Brevet FR2798224A1 — publié le 20010309

REALISATION D'UN COLLAGE ELECTRIQUEMENT CONDUCTEUR ENTRE DEUX ELEMENTS SEMI-CONDUCTEURS Domaine technique La présente invention concerne un procédé permettant la réalisation d'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi-conducteurs. Etat de la technique antérieure Le report d'un film mince de matériau semi conducteur sur un support est souvent utilisé dans le domaine de la microélectronique. C' le cas notamment pour les dispositifs élaborés sur GaAs pour lesquels il est préférable de disposer d'un substrat constitué d'un film mince de GaAS sur un support en silicium. Cette solution apporte plusieurs avantages Elle permet de réduire les coûts puisque le GaAs est un matériau cher par rapport au silicium. Elle permet de simplifier la mise en oeuvre puisque l'AsGa est fragile et donc délicat â manipuler. Elle permet aussi de réduire le poids des composants, ce qui est un paramètre important pour les applications spatiales, puisque le silicium est plus léger que le GaAs. Un tel report se fait de façon classique par collage par l'intermédiaire d'un oxyde, ce type de collage étant bien maîtrisé. Cependant, ce collage au moyen d'un oxyde présente la particularité d'isoler électriquement le film mince de son support. Or, pour certaines applications, il est nécessaire d'établir une conduction électrique verticale au travers du substrat. C'est le cas notamment des diodes élaborées sur un film de SiC formé sur un support en silicium et des cellules solaires réalisées par dépôt de GaAs sur du silicium. Par ailleurs, certains types de transistors (par exemple les transistors à base perméable ou à base métallique) nécessitent d'avoir une couche métallique enterrée sous la couche de semi-conducteur à partir de laquelle ils sont élaborés. Ce type de couche est difficile à réaliser et le collage conducteur est la solution la plus simple pour réaliser ce type de structure. Plusieurs solutions ont été proposées pour réaliser un collage conducteur de deux plaques silicium. On peut citer l'article "Buried Cobalt Silicide layers in Silicon Created by Wafer Bonding" K. LJUNGBERG et al., paru dans J. Electrochem. Soc. Vol. No 10, octobre 1994, pages 2829-2833 l'article "Low Température Silicon Wafer-to-Wafer Bonding with Nickel Silicide" de Zhi-Xiong Xiao et al. paru dans J. Electrochem. Soc., Vol. 145, No 4, avril 1998, pages 1360-1362. Toutes ces solutions consistent à former à partir d'un métal déposé sur les faces plaques a coller, un siliciure par réaction du métal et du matériau semi-conducteur. Ces solutions présentent deux inconvénients. D'une part, la formation siliciure consomme une partie du film semi-conducteur ce qui peut être un inconvénient dans le cas de films très minces. D'autres part, il y a diffusion du métal dans le semi-conducteur, ce qui a pour conséquence dégrader ses propriétés. C'est en particulier le cas si on utilise du nickel. De plus, les composés formés ne sont pas stables à haute température, ce qui limite possibilités de traitement thermique après réalisation du collage. Ces deux aspects peuvent être très importants si l'on désire, après le collage, effectuer une épitaxie qui peut mettre en oeuvre des températures élevées (de l'ordre de 1600 C dans le cas du SiC). Expose de l'invention Afin de remédier aux inconvénients cites ci-dessus, il est proposé selon la présente invention d'uti iser un collage par l'intermédiaire d'une ou plusieurs couches ne réagissant pas avec au moins l'un des deux matériaux semi-conducteurs à relier électriquement. L'invention a donc pour objet un procédé réalisation d'un collage électriquement conducteur entre une face d'un premier élément semi-conducteur une face d'un deuxième élément semi-conducteur au moyen d'un traitement thermique, caractérisé en ce qu'il consiste à - appliquer lesdites faces l'une contre l'autre avec interposition d'au moins une couche d'un matériau destiné à assurer, après traitement thermique, un collage électriquement conducteur entre les deux faces, des moyens étant prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction entre ledit matériau et au moins l'un des éléments semi conducteurs, - réaliser ledit traitement thermique. L'interposition