Brevet FR2684801A1 — publié le 19930611

Procédé de réalisation de composants semiconducteurs, notamment sur Ga As ou In P, avec récupération du substrat par voie chimique L'invention concerne un procédé de réalisation de composant électronique à base de matériaux semiconducteurs III-V. Il s'agit plus particulièrement de composants réalisés sur sub- strats Ga As ou In P, essentiellement des composants comportant comme couche active Alx Gal x As (sur Ga As) ou Alx Inl x As (sur In P). 111 a déjà été proposé de réaliser de tels composants électroniques et de les séparer ensuite de leur substrat Ga As ou In P par dissolu- tion d'une couche Alx Gal x As intercalaire à forte teneur en alumi- nium (fraction molaire x A 1 > 0,50) épitaxiée au préalable entre le substrat et les couches actives de matériau semiconducteur consti- tuant le composant électronique proprement dit On pourra se réfé- rer à cet égard à M Konagai et al, High Efficiency Ga As Thin Film Solar Cells by Peeled Film Technology, Journal of Crystal Growth, n 45 ( 1978), p 277, E Yablonovitch et al, Extreme Selectivity in the Lift- Off of Epitaxial Ga As Films, Appl Phys Lett, Vol 51, n 26, 28 décembre 1987, p 222, ou encore H Schumacher et al, High-Speed In P/Ga In As Photodiode on Sapphire Substrate, Elec- tronics Letters, Vol 25, n 24, 23 novembre 1989, p 1653. Cette technique consistant à séparer les composants du substrat sur lequel ils ont été réalisés présente un nombre important d'avan- tages. En premier lieu, elle permet de réduire l'épaisseur du composant par suppression complète du substrat, avec tous les avantages corré- latifs qui en découlent: le substrat étant éliminé, il n'est plus néces- saire de réaliser des vias pour le traverser et assurer la prise de contact à la couche inférieure du composant; le coût de fabrication de ce dernier en est donc diminué d'autant; le poids du composant est considérablement réduit, ce qui est avantageux dans le domaine spatial; pour certaines applications optoélectroniques, le substrat peut constituer une gêne car il n'est pas transparent aux longueurs d'onde concernées; et enfin la dissipation thermique est considéra- blement améliorée du fait de la suppression de la résistance thermi- que constituée, dans les composants actuels, par la présence du sub- strat (Ga As et In P étant mauvais conducteurs de la chaleur). En second lieu, et surtout, le procédé de l'invention permet la récupération du matériau du substrat, sans destruction de celui-ci, économisant ainsi, outre le coût de l'étape de rodage, le coût du sub- strat, qui pourra être réutilisé tel quel. Cette technique de séparation du substrat par dissolution chimi- que est basée sur le fait que le composé AK Galx As à forte teneur en aluminium (x Al 2 0,50) constituant la couche intercalaire se dissout très rapidement dans l'acide chlorhydrique ou fluorhydrique, à la différence de Ga As ou A Jz Ga 1 _Y As à faible teneur en aluminium (YAI De par son principe même, cette technique ne peut donc être directement transposée au cas o le composant proprement dit com- porte, dans sa couche active, des couches riches en aluminium telles que Al Gal-Y As (avec y A, 2 0,50 environ) sur substrat Ga As, ou Aly Inj Y As (avec y M 2 0,50 environ) sur substrat In P, car ces cou- ches riches en aluminium subissent elles-mêmes une attaque par les acides. En effet, comme indiqué dans l'article précité de Yablonovitch et al., on constate une sélectivité très forte de la vitesse d'attaque en fonction de la composition de la couche, cette vitesse croissant très brutalement dès que la fraction molaire d'aluminium dépasse un seuil de 40 à 50 %. Il a été récemment proposé par A J Tsao et al, Epitaxial Liftoff of Al As/Ga As Double Barrier Resonant Tunnelling Diodes, Electro- nics Letters, Vol 27, N O 6, 14 mars 1991, p 484, de recouvrir le flanc du composant par une graisse inerte, connue dans la technique sous le terme " graisse Apiezon ", protégeant ainsi celui-ci de l'attaque acide des parties des couches riches en aluminium. Toutefois, cette technique est difficilement adaptable à une pro- duction de masse des composants électroniques, du