Brevet FR2894989A1 — publié le 20070622

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT COMPOSITE ET SUBSTRAT COMPOSITE SELON LEDIT PROCEDE La presente invention concerne un procede de fabrication d'un substrat composite comportant un substrat support et une couche en un materiau binaire, ledit procede comprenant le transfert d'une couche dudit materiau binaire sur un substrat support egalement appele substrat receveur. On precise qu'on entend par transfert ('operation consistant a transferer sur un substrat receveur une couche plus ou moins epaisse de materiau, provenant d'un substrat dit donneur D. Lors de ce transfert, la couche a transferer est typiquement mise en contact intime avec le receveur en vue d'effectuer un collage. L'invention concerne egalement un substrat composite obtenu suivant un procede tel que mentionne ci-dessus. On precise qu'on designe dans ce texte par substrat composite > un substrat comprenant au moins deux couches de materiaux. On precise egalement que les substrats obtenus par !'invention sont notamment destines a Ia realisation de composants electroniques tels que des diodes electroluminescentes ou des diodes lasers par exemple. Par exemple, pour la realisation de composants electroniques, it est connu d'utiliser des substrats composites comprenant une couche de materiau binaire tel que le GaN, sur un support en un materiau tel que le saphir. Un materiau binaire tel que le GaN se presente classiquement sous une forme polaire, avec une orientation particuliere des mailles cristallines du materiau. Cette orientation se traduit aux deux surfaces du substrat par une asymetrie : une des deux faces sera dite face Ga D, alors que I'autre face, opposee, est dite face N D. II est connu que la croissance de couche active de composants electroniques sur du materiau GaN polaire oriente selon I'axe c est plus facile a realiser avec une bonne qualite en partant d'une face dite Ga que d'une face dite N. Ceci implique donc certaines contraintes pour la realisation de substrats composites comprenant une couche transferee de GaN polaire. II existe essentiellement deux types de procede de transfert permettant d'obtenir de tels substrats. Un premier type de procede connu consiste a prelever une couche mince de GaN, a partir de la face arriere N d'un substrat donneur de GaN, en vue du 5 transfert de cette couche sur un substrat receveur. Un tel procede connu met en ceuvre un collage de la face arriere de la couche de GaN, car on desire que le substrat composite final obtenu presente comme face avant une face de GaN qui correspond a sa face Ga D. Le transfert peut notamment etre realise par un procede de type Smart-CutTM 10 (dont on trouvera une description generale par exemple dans la publication Silicon-On-Insulator Technology : Materials to VLSI, 2nd Edition de Jean-Pierre Colinge chez Kluwer Academic Publishers D, p.50 et 51). Dans ce cas, le prelevement de la couche de GaN implique une implantation au travers de la face arriere du substrat donneur. 15 Quel que soft la technique de transfert retenue, it est necessaire de preparer Ia face arriere du substrat donneur de GaN avant de proceder au collage avec le substrat receveur. En effet, une face N d'une couche de GaN necessite des traitements en vue notamment de reduire sa rugosite avant un collage avec une autre surface. 20 Cette preparation constitue ainsi une operation specifique, qui correspond a un coat. Un deuxieme type de procede connu ne necessite pas un tel traitement de la face arriere. Dans ce deuxieme type de procede, on procede a un transfert d'une couche 25 d'un materiau tel que le GaN, en collant la face avant (face Ga) d'un substrat donneur de ce materiau sur un substrat intermediaire. La face avant d'une couche de GaN ne necessite pas des traitements aussi lourds que ceux devant etre appliques a une face arriere du meme materiau, en vue de son collage. 