peut consister à déposer au moins une couche d'un premier matériau sur ladite face du premier élément semi-conducteur et au moins une couche d'un deuxième matériau sur ladite face deuxieme élément semi-conducteur, ces couches déposées se combinant lors dudit traitement thermique pour constituer une couche unique. I1 peut alors être prévu une couche d'oxyde entre les couches des premier deuxieme matériaux, l'oxyde étant choisi pour réagir avec au moins l'un d'entre eux, les épaisseurs de couche d'oxyde et de la couche de matériau avec lequel l'oxyde réagit étant telles que l'oxyde formé se présente sous la forme de précipités isoles qui n'altèrent pas sensiblement le collage électriquement conducteur. Cette couche d'oxyde peut être déposée sur la couche premier matériau et/ou sur la couche de deuxième matériau par exemple par une méthode choisie parmi le dépôt sous vide et le dépôt de type sol gel. Pour améliorer le collage, les premier et deuxième éléments semi-conducteurs peuvent être pressés l'un contre l'autre lors du traitement thermique. Les moyens prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction résultent du fait que le premier matériau et le deuxième matériau peuvent être choisis pour réagir en phase sol lors du traitement thermique et former un mélange stable respectivement vis-à-vis d'au moins l'un des deux éléments semi-conducteurs. I1 peut s'agir d'un mélange de matériaux identiques. A titre d'exemple, le premier élément semi-conducteur est du SiC et le deuxième élément semi-conducteur est sic, l'interposition comprenant une couche de tungstène et une couche de silicium sur ladite face premier élément semi-conducteur et une couche de tungstène et une couche de silicium sur ladite face deuxième élément semi-conducteur, le mélange formé après le traitement thermique comprenant du WSiz. Les moyens prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction peuvent également comprendre une barrière de diffusion disposée entre au moins l'un des éléments semi-conducteurs et la couche de matériau qu'il supporte, ladite barrière de diffusion empêchant la formation d'un produit de réaction avec cet élément semi-conducteur. Selon un premier exemple, le premier élément semi-conducteur est SiC, sa barrière de diffusion est TiN et le premier matériau est Ti, le deuxième élément semi conducteur Si et le deuxième matériau est Ti. Selon un deuxième exemple, le premier élément semi conducteur GaAs, sa barrière de diffusion est choisie parmi WSiN et TiN et le premier matériau est Ti, le deuxième élément semi-conducteur est Si et le deuxième matériau est Ti. Si l'un des éléments semi-conducteurs est un film mince, le procédé peut comprendre une étape préliminaire consistant à définir ce film mince comme couche superficielle d'un substrat, destinée à être séparée du reste du substrat. Selon un premier exemple réalisation, lors de l'étape préliminaire, le substrat est formé par empilement d'un support, d'une couche sacrificielle et du film mince, la séparation du film mince du reste du substrat étant obtenue, après réalisation du collage, par dissolution de la couche sacrificielle. Selon un deuxième exemple de réalisation, lors de l'étape préliminaire, le film mince est délimité dans un substrat par une couche de microcavités obtenue par implantation ionique, la séparation du film mince du reste du substrat étant consécutive au traitement thermique de collage ou à un traitement thermique spécifique ou encore à l'application de forces mécaniques ou à la combinaison d' traitement thermique et de l'application de forces mécaniques. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise d'autres avantages et particularités apparaîtront à lecture la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée dessins annexés parmi lesquels - les figures 1A à 1D illustrent un premier exemple réalisation d'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi-conducteurs, selon le procède de l'invention, - les figures 2A à 2D illustrent un deuxième exemple de réalisation d'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi conducteurs, selon le procédé de l'invention, - les figures 3A à 3E illustrent un troisième exemple de réalisation d'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi conducteurs, selon le procédé de l'invention, - les figures 4A à 4D illustrent un quatrième exemple de réalisation d'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi conducteurs, selon le procédé de l'invention, - les figures 5A à 5D illustrent un cinquième exemple de réalisation 'un collage électriquement conducteur entre deux éléments semi conducteurs, selon le procédé de l'invention, - les figures 6A à 6D illustrent un sixième exemple réalisation d'un collage electriquement conducteur entre deux éléments semi-conducteurs, selon le procède de l'invention. Description détaillée de modes de realisation de l'invention L'invention propose de réaliser un collage par l'intermédiaire de couches qui ne réagissent pas avec l'un ou l'autre des éléments semi-conducteurs à relier électriquement. Deux approches la solution proposée peuvent être considérées. Selon une approche cinétique, on utilise des couches qui ne sont stables thermo-dynamiquement avec l'un ou l'autre des matériaux semi-conducteurs aux températures utilisées lors de la réalisation des dispositifs, et lors de leur utilisation, qu'après le traitement thermique de collage des deux éléments semi conducteurs. Par exemple, dans le cas du report de carbure de silicium sur du silicium, on peut utiliser les empilements suivants : élément en SiC/couche de W/couche de Si-couche Si/couche de W/SiC, le silicium pouvant être amorphe ou cristallin. Lors du traitement thermique, le tungstène réagit avec le silicium pour former du WSi2. Pour une structure SiC/W (épaisseur 0,1 um) /Si (épaisseur 0,25 um) - Si (épaisseur 0,25 um)/W(épaisseur 0,1 um)/SiC, on obtient SiC/WSi2/S'C. La réaction se produit à 650 C, en impliquant la réaction du silicium avec le tungstène, sans consommation du film mince de SiC et le système est stable à plus de 1600 C. Les figures 1A à 1D sont des vues transversales qui illustrent un premier exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour lequel le collage est réalisé selon une approche cinétique. La figure 1A montre une plaque 10 en SiC recouverte successivement d'une couche 11 de tungstène et d'une couche 15 de silicium. La figure 1B montre une plaque 12 de SiC recouverte successivement d'une couche 13 de tungstène et d'une couche 16 de silicium. La figure 1C montre l'association des structures représentées aux figures 1A et 1B, ces structures étant mises en contact par leurs couches 15 et 16. Après traitement thermique à 650 C, on obtient l'assemblage représenté à la figure 1D. La plaque 10 en SiC est reliée par un collage électriquement conducteur à la plaque 12 en SiC grâce à la couche intermédiaire 14 formée entre les deux plaques et comprenant du WSi2. Selon une approche utilisant une barrière de diffusion, on interpose entre un élément semi conducteur et la couche de collage qu'il supporte, qui normalement réagirait au contact du semi-conducteur lors du traitement thermique, une couche supplémentaire qui ne reagit pas avec le semi-conducteur. Par exemple pour un collage électriquement conducteur entre plaque SiC et une plaque de Si, on peut réaliser l'empilement suivant SiC/TiN/Ti - Ti/Si. Pour collage entre une plaque de GaAs et une plaque de silicium on peut réaliser les empilements suivants GaAs/WSiN/Ti - Ti/Si GaAs/TiN/Ti - Ti/Si. Dans le cas d'un empilement GaAs/WSiN (épaisseur 0,2 um)/Ti(épaisseur 0,1 um)-Ti(épaisseur 0,1 /Si, on obtient une structure GaAs/WSiN//TiSi2/Si. La réaction se produit à 650 C en impliquant la réaction du silicium avec le titane. Le WSiN ne réagit ni avec le GaAs ni avec le titane empêche diffusion du titane vers le GaAs. Le système est stable jusqu'à 1330 C (limité par la formation d' eutectique entre TiSi2 et Si à cette température). Les couches de TiN ou de WSiN, interposées entre titane et le GaAs ou le SiC, évitent la réaction du titane avec le semi-conducteur et diffusion dans celui-ci. Les figures 2A à 2D sont des transversales qui illustrent un deuxième exemple mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour lequel le collage est réalisé selon une approche barrière diffusion. La figure 2A montre une plaque 20 en SiC recouverte d'une couche 21 de TiN de 0,1 um d'épaisseur formant