocrystalline or polycrystalline silicon carbide, and/or a dielectric film adjacent to the bonding interface.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif monolithique tel que ci-dessus, comprenant les étapes suivantes :The invention also relates to a method of manufacturing a monolithic device as above, comprising the following steps:

a) la fourniture du substrat support,(a) the provision of the support substrate,

b) la formation de la couche active sur le substrat support,b) the formation of the active layer on the support substrate,

c) la formation de la première couche conductrice sur la couche active par croissance épitaxiale,c) the formation of the first conductive layer on the active layer by epitaxial growth,

d) la formation de la couche intermédiaire sur de la première couche conductrice,d) the formation of the intermediate layer on the first conductive layer,

e) la formation de la deuxième couche conductrice sur la couche intermédiaire,e) the formation of the second conductive layer on the intermediate layer,

f) la structuration de la deuxième couche conductrice, de la couche intermédiaire et de la première couche conductrice dans le plan principal, pour former le condensateur, adjacent au transistor, et définir l’électrode de source du transistor, l’électrode de drain du transistor et le premier contact du condensateur dans la première couche conductrice.f) structuring the second conductive layer, the intermediate layer and the first conductive layer in the principal plane, to form the capacitor, adjacent to the transistor, and defining the source electrode of the transistor, the drain electrode of the transistor and the first contact of the capacitor in the first conductive layer.

Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :

  • la source et le premier contact, ou le drain et le premier contact sont électriquement connectés par continuité de la première couche conductrice,
  • la séquence d’étapes c), d), e) est répétée N fois pour former N condensateurs empilés,
  • le substrat support est en diamant monocristallin ou comporte un film superficiel en diamant monocristallin, et l’étape b) est opérée par croissance épitaxiale, en particulier en implémentant une technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde,
  • l’étape b) est opérée par transfert de la couche active sur le substrat support,
  • l’étape b) comprend les sous-étapes suivantes :
    - l’implantation d’espèces légères de type hydrogène, hélium ou une combinaison de ces deux espèces dans un substrat donneur, pour définir un plan fragile enterré,
    - l’assemblage du substrat donneur sur le substrat support via une interface de collage,
    - la séparation le long du plan fragile enterré menant au transfert d’une couche utile, issue du substrat donneur et destinée à former la couche active, sur le substrat support.
According to advantageous characteristics of the invention, taken alone or in any feasible combination:
  • the source and the first contact, or the drain and the first contact are electrically connected by continuity of the first conductive layer,
  • the sequence of steps c), d), e) is repeated N times to form N stacked capacitors,
  • the support substrate is made of monocrystalline diamond or comprises a surface film of monocrystalline diamond, and step b) is carried out by epitaxial growth, in particular by implementing a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition technique,
  • step b) is carried out by transferring the active layer onto the support substrate,
  • step b) includes the following sub-steps:
    - the implantation of light species of the hydrogen, helium type or a combination of these two species in a donor substrate, to define a buried fragile plane,
    - assembly of the donor substrate on the support substrate via a bonding interface,
    - separation along the buried fragile plane leading to the transfer of a useful layer, originating from the donor substrate and intended to form the active layer, onto the support substrate.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description which follows with reference to the appended figures in which:

Les figures 1a, 1b et 1c présentent des modes de réalisation d’un dispositif monolithique conforme à l’invention, Figures 1a, 1b and 1c show embodiments of a monolithic device according to the invention,

Les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f et 2f’ présentent un premier mode de mise en œuvre du procédé de fabrication, conformément à la présente invention ; Figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f and 2f' show a first embodiment of the manufacturing method, in accordance with the present invention;

Les figures 3a, 3b, 3b’, 3b’’, 3b’’’, 3c, 3d, 3e, 3f et 3f’ présentent un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de fabrication, conformément à l’invention. Figures 3a, 3b, 3b', 3b'', 3b''', 3c, 3d, 3e, 3f and 3f' show a second mode of implementation of the manufacturing method, in accordance with the invention.

Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y.The figures are schematic representations which, for the sake of readability, are not to scale. In particular, the layer thicknesses along the z axis are not to scale with the lateral dimensions along the x and y axes.

Les mêmes références sur les figures ou dans la description pourront être utilisées pour des éléments de même nature.The same references in the figures or in the description may be used for elements of the same nature.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

L’invention concerne un dispositif monolithique 200 incluant au moins un transistor à effet de champ 100 (JFET, MESFET, MOSFET, ...) et au moins un condensateur 150, lesdits composants étant cointégrés monolithiquement sur un substrat à base de diamant ( , , ).The invention relates to a monolithic device 200 including at least one field effect transistor 100 (JFET, MESFET, MOSFET, ...) and at least one capacitor 150, said components being monolithically cointegrated on a diamond-based substrate ( , , ).

Le dispositif 200 comprend une couche active 40 en diamant monocristallin comportant des dopants de type p, couche active dans laquelle est formé le canal de conduction 41 du transistor 100. La couche active 40, de même que les autres couches et empilement décrits plus loin, s’étend parallèlement à un plan principal (x,y) et présente une épaisseur selon un axe z normal audit plan. The device 200 comprises an active layer 40 made of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, an active layer in which the conduction channel 41 of the transistor 100 is formed. The active layer 40, like the other layers and stack described later, extends parallel to a main plane (x,y) and has a thickness along a z axis normal to said plane.

Préférentiellement, la couche active 40 présente une concentration en bore comprise entre 1015/cm3 et 1019/cm3 ; son épaisseur est typiquement comprise entre 100 nm et 20 μm, de préférence entre 100 nm et 5 μm.Preferably, the active layer 40 has a boron concentration of between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 ; its thickness is typically between 100 nm and 20 μm, preferably between 100 nm and 5 μm.

Le dispositif 200 inclut également un empilement en diamant monocristallin comprenant une première couche conductrice 10, une deuxième couche conductrice 20 et une couche intermédiaire 30 électriquement isolante, intercalée entre la première couche conductrice 10 et la deuxième couche conductrice 20. The device 200 also includes a monocrystalline diamond stack comprising a first conductive layer 10, a second conductive layer 20 and an electrically insulating intermediate layer 30, interposed between the first conductive layer 10 and the second conductive layer 20.

La première couche conductrice 10 et la deuxième couche conductrice 20 comportent des dopants de type p et présentent une résistivité typiquement comprise entre 1 mohm.cm et 10 kohm.cm, avantageusement inférieure ou égale à 1 ohm.cm, inférieure ou égale à 100 mohm.cm, voire inférieure ou égale à 10 mohm.cm. De manière préférée, la première couche conductrice 10 et la deuxième couche conductrice 20 présentent donc une concentration en bore typiquement supérieure à 1019/cm3. Elles forment respectivement un premier 11 et un deuxième 21 contact du condensateur 150.The first conductive layer 10 and the second conductive layer 20 comprise p-type dopants and have a resistivity typically between 1 mohm.cm and 10 kohm.cm, advantageously less than or equal to 1 ohm.cm, less than or equal to 100 mohm.cm, or even less than or equal to 10 mohm.cm. Preferably, the first conductive layer 10 and the second conductive layer 20 therefore have a boron concentration typically greater than 10 19 /cm 3 . They respectively form a first 11 and a second 21 contact of the capacitor 150.

