Brevet FR2857502A1 — publié le 20050114

Domaine technique et art antérieur L'invention concerne le domaine des substrats utilisés notamment en microélectronique ou en optoélectronique, tels que par exemple les substrats de silicium, ou de carbure de silicium. Dans ce domaine, des substrats doivent fréquemment être assemblés. Ces substrats n'ont cependant pas nécessairement les mêmes propriétés, notamment du point de vue thermique. Il en résulte des problèmes de contraintes, en tension ou en compression, lorsque l'assemblage est soumis à des phases de montée et/ou de descente en température, parfois sur des amplitudes de l'ordre de 1000 C. L'un et/ou l'autre de ces substrats peut être endommagé (par exemple par apparition de fissures) sous l'effet de ces contraintes, ou être tout simplement détruit. De tels assemblages sont par exemple GaAs (arséniure de Gallium) 20 - Si, Saphir - silicium, Germanium silicium (SiGe), Silicium - Quartz, ou nitrure de Gallium (GaN) - Silicium. L'un des substrats peut aussi être un assemblage de couches, ou même être réduit à une couche ou à un film. Il se pose donc un problème d'assemblage de deux substrats, ou d'un substrat et d'une couche ou d'un substrat et d'un ensemble de couches, de coefficients de dilatation thermique différents, l'ensemble pouvant éventuellement être soumis à des excursions en température sur une gamme assez large, de l'ordre de 1000 C ou plus. Exposé de l'invention L'invention concerne une structure assemblée d'un premier et d'un deuxième substrats ayant respectivement une première et une deuxième face d'assemblage, des motifs étant formés ou réalisés ou gravés dans le deuxième substrat, à partir de sa surface d'assemblage et/ou à partir de la face de ce deuxième substrat opposée à la face d'assemblage. Les motifs réalisés dans l'une et/ou l'autre de ces faces confèrent une élasticité au substrat dans lequel ils sont réalisés, et ce dans un plan parallèle aux faces d'assemblage. Ce type de structure met donc en oeuvre des moyens mécaniques ou un système mécanique (obtenu par exemple par gravure ou réalisation de motifs) permettant d'absorber les contraintes thermoélastiques générées à l'interface d'assemblage. Les deux substrats peuvent ainsi avoir des coefficients de dilatation thermique différents, par exemple d'au moins 10% à température ambiante. Par exemple, l'un des substrats est en silicium, quartz, saphir, carbure de silicium ou verre, l'autre en arséniure de gallium, saphir, siliciumgermanium (SiGe), phosphore d'indium, nitrure d'aluminium ou carbure de silicium. Le premier substrat peut être sous la forme d'une ou de plusieurs couche(s) mince(s), par exemple chacune d'épaisseur comprise entre 0,1 pm et 2 pm. La structure peut être de type SOI, avec une couche de silicium, une couche d'oxyde ou d'isolant, et un substrat. L'invention concerne aussi un procédé d'assemblage d'un premier substrat et d'un deuxième substrat ayant respectivement une première et une deuxième face d'assemblage, des motifs étant préalablement réalisés dans le deuxième substrat. Ces motifs présentent une élasticité ou sont flexibles ou confèrent un élasticité au substrat dans lequel ils sont réalisés, et ce dans un plan parallèle aux faces d'assemblage des deux substrats. L'ensemble des deux substrats peut être soumis à une étape de montée puis de descente en température, les motifs gravés permettant d'absorber les contraintes mécaniques générées lors de la montée ou de la descente en température. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un film d'un premier matériau sur un substrat d'un deuxième matériau, comportant: l'assemblage, tel que ci-dessus, d'un premier substrat, constitué 35 du premier matériau, et d'un deuxième substrat, constitué du deuxième matériau, 2857502 3 - la séparation ou la fracture d'une partie de l'un des substrats, pour laisser un film sur l'autre substrat. Brève description des figures - les figures 1A, 1B, 1C et 2 représentent des modes de réalisation de l'invention, - les figures 3A et 3B, ainsi que 4A et 4B représentent des étapes 10 de deux variantes d'une technique de fracture de substrats. