Brevet FR2733631A1 — publié le 19961031

PROCEDE DE FABRICATION DE DETECTEURS INFRAROUGE A BASE DE GalnAs L'invention conceme les détecteurs infrarouge. Pour détecter certaines longueurs d'onde infrarouge, notamment celles comprises entre environ 1 et 3 micromètres, on cherche à utiliser un alliage ternaire GalnAs qui est absorbant pour des longueurs d'onde dans cette gamme, le spectre d'absorption dépendant des proportions respectives de gallium, indium et arsenic. On cherche, entre autres à faire des détecteurs dans la bande 1,7 à 2,4 micromètres à partir de GaxinyAs, avec x=0,2 environ et y = 0,8 environ. Ces détecteurs infrarouge ont l'avantage très important de pouvoir fonctionner à des températures proches de l'ambiante. Une difficulté majeure est cependant le fait qu'on ne sait pas faire des substrats suffisamment épais dans ce matériau. On sait cependant qu'il est possible d'épitaxier une coche active de GalnAs sur un substrat cristallin d'lnP, parce que les mailles cristallines de ces matériaux sont proches. Et on sait maintenant faire des substrats d'lnP. Pour réaliser une couche active épitaxiée de GalnAs, il y a plusieurs solutions connues. Dans la première solution, on part d'un substrat lnP. Mais la maille cristalline de GaxlnyAs n'est exactement égale à la maille de InP que si x=0,47 et y=0,53. Pour x=0,2 et y=0,8 les paramètres de maille sont légèrement décalés, de sorte qu'une croissance directe de la couche active sur le substrat InP provoque des dislocations inacceptables de la couche active dès que celle-ci dépasse quelques dizaines d'angströms d'épaisseur. On fait donc d'abord croître une fine couche épitaxiale d'lnP sur le substrat InP, constituant une couche tampon pour avoir une surface cristalline parfaite à la surface du substrat. Puis on fait croître une couche épitaxiale de GaO 471n0 53As, de paramètre exactement adapté à la couche tampon d'lnP, et on augmente ensuite progressivement la teneur en indium de la couche jusqu'à ce que la composition de la couche épitaxiale soit celle qui est souhaitée, par exemple Ga021n08As. Enfin, on fait croître l'épaisseur désirée de couche épitaxiale Ga0,2ln0,s. En variante, après la couche tampon initiale d'lnP on peut continuer l'épitaxie en introduisant progressivement de l'arsenic avec l'indium et le phosphore pour constituer une couche InAsP; I'augmentation progressive du taux d'arsenic rapproche le paramètre de maille de la couche InAsP de celui de la couche désirée Ga0,2ln0,s. Lorsque le taux d'arsenic correspond à une égalité des paramètres de maille entre la couche InAsP et la couche Ga021n0,8As désirée, on conserve ce taux pendant un certain temps. Puis on fait croître une épaisseur désirée de Ga0,2ln0,8AS Dans ces deux variantes, on constitue un tampon graduel à variation de maille progressive, entre le substrat et la couche active qui n'ont pas les mêmes paramètres de maille cristalline. Au cours de la croissance des diverses couches, il se produit cependant des contraintes dues aux modifications de paramètres de maille, et ces contraintes entraînent une fragilité du dispositif. La couche tampon doit être très épaisse (6 à 7 micromètres). De plus, si des dislocations se produisent dans la couche en croissance, ces dislocations se propagent dans la couche tampon. Ces technique conduisent à des structures très imparfaites. L'épaisseur et la complexité des structures épitaxiées conduisent à des coûts élevés, tandis que la structure d'adaptation génère elle-même une quantité de défauts cristallins difficilement maîtrisables. Aucun dispositif de qualité équivalente à ceux réalisés sur des hétérostructures adaptées n'a pu à ce jour être fabriqué, la dégradation des performances obtenues avoisine un facteur mille, ce qui justifie les efforts pour trouver des solutions nouvelles. La plupart des détecteurs infrarouge construits pour la détection de longueurs d'onde supérieures à un micromètre sont réalisés de cette manière. Mais ils présentent un très fort courant d'obscurité (de l'ordre de 1 mA/cm2). Ce courant d'obscurité est justement dû aux dislocations de la couche active, inévitables