fait notamment de la difficulté d'étaler convenablement la graisse Apiezon sur le flanc des composants; en fait, cette technique ne peut guère être en- visagée que dans le cas, visé par l'article en question, de composants très spécifiques traités isolément. Le but de la présente invention est de proposer un-procédé de réalisation de composants avec récupération du substrat, facilement contrôlable et aisément industrialisable, permettant en outre de pro- téger de manière précise les flancs des composants à l'égard de l'at- taque chimique. À cet effet, le procédé de l'invention est caractérisé par les étapes consistant à: produire un substrat en matériau semiconducteur III- V binaire ou ternaire; épitaxier sur ce substrat une couche interca- laire d'un matériau semiconducteur III-V ternaire présentant une fraction molaire d'aluminium d'au moins 40 % et de maille atomique compatible avec celle du substrat; épitaxier sur cette couche inter- calaire une couche active d'un matériau semiconducteur m I-V bi- naire ou ternaire présentant une fraction molaire d'aluminium d'au moins 30 % et de maille atomique compatible avec celle de la couche intercalaire; réaliser, par gravure et métallisation de cette couche active, un ensemble de composants semiconducteurs; appliquer sur cet ensemble de composants une couche protectrice d'un matériau de passivation ou d'une résine photosensible; graver cette couche pro- tectrice jusqu'à mettre à nu la couche intercalaire entre ces compo- sants ou des groupes de ces composants; fixer sur l'ensemble ainsi réalisé une plaque support commune solidarisant mécaniquement les composants; et dissoudre le matériau de la couche intercalaire par action chimique sur les régions mises à nu, en laissant intacts les autres matériaux de manière à séparer, sans le dissoudre, le sub- strat d'avec les composants ou groupes de composants. On peut en outre prévoir une étape finale consistant à déposer une métallisation sur la face arrière, découverte par le retrait du substrat, de la couche active des composants ou groupes de compo- sants, et/ou séparer les différents composants individuels ou groupes de composants d'avec la plaque support commune; dans l'un ou l'autre cas, on peut prévoir de fixer les différents composants indivi- duels ou groupes de composants sur un organe support commun, en face postérieure La plaque support commune et/ou, le cas échéant, l'organe support commun peuvent, si nécessaire, porter des lignes d'interconnexion des composants et/ou, éventuellement, être opti- quement transparents lorsque les composants sont des composants optoélectroniques. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 9 illustrent, de façon schématique, les différentes étapes de réali- sation d'un composant selon le procédé de l'invention. Le composant décrit sur ces figures est bien entendu donné uni- quement à titre d'exemple, et pourrait aussi bien être d'un autre type ou d'une autre configuration. Sur la figure 1, on a représenté en couches la tranche de départ, comprenant un substrat 1, épais (typiquement d'une épaisseur de l'ordre de 500 micromètres) en Ga As ou In P, sur lequel on épitaxie en 2 une couche intercalaire de A Ix Gal x As à forte teneur en alumi- nium sur une très faible épaisseur (par exemple de l'ordre de quel- ques dizaines de nanomètres) Sur cette couche intercalaire 2, on épitaxie ensuite une couche 3 dont le dopage, l'épaisseur et la consti- tution seront choisis en fonction du composant à réaliser. Cette couche active 3 est en fait généralement constituée d'un empilement de couches successives présentant chacune une compo- sition, un dopage et une épaisseur différents, le terme " couche ac- tiv* " désignant ici collectivement cet empilement. L'invention concerne le cas o cette couche active 3, tout comme la couche intercalaire 2, comporte un matériau à forte teneur en alu- minium, par exemple A Iy Ga 1-Y As avec y AI 2 0,50 ou Alyn 1 Y As avec YAI 20,50. À l'étape de la figure 2, on a exécuté diverses étapes de procédé connues de gravure chimique, ionique ou ionique réactive de la cou- che active 3, de dépôt d'une métallisation 4, etc de manière