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention Un aspect de l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1A. Il concerne l'assemblage de deux substrats 40, 42, qui peuvent être de coefficients de dilatation thermique co et c2 différents, par exemple un substrat en quartz (coefficient de dilatation 5.10-' K-1) ou en AsGa (coefficient de dilatation 6.10-6 K-1) et un substrat en silicium (coefficient de dilatation 2,5.10-6 K-1). Le germanium (coefficient de dilatation 6.10-6 K1), l'alumine (AI203, coefficient de dilatation 7.10-6 K"1) et le carbure de silicium SiC (coefficient de dilatation 4,5.10-6 K-1) sont d'autres exemples de matériaux possibles. La différence de coefficient de dilatation thermique entre les substrats 40 et 42 (en fait: la différence relative /co c21/co ou Ic0 c2 I/c2) s'apprécie de préférence à température ambiante, à environ 20 C ou 25 C: elle est d'au moins 10%, ou d'au moins 20% à 30% à température ambiante. Chaque substrat 40, 42 peut avoir une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de pm, par exemple comprise entre 100 pm et 1 mm. Dans l'un des substrats (ici le substrat 42) est réalisée une couche 45 d'accommodation élastique, en présentant une certaine élasticité au moins dans un plan xy, parallèle à sa face d'assemblage 43 avec le substrat 40. Cette couche peut être obtenue par gravure, par exemple par gravure ionique, en surface ou à partir de la surface 43. Peuvent ainsi être 2857502 4 réalisés des plots, ou des tranchées, ou tout autre motif géométrique de préférence périodique. Ces motifs présentent une élasticité ou sont flexibles dans un plan parallèle au plan d'interface des deux substrats 40, 42. L'élasticité résultante peut être calculée par application de la théorie classique des poutres. Est ainsi constitué un système mécanique d'éléments absorbeurs, ou des moyens d'absorption mécanique des contraintes. Selon une variante, illustrée en figure 1B, une couche d'accommodation élastique 49 peut être formée en face arrière 47 du substrat 42, ce qui permet d'éviter les éventuels problèmes d'adhérence entre le substrat 40 et le substrat 42 qui peuvent apparaître dans la configuration de la figure 1A. Cette variante permet aussi d'absorber les contraintes. Selon encore une variante, illustrée en figure 1C, des entailles 51, telles que par exemple des traits de scie sont réalisés dans le substrat 42, d'un côté et/ou de l'autre du substrat, délimitant des tranches dans ce substrat. Là encore on obtient un effet d'absorption des contraintes. Les motifs gravés ou creusés se répètent de préférence selon une périodicité bidimensionnelle ou selon une dimension comme sur les figures 1A 1C. Par exemple, des tranchées de profondeur p=10pm, de largeur I=1pm et espacées de e=lpm sont creusées dans le substrat 42 de façon à générer un tel système d'absorption mécanique. Les deux substrats 40, 42 sont assemblés face 43 contre face 41. Dans le cas de la figure 1A, si l'assemblage est obtenu par adhésion moléculaire du substrat ou de la couche 40 sur le substrat 42, le fait de réaliser un collage sur un substrat avec des tranchées peut modifier l'étape de collage, notamment parce que la surface mise en contact peut être sensiblement réduite (d'environ 50% par exemple). Aussi, de préférence, dans le cas de surfaces fortement gravées (donc avec une faible surface de contact ou une surface de contact très réduite) , on pourra optimiser la répartition des tranchées ou des plots de manière à permettre un collage spontané. A cette fin, on peut jouer sur les paramètres géométriques des motifs, par exemple la largeur et/ou la périodicité. 2857502 5 Afin d'obtenir un substrat gravé et de pouvoir conserver une surface de collage plane, il est possible de boucher, partiellement ou complètement, la surface du substrat avant collage. Même un bouchage complet sur toute la profondeur des tranchées ou des motifs gravés permet de conserver un effet d'absorption des contraintes. Ainsi, selon un exemple, si la surface est en silicium, on peut réaliser une étape de lissage de la surface du substrat 42 sous flux d'hydrogène pour refermer partiellement ou complètement les trous de gravure par migration d'atomes de silicium, comme illustré sur la figure 2, où la référence 48 indique le remplissage de la tranchée, par ce silicium, réalisé sur une certaine hauteur h. Ou bien, selon un autre exemple, on effectue un dépôt non conforme (par un oxyde par exemple) qui va boucher en surface les tranchées. Ce dépôt peut être réalisé par un procédé de remplissage de type isolation par tranchée ou remplissage STI (abréviation de Shallow Trench Isolation ) non optimisé. Un tel procédé est par exemple décrit dans A highly manufacturable Corner Rounding solution for 0,18 pm Shallow Trench Isolation , C.P. Chang et al. ; IEDM 97 661. Une fois l'assemblage réalisé, on dispose d'un élément permettant d'absorber les contraintes par mouvement et/ou déformation des poutres ou plots ou des parois des tranchées ou des