pendant la croissance épitaxiale malgré la présence des tampons graduels. Une autre solution qui a déjà été proposée consiste à déposer sur le substrat d'lnP une altemance de couches cristallines en contrainte et de couches cristalline en extension, c'est-à-dire des couches à maille plus petite et des couches à maille plus grande que la couche précédente, en modifiant progressivement les compositions de couches pour aboutir finalement à la composition ayant le paramètre de maille désiré. Cette succession de couches constitue un filtre mécanique absorbant les contraintes différentielles entre le substrat et la couche active finale. Les dislocations éventuelles qui se créent à l'interface entre le substrat et le filtre se recourbent vers le substrat au lieu de se propager jusqu'à la couche active. Toutefois, bien que la structure soit en équilibre à la fin du processus, elle ne l'est pas au cours de la croissance et des dislocations propres se créent dans le filtre mécanique. Ces dislocations peuvent ultérieurement atteindre la couche active et la détériorer, notamment en ce qui concerne le courant d'obscurité des détecteurs. D'autre part, cette solution crée un grand nombre d'interfaces de couches successives et les interfaces sont sources de défauts mal maîtrisés. Cette solution n'a d'ailleurs pas été véritablement mise en oeuvre industriellement. Une troisième solution a été explorée, consistant à créer des petits îlots d'lnP à la surface du substrat et une croissance épitaxiale à la surface des îlots. Le matériau épitaxié croît sur chaque îlot en débordant latéralement jusqu'à rejoindre les îlots voisins. Cette solution est difficile à mettre en oeuvre et n'a pas abouti à des solutions industriellement viables. On est donc à la recherche de solutions efficaces et vraiment utilisables industriellement pour réaliser des couches actives de GalnAs sur des substrats cristallins d'lnP. L'invention propose d'utiliser comme substrat pour la croissance épitaxiale un substrat cristallin d'lnP tellement mince que, lorsque les contraintes dépassent les seuils de dislocation de structures cristallines lors de la croissance de la couche active de GalnAs, c'est le substrat d'lnP qui se disloque et non la couche épitaxiale de GalnAs. D'habitude, du fait de la rigidité du substrat due à son épaisseur, c'est bien sûr la couche épitaxiale qui subit des dislocations en premier, le substrat lui imposant son propre paramètre de maille. Mais, étant donné que le substrat cristallin très mince ne serait pas industriellement manipulable s'il n'était renforcé par une autre structure, on prévoit qu'il est accolé à un autre substrat plus rigide mais qui n'impose pas son paramètre de maille au substrat cristallin très mince. L'invention propose donc à la fois une nouvelle structure de dispositif semiconducteur et un procédé de fabrication original. En résumé, le détecteur infrarouge selon l'invention comporte une couche cristalline active de GalnAs formée par croissance épitaxiale sur un substrat cristallin d'lnP, et elle est caractérisée en ce que le substrat cristallin d'lnP a une épaisseur très faible, et est adossé à un autre substrat beaucoup plus épais qui ne tend pas à imposer un paramètre de maille au substrat cristallin très mince. L'épaisseur du substrat mince est choisie telle que les dislocations dues à la croissance de la couche active sur le substrat mince soient créées dans le substrat mince avant d'être créées dans la couche active. On interpose de préférence entre le substrat plus épais et le substrat très mince d'lnP une couche absorbant les contraintes existant entre les deux substrats. Les deux substrats peuvent être en un même matériau, mais même si c'est le cas, des contraintes existent car le substrat très mince subit des dislocations (c'est le principe de l'invention) et le substrat épais tendrait à s'opposer à ces dislocations s'il n'était séparé du substrat mince par une couche relativement amorphe absorbant les contraintes et autorisant les glissements de maille provoqués par les dislocations. L'ensemble des deux substrats accolés est de préférence réalisé