à consti- tuer les divers composants individuels 5 avec leurs électrodes de source S, de grille G et de drain D On notera que l'on peut réaliser aussi bien des composants isolés (transistors individuels) que des groupes de composants, qui peuvent correspondre à une fonction logique ou analogique donnée, les divers composants élémentaires de ces groupes de composants étant alors réalisés sur une même région de la couche active 3 et reliés entre eux par des métallisation appropriées. À l'étape de la figure 3, caractéristique de l'invention, on a revêtu l'ensemble des composants d'une couche de protection 6 d'un maté- riau inerte, qui peut être en particulier une résine photosensible ou une couche de passivation du composant (couche d'oxyde ou de nitrure), déposée par une voie classique. À l'étape de la figure 4, on a gravé la couche de protection 6 de manière à mettre à nu, dans des régions repérées 7, la couche inter- calaire 2 riche en aluminium, tout en protégeant les flancs des com- posants ou groupes de composants qui sont alors en forme d'îlots iso- lés les uns des autres sur le substrat Ces ouvertures 7 sont réali- sées par les techniques classiques de photolithographie ou de litho- graphie électronique, dans le cas d'une couche en résine photosen- sible) ou de gravure, dans le cas d'une couche de passivation. À l'étape de la figure 5, on vient recouvrir l'ensemble des compo- sants par une plaque commune 8, par exemple collée sur la couche protectrice 6 après dépôt de cette dernière On choisira, pour les rai- sons que l'on expliquera plus bas, une colle non soluble dans l'acide. Une fois la plaque 8 collée, on trempe l'ensemble plaque + tran- che gravée dans un bain d'acide dilué, par exemple de l'acide chlor- hydrique à 50 %, ce choix d'acide n'étant en aucune façon limitatif Cette opération a pour effet d'attaquer la couche 2 riche en alu- minium, l'acide pénétrant par les interstices formés entre les compo- sants et venant attaquer la couche de Al K Gal-Y As aux endroits 7 mis à nu, puis par le chant de cette couche, comme illustré par les flèches de la figure 5 Le reste de la structure, notamment le sub- strat Ga As ou In P, les régions protégées par la couche inerte 6, la plaque support 8 et la colle qui la retient au composant, est en re- vanche laissé intact. Bien entendu, le matériau constituant la face inférieure de la couche active 3, qui est en contact avec la couche intercalaire 2, pré- sente une faible teneur en aluminium, autrement le composant se- rait attaqué par le dessous lors de la dissolution de la couche inter- calaire 2 Ce matériau est généralement une couche de Ga As, In P ou Ga Jni,As, les couches de Al Gai x As riche en aluminium étant situées plus haut dans l'empilement de couches de la couche active 3. Ainsi, si l'on réalise par exemple une couche épitaxiale de Al.Gai- As de plusieurs dizaines de nanomètres, l'immersion pen- dant une nuit dans H Cl dilué à 50 % montre une attaque totale de ce matériau sur une surface de tranche de 2 pouces de diamètre ( 5 cm environ), le substrat Ga As se détachant de lui-même des compo- sants La tranche de substrat ainsi détachée, qui n'a pas été atta- quée par l'acide, est parfaitement réutilisable pour la réalisation d'autres composants sur cette même tranche. On aboutit ainsi à la situation de la figure 6. À la figure 7, le processus se poursuit par dépôt d'une métallisa- tion 9 de la face libre, c'est-à-dire de la face postérieure de la couche dopée 3 La métallisation 9 peut être déposée par toute méthode classique (évaporation, etc), ce qui permet une prise de contact direct sur la face arrière de la couche dopée sans interposition du substrat, et donc sans avoir besoin de former des vias; en outre, du fait de ce contact direct, cette métallisation joue efficacement un rôle de drain thermique. Les opérations peuvent se poursuivre de diverses manières. Un peut tout d'abord dissoudre la colle afin de séparer de la pla- que support 8 les composants individuels 5 ou groupes de compo- sants et récupérer les différentes puces. Il est également possible, avant de dissoudre la colle, de fixer l'ensemble sur une " peau