La couche intermédiaire 30 comprend avantageusement des dopants profonds de type n produisant des niveaux d’énergie situés à plus de 0,4 eV de la bande de conduction du diamant. La couche intermédiaire 30 peut présenter une concentration en azote ou en phosphore comprise entre 1014/cm3 et 1021/cm3. Ces espèces constituent des donneurs profonds pour le diamant et vont conférer à la couche intermédiaire 30 une résistivité supérieure à 10 kohm.cm.The intermediate layer 30 advantageously comprises deep n-type dopants producing energy levels located more than 0.4 eV from the conduction band of the diamond. The intermediate layer 30 may have a nitrogen or phosphorus concentration of between 10 14 /cm 3 and 10 21 /cm 3 . These species constitute deep donors for the diamond and will give the intermediate layer 30 a resistivity greater than 10 kohm.cm.

Les première 10 et deuxième 20 couches conductrices présentent typiquement une épaisseur comprise entre 5 nm et 50 μm, préférentiellement entre 50 nm et 1 μm. L’épaisseur de la couche intermédiaire 30 peut être comprise entre 10 nm et 2 mm, préférentiellement entre 500 nm et 50 μm.The first 10 and second 20 conductive layers typically have a thickness of between 5 nm and 50 μm, preferably between 50 nm and 1 μm. The thickness of the intermediate layer 30 may be between 10 nm and 2 mm, preferably between 500 nm and 50 μm.

Dans le dispositif monolithique 200, la première couche conductrice 10 comporte une interface épitaxiale 61 avec la couche active 40. La première couche conductrice 10 est structurée dans un plan parallèle au plan principal (x,y), de manière à former d’une part une électrode de source 12 du transistor 100 et d’autre part une électrode de drain 13.In the monolithic device 200, the first conductive layer 10 comprises an epitaxial interface 61 with the active layer 40. The first conductive layer 10 is structured in a plane parallel to the main plane (x,y), so as to form on the one hand a source electrode 12 of the transistor 100 and on the other hand a drain electrode 13.

Ainsi, dans un même plan parallèle au plan principal (x,y), l’électrode de source 12, l’électrode de drain 13 du transistor 100 et le premier contact 11 du condensateur 150 sont définis dans la première couche conductrice 10.Thus, in the same plane parallel to the main plane (x,y), the source electrode 12, the drain electrode 13 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are defined in the first conductive layer 10.

Le condensateur 150 est préférentiellement connecté en parallèle avec le transistor 100. Le circuit RC (condensateur 150), monté en parallèle avec l’interrupteur (transistor 100) protège les bornes de ce dernier des surtensions de commutation.The capacitor 150 is preferably connected in parallel with the transistor 100. The RC circuit (capacitor 150), mounted in parallel with the switch (transistor 100) protects the terminals of the latter from switching overvoltages.

Comme illustré sur les figures 1a à 1c, la source 12 du transistor 100 et le premier contact 11 du condensateur 150 sont électriquement connectés. Cette connexion, rendue possible par la réalisation d’une seule et même couche continue (la première couche conductrice 10), est particulièrement avantageuse car elle évite l’ajout de connectique défavorable en termes d’inductances parasites. Le drain 13 du transistor 100 est connecté au deuxième contact 21 du condensateur 150 (non illustré sur les figures), soit par connexion filaire, soit par interconnexion métallique (impliquant un niveau de lithographie supplémentaire, une couche de passivation et une métallisation).As illustrated in Figures 1a to 1c, the source 12 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are electrically connected. This connection, made possible by the production of a single continuous layer (the first conductive layer 10), is particularly advantageous because it avoids the addition of unfavorable connections in terms of parasitic inductances. The drain 13 of the transistor 100 is connected to the second contact 21 of the capacitor 150 (not illustrated in the figures), either by wire connection or by metal interconnection (involving an additional lithography level, a passivation layer and metallization).

Alternativement, le drain 13 pourrait être connecté au premier contact 11 et la source 12 au deuxième contact 21.Alternatively, drain 13 could be connected to first contact 11 and source 12 to second contact 21.

Comme illustré sur les figures 1a, 1b, 1c, le dispositif monolithique 200 comprend un substrat support 50. Préférentiellement, le substrat support 50 présente une résistivité supérieure à 10 kohm.cm. L’utilisation d’un substrat support 50 capable de procurer une bonne isolation est avantageuse dans le cas présent d’architecture latérale du transistor 100, pour éviter les fuites de courant, via le substrat support 50, et pour autoriser la fermeture efficace du canal de conduction 41 par application de la tension de grille. Cela permet aussi d’augmenter la tension de blocage du transistor à longueur grille-drain du transistor 100 donnée et à épaisseur de couche active 40 donnée.As illustrated in Figures 1a, 1b, 1c, the monolithic device 200 comprises a support substrate 50. Preferably, the support substrate 50 has a resistivity greater than 10 kohm.cm. The use of a support substrate 50 capable of providing good insulation is advantageous in the present case of lateral architecture of the transistor 100, to avoid current leaks, via the support substrate 50, and to allow the efficient closing of the conduction channel 41 by application of the gate voltage. This also makes it possible to increase the blocking voltage of the transistor at a given gate-drain length of the transistor 100 and at a given active layer thickness 40.

Le substrat support 50 peut comprendre un ou plusieurs matériaux choisis parmi le diamant monocristallin ou polycristallin, le carbure de silicium monocristallin ou polycristallin, ou encore un matériau diélectrique.The support substrate 50 may comprise one or more materials chosen from monocrystalline or polycrystalline diamond, monocrystalline or polycrystalline silicon carbide, or a dielectric material.

La couche active 40 est disposée sur le substrat support 50. La première couche conductrice 10 est disposée sur la couche active 40 et l’interface épitaxiale 61 est définie entre la première couche conductrice 10 et la couche active 40. Ladite première couche conductrice 10 est structurée dans un plan parallèle au plan principal (x,y) pour former l’électrode de source 12 du transistor 100, l’électrode de drain 13 du transistor 100 et le premier contact 11 du condensateur 150. La couche intermédiaire 30 est disposée sur le premier contact 11 du condensateur 150. Enfin, la deuxième couche conductrice 20 est disposée sur la couche intermédiaire 30.The active layer 40 is arranged on the support substrate 50. The first conductive layer 10 is arranged on the active layer 40 and the epitaxial interface 61 is defined between the first conductive layer 10 and the active layer 40. Said first conductive layer 10 is structured in a plane parallel to the main plane (x,y) to form the source electrode 12 of the transistor 100, the drain electrode 13 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150. The intermediate layer 30 is arranged on the first contact 11 of the capacitor 150. Finally, the second conductive layer 20 is arranged on the intermediate layer 30.