30 A ('issue de ce premier collage, on conserve sur le substrat intermediaire une epaisseur souhaitee du materiau binaire tel que le GaN (par exemple en mettant en ceuvre une technique de type Smart-CutTM) On obtient ainsi un substrat composite intermediaire, dont la face exposee correspond a Ia face arriere N de la couche de GaN. Cependant, cette face N n'est pas la face que I'on desire en face avant du substrat composite. A ('issue de ce premier transfert, on realise donc un deuxieme transfert de la couche de materiau binaire tel que le GaN, du premier receveur sur un substrat receveur. Ce deuxieme transfert peut ici encore etre realise par une technique Smart-CutTM ou par un amincissement du substrat intermediaire On obtient ainsi un substrat composite dont la face exposee est du type 10 Ga sans recourir a un traitement contraignant d'une face arriere N d'une couche de GaN, en vue de permettre son collage. Mais ce deuxieme type de procede connu necessite de realiser un transfert sur un substrat intermediaire, ce qui greve le coat de fabrication du substrat composite. 15 II apparait ainsi que les precedes connus pour obtenir par un ou plusieurs transferts un substrat composite comportant une couche de materiau binaire tel que le GaN sont associes a differents inconvenients. Le but de !'invention est de permettre de s'affranchir de ces inconvenients en limitant le nombre d'operations necessaires a la realisation d'un tel substrat 20 composite. A cet effet, et conformement a !'invention, it est propose un procede de fabrication d'un substrat composite comportant un substrat support et une couche en un materiau binaire ou ternaire, ledit procede comprenant le transfert d'une couche dite utile dudit materiau binaire ou ternaire sur un support receveur dit 25 substrat support, remarquable en ce que ledit materiau binaire ou ternaire est un materiau non cubique, semi-polaire ou non polaire. Ledit materiau binaire ou ternaire est, de preference, un compose nitrure. Par ailleurs, ledit support receveur presente avantageusement un coefficient de dilatation thermique sensiblement egal au coefficient de dilatation thermique du 30 materiau binaire ou ternaire. Le coefficient de dilatation thermique du support receveur est, de preference, isotrope et compris entre 0,6 fois et 1,6 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau semi-polaire ou non polaire. Selon une variante d'execution du procede conforme a !'invention, la couche utile du materiau semi-polaire ou non polaire est obtenue par le retrait d'une couche mince de la face avant d'un substrat massif d'un materiau semi-polaire ou non polaire. Selon une autre variante d'execution du procede suivant !'invention, la couche utile du materiau semi-polaire ou non polaire est obtenue par au moins la succession des etapes suivantes de : epitaxie d'une couche dudit materiau semi-polaire ou non polaire sur un substrat presentant une structure cristalline adaptee a la croissance d'un materiau semi-polaire ou non polaire. retrait de la couche utile dudit materiau forme par la couche. Un autre objet de I'invention concerne un substrat composite pour la realisation de composants electroniques ou analogues comportant un substrat support dit support receveur et une couche dite utile en un materiau binaire ou ternaire caracterise en ce que ledit materiau binaire ou ternaire est un materiau non cubique, semi-polaire ou non polaire. Ledit materiau binaire ou ternaire est, de preference, un compose nitrure. Par ailleurs, ledit support receveur presente un coefficient de dilatation thermique sensiblement egal au coefficient de dilatation thermique du materiau binaire ou ternaire. Le coefficient de dilatation thermique du support receveur est, de preference, compris entre 0,6 fois et 1,6 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau semi-polaire ou non polaire. Par ailleurs, le materiau semi-polaire ou non polaire est choisi parmi la liste 25 des materiaux suivants : GaN plan A ou plan m, Saphir plan R ou plan m, SiC plan a ou plan m, LiAIXOY et MgAlxOy. D'autres avantages et caracteristiques ressortiront mieux de la description de plusieurs variantes d'execution, donnees a titre d'exemples non limitatifs, du procede de realisation d'un substrat composite et du substrat composite obtenu 30 suivant ledit procede, en reference aux dessins annexes sur lesquels : la figure 1 represente schematiquement des etapes d'un exemple