de tambour " selon une méthode connue, permettant ainsi de retenir et de séparer plus aisément les diverses puces après dissolution de la colle. Par ailleurs, pour certaines applications telles que les cellules solaires ou les diodes électroluminescentes, on peut préférer laisser la plaque collée afin d'avoir un réseau de composants interconnectés électriquement (soit sur cette plaque elle-même, soit d'une autre manière) On peut ainsi réaliser directement des panneaux électro- luminescents de grande dimension, la plaque 8 étant alors une pla- que transparente en une matière appropriée, minérale ou organique. il est également possible, une fois le réseau réalisé, de coller les composants, par leur face inférieure, sur une autre plaque support 10, comme illustré figure 8, afin d'obtenir une structure " sandwich " électroluminescente ou photosensible, formée d'un réseau de diodes retenues entre deux plaques 8 et 10 de protection et de maintien. On peut également, après collage sur la plaque postérieure 10, décoller la plaque frontale 8, celle-ci ne jouant alors le rôle que de support provisoire avant report des composants sur la plaque sup- port définitive 10. Par ailleurs, la plaque support peut elle-même être un compo- sant actif. En outre, comme illustré figure 9, on peut prévoir de déposer avant métallisation une couche isolante 11 en regard de l'électrode de drain du transistor afin de réduire les capacités parasites qui pourraient résulter de la trop grande proximité de cette électrode et de la métallisation de la face arrière (puisque le substrat est mainte- nant absent). REVENDICATIONS 1 Un procédé de réalisation de composants semiconducteurs, caractérisé par les étapes consistant à: (a) produire un substrat ( 1) en matériau semiconducteur III-V binaire ou ternaire, (b) épitaxier sur ce substrat une couche intercalaire ( 2) d'un matériau semiconducteur III-V ternaire présentant une frac- tion molaire d'aluminium d'au moins 40 % et de maille atomi- que compatible avec celle du substrat, (c) épitaxier sur cette couche intercalaire une couche active ( 3) d'un matériau semiconducteur III-V binaire ou ternaire pré- sentant une fraction molaire d'aluminium d'au moins 30 % et de maille atomique compatible avec celle de la couche inter- calaire, (d) réaliser, par gravure et métallisation de cette couche active, un ensemble de composants semiconducteurs ( 5), (e) appliquer sur cet ensemble de composants une couche protec- trice ( 6) d'un matériau de passivation ou d'une résine photo- sensible, (f) graver cette couche protectrice jusqu'à mettre à nu la couche intercalaire entre ces composants ou des groupes de ces com- posants, (g) fixer sur l'ensemble ainsi réalisé une plaque support commu- ne ( 8) solidarisant mécaniquement les composants, et (h) dissoudre le matériau de la couche intercalaire par action chimique sur les régions ( 7) mises à nu, en laissant intacts les autres matériaux de manière à séparer, sans le dissoudre, le substrat d'avec les composants ou groupes de composants. 2 Le procédé de la revendication 1, comprenant en outre une étape consistant à: (i) déposer une métallisation ( 9) sur la face arrière, découverte par le retrait du substrat, de la couche active des composants ou groupes de composants. 3 Le procédé de la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une étape consistant à: (k) séparer les différents composants individuels ou groupes de composants d'avec ladite plaque support commune. 4 Le procédé de l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape consistant à: (j) fixer sur un organe support commun ( 10), en face postérieu- re, les différents composants individuels ou groupes de com- posants. Le procédé de l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite plaque support commune et/ou, le cas échéant, ledit organe support commun, porte(nt) des lignes d'interconnexion des composants. 6 Le procédé de l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ladite plaque support commune et/ou, le cas échéant, ledit organe support commun, est (sont) optiquement transparent(e)(s) et les composants sont des composants optoélectroniques.