L’électrode de grille G du transistor 100 est formée sur la couche active 40, entre les électrodes de source 12 et de drain 13.The gate electrode G of the transistor 100 is formed on the active layer 40, between the source 12 and drain 13 electrodes.

Cette configuration du dispositif 200 simplifie grandement son procédé de fabrication et autorise une cointégration monolithique efficace d’un (ou plusieurs) transistor(s) et d’un (ou plusieurs) condensateur(s). La synergie d’élaboration du(des) transistor(s) et du(des) condensateur(s), avec un faible nombre de couches empilées du fait de la multifonctionnalité desdites couches, est également un atout pour l’obtention de couches de haute qualité. This configuration of the device 200 greatly simplifies its manufacturing process and allows efficient monolithic cointegration of one (or more) transistor(s) and one (or more) capacitor(s). The synergy of developing the transistor(s) and the capacitor(s), with a low number of stacked layers due to the multifunctionality of said layers, is also an advantage for obtaining high-quality layers.

Cette intégration monolithique est également avantageuse en ce que les deux composants 100,150 bénéficient d’un excellent transfert thermique lié aux propriétés de conductivité thermique du diamant. De plus, la proximité géographique des composants 100,150 permet de réduire considérablement les inductances parasites.This monolithic integration is also advantageous in that the two components 100,150 benefit from excellent heat transfer due to the thermal conductivity properties of diamond. In addition, the geographical proximity of the components 100,150 makes it possible to considerably reduce parasitic inductances.

Selon un premier mode de réalisation ( ), une interface épitaxiale 63 est définie entre le substrat support 50 et la couche active 40. Dans ce cas, le substrat support 50 est formé en diamant monocristallin ou comporte un film superficiel (du côté de sa face destinée à recevoir la couche active 40) en diamant monocristallin, pour autoriser une croissance par épitaxie de la couche active 40, lors de l’élaboration du dispositif monolithique 200.According to a first embodiment ( ), an epitaxial interface 63 is defined between the support substrate 50 and the active layer 40. In this case, the support substrate 50 is formed from monocrystalline diamond or comprises a surface film (on the side of its face intended to receive the active layer 40) from monocrystalline diamond, to allow epitaxial growth of the active layer 40, during the development of the monolithic device 200.

Selon un deuxième mode de réalisation ( , ), une interface de collage 71 est définie entre le substrat support 50 et la couche active 40. Dans ce cas, le substrat support 50 peut être formé en une très grande variété de matériaux. Avantageusement, il comporte un film diélectrique 51, adjacent à l’interface de collage 71, qui permet de garantir ou d’améliorer l’isolation verticale entre la couche active 40 et le substrat support 50.According to a second embodiment ( , ), a bonding interface 71 is defined between the support substrate 50 and the active layer 40. In this case, the support substrate 50 can be formed from a very wide variety of materials. Advantageously, it comprises a dielectric film 51, adjacent to the bonding interface 71, which makes it possible to guarantee or improve the vertical insulation between the active layer 40 and the support substrate 50.

Le procédé de fabrication du dispositif monolithique 200 va maintenant être décrit. Il comprend une étape a) consistant en la fourniture du substrat support 50 ( , ). Comme évoqué précédemment, le substrat support 50 peut comprendre un ou plusieurs matériaux choisis parmi le diamant monocristallin ou polycristallin, le carbure de silicium monocristallin ou polycristallin, ou encore un matériau diélectrique. La nature du substrat support 50 peut néanmoins être contrainte selon les différents modes de mise en œuvre de l’étape b) ultérieure du procédé.The method for manufacturing the monolithic device 200 will now be described. It comprises a step a) consisting of providing the support substrate 50 ( , ). As mentioned previously, the support substrate 50 may comprise one or more materials chosen from monocrystalline or polycrystalline diamond, monocrystalline or polycrystalline silicon carbide, or a dielectric material. The nature of the support substrate 50 may nevertheless be constrained according to the different modes of implementation of the subsequent step b) of the method.

Le substrat support 50 peut se présenter sous la forme d’une plaquette circulaire, comme cela est habituellement le cas dans le domaine de la microélectronique, avec un diamètre de 25mm, 50mm, 100mm, 150mm ou 200mm. Son épaisseur est typiquement comprise entre 50 μm et 900 μm, préférentiellement entre 200 μm et 700 μm. Bien sûr, le substrat support 50 n’est pas limité à la forme et aux dimensions précitées, et peut également se présenter sous forme carré ou rectangulaire avec des dimensions plus faibles ou supérieures.The support substrate 50 may be in the form of a circular wafer, as is usually the case in the field of microelectronics, with a diameter of 25 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm or 200 mm. Its thickness is typically between 50 μm and 900 μm, preferably between 200 μm and 700 μm. Of course, the support substrate 50 is not limited to the aforementioned shape and dimensions, and may also be in a square or rectangular form with smaller or larger dimensions.

Il est fabriqué par une technique connue telle que par exemple un dépôt HPHT (« High Pressure High Temperature » pour haute pression haute température) ou CVD (« Chemical Vapor Deposition » pour dépôt chimique en phase vapeur).It is manufactured using a known technique such as HPHT (“High Pressure High Temperature”) or CVD (“Chemical Vapor Deposition”).

De manière avantageuse, le substrat support 50 présente une résistivité supérieure à 10 kohm.cm.Advantageously, the support substrate 50 has a resistivity greater than 10 kohm.cm.

Le procédé comprend ensuite une étape b) correspondant à la formation de la couche active 40 sur le substrat support 50, par croissance épitaxiale, selon un premier mode de mise en œuvre ( ), ou par transfert de couche mince, selon un deuxième mode de mise en œuvre ( , ’, ’’, ’’’).The method then comprises a step b) corresponding to the formation of the active layer 40 on the support substrate 50, by epitaxial growth, according to a first mode of implementation ( ), or by thin layer transfer, according to a second implementation method ( , ', '', ''').

La couche active 40 en diamant monocristallin, destinée à former le canal de conduction 41 du transistor 100, est préférentiellement attendue avec une concentration en bore (dopants de type p) comprise entre 1015/cm3 et 1019/cm3, et avec une épaisseur typiquement comprise entre 100 nm et 20 μm, de préférence entre 100 nm et 5 μm.The active layer 40 of monocrystalline diamond, intended to form the conduction channel 41 of the transistor 100, is preferably expected with a boron concentration (p-type dopants) of between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 , and with a thickness typically of between 100 nm and 20 μm, preferably between 100 nm and 5 μm.