de mise en oeuvre du procede conforme a ('invention, Ia figure 2 represente schematiquement des etapes d'un autre exemple de mise en oeuvre du procede conforme a ['invention, En reference a Ia figure 1, le procede conforme a ('invention comporte une etape de depot d'une couche dite donneuse 1' de nature semi-polaire ou non polaire par epitaxie 100 sur un substrat support d'epitaxie 2. On entend par couche donneuse 1', la couche dont est issue la couche utile 1 transferee sur un support receveur comme it sera detaille plus loin. On obtient une structure intermediaire 3 constituee d'un substrat support d'epitaxie 2 inferieur et d'une couche donneuse 1'. Le support d'epitaxie 2 et les parametres d'epitaxie 100 sont choisis de telle maniere que la couche donneuse 1' obtenue par epitaxie soit un materiau non polaire ou semi-polaire. Le support d'epitaxie 2 consiste par exemple en du saphir plan r ou du saphir plan m qui permet d'obtenir une couche donneuse 1' epitaxiee de GaN non polaire 15 ou semi-polaire. Ledit support d'epitaxie 2 peut egalement titre choisi parmi la Iiste des materiaux suivants : GaN plan a ou m, SiC plan a ou m, LiAl OY et MgAIxOy. On observera que le support d'epitaxie 2 presente une structure cristalline adaptee a la formation d'une couche donneuse 1' d'un materiau binaire non 20 polaire ou semi polaire. Par ailleurs, on notera que I'interet d'utiliser un materiau semi-polaire ou non polaire reside dans le fait que ce type de materiau ne presente pas de polarite de surface et permet ainsi une reprise epitaxiale quelque soit la face du materiau presentee 25 Le transfert de tout ou partie de la couche donneuse 1' dite couche utile 1 sur un support receveur 5 s'effectue par une etape 200 d'implantation de la structure intermediaire 3 suivie du collage de la couche donneuse 1' sur !edit support receveur 5. L'etape d'implantation 200 consiste a implanter une ou plusieurs especes 30 atomiques a une profondeur determinee de la couche donneuse 1' de la structure intermediaire 3 pour y former une zone de fragilisation 4 en vue d'appliquer un transfert par Smart CutT"". La couche donneuse 1' de la structure intermediaire 3 est ensuite collee sur le substrat receveur 5. Dans cet exemple de realisation particulier du procede conforme a ('invention, la couche donneuse 1' est collee sur le support receveur 5 au moyen d'une interface de collage 6 deposee sur la surface du support receveur 5. Cette interface de collage 6 consiste en une couche d'isolant, tel que du SiO2, du Si3N4, etc... ou en une couche d'un materiau conducteur, selon les futures applications du substrat final. Cette interface de collage 6 peut, par exemple, titre comprise dans la liste 10 comportant : les couches organiques, comme les polyimides, les interfaces metalliques, les interfaces isolantes telle qu'une couche d'oxyde de silicium, et la formation de couche de scellement telles que Pd2Si, WSi2, SiAu et 15 Pdln. On detache ensuite, dans une etape 300, tout ou partie de la couche donneuse 1' au niveau de la zone de fragilisation 4 pour transferer la couche utile 1 sur le support receveur 5. L'eetape 200 d'implantation d'especes atomiques et de detachement 300 de la 20 couche donneuse 1 correspond au procede du type Smart Cut TM. Ce procede consiste en une implantation d'ions ou d'especes gazeuses depuis la face superieure de la couche donneuse 1' de fagon a y former la zone enterree de fragilisation 4. Par ailleurs, le detachement 300 de la couche utile s'effectue par une fracture 25 dans la zone de fragilisation 4 menant au detachement de ladite couche utile 1. Neanmoins, it va de soi que le detachement de la couche utile 1 peut titre obtenu par tout autre moyen bien connu de I'homme du metier comme par exemple par amincissement du substrat support d'epitaxie 2 suivant un procede de type BESOI par exemple. 