barrière de diffusion elle-même recouverte d'une couche 22 de titane de 0,1 um d'épaisseur. La figure 2B montre une plaque 23 de silicium recouverte d'une couche 24 de Ti de 0,1 um d'épaisseur. La figure 2C montre l'association des structures représentées aux figures 2A et 2B, ces structures étant mises en contact par leurs couches 22 et 24. Après traitement thermique, on obtient l'assemblage représenté à la figure 2D. La plaque 20 de sic est reliée par un collage électriquement conducteur à la plaque 23 en silicium grâce la couche intermédiaire 26 comprenant du TiSi2 ou un mélange de TiSi2 et de Ti. La réaction se produit à 650 C en impliquant la réaction du silicium avec le titane sans consommation du film mince de SiC et le système est stable jusqu'à 1330 C (limité par la formation d'un eutectique entre TiSi2 et Si à cette température). Un tel collage électriquement conducteur peut etre utilisé pour coller un film mince semi conducteur sur un support semi-conducteur. Afin d'obtenir ce film mince on peut réduire 'épaisseur de l'une des deux plaques collées. Ceci présente deux inconvenients majeurs. D'une part il est difficile d'obtenir un film mince homogène en épaisseur et, d'autre part, il y a perte du reste de plaque semi conductrice fournissant ce film. La présente invention permet également de remédier à ces inconvénients. Une première solution met en oeuvre une couche sacrificielle. Une seconde solution met oeuvre une méthode de clivage après implantation ionique. Les figures 3A à 3E sont des vues transversales qui illustrent la réalisation d'un collage électriquement conducteur, selon approche cinétique, entre une plaque semi-conductrice de SiC et un film mince en SiC obtenu par dissolution d'une couche sacrificielle. La figure 3A montre une plaque 30 en silicium recouverte d'une couche 31 d'oxyde ou de nitrure de silicium qui servira de couche sacrificielle. La couche sacrificielle 31 est recouverte successivement d'une couche 32 en SiC, qui fournira le film mince, 'une couche 33 de tungstène et d'une couche 37 de silicium. La figure 3B montre une plaque 34 de SiC recouverte d'une couche 35 en tungstène et d'une couche 38 en silicium. La figure 3C montre l'association structures représentées aux figures 3A et 3B, ces structures étant mises en contact par leurs couches 37 et 8. Après traitement thermique à 650 C, on obtient l'assemblage représenté à la figure 3D. La couche 32 en est reliée par un collage électriquement conducteur à la plaque 34 en SiC grâce à la couche intermédiaire 36 constituée de WSi2. La couche sacrificielle est ensuite dissoute par une technique connue de l'homme de l'art. On obtient d'une part la structure représentée à la figure 3E, c'est-à- dire un film mince de SiC collé par une liaison électrique à un support en SiC, et d'autre part une plaque de silicium réutilisable. Selon une variante de réalisation, la plaque 34 peut être en silicium. Les figures 4A à 4D sont des vues transversales qui illustrent la réalisation d'un collage électriquement conducteur, selon une approche barrière de diffusion, entre une plaque semi conductrice de silicium un film mince en SiC obtenu par dissolution d'une couche sacrificielle. La figure 4A montre une plaque 40 silicium recouverte d'une couche 41 d'oxyde ou de nitrure de silicium qui servira de couche sacrificielle. La couche sacrificielle 41 est recouverte successivement d'une couche 42 en SiC, qui fournira le film mince, d'une couche 43 en TiN servant de barrière de diffusion et d'une couche 44 de titane. La figure 4B montre une plaque 45 de silicium recouverte d'une couche 47 de titane. La figure 4C montre l'association des structures représentées aux figures et 4B, ces structures étant mises contact par leurs couches 44 et 47. Après traitement thermique et dissolution de la couche sacrificielle, obtient la structure représentée à la figure 4D où la référence 48 représente une couche comprenant du TiSi2 du TiSi2 et du titane. Les figures 5A à 5D sont des vues transversales qui illustrent la réalisation d'un collage électriquement conducteur, selon approche cinétique entre une plaque semi-conductrice de SiC et un film mince en SiC obtenu par clivage après implantation ionique. La figure 5A