Dans le premier mode de mise en œuvre, un substrat support 50 en diamant monocristallin est requis pour permettre une croissance par épitaxie de la couche active 40, elle-même visée en diamant monocristallin. Le substrat support 50 peut alors être intégralement monocristallin, ou consister en une structure composite 50’ incluant un substrat de base 501 et un film superficiel 502 en diamant monocristallin qui servira de germe pour la croissance épitaxiale ( ). La structure composite 50’ offre plus de flexibilité quant à la nature du substrat de base 501, qui peut être polycristallin ou monocristallin de moindre qualité ou encore constitué d’un matériau différent de celui du film superficiel 502. Ce type de structure composite 50’ peut en particulier être réalisé par un procédé de transfert de couches minces tel que le procédé Smart CutTM, qui implique une implantation d’ions légers dans un substrat donneur, un assemblage direct entre ledit substrat donneur et le substrat de base, et enfin, une séparation le long du plan fragile enterré formé par l’implantation ; cela mène au transfert d’un film superficiel 502 issu du substrat donneur, sur le substrat de base 501.In the first embodiment, a support substrate 50 made of monocrystalline diamond is required to allow epitaxial growth of the active layer 40, itself intended to be made of monocrystalline diamond. The support substrate 50 can then be entirely monocrystalline, or consist of a composite structure 50' including a base substrate 501 and a surface film 502 made of monocrystalline diamond which will serve as a seed for the epitaxial growth ( ). The composite structure 50' offers more flexibility as to the nature of the base substrate 501, which may be polycrystalline or monocrystalline of lower quality or even made of a material different from that of the surface film 502. This type of composite structure 50' may in particular be produced by a thin film transfer method such as the Smart Cut TM method, which involves implantation of light ions in a donor substrate, direct assembly between said donor substrate and the base substrate, and finally, separation along the buried fragile plane formed by the implantation; this leads to the transfer of a surface film 502 from the donor substrate, onto the base substrate 501.

Dans la suite de cette description, seul le cas d’un substrat support 50 massif sera décrit et illustré, par simplification ; cela n’exclut évidemment pas l’option évoquée d’une structure composite 50’.In the remainder of this description, only the case of a solid support substrate 50 will be described and illustrated, for simplification; this obviously does not exclude the option mentioned of a composite structure 50'.

La croissance par épitaxie selon le premier mode de mise en œuvre de l’étape b) peut être réalisée par toute technique connue, préférentiellement par une technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MW-PECVD). Les paramètres tels que la pression dans la chambre de dépôt, la température, les gaz et la puissance micro-onde pourront être définis dans les gammes suivantes :Epitaxial growth according to the first method of implementation of step b) can be carried out by any known technique, preferably by a microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition (MW-PECVD) technique. Parameters such as pressure in the deposition chamber, temperature, gases and microwave power can be defined in the following ranges:

- Pression : entre 100 Pascal et 100 kiloPascal ;- Pressure: between 100 Pascal and 100 kiloPascal;

- Température : entre 500 et 1200°C ;- Temperature: between 500 and 1200°C;

- Puissance : entre 50 Watts et 10 kWatts ;- Power: between 50 Watts and 10 kWatts;

- Gaz : méthane, hydrogène, tri-méthyl borane, diborane, dioxygène, diazote, argon, phosphine et tri-méthyl phosphine.- Gases: methane, hydrogen, tri-methyl borane, diborane, dioxygen, dinitrogen, argon, phosphine and tri-methyl phosphine.

Une interface épitaxiale 63 est créée entre la couche active 40 et le substrat support 50 ( ). La face avant du substrat support 50, qui sert de germe à la croissance de la couche active 40, est choisie de manière à procurer une excellente qualité cristalline à ladite couche active 40.An epitaxial interface 63 is created between the active layer 40 and the support substrate 50 ( ). The front face of the support substrate 50, which serves as a seed for the growth of the active layer 40, is chosen so as to provide excellent crystalline quality to said active layer 40.

Dans le deuxième mode de mise en œuvre, le choix de la nature du substrat support 50 est plus flexible, car la couche active 40 est transférée via une interface de collage direct sur ledit substrat 50 et ne nécessite donc pas de germe de croissance. Le substrat support 50 est préférentiellement choisi de manière à minimiser la différence de dilatation thermique vis-à-vis d’un substrat en diamant monocristallin.In the second embodiment, the choice of the nature of the support substrate 50 is more flexible, because the active layer 40 is transferred via a direct bonding interface onto said substrate 50 and therefore does not require a growth seed. The support substrate 50 is preferably chosen so as to minimize the difference in thermal expansion compared to a monocrystalline diamond substrate.

Pour effectuer le transfert, les sous-étapes suivantes peuvent être mises en œuvre. En premier lieu, une implantation d’espèces légères de type hydrogène, hélium ou une combinaison de ces deux espèces est effectuée dans un substrat donneur 4 en diamant monocristallin dont les caractéristiques et propriétés correspondent à celles attendues pour la couche active 40. Ces espèces implantées vont définir un plan fragile enterré 1, selon le plan principal (x,y), dans le substrat donneur 4 ( ’). Une énergie d’implantation comprise entre 10 keV et 250 keV, et une dose d’implantation comprise entre 1.1016 /cm2 et 1.1018 /cm2 pourront être utilisées pour former un plan fragile enterré 1 à une profondeur comprise entre 10 nm et 1500 nm, plus particulièrement comprise quelques dizaines de nm et 1000 nm. Notons qu’une couche de protection peut être déposée sur le substrat donneur 4 avant l’implantation ionique. De même, des séquences de nettoyage peuvent être appliquées préalablement et/ou après la sous-étape d’implantation, de manière à éliminer les potentielles contaminations particulaires, hydrocarbures ou métalliques. La couche de protection peut être conservée ou retirée préalablement à la sous-étape suivante.To carry out the transfer, the following sub-steps can be implemented. First, an implantation of light species of the hydrogen, helium type or a combination of these two species is carried out in a donor substrate 4 made of monocrystalline diamond whose characteristics and properties correspond to those expected for the active layer 40. These implanted species will define a buried fragile plane 1, according to the main plane (x,y), in the donor substrate 4 ( '). An implantation energy of between 10 keV and 250 keV, and an implantation dose of between 1.10 16 /cm 2 and 1.10 18 /cm 2 may be used to form a buried fragile plane 1 at a depth of between 10 nm and 1500 nm, more particularly between a few tens of nm and 1000 nm. Note that a protective layer may be deposited on the donor substrate 4 before the ion implantation. Similarly, cleaning sequences may be applied before and/or after the implantation sub-step, so as to eliminate potential particulate, hydrocarbon or metallic contamination. The protective layer may be retained or removed prior to the following sub-step.