en rendant solidaires l'un de l'autre deux substrats différents, et en usinant celui qui doit constituer le substrat cristallin très mince jusqu'à lui donner l'épaisseur désirée. La solidarisation se fait de préférence par phénomène d'adhérence moléculaire entre les surfaces parfaitement polies et planes des deux substrats. Le polissage se fait bien entendu après formation de la couche d'absorption sur l'un des substrats (du moins dans le cas général où une couche d'absorption est nécessaire). Après solidarisation des substrats, on amincit beaucoup le substrat qui doit porter la couche active, et on dépose par épitaxie cette couche active sur le substrat aminci. En résumé, on propose selon l'invention un procédé de fabrication de structure semiconductrice, dans lequel on fait croître épitaxialement une couche semiconductrice active de GalnAs sur un substrat cristallin très mince d'lnP, caractérisé en ce qu'on prépare ledit substrat cristallin sous forme d'un premier substrat épais d'lnP (S1), on prépare un deuxième substrat épais (S2), on solidarise les deux substrats, on usine le premier substrat jusqu'à lui donner une épaisseur très fine, et on dépose la couche active (CA) sur ce premier substrat aminci, I'épaisseur du substrat aminci étant telle que les dislocations cristallines qui se produisent lors de la croissance de la couche active se forment dans le substrat aminci plutôt que dans la couche active, la liaison de solidarisation entre le deuxième substrat épais et le substrat aminci étant par ailleurs telle que le deuxième substrat épais n'impose pas au substrat aminci une maille cristalline déterminée qui tendrait à empêcher ces dislocations dans le substrat aminci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente les principales étapes du procédé de fabrication selon l'invention; - la figure 2 représente la structure qui en résulte. Les principales étapes de fabrication du dispositif semiconducteur selon l'invention sont représentées à la figure 1. On réalise séparément deux substrats différents (figure la). L'un, S1, est en lnP. II a un paramètre de maille proche de celui d'une couche active semiconductrice de GalnAs qu'on désire déposer ultérieurement pour y former un détecteur infrarouge. L'autre, S2, est un substrat quelconque dont la fonction principale est d'assurer la tenue mécanique lors des manipulations en cours de fabrication. II doit être en un matériau compatible avec InP en ce sens que les coefficients de dilatation thermique de ces deux matériaux doivent être assez proches, et que les différentes étapes du procédé décrit doivent pouvoir être réalisées. Le matériau du substrat S2 peut être InP comme le substrat S1. II pourrait cependant être en silicium pour réduire les coûts. Un substrat bien adapté serait le silicium sur saphir (SOS pour "silicon on sapphire") qui est directement épitaxiable. Dans cette hypothèse on peut d'ailleurs envisager la croissance d'îlots d'lnP sur le substrat de silicium. Au cours du procédé de fabrication, on devra accoler les substrats l'un à l'autre de préférence sans utilisation d'adjuvant de collage car les colles ne tiendraient pas les températures de traitement lors des étapes ultérieures, notamment les étapes de croissance épitaxiales, de diffusion d'impuretés, d'oxydation thermique, etc. Pour cela on utilisera de préférence l'un des deux procédés suivants : soudage en présence de champ électrique, ou adhérence moléculaire directe. La solidarisation de deux substrats par adhérence moléculaire consiste simplement à polir très finement les surfaces planes à accoler. Si les surfaces polies ont des rugosités de quelques dizaines de plans atomiques et sont très propres, les liaisons cristallines restées libres en surface des deux substrats peuvent se reformer à l'interface lorsque les deux surfaces sont accolées. L'efficacité de cet effet dépend de l'affinité des espèces chimiques en présence et est activée par traitement thermique. L'adhérence moléculaire est un collage très fort. Avant d'accoler les substrats, il sera nécessaire de former sur leurs surfaces des couches tampon qui auront deux