tranchées délimitées par les entailles, sous l'effet de la contrainte thermoélastique. Lors de l'assemblage des deux substrats 40, 42, ou lors de tout traitement ultérieur des deux substrats assemblés, des phases de montée en température ont lieu. Toute variation de comportement d'une des deux surfaces ou d'un des deux substrats par rapport à l'autre surface ou à l'autre substrat, variation due à la différence des coefficients de dilatation thermique, est alors au moins partiellement compensée par un mouvement des plots ou motifs ou des tranchées réalisés dans le substrat gravé 42. Ainsi, toute montée ou descente en température va entraîner des dilatations différentes des deux substrats 40, 42 et un mouvement des motifs ou des tranchées dans un plan xy parallèle à celui des substrats. C'est notamment le cas lorsque les deux substrats sont assemblés en vue de la réalisation d'une fracture de l'un des substrats. Ce type de 2857502 6 procédé est aussi connu sous la dénomination smart-cut (ou de fracture de substrat). Des étapes d'un procédé de fracture vont être décrites en liaison avec les figures 3A et 3B. Selon une première étape (figure 3A), une implantation ionique ou atomique est réalisée dans un substrat 80, formant une mince couche 87 qui s'étend sensiblement parallèlement à la surface 81 du substrat 80. En fait est ainsi formée une couche ou un plan ou une zone de fragilisation ou de fracture délimitant dans le volume du substrat 80 une région inférieure 85 destinée à constituer un film mince et une région supérieure 84 constituant la masse du substrat 80. Cette implantation est en général une implantation d'hydrogène, mais peut aussi être faite à l'aide d'autres espèces, ou encore avec une co-implantation hydrogène/hélium. Les deux substrats 80 et 82 ainsi préparés sont ensuite assemblés, face 83 contre face 81, par une technique de type "wafer bonding" (assemblage de tranches par toute technique connue dans le domaine de la microélectronique) ou par contact de type adhérent (par exemple par adhésion moléculaire) ou par collage. On pourra se reporter, en ce qui concerne ces techniques, à l'ouvrage de Q.Y. Tong et U. Gdsele Semiconductor Wafer Bonding , (Science and Technology), Wiley Interscience Publications. Une partie 84 du substrat 80 est ensuite éliminée par un traitement thermique ou mécanique permettant de provoquer une fracture le long du plan de fragilisation 87. Un exemple de cette technique est décrit dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al Why can Smart Cut change the future of microelectronics ? , paru dans International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 10, N 1, 2000, P.131-146. La structure obtenue est celle de la figure 3B. Il peut être souhaitable, pour renforcer l'interface de collage ou d'assemblage entre le substrat 82 (ou sa face 83) et la couche mince 85 (ou la face de contact 81), d'effectuer une montée en température pouvant atteindre environ 1000 C. Lors de ces différentes montées en température, la structure de motifs gravés dans le substrat 82, et notamment leur flexibilité ou leur 35 élasticité, permet de compenser ou d'absorber les contraintes et les 2857502 7 différences de variations dues à d'éventuelles différences entre les coefficients de dilatation thermique des deux substrats 80, 82. Ceci peut également s'appliquer à un film 85 constitué d'un ensemble de films superposés. Autrement dit, cet aspect de l'invention concerne non seulement un système substrat - substrat ou monocouche sur substrat, tel que celui décrit ci-dessus, mais tout système multicouche mettant en oeuvre un dépôt des couches sur un substrat. La formation d'un plan de fragilisation peut être obtenue par d'autres méthodes que par l'implantation d'ions. Ainsi, il est aussi possible de réaliser une couche de silicium poreux, comme décrit dans l'article de K. Sataguchi et al. ELTRAN by Splitting Porous Si layers", Proceedings of the 9th International Symposium on Silicon-on-Insulator Tech. and Device, 99-3, the Electrochemical Society, Seattle, p. 117-121 (1999). D'autres techniques encore permettent de réaliser un amincissement des substrats sans mettre en oeuvre une implantation d'ions et sans créer de plan de fragilisation: il s'agit des techniques de polissage ou de gravure. Une variante de ce procédé est représentée en figures 4A et 4B. Des références identiques à celles de la figure 3A, auxquelles une dizaine est ajoutée, désignent des éléments similaires ou correspondants. Une structure de motifs gravés est réalisée dans le substrat 90 destiné à donner une couche mince 95 au deuxième substrat 92. Les techniques de préparation du plan de fragilisation, et d'assemblage des deux substrats sont identiques à celles décrites ci-25 dessus en liaison avec les figures 3A et 3B. Dans la structure finale (figure 4B) les motifs n'apparaissent pas, à la différence de la figure 3B. La plaque ou le substrat 90 peut ensuite être recyclée, par exemple pour un transfert d'un nouveau film mince sur un autre substrat. Ceci permet de ne réaliser qu'une seule opération de gravure de motifs pour plusieurs opérations de transfert. 