Le substrat donneur 4 implanté est ensuite assemblé, par adhésion moléculaire, sur le substrat support 50 via une interface de collage direct 71 ( ’’). Un film diélectrique 51 peut être cru ou déposé sur le substrat support 50 préalablement à l’assemblage ( ’’’). Le rôle de ce film 51 peut être de faciliter le collage ou d’améliorer les forces d’adhésion de l’interface 72 ; il peut également avoir une fonction électrique (isolation verticale) ou thermique (amélioration de la conductibilité thermique) dans le dispositif 200 visé. The implanted donor substrate 4 is then assembled, by molecular adhesion, on the support substrate 50 via a direct bonding interface 71 ( ''). A dielectric film 51 may be raw or deposited on the support substrate 50 prior to assembly ( '''). The role of this film 51 may be to facilitate bonding or to improve the adhesion forces of the interface 72; it may also have an electrical (vertical insulation) or thermal (improvement of thermal conductivity) function in the targeted device 200.

Dans la suite de la description du procédé, ce film diélectrique 51 ne sera pas illustré pour des raisons de simplification des figures.In the remainder of the description of the method, this dielectric film 51 will not be illustrated for reasons of simplification of the figures.

Les faces à assembler des substrats donneur 4 et support 50 subissent avantageusement des nettoyages (par exemple, RCA) et/ou des activations de surface (notamment par plasma N2 ou O2) de manière à améliorer la qualité et la tenue mécanique de l’interface de collage 71. Le collage direct par adhésion moléculaire ne nécessite pas une matière adhésive, car des liaisons s’établissent à l’échelle atomique entre les surfaces assemblées. Plusieurs types de collage par adhésion moléculaire existent, qui diffèrent notamment par leurs conditions de température, de pression, d’atmosphère ou de traitements, préalables à la mise en contact des surfaces. On peut citer le collage à température ambiante avec ou sans activation préalable par plasma des surfaces à assembler, le collage par diffusion atomique (« Atomic diffusion bonding » ou ADB selon la terminologie anglo-saxonne), le collage avec activation de surface (« Surface-activated bonding » ou SAB), etc.The faces to be assembled of the donor substrates 4 and support 50 advantageously undergo cleaning (for example, RCA) and/or surface activations (in particular by N2 or O2 plasma) so as to improve the quality and mechanical strength of the bonding interface 71. Direct bonding by molecular adhesion does not require an adhesive material, because bonds are established at the atomic scale between the assembled surfaces. Several types of bonding by molecular adhesion exist, which differ in particular by their temperature, pressure, atmosphere or treatment conditions, prior to bringing the surfaces into contact. We can cite bonding at room temperature with or without prior plasma activation of the surfaces to be assembled, bonding by atomic diffusion (“Atomic diffusion bonding” or ADB according to the English terminology), bonding with surface activation (“Surface-activated bonding” or SAB), etc.

Enfin, la sous-étape de séparation le long du plan fragile enterré 1 s’opère habituellement par application d’un traitement thermique, à une température comprise entre 400°C et 1200°C. Un tel traitement thermique induit le développement des cavités et microfissures dans le plan fragile enterré 1, et leur mise sous pression par les espèces légères présentes sous forme gazeuse, jusqu’à la propagation d’une fracture le long dudit plan fragile 1. Alternativement ou conjointement, une sollicitation mécanique peut être appliquée à l’ensemble collé et en particulier au niveau du plan fragile enterré 1, de manière à propager ou aider à propager mécaniquement la fracture menant à la séparation. Lorsque la séparation est terminée, on obtient une couche utile 40’, issue du substrat donneur 4 et destinée à former la couche active 40, reportée sur le substrat support 50 ( ). La face libre de la couche utile 40’ est habituellement rugueuse après séparation. On peut lui appliquer des traitements thermiques ou des traitements de surface pour améliorer la qualité cristalline de la couche et sa rugosité de surface, et ainsi obtenir la couche active 40.Finally, the sub-step of separation along the buried fragile plane 1 is usually carried out by applying a heat treatment, at a temperature between 400°C and 1200°C. Such a heat treatment induces the development of cavities and microcracks in the buried fragile plane 1, and their pressurization by the light species present in gaseous form, until the propagation of a fracture along said fragile plane 1. Alternatively or jointly, a mechanical stress can be applied to the bonded assembly and in particular at the level of the buried fragile plane 1, so as to propagate or help to mechanically propagate the fracture leading to the separation. When the separation is complete, a useful layer 40' is obtained, originating from the donor substrate 4 and intended to form the active layer 40, transferred onto the support substrate 50 ( ). The free face of the useful layer 40' is usually rough after separation. Heat treatments or surface treatments can be applied to it to improve the crystalline quality of the layer and its surface roughness, and thus obtain the active layer 40.

Lorsque des énergies d’implantation standard sont utilisées, la couche utile 40’ présente une épaisseur inférieure à 2 μm à l’issue de la séparation. Si la couche active 40 est attendue à une épaisseur plus importante, une sous-étape de croissance par épitaxie (par exemple par MW-PECVD) peut être opérée pour augmenter cette épaisseur.When standard implantation energies are used, the useful layer 40' has a thickness of less than 2 μm after separation. If the active layer 40 is expected to have a greater thickness, an epitaxial growth sub-step (for example by MW-PECVD) can be carried out to increase this thickness.

Revenant à la description générale du procédé, une fois la couche active 40 formée à la surface du substrat support 50, une étape c) correspondant à la formation de la première couche conductrice 10 sur la couche active 40 est effectuée ( , ).Returning to the general description of the method, once the active layer 40 has been formed on the surface of the support substrate 50, a step c) corresponding to the formation of the first conductive layer 10 on the active layer 40 is carried out ( , ).

De manière préférée et comme évoqué plus haut dans la description du dispositif monolithique 200, la première couche conductrice 10 présente une concentration en bore supérieure à 1019/cm3 et une épaisseur comprise entre 5 nm et 50 μm, préférentiellement entre 50 nm et 1 μm.Preferably and as mentioned above in the description of the monolithic device 200, the first conductive layer 10 has a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 and a thickness of between 5 nm and 50 μm, preferably between 50 nm and 1 μm.

Cette étape peut être réalisée par toute technique connue permettant une croissance épitaxiale, préférentiellement par une technique de dépôt MW-PECVD. Des paramètres dans les mêmes gammes de valeurs que précédemment citées pourront être utilisés.This step can be carried out by any known technique allowing epitaxial growth, preferably by a MW-PECVD deposition technique. Parameters in the same ranges of values as previously mentioned can be used.

Une interface épitaxiale 61 est alors définie entre la première couche conductrice 10 et la couche active 40. La couche active 40 présentant une très bonne qualité cristalline, il en est de même pour la première couche conductrice 10.An epitaxial interface 61 is then defined between the first conductive layer 10 and the active layer 40. The active layer 40 having very good crystalline quality, the same is true for the first conductive layer 10.