30 Le support receveur 5 est obtenu dans un materiau dont le coefficient de dilation thermique (CTE) est compris entre 0,6 et 1,6 fois le CTE du materiau non polaire ou semi-polaire de la couche utile 1. De preference, le support receveur 5 est obtenu dans un materiau aux proprietes thermo-m&caniques anisotropes dans le plan de collage et la couche utile 1 est obtenue dans un materiau non polaire ou semi-polaire aux proprietes thermomecaniques isotropes dans le plan de collage. Ledit materiau semi-polaire ou non polaire est choisi parmi la liste des materiaux suivants : GaN plan a ou m, Saphir plan a ou plan r, SiC mono-cristallin plan a ou m, LiAlxOy et MgAlxOy et le support receveur 5 est obtenu dans un materiau choisi parmi la liste des materiaux suivants : Saphir plan c et SiC plan c monocristallin ou SiC poly-cristallin, AIN plan c monocristallin ou AIN polycristallin, ou GaN plan c. Ainsi, lors des eventuels traitements thermiques que subira la structure, la couche utile 1 et le support receveur 5 se dilateront sensiblement de la meme maniere meme s'ils ont des proprietes thermomecaniques differentes selon leur orientation cristalline tout en ayant des CTE proches. On observera, par ailleurs, que des structures peuvent etre enterr&es dans la interface de collage 6 du substrat composite obtenu selon le procede. Selon une variante d'execution du procede conforme a ('invention, en reference a la figure 2, on obtient une couche dite utile 1 par transfert d'une couche mince provenant de la face avant d'un substrat massif 7 d'un materiau non polaire ou semi-polaire, sur un support receveur 5. L'etape de transfert de la couche utile 1 comporte une &tape d'implantation d'une ou de plusieurs especes atomiques 200 a une profondeur determinee du substrat massif 7 pour y former une zone de fragilisation 4. Le collage de la couche utile 1 sur le support receveur 5 s'effectue par un collage de la couche superficielle du substrat massif 7 sur le support receveur 5. Ce collage met en contact intime la couche implantee dite couche utile 1 du substrat massif 7 avec le support receveur 5 pour les assembler. Dans cet exemple de realisation particulier du procede conforme a !'invention, le substrat massif 7 est colle sur le support receveur 5 au moyen d'une interface de collage 6 deposee sur la surface du support receveur 5. Par la suite, on detache, dans une &tape 300, une couche mince au niveau de la zone de fragilisation 4 pour former la couche utile 1. L'etape 200 d'implantation d'especes atomiques et de detachement 300 de la couche utile 1 correspond de preference a un procede du type Smart Cut TM Le detachement de la couche utile 1 peut etre obtenu par tout autre moyen bien connu de I'homme du metier comme par exemple par amincissement du substrat massif 7 selon un procede de type BESOT. De la meme maniere que precedemment, le support receveur 5 est obtenu dans un materiau dont le coefficient de dilation thermique (CTE) est compris entre 0,6 et 1,6 fois le CTE du materiau non polaire ou semi-polaire de la couche utile 1 dans toute la gamme de temperature des procedes consideres. De plus, le support receveur 5 est obtenu dans un materiau aux proprietes thermo-mecaniques anisotropes dans le plan de collage et la couche utile 1 est obtenue dans un materiau non polaire ou semi-polaire isotrope aux proprietes thermomecaniques isotropes dans le plan de collage. On obtient grace a Ia mise en oeuvre de ce procede, un substrat final dont la difference de CTE entre la couche utile 1 et le substrat receveur 5 est plus faible que celle existant au niveau de la structure 3, c'est-a-dire la difference de CTE entre la couche donneuse 1' et le support d'epitaxie 2. La structure ainsi obtenue permet alors la realisation sur la couche utile d'une epitaxie de tres bonne qualite. On decrira ci-apres deux exemples particuliers mais non limitatifs de realisation d'un substrat, obtenu suivant I'invention, en reference a la figure 1. Exemple 1 : Selon cet exemple, on realise une epitaxie d'une couche donneuse 1' en GaN plan a dont le coefficient de dilatation thermique est de I'ordre de 6.1 0.8 x 10-6 a 1000 C sur un support d'epitaxie 2 en saphir plan c avec un CTE moyen de 8.30 0.1 x 10"6, selon toutes les directions du plan de collage, a une temperature de 1000 C. On observera que le substrat support d'epitaxie 2 peut etre en Saphir plan r, le CTE du Saphir plan r etant d'environ 8.69 0. 