montre une plaque 50 en SiC dans laquelle une couche 51 de microcavités a été engendrée par implantation ionique, au travers de l'une faces de la plaque 50, selon la technique divulguée par le document FR-A-2 681 472. Une couche 52 de tungstène et une couche 57 de silicium ont été successivement déposées sur la face implantée de la plaque 50. La figure 5B montre une plaque 53 de SiC recouverte d'une couche 54 en tungstène et d'une couche 58 en silicium. La figure 5C montre l'association des structures représentées aux figures 5A et 5B, ces structures étant mises en contact par leurs couches 57 et 58. Après traitement thermique, on obtient l'assemblage représenté à la figure 5D. Le traitement thermique a provoqué le clivage de la plaque 50 le long de la couche de microcavités. Il subsiste un film mince 55 de SiC relié par un collage électriquement conducteur à la plaque 53 en SiC grâce à la couche intermédiaire 56 comprenant du WSi2. Le reste de la plaque 50 peut alors être réutilisé. Les figures 6A à 6D sont des vues transversales qui illustrent la réalisation d'un collage électriquement conducteur, selon une approche barrière de diffusion, entre une plaque semi- conductrice de silicium et un film mince en SiC obtenu par clivage après implantation ionique. La figure 6A montre une plaque 60 en SiC dans laquelle une couche 61 de microcavités a été engendrée par implantation ionique au travers de l'une des faces de la plaque 60, selon technique divulguée par le document FR- 2 681 472. Une couche 62 de TiN a été déposée sur face implantée de la plaque 60 pour servir de barrière de diffusion. Une couche 63 de titane a ensuite été déposée sur la couche 62. La figure 6B montre une plaque 64 en silicium recouverte d'une couche 66 de titane. La figure 6C montre l'association des structures représentées aux figures 6A et 6B, ces structures étant mises en contact par leurs couches 63 et 66. Le traitement thermique a provoqué le clivage de la plaque 60 le long de la couche de microcavités. I1 subsiste un film mince 67 de SiC relié par un collage électriquement conducteur à la plaque 64 en silicium grâce à la couche intermédiaire 68 comprenant du TiSi2 ou du TiSi2 et du titane. Le reste de la plaque 60 peut alors être réutilisé. De façon avantageuse, afin d'améliorer le collage on peut appliquer une pression entre les structures assemblées. On peut aussi, conjointement ou non, utiliser une fine couche d'oxyde sur la surface d'au moins l'une des structures pour diminuer la press' nécessaire pour le collage, voire l'annuler. Cette couche d'oxyde doit être suffisamment fine (quelques angstrôms) et apte à interagir avec au moins l'un des matériaux de collage pour former à l'issue du procédé des précipités qui ne feront pas obstacle à la conduction électrique. Lors du traitement thermique, la fine couche d'oxyde réagit avec le métal qui lui est présenté, si celui-ci est suffisamment électropositif, pour former des oxydes métalliques qui se présentent sous la forme de précipités isolés. C'est particulier le cas du titane qui réagit avec l'oxyde Si02 pour former Ti02 en libérant du silicium. Ainsi, empilement SiC/Si02 (de 0,01 um d'épaisseur) -Si02 (de 0,01 um d'épaisseur)/Ti (de 0,1 um d'épaisseur) fournit la structure SiC/ (TiSi2 + TiO,) /Si. La réaction se produit à 1000 C, en impliquant la réaction silicium avec le titane et la réduction du Si02 par le titane sans consommation du film mince de SiC. Le Si02 doit être mince pour que le Ti02 ne forme pas de couche continue. Le système est stable jusqu'à 1330 C (limité par formation d'un eutectique entre TiSi2 et Si à cette température). REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un collage électriquement conducteur entre une face d'un premier élément semi-conducteur (10,20,32,42,55,67) et une face d'un deuxieme élément semi-conducteur (12, 23, 34 45, 53, 64) au moyen d'un traitement thermique, caractérisé en ce qu'' consiste à - appliquer lesdites faces l'une contre l'autre avec interposition d'au moins une couche (11, 13, 15, 16 ; 21, 22, 24 ; 33, 35, 37, 38 ; 43, 44, 47 ; 52, 54, 57, 58 ; 63, 66) d'un matériau destiné à assurer, après traitement thermique, un lage électriquement conducteur entre les deux faces des