rôles : d'une part permettre l'adhérence moléculaire, et d'autre part permettre un glissement entre les deux substrats. Le glissement ne se fera pas à l'interface collé par adhérence moléculaire mais aux interfaces entre ces couches d'adhérence et les substrats. On forme donc une couche tampon sur chacun des substrats. La couche tampon absorbera les contraintes lors de la croissance épitaxiale de la couche active, afin que le substrat S2 n'impose pas son paramètre de maille au substrat S1 lorsque le substrat S1 tend à subir des dislocations de structure cristalline. La figure I b représente le substrat S2 avec une couche tampon 10, par exemple en silice (Si02) ou alumine (Al203). Le matériau choisi pour la couche tampon doit être compatible avec le substrat S2 au point de vue de la dilatation thermique. II doit être suffisamment amorphe pour établir le moins de liaisons cristallines possibles avec le substrat, et il doit pouvoir être poli pour l'adhérence moléculaire. L'alumine est préférable car elle a un coefficient thermique mieux adapté que la silice à celui du substrat lnP. D'autre part, la silice établit en partie des liaisons avec le cristal InP, alors que l'alumine ne le fait pratiquement pas. Cependant, si le substrat S2 est en silicium, la silice est particulièrement appropriée pour la couche tampon.On peut imaginer que des structures multicouches peuvent être utilisées pour la couche tampon si on veut mieux satisfaire toutes les exigences indiquées. La préparation du substrat S2 peut consister seulement dans le dépôt de la couche tampon 10 et son polissage en vue de l'opération de collage par adhérence moléculaire. Une couche tampon analogue sera également réalisée sur le substrat S1 pour permettre l'adhérence moléculaire entre deux couches de même matériau. Le substrat S1 est de préférence préparé avec des étapes de dépôt épitaxial pour faciliter ultérieurement son amincissement jusqu'à une épaisseur bien contrôlée. En effet, si on se contentait de coller le substrat S1 sur le substrat S2 et d'amincir ensuite S1 par usinage chimique ou mécanique, on aurait beaucoup de mal à déterminer à quel moment il faut arrêter l'usinage. De préférence, on dépose donc successivement (figure 1c) une couche épitaxiale 12 du même matériau que le substrat S1 (InP), pour parfaire l'état monocristallin de la surface du substrat S1; puis on dépose une couche d'arrêt d'attaque chimique 14; ensuite, on dépose une couche épitaxiale CS1 d'lnP , d'épaisseur égale à l'épaisseur finale de substrat cristallin très mince désiré dans la structure (quelques milliers d'angströms de préférence). C'est en effet cette couche CS1 qui constituera le substrat cristallin très mince de la structure finale. La couche d'arrêt d'attaque chimique 14 est autant que possible une couche cristalline très semblable en structure et en paramètre de maille à celle de la couche CS1, de manière que la croissance épitaxiale de la couche CSî soit possible sur la couche 14. Les produits d'attaque chimique du substrat S1 ne doivent pas attaquer la couche d'arrêt et les produits d'attaque de la couche d'arrêt ne doivent pas attaquer la couche CS1. La couche d'arrêt 14 peut être en InGaAs, ou InAIAs. Enfin, après dépôt de la couche CS1, on dépose la couche tampon 10, en alumine ou silice, correspondant à la couche 10 du substrat S2. Les deux substrats, S2 d'une part, S1 avec ses couches 12, 14 et CS1 d'autre part, tous deux revêtus de la couche tampon ou couche d'adhérence 10, sont alors solidarisés l'un avec l'autre, de préférence par simple adhérence moléculaire (avec traitement thermique). Après solidarisation des substrats S1 et S2 on usine la partie arrière du substrat S1 jusqu'à la couche d'arrêt 14 avec une substance d'attaque (Hcl:H20) qui n'affecte pas ou peu la couche 14 (figure Id). Puis on enlève la couche d'arrêt 14 à l'aide d'une autre composition d'attaque qui n'affecte pas la couche CS1 (H2S04:H202:H20, ou solution aqueuse d'acide citrique pour une couche d'arrêt en InGaAs). Subsiste alors la structure suivante proposée selon l'invention : un substrat cristallin CS1 très mince subsiste, résidu