L’étape suivante d) correspond à la formation de la couche intermédiaire 30 sur de la première couche conductrice 10 ( , ).The next step d) corresponds to the formation of the intermediate layer 30 on the first conductive layer 10 ( , ).

Préférentiellement, la couche intermédiaire 30 présente une concentration en azote ou en phosphore comprise entre 1014/cm3 et 1021/cm3. L’épaisseur de la couche intermédiaire 30 peut être comprise entre 10 nm et 2 mm, préférentiellement entre 500 nm et 50 μm.Preferably, the intermediate layer 30 has a nitrogen or phosphorus concentration of between 10 14 /cm 3 and 10 21 /cm 3 . The thickness of the intermediate layer 30 may be between 10 nm and 2 mm, preferably between 500 nm and 50 μm.

Comme l’étape c) précédente, l’étape d) peut être réalisée par toute technique permettant une croissance épitaxiale, avantageusement par une technique de dépôt MW-PECVD. Une interface épitaxiale 61’ est alors créée entre la couche intermédiaire 30 et la première couche conductrice 10.Like the previous step c), step d) can be carried out by any technique allowing epitaxial growth, advantageously by a MW-PECVD deposition technique. An epitaxial interface 61' is then created between the intermediate layer 30 and the first conductive layer 10.

L’étape suivante e) correspond à la formation de la deuxième couche conductrice 20 sur la couche intermédiaire 30 ( , ).The next step e) corresponds to the formation of the second conductive layer 20 on the intermediate layer 30 ( , ).

De manière préférée, la deuxième couche conductrice 20 présente une concentration en bore supérieure à 1019/cm3 et une épaisseur comprise entre 5 nm et 50 μm, préférentiellement entre 50 nm et 1 μm (comme évoqué précédemment).Preferably, the second conductive layer 20 has a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 and a thickness of between 5 nm and 50 μm, preferably between 50 nm and 1 μm (as mentioned previously).

Comme les deux étapes précédentes, l’étape e) peut être réalisée par toute technique permettant une croissance épitaxiale, préférentiellement par une technique de dépôt MW-PECVD. Une interface épitaxiale 61’’ est alors définie entre la deuxième couche conductrice 20 et la couche intermédiaire 30.Like the two previous steps, step e) can be carried out by any technique allowing epitaxial growth, preferably by a MW-PECVD deposition technique. A 61" epitaxial interface is then defined between the second conductive layer 20 and the intermediate layer 30.

Optionnellement, la séquence d’étapes c), d), e) est répétée N fois pour former N condensateurs empilés. En les connectant en parallèle dans le dispositif 200 final, il est alors possible d’augmenter la valeur de la capacité, en fonction des besoins de l’application.Optionally, the sequence of steps c), d), e) is repeated N times to form N stacked capacitors. By connecting them in parallel in the final device 200, it is then possible to increase the value of the capacitance, depending on the needs of the application.

Avantageusement, cette séquence d’étapes c), d), e) est opérée dans la chambre de dépôt d’un équipement de MW-PECVD, sans sortie en atmosphère ambiante, de manière à éviter toute contamination. Si une ou des sortie(s) à l’atmosphère ambiante devait(aient) être faites, des nettoyages seraient requis avant le retour dans la chambre de dépôt de manière à débarrasser la surface de contaminations particulaires, métalliques ou hydrocarbures.Advantageously, this sequence of steps c), d), e) is carried out in the deposition chamber of MW-PECVD equipment, without exit to the ambient atmosphere, so as to avoid any contamination. If one or more exits to the ambient atmosphere had to be made, cleaning would be required before returning to the deposition chamber so as to rid the surface of particulate, metallic or hydrocarbon contamination.

Enfin, le procédé de fabrication comprend une étape f) de structuration des couches conductrices 10,20 et de la couche intermédiaire 30 dans le plan principal (x,y). Elle est basée sur des gravures locales successives des trois couches 20,30,10, permettant de former le condensateur 150, adjacent au transistor 100, et de définir l’électrode de source 12, l’électrode de drain 13 du transistor 100 et le premier contact 11 du condensateur 150 dans la première couche conductrice 10 ( , ). Sur les figures, la source 12 du transistor 100 et le premier contact 11 du condensateur 150 sont reliées électriquement par continuité de la première couche conductrice 10, cela dans l’objectif de connecter le condensateur 150 en parallèle avec le transistor 100. D’autres modes de connexion électrique pourraient bien sûr être mis en œuvre pour relier la source 12 et le premier contact 11, la continuité de la première couche conductrice 10 restant l’option la plus simple et efficace.Finally, the manufacturing method comprises a step f) of structuring the conductive layers 10, 20 and the intermediate layer 30 in the main plane (x, y). It is based on successive local etchings of the three layers 20, 30, 10, making it possible to form the capacitor 150, adjacent to the transistor 100, and to define the source electrode 12, the drain electrode 13 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 in the first conductive layer 10 ( , ). In the figures, the source 12 of the transistor 100 and the first contact 11 of the capacitor 150 are electrically connected by continuity of the first conductive layer 10, with the aim of connecting the capacitor 150 in parallel with the transistor 100. Other electrical connection modes could of course be implemented to connect the source 12 and the first contact 11, the continuity of the first conductive layer 10 remaining the simplest and most effective option.

Pour graver localement les couches, un masque par exemple en nitrure de silicium est déposé et structuré à la surface de la deuxième couche conductrice 20 par photolithographie et gravure, de manière à masquer uniquement les zones dans lesquelles la deuxième couche conductrice 20 doit être conservée. La gravure de la deuxième couche conductrice 20 peut être effectuée par attaque sèche, par exemple par plasma oxygène.To locally etch the layers, a mask, for example made of silicon nitride, is deposited and structured on the surface of the second conductive layer 20 by photolithography and etching, so as to mask only the areas in which the second conductive layer 20 must be preserved. The etching of the second conductive layer 20 can be carried out by dry etching, for example by oxygen plasma.

Dans les exemples des figures 2f et 3f, la gravure de la couche intermédiaire 30 peut être réalisée en conservant le même masque, car le design du condensateur 150 prévoit que la deuxième couche conductrice 20 recouvre l’intégralité de la couche intermédiaire 30. La gravure de la couche intermédiaire 30 peut être effectuée par attaque sèche (plasma).In the examples of figures 2f and 3f, the etching of the intermediate layer 30 can be carried out while keeping the same mask, because the design of the capacitor 150 provides that the second conductive layer 20 covers the entirety of the intermediate layer 30. The etching of the intermediate layer 30 can be carried out by dry etching (plasma).