moyens étant prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction entre ledit matériau et au moins l'un des éléments semi conducteurs, - réaliser ledit traitement thermique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite interposition consiste à déposer au moins une couche d'un premier matériau sur ladite face du premier élément semi-conducteur au moins une couche d'un deuxième matériau sur ladite face du deuxième élément semi-conducteur, ces couches déposées se combinant lors dudit traitement thermique pour constituer une couche unique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu une couche d'oxyde entre les couches des premier et deuxième matériaux, l'oxyde étant choisi pour réagir avec au moins l'un d'entre eux, les épaisseurs de la couche d'oxyde et de la couche de matériau avec lequel l'oxyde réagit étant telles que l'oxyde formé se présente sous la forme de précipités isolés n'altèrent pas sensiblement le collage électriquement conducteur. 4. Procède selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche d'oxyde est déposée sur la couche de premier matériau et/ou sur la couche de deuxième matériau. 5. Procède selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième éléments semi-conducteurs sont pressés l'un contre l'autre lors du traitement thermique. 6. Procedé selon l'une quelconque des revendications 2 à caractérisé en ce que les moyens prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction résultent du fait que le premier matériau (11, 15, 37, 52, 57) et le deuxième matériau (13, 16, 5 38, 54, 58) sont choisis pour réagir en phase sol lors du traitement thermique et former un mélange stable respectivement vis-à-vis du premier (10, 32, et du deuxième (12, 34, 53) élément semi-conducteur. 7. Procède selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier élément semi conducteur est du et le deuxième élément semi conducteur est du SiC, l'interposition comprenant une couche de tungstène et une couche de silicium sur ladite face du premier élément semi-conducteur et une couche de tungstène et une couche de silicium sur ladite face du deuxième élément semi-conducteur, le mélange formé après traitement thermique comprenant du WSi2. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que les moyens prévus pour que le traitement thermique n'induise pas de produit de réaction comprennent une barrière de diffusion (21, 43, ) disposée entre au moins l'un des éléments semi-conducteurs et la couche de matériau qu'il supporte, ladite barrière de diffusion empêchant la formation d'un produit de réaction avec cet élément semi-conducteur. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, le premier élément semi conducteur est SiC, sa barrière de diffusion est TiN et le premier matériau est Ti, le deuxième élément semi conducteur est Si et le deuxième matériau est Ti. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier élément semi conducteur est AsGa, sa barrière de diffusion est choisie parmi WSiN et TiN et le premier matériau est Ti, le deuxième élément semi-conducteur est Si et le deuxième matériau est Ti. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'un des élements semi-conducteurs étant un film mince (32, 42, 55 67), le procédé comprend une étape préliminaire consistant à définir ce film mince comme couche superficielle d'un substrat, destinée à être séparée du reste substrat. 12. Procédé selon la revendication 11, caracterisé en ce que, lors de l'étape préliminaire, le substrat est formé par empilement d'un support (3 , 40), 'une couche sacrificielle (31, 41) et du film mince , 42), la séparation du film mince du reste substrat étant obtenue, après réalisation du collage par dissolution de la couche sacrificielle (31, 41). 13. Procédé selon la revendication 11 caracterisé en ce que, lors de l'étape préliminaire, film mince est délimité dans un substrat (50, 60) par une couche de microcavités (51, 61) obtenue par implantation ionique, la séparation du film mince du reste du substrat étant consécutive au traitement thermique de lape ou à un traitement thermique spécifique ou encore à l'application de forces mécaniques ou la combinaison d'un traitement thermique et de l'application de forces mécaniques.