de l'usinage du substrat S1, de maille proche de la maille d'une couche cristalline active CA qu'on souhaite déposer sur ce substrat. Le substrat résiduel CS1 est accolé à un substrat épais S2 et séparé de lui par une couche tampon 10 ayant peu de liens cristallins avec le substrat S2, de sorte que le substrat S2 ne tend pas à imposer sa structurer de maille et ses dimensions de maille au substrat CS1. On peut alors déposer par épitaxie la couche active CA d'lnGaAs (figure 2). Ultérieurement on fera les opérations (diffusions, implantations, oxydations, dépôts de couches isolantes, résistives, conductrices ou semiconductrices, etc.) nécessaires à la réalisation de composants utiles dans la couche active CA et au dessus de cette couche. Les phénomènes de dislocation mis en jeu dans la croissance de la couche active peuvent être expliqués de la manière suivante, par exemple dans le cas d'une couche active de Ga0,21n0,8As sur substrat lnP. La croissance épitaxiale de la couche active produit des contraintes entre le substrat et la couche puisque les paramètres de maille ne sont pas identiques. La contrainte est en tension pour le substrat InP et en compression pour la couche active, ce qui est favorable car la résistance des couches en compression est en général meilleure qu'en tension. Cette contrainte croît à mesure que l'épaisseur de couche active déposée croît. Dans le cas de l'art antérieur, il se passait le phénomène suivant : lorsque l'épaisseur atteinte par la couche active était telle que les contraintes dépassaient la résistance aux dislocations de cette couche active, des dislocations étaient créées, endommageant la couche active. Puis, la couche active continuait à croître, des contraintes croissaient à nouveau, et lorsque le seuil était à nouveau dépassé, de nouvelles dislocations se produisaient. Ici, on choisit l'épaisseur du substrat mince suffisamment faible pour que des dislocations se produisent dans ce substrat alors que les contraintes ne sont pas encore suffisantes pour disloquer la couche active, et ceci pendant toute la croissance de la couche active. On pourrait en effet tracer des courbes de croissance des contraintes dans le substrat mince en fonction de l'épaisseur de la couche active, et des courbes de croissance des contraintes dans la couche active en fonction de cette même épaisseur; pour les contraintes dans le substrat, on peut repérer sur ces courbes les seuils au delà desquels il y a des dislocations du substrat : les seuils dépendent de l'épaisseur de ce premier; pour les contraintes dans la couche active, on peut aussi repérer des seuils de contrainte au delà desquels il y a dislocation de la couche. Le seuils dépendent aussi de l'épaisseur de la couche active. II suffit alors de choisir l'épaisseur du substrat mince de telle manière que les seuils de dislocation dans le substrat soient dépassés avant les seuils de dislocation de la couche active, et ceci d'un bout à l'autre de la croissance de la couche active. L'expérience montre qu'une épaisseur de substrat inférieure à 0,5 micromètre, de préférence de l'ordre de 0,1 à 0,2 micromètre, est appropriée. Cependant, ceci fonctionne à condition que le substrat mince n'ait pas une tenue à la dislocation renforcée par le substrat épais contre lequel il est accolé. En effet, si la maille cristalline du substrat épais imposait sa structure et son paramètre de maille au substrat mince, les dislocations du substrat mince seraient empêchées. La présence d'une couche tampon, de préférence amorphe, entre les deux substrats est une manière d'empêcher cet accroissement de la résistance du substrat mince aux dislocations. Les couches cristallines du substrat mince peuvent alors glisser, lors des dislocations, sur la couche tampon. La couche tampon ne crée en effet que peu de liens de nature cristalline avec le substrat mince avec lequel elle est en contact. Dans certains cas, on pourra améliorer l'efficacité du concept en précontraignant le substrat mince (en extension). Ceci pourra être obtenu par un choix judicieux de la nature des couches d'adhérence 10 : le coefficient de