Un deuxième masque doit ensuite être déposé et structuré, pour définir les zones à graver de la première couche conductrice 10. Le premier masque peut être retiré préalablement à la formation du deuxième masque, ou à la fin de l’étape f) en même temps que le deuxième masque. Les mêmes solutions de gravure que pour la deuxième couche conductrice 20 peuvent être utilisées pour structurer la première couche conductrice 10.A second mask must then be deposited and structured, to define the areas to be etched of the first conductive layer 10. The first mask can be removed prior to the formation of the second mask, or at the end of step f) at the same time as the second mask. The same etching solutions as for the second conductive layer 20 can be used to structure the first conductive layer 10.

Après retrait des masques, le dispositif 200 comprend le condensateur 150 au voisinage du transistor 100, ainsi que les électrodes de source 12 et de drain 13 dudit transistor 100 ( , ).After removing the masks, the device 200 comprises the capacitor 150 in the vicinity of the transistor 100, as well as the source 12 and drain 13 electrodes of said transistor 100 ( , ).

L’étape f) peut éventuellement comprendre la formation d’une isolation entre la région de la couche active 40 sous le transistor 100, et la région de la couche active 40 sous le condensateur 150. Pour cela, des tranchées, s’étendant sur tout ou partie de l’épaisseur de la couche active 40, remplies par un matériau isolant (tel que l’oxyde ou le nitrure de silicium), peuvent être définies autour du transistor 100 et du condensateur 150.Step f) may optionally comprise the formation of insulation between the region of the active layer 40 under the transistor 100, and the region of the active layer 40 under the capacitor 150. For this, trenches, extending over all or part of the thickness of the active layer 40, filled with an insulating material (such as silicon oxide or nitride), may be defined around the transistor 100 and the capacitor 150.

L’étape f) comprend également la formation d’une électrode de grille G, entre les électrodes de source 12 et de drain 13, au-dessus du canal de conduction 41 ( ’, ’). Cette électrode de grille G comprend une couche isolante, par exemple en oxyde d’aluminium, en contact avec la couche active 40 et une couche métallique, par exemple en aluminium, en contact avec ladite couche isolante. Des étapes classiques de dépôt, photolithographie et gravure peuvent être implémentées pour l’élaboration de l’électrode de grille G.Step f) also comprises the formation of a gate electrode G, between the source 12 and drain 13 electrodes, above the conduction channel 41 ( ', '). This gate electrode G comprises an insulating layer, for example made of aluminum oxide, in contact with the active layer 40 and a metal layer, for example made of aluminum, in contact with said insulating layer. Conventional steps of deposition, photolithography and etching can be implemented for the production of the gate electrode G.

Comme évoqué précédemment, le transistor 100 et le condensateur 150 sont avantageusement connectés en parallèle. La source 12 et le premier contact 11 sont directement connectés via la première couche conductrice 10, si cette dernière demeure continue. Si la première couche conductrice 10 devait être interrompue, la source 12 et le premier contact 11 peuvent être connectés tel que décrit ci-après en référence au drain 13 et au deuxième contact 21. As mentioned above, the transistor 100 and the capacitor 150 are advantageously connected in parallel. The source 12 and the first contact 11 are directly connected via the first conductive layer 10, if the latter remains continuous. If the first conductive layer 10 were to be interrupted, the source 12 and the first contact 11 can be connected as described below with reference to the drain 13 and the second contact 21.

Le drain 13 et le deuxième contact 21 du condensateur 150 peuvent être connectés par un fil métallique (« wire bonding » selon la terminologie anglo-saxonne). La proximité des deux composants cointégrés diminue la longueur de fil métallique de connexion et limite donc les problèmes d’inductances parasites. Alternativement, pour limiter encore davantage ces phénomènes parasites, un niveau d’interconnexion métallique (impliquant un niveau de lithographie supplémentaire, une couche de passivation et une ligne de métallisation connectant le drain 13 et le deuxième contact 21) peut être réalisé.The drain 13 and the second contact 21 of the capacitor 150 can be connected by a metal wire (“wire bonding” according to English terminology). The proximity of the two cointegrated components reduces the length of the metal connection wire and therefore limits the problems of parasitic inductances. Alternatively, to further limit these parasitic phenomena, a metal interconnection level (involving an additional lithography level, a passivation layer and a metallization line connecting the drain 13 and the second contact 21) can be produced.

Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and variant embodiments can be made without departing from the scope of the invention.

Claims (11)