4 x 10-6 , en fonction de la direction cristalline du plan de collage consideree, a une temperature de 1000 C. On realise ensuite une zone de fragilisation 4 par implantation 200 d'especes atomiques a une profondeur determinee de la couche donneusel'. Cette couche donneuse 1' en GaN plan a est ensuite collee, au moyen d'une interface de collage 6 en oxyde, sur un support receveur 5 obtenu dans du saphir plan C dont le CTE est de I'ordre de 8.30 0.1 x 10"6 a une temperature de 1000 C On detache alors dans une etape 300 ladite couche utile 1 de la couche donneuse 1' pour former le substrat final. On notera ainsi que le coefficient de dilatation thermique du support receveur 5 est globalement egal a 1.36 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau semi-polaire ou non polaire dans lequel est obtenu la couche utile 1. Par ailleurs, on observera que, pour former la couche donneuse 1', it est preferable de realiser une epitaxie de GaN non polaire ou semi-polaire sur un substrat obtenu dans un materiau dont le coefficient de dilatation thermique (CTE) est globalement egal au CTE d'un Saphir plan c plutot qu'a celui d'un Saphir plan r ou m. Exemple 2 : Selon ce second exemple, on part d'un substrat massif 7 en saphir plan r (donc anisotrope) dont le coefficient de dilatation thermique est de I'ordre de 8.72 0.5 x 10-6, en fonction de la direction cristalline du plan de collage consideree, a une temperature de 1000 C. On realise ensuite une zone de fragilisation 4 par implantation 200 d'especes atomiques a une profondeur determinee dans le substrat massif 7 correspondant a I'epaisseur de la couche utile 1 que I'on veut transferer sur le support receveur 5. La surface implantee dite couche utile du substrat massif 7 est collee, au moyen d'une interface de collage 6 en oxyde deposee sur un support receveur 5 isotrope obtenu dans du saphir plan c dont le coefficient de dilatation thermique est de I'ordre de 8.30 0.1 x 10"6, selon toutes les directions du plan de collage, a une temperature de 1000 C. On detache alors dans une etape 300 ladite couche utile 1 du substrat massif 7 pour former la structure finale. On notera ainsi que le coefficient de dilatation thermique du support receveur 5 est globalement egal au coefficient de dilatation thermique du materiau semipolaire ou non polaire de la couche utile, ledit coefficient de dilatation thermique du support receveur 5 etant egal a 1.01 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau de la couche utile 1. De plus, le CTE de cette structure est alors isotrope dans le plan parallele a la surface du substrat, ce qui n'est pas le cas du substrat 7 d'origine. Enfin, it est bien evident que les exemples que I'on vient de decrire ne sont en aucun cas limitatifs quant aux domaines d'application de ('invention. REVENDICATIONS 1. Procede de fabrication d'un substrat composite comportant un substrat support et une couche en un materiau binaire ou ternaire, ledit procede comprenant le transfert d'une couche dite utile (1) dudit materiau binaire ou ternaire sur un support receveur (5) dit substrat support, caracterise en ce que ledit materiau binaire ou ternaire est un materiau non cubique, semi-polaire ou non polaire. 2. Procede selon la revendication 1 caracterise en ce ledit materiau binaire ou ternaire est un compose nitrure. 3. Procede selon rune quelconque des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que ledit support receveur (5) presente un coefficient de dilatation thermique sensiblement egal au coefficient de dilatation thermique du materiau binaire ou ternaire. 4. Procede suivant la revendication 3 caracterise en ce que le coefficient de dilatation thermique du support receveur (5) est isotrope et compris entre 0,6 fois et 1,6 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau semipolaire ou non polaire. 5. Procede suivant rune quelconque des revendications 1 a 4 caracterise en ce que la couche utile (1) d'un materiau semi-polaire ou non polaire est obtenue par le retrait d'une couche mince de la face avant d'un substrat massif (7) d'un materiau semi-polaire ou non polaire. 