dilatation thermique différentiel entre la couche d'adhérence et la couche CS1 crée une contrainte. On peut aussi jouer sur la température à laquelle s'effectue l'adhérence moléculaire, les deux substrats S1 et S2 pouvant être à des températures différentes lors de l'opération de liaison. REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge formé dans une couche semiconductrice (CA) de GalnAs réalisée par croissance épitaxiale sur un substrat cristallin en InP, caractérisé en ce que le substrat cristallin (CS1) a une épaisseur très faible et est adossé à un autre substrat (S2) beaucoup plus épais qui n'impose pas un paramètre de maille déterminé au substrat cristallin très mince. 2. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat mince d'lnP est choisie telle que les dislocations cristallines dues à la croissance de la couche active d'lnGaAs sur le substrat mince d'lnP soient créées dans le substrat mince avant d'être créées dans la couche active. 3. Détecteur infrarouge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le substrat épais est cristallin et une couche (10) absorbant les contraintes existant entre les deux substrats est interposée entre ces derniers. 4. Détecteur infrarouge selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche absorbant les contraintes est une couche de matériau amorphe. 5. Détecteur infrarouge selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le substrat épais est réalisé dans le même matériau que le substrat mince. 6. Détecteur infrrouge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche active est en GaxinyAs, avec x égal à environ 0,2 et y égal à environ 0,8. 7. Détecteur infrarouge selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat épais est en InP, une couche d'oxyde de silicium ou d'oxyde d'aluminium étant interposée entre le substrat mince et le substrat épais. 8. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat épais est en silicium, et une couche d'oxyde de silicium est interposée entre le substrat mince et le substrat épais. 9. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat mince est inférieure à 5000 angströms, et de préférence de l'ordre de 1000 à 2000 Angströms. 10. Procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge, dans lequel on fait croître épitaxialement une couche semiconductrice active (CA) d'lnGaAs sur un substrat cristallin (CS1) en InP, caractérisé en ce qu'on prépare ledit substrat cristallin sous forme d'un premier substrat épais (S1, CS1), on prépare un deuxième substrat épais (S2), on solidarise les deux substrats, on usine le premier substrat jusqu'à lui donner une épaisseur très fine, et on dépose la couche active (CA) sur ce premier substrat aminci, I'épaisseur du substrat aminci (CS1) étant telle que les dislocations cristallines qui se produisent lors de la croissance de la couche active se forment dans le substrat aminci plutôt que dans la couche active, la liaison de solidarisation entre le deuxième substrat épais et le substrat aminci étant par ailleurs telle que le deuxième substrat épais n'impose pas au substrat aminci une maille cristalline déterminée qui tendrait à empêcher ces dislocations dans le substrat aminci. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le deuxième substrat épais est solidarisé avec le premier substrat par polissage des faces destinées à être accolées, et mises en contact par adhérence moléculaire sans adjuvant de collage. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le premier substrat est préparé de la manière suivante : dépôt épitaxial sur un substrat provisoire (S1) d'lnP d'une première couche monocristalline (12) d'lnP, puis dépôt d'une couche d'arrêt d'attaque chimique (14), également cristalline, dépôt d'une couche cristalline finale (CS1) en InP, et d'une couche tampon, et enfin polissage de la surface du substrat provisoire ainsi revêtu. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le deuxième substrat épais (S2) est préparé de la manière suivante : dépôt d'une couche tampon (10) en matériau amorphe sur ce substrat épais, et polissage de la surface du substrat ainsi revêtu.