Dispositif monolithique (200) incluant un transistor à effet de champ (100) et au moins un condensateur (150), comprenant :
- un substrat support (50),
- une couche active (40) en diamant monocristallin comportant des dopants de type p, dans laquelle est formé le canal de conduction (41) du transistor (100), la couche active (40) s’étendant parallèlement à un plan principal (x,y) et étant disposée sur le substrat support (50),
- un empilement comprenant une première couche conductrice (10) et une deuxième couche conductrice (20) en diamant monocristallin comportant des dopants de type p, et une couche intermédiaire (30) en diamant monocristallin, électriquement isolante, intercalée entre la première couche conductrice (10) et la deuxième couche conductrice (20), la première couche conductrice (10) et la deuxième couche conductrice (20) formant respectivement un premier (11) et un deuxième (21) contact du condensateur (150),
et dans lequel :
- la première couche conductrice (10) comporte une interface épitaxiale (61) avec la couche active (40),
- la première couche conductrice (10) est structurée dans un plan parallèle au plan principal (x,y) et forme une électrode de source (12) et une électrode de drain (13) du transistor (100),
- le substrat support (50) présente une résistivité supérieure à 10 kohm.cm,
- le substrat support (50) est en diamant monocristallin ou comporte un film superficiel en diamant monocristallin, et une interface épitaxiale (63) est définie entre ledit substrat support (50) et la couche active (40) ; ou une interface de collage (71) est définie entre le substrat support (50) et la couche active (40).
Monolithic device (200) including a field effect transistor (100) and at least one capacitor (150), comprising :
- a support substrate (50),
- an active layer (40) made of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, in which the conduction channel (41) of the transistor (100) is formed, the active layer (40) extending parallel to a main plane (x,y) and being arranged on the support substrate (50),
- a stack comprising a first conductive layer (10) and a second conductive layer (20) made of monocrystalline diamond comprising p-type dopants, and an intermediate layer (30) made of monocrystalline diamond, electrically insulating, interposed between the first conductive layer (10) and the second conductive layer (20), the first conductive layer (10) and the second conductive layer (20) respectively forming a first (11) and a second (21) contact of the capacitor (150),
and in which:
- the first conductive layer (10) comprises an epitaxial interface (61) with the active layer (40),
- the first conductive layer (10) is structured in a plane parallel to the main plane (x,y) and forms a source electrode (12) and a drain electrode (13) of the transistor (100),
- the support substrate (50) has a resistivity greater than 10 kohm.cm,
- the support substrate (50) is made of monocrystalline diamond or comprises a surface film of monocrystalline diamond, and an epitaxial interface (63) is defined between said support substrate (50) and the active layer (40); or a bonding interface (71) is defined between the support substrate (50) and the active layer (40).
 Dispositif monolithique (200) selon la revendication 1, dans lequel :
- la couche active (40) présente une concentration en bore comprise entre 1015/cm3 et 1019/cm3, et/ou
- la première couche conductrice (10) et la deuxième couche conductrice (20) présentent une concentration en bore supérieure à 1019/cm3, et/ou
- la couche intermédiaire (30) présente une concentration en azote ou en phosphore comprise entre 1014/cm3 et 1021/cm3.The monolithic device (200) of claim 1, wherein:
- the active layer (40) has a boron concentration of between 10 15 /cm 3 and 10 19 /cm 3 , and/or
- the first conductive layer (10) and the second conductive layer (20) have a boron concentration greater than 10 19 /cm 3 , and/or
- the intermediate layer (30) has a nitrogen or phosphorus concentration of between 10 14 /cm 3 and 10 21 /cm 3 . Dispositif monolithique (200) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel :
- la première couche conductrice (10) et la deuxième couche conductrice (20) présentent une épaisseur, selon un axe (z) normal au plan principal (x,y), comprise entre 5 nm et 50 μm, préférentiellement entre 50 nm et 1 μm, et/ou
- la couche intermédiaire (30) présente une épaisseur, selon un axe (z) normal au plan principal (x,y), comprise entre 10 nm et 2 mm, préférentiellement entre 500 nm et 50 μm, et/ou
- la couche active (40) présentent une épaisseur, selon un axe (z) normal au plan principal (x,y), comprise entre 100 nm et 20 μm, préférentiellement entre 100 nm et 5 μm.Monolithic device (200) according to one of claims 1 and 2, in which:
- the first conductive layer (10) and the second conductive layer (20) have a thickness, along an axis (z) normal to the main plane (x,y), of between 5 nm and 50 μm, preferably between 50 nm and 1 μm, and/or
- the intermediate layer (30) has a thickness, along an axis (z) normal to the main plane (x,y), of between 10 nm and 2 mm, preferably between 500 nm and 50 μm, and/or
- the active layer (40) has a thickness, along an axis (z) normal to the main plane (x,y), of between 100 nm and 20 μm, preferably between 100 nm and 5 μm. Dispositif monolithique (200) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le condensateur (150) est connecté en parallèle avec le transistor (100).Monolithic device (200) according to one of claims 1 to 3, wherein the capacitor (150) is connected in parallel with the transistor (100). Dispositif monolithique (200) selon la revendication 1, dans lequel le substrat support (50) comprend du diamant monocristallin ou polycristallin, et/ou du carbure de silicium monocristallin ou polycristallin, et/ou un film diélectrique (51) adjacent à l’interface de collage (71).The monolithic device (200) of claim 1, wherein the support substrate (50) comprises monocrystalline or polycrystalline diamond, and/or monocrystalline or polycrystalline silicon carbide, and/or a dielectric film (51) adjacent to the bonding interface (71). Procédé de fabrication d’un dispositif monolithique (200) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant les étapes suivantes :
a) la fourniture du substrat support (50),
b) la formation de la couche active (40) sur le substrat support (50),
c) la formation de la première couche conductrice (10) sur la couche active (40) par croissance épitaxiale,
d) la formation de la couche intermédiaire (30) sur de la première couche conductrice (10),
e) la formation de la deuxième couche conductrice (20) sur la couche intermédiaire (30),
f) la structuration de la deuxième couche conductrice (20), de la couche intermédiaire (30) et de la première couche conductrice (10) dans le plan principal (x,y), pour former le condensateur (150), adjacent au transistor (100), et définir l’électrode de source (12) du transistor (100), l’électrode de drain (13) du transistor (100) et le premier contact (11) du condensateur (150) dans la première couche conductrice (10). Method for manufacturing a monolithic device (200) according to one of claims 1 to 5, comprising the following steps:
a) providing the support substrate (50),
b) the formation of the active layer (40) on the support substrate (50),
c) the formation of the first conductive layer (10) on the active layer (40) by epitaxial growth,
d) forming the intermediate layer (30) on the first conductive layer (10),
e) forming the second conductive layer (20) on the intermediate layer (30),
f) structuring the second conductive layer (20), the intermediate layer (30) and the first conductive layer (10) in the main plane (x,y), to form the capacitor (150), adjacent to the transistor (100), and defining the source electrode (12) of the transistor (100), the drain electrode (13) of the transistor (100) and the first contact (11) of the capacitor (150) in the first conductive layer (10). Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel la source (12) et le premier contact (11), ou le drain (13) et le premier contact (11) sont électriquement connectés par continuité de la première couche conductrice (10).Manufacturing method according to claim 6, wherein the source (12) and the first contact (11), or the drain (13) and the first contact (11) are electrically connected by continuity of the first conductive layer (10). Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 et 7, dans lequel la séquence d’étapes c), d), e) est répétée N fois pour former N condensateurs empilés.Manufacturing method according to one of claims 6 and 7, in which the sequence of steps c), d), e) is repeated N times to form N stacked capacitors. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel :
- le substrat support (50) est en diamant monocristallin ou comporte un film superficiel (502) en diamant monocristallin, et
- l’étape b) est opérée par croissance épitaxiale, en particulier en implémentant une technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde.Manufacturing method according to one of claims 6 to 8, in which:
- the support substrate (50) is made of monocrystalline diamond or comprises a surface film (502) made of monocrystalline diamond, and
- step b) is carried out by epitaxial growth, in particular by implementing a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition technique. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel l’étape b) est opérée par transfert de la couche active (40) sur le substrat support (50).Manufacturing method according to one of claims 6 to 8, in which step b) is carried out by transferring the active layer (40) onto the support substrate (50). Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel l’étape b) comprend les sous-étapes suivantes :
- l’implantation d’espèces légères de type hydrogène, hélium ou une combinaison de ces deux espèces dans un substrat donneur (4), pour définir un plan fragile enterré (1),
- l’assemblage du substrat donneur (4) sur le substrat support (50) via une interface de collage,
- la séparation le long du plan fragile enterré (1) menant au transfert d’une couche utile (40’), issue du substrat donneur (4) et destinée à former la couche active (40), sur le substrat support (50).Manufacturing method according to claim 10, wherein step b) comprises the following sub-steps:
- the implantation of light species of the hydrogen, helium type or a combination of these two species in a donor substrate (4), to define a buried fragile plane (1),
- the assembly of the donor substrate (4) on the support substrate (50) via a bonding interface,
- separation along the buried fragile plane (1) leading to the transfer of a useful layer (40'), originating from the donor substrate (4) and intended to form the active layer (40), onto the support substrate (50).
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