8 REVENDICATIONS 1. Structure assemblée d'un premier et d'un deuxième substrats (40, 42) ayant respectivement un premier coefficient de dilatation thermique, et un deuxième coefficient de dilatation thermique, différent du premier, et ayant respectivement une première et une deuxième face d'assemblage (41, 43), des motifs étant formés dans le deuxième substrat (42), ces motifs présentant une élasticité ou étant flexibles dans un plan parallèle aux première et deuxième faces d'assemblage. 2. Structure selon la revendication 1, des motifs étant gravés dans le deuxième substrat à partir de la surface d'assemblage. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, des motifs étant gravés dans le deuxième substrat à partir de la face opposée (47) à la surface d'assemblage (43). 4. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, les motifs gravés à 20 partir de la surface d'assemblage (43) du deuxième substrat étant au moins partiellement bouchés en surface. 5. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, les motifs étant en forme de plots ou de tranchées ou de traits de scie. 6. Structure selon l'une des revendications 1 à 5, les deux substrats ayant des coefficients de dilatation thermique différents d'au moins 10% à température ambiante. 7. Structure selon l'une des revendications 1 à 6, le deuxième substrat étant constitué d'un des matériau suivants: silicium, quartz, saphir, carbure de silicium ou verre. 8. Structure selon l'une des revendications 1 à 7, le premier substrat étant constitué d'un des matériau suivants: arséniure de gallium, saphir, 2857502 9 germanium, nitrure de gallium, silicium, silicium-germanium (SiGe), phosphore d'indium, nitrure d'aluminium ou carbure de silicium. 9. Structure selon l'une des revendications 1 à 8, le premier substrat 5 étant sous la forme d'une couche mince (85) ou de plusieurs couches minces (54, 56, 62, 64, 70). 10. Structure selon la revendication 9, chaque couche mince ayant une épaisseur comprise entre 0,lpm et 2pm. 11. Procédé d'assemblage d'un premier et d'un deuxième substrat (40, 42, 80, 82) ayant respectivement un premier coefficient de dilatation thermique, et un deuxième coefficient de dilatation thermique, différent du premier, et ayant respectivement une première et une deuxième face d'assemblage (41, 43, 83), des motifs étant préalablement formés dans le deuxième substrat (42, 82), ces motifs présentant une élasticité ou étant flexibles dans un plan parallèle aux première et deuxième faces d'assemblage. 12. Procédé selon la revendication 11, les deux substrats ayant des coefficients de dilatation thermique différents. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, au cours duquel l'ensemble des deux substrats est soumis à une étape de montée en 25 température. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, les deux substrats étant assemblés par assemblage de tranches ou par contact moléculaire ou par collage. 15. Procédé de réalisation d'un film d'un premier matériau sur un substrat d'un deuxième matériau, comportant: - l'assemblage, selon l'une des revendications 11 à 14, d'un premier substrat (80), constitué du premier matériau, et d'un deuxième 35 substrat (82), constitué du deuxième matériau, 2857502 10 - la séparation d'une partie de l'un des substrats, ou l'amincissement de l'un des substrats, pour laisser un film (85) sur l'autre substrat. 16. Procédé selon la revendication 15, le premier substrat (80) comportant une zone (87) de fragilisation. 17. Procédé selon la revendication 15, le deuxième substrat (80) comportant une zone (87) de fragilisation. 18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, la zone de fragilisation étant réalisée par formation d'une couche poreuse. 19. Procédé selon la revendication 16 ou 17, la zone de fragilisation étant 15 réalisée par implantation d'ions dans le premier substrat. 20. Procédé selon la revendication 15, la séparation ou l'amincissement de l'un des substrats étant réalisée par polissage ou gravure.