6. Procede suivant rune quelconque des revendications 1 a 4 caracterise en ce que la couche utile d'un materiau semi-polaire ou non polaire est 25 obtenue par au moins la succession des etapes suivantes de : - epitaxie d'une couche (1'), dite couche donneuse, dudit materiau semipolaire ou non polaire sur un substrat (2) presentant une structure cristalline adaptee a la croissance d'un materiau semi-polaire ou non polaire. 30 - retrait de la couche utile (1) dudit materiau forme par la couche (1'). 7. Procede suivant la revendication 5 ou 6 caracterise en ce que I'etape de retrait de la couche utile (1) de materiau semi-polaire ou non polaire est obtenue par au moins la succession des etapes suivantes de : 12 implantation d'ions ou d'especes gazeuses depuis la face superieure du substrat massif (7) ou de la couche donneuse (1') de facon a y former une zone enterree de fragilisation (4), fracture dans la zone de fragilisation (4) menant au detachement de ladite couche utile (1). 8. Procede suivant rune quelconque des revendications 1 a 7 caracterise en ce que le materiau semi-polaire ou non polaire est choisi parmi la liste des materiaux suivants : GaN plan m ou plan a, Saphir plan a ou plan r, SiC mono-cristallin plan a ou m, LiAlxOy et MgAlxOy. 9. Procede suivant rune quelconque des revendications 1 a 8 caracterise en ce que le support receveur (5) est obtenu dans un materiau choisi parmi la liste des materiaux suivants : Saphir plan C et SiC plan C mono- GaN plan c, AIN plan c, AIN poly-cristallin ou SiC poly-cristallin. 10. Procede suivant rune quelconque des revendications precedentes caracterise en ce que I'etape de report de ladite couche utile (1) sur le support receveur (5) est obtenue par ('application d'une interface de collage (6) sur la surface de la couche utile (1) et/ou sur le support receveur (5). 11. Procede suivant la revendication 10 caracterise en ce que le collage est obtenu par ('utilisation d'une interface de collage comprise dans la Iiste 20 comportant : les couches isolantes telles que le SiO2, le Si3N4, les couches organiques, comme les polyimides, les interfaces metalliques, tel qu'une couche d'oxyde, et Ia formation de couches de scellement telles que Pd2Si, WSi2, SiAu et 25 Pdln. 12. Substrat composite pour la realisation de composants electroniques ou analogues comportant un substrat support dit support receveur (5) et une couche dite utile (1) en un materiau binaire ou ternaire caracterise en ce que ledit materiau binaire ou ternaire est un materiau non cubique, semi-polaire ou 30 non polaire. 13. Substrat suivant la revendication 12 caracterise en ce que ledit materiau binaire ou ternaire est un compose nitrure. 13 14. Substrat suivant rune quelconque des revendications 12 ou 13 caracterise en ce que !edit support receveur (5) presente un coefficient de dilatation thermique sensiblement egal au coefficient de dilatation thermique du materiau binaire ou ternaire. 15. Substrat suivant la revendication 14 caracterise en ce que le coefficient de dilatation thermique du support receveur (5) est compris entre 0,6 fois et 1,6 fois le coefficient de dilatation thermique du materiau semi-polaire ou non polaire. 16. Substrat suivant rune quelconque des revendications 12 a 15 caracterise en ce que le materiau semi-polaire ou non polaire est choisi parmi la Iiste des materiaux suivants : GaN plan A ou plan m, Saphir plan R ou plan m, SiC plan a ou plan m, LiAl Oy et MgAlxOy. 17. Substrat suivant rune quelconque des revendications 12 a 16 caracterise en ce que le support receveur (5) est obtenu dans un materiau choisi parmi la liste des materiaux suivants : Saphir plan c et SiC plan c mono-, GaN plan c AIN pain c, AIN poly- cristallin ou SiC poly-cristallin. 18. Substrat suivant rune quelconque des revendications 12 a 17 caracterise en ce qu'il comporte une interface de collage (6) entre la couche utile (1) et le support receveur (5). 19. Substrat suivant la revendication 18 caracterise en ce que !'interface de collage (6) est comprise dans la liste comportant : - les couches isolantes telles que le SiO2, le Si3N4, - les couches organiques, comme Ies polyimides, les interfaces metalliques, tel qu'une couche d'oxyde, et la formation de couches de scellement telles que Pd2Si, WSi2, SiAu et Pdln.