Brevet FR3022684A1 — publié le 20151225

Dispositif à membrane à base de germanium sous contrainte L'invention concerne un dispositif optique et/ou électronique comprenant une membrane à base de germanium mise sous tension. Elle concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel dispositif. Il est connu que l'application d'une contrainte dans un cristal de germanium permet de modifier sa structure électronique et sa structure physique. Notamment, sa déformation permet de le rendre semi- conducteur à gap direct et de modifier sa sensibilité et son émission optiques vers les grandes longueurs d'onde supérieures à son gap direct non déformé, de 1.55 pm. Des applications de ces phénomènes ont été tentées, reposant sur une membrane de germanium suspendue mise sous tension par des bras. Toutefois, les méthodes existantes restent limitées car elles présentent tout ou partie des inconvénients suivants : - Elles exercent des contraintes trop élevées lors du procédé de fabrication de la membrane de germanium, ce qui limite l'intensité de la tension accessible pour éviter la rupture de la membrane ; - Elles exercent des tensions inhomogènes, formant des points faibles dans la membrane, ce qui limite aussi l'intensité de la tension maximale applicable et induit un comportement inhomogène nuisible à certaines applications. Ainsi, un objet général de l'invention est donc de proposer une solution pour former un dispositif comprenant du germanium sous tension, qui ne présente pas tout ou partie des inconvénients des solutions existantes. A cet effet, l'invention repose sur un dispositif optique et/ou électronique 30 comprenant une membrane à base de germanium suspendue, 3022684 2 comprenant une zone active mise en tension par des bras de traction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bras de traction comprenant des côtés latéraux non parallèles, dont la largeur augmente en s'éloignant de la zone active. 5 Le dispositif optique et/ou électronique peut comprendre au moins un bras de traction dont les côtés latéraux forment un angle obtus avec la zone active au niveau de la frontière entre le bras de traction et la zone active. 10 II peut comprendre au moins un bras de traction de forme trapézoïdale. Tous les bras de traction peuvent présenter une même forme et être répartis de manière régulière autour de la zone active. 15 Le dispositif optique et/ou électronique peut comprendre au moins trois bras de traction. Il peut comprendre une zone active sensiblement polygonale, notamment formant un polygone régulier, dont le nombre de côtés est un multiple du 20 nombre de bras de traction. Il peut comprendre des liaisons arrondies au niveau de la périphérie de la zone active reliant deux bras de traction. 25 Le dispositif optique et/ou électronique peut être une diode, un transistor, un dispositif luminescent, un laser, un photodétecteur, un substrat. Le dispositif optique et/ou électronique peut être un dispositif optique qui comprend un premier miroir sous la membrane à base de germanium et/ou un second miroir au-dessus. 3022684 3 L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un dispositif optique et/ou électronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 5 - gravure d'une couche à base de germanium pour former au moins un bras de traction comprenant des côtés latéraux non parallèles, dont la largeur augmente en s'éloignant d'une zone active ; - gravure d'une couche sacrificielle sous la couche à base de germanium pour obtenir une membrane à base de germanium suspendue 10 comprenant la zone active et le au moins un bras de traction. L'étape de gravure de la couche sacrificielle peut s'étendre progressivement du centre de la membrane, au niveau de la zone active, jusqu'au bord extérieur des bras de traction. 15 Le procédé de fabrication d'un dispositif optique et/ou électronique peut comprendre une étape de dépôt d'une couche réfléchissante pour former un miroir, notamment d'aluminium, sous la membrane et/ou une seconde étape de dépôt d'une couche réfléchissante pour former un miroir sur la 20 membrane. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi 25 lesquelles : Les figures la à ld représentent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'une structure à germanium sous tension selon un premier mode de réalisation de l'invention. 30 3022684 4 Les figures 2a à 2d représentent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'une structure à germanium sous tension selon un second mode de réalisation de l'invention. 5 Les figures 3a à 3d représentent schématiquement en vue de dessus des membranes de germanium sous tension de dispositifs selon plusieurs variantes du mode de réalisation de l'invention. La figure 4 représente en vue de dessus une membrane de germanium 10 sous tension d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. Les figures 5a et 5b représentent des niveaux de déformation obtenus respectivement sur une membrane selon un premier exemple de réalisation de l'invention et sur une membrane hors de l'invention. 15 La figure 6 représente des niveaux de déformation obtenus sur une membrane selon un autre exemple de réalisation de l'invention. Les figures 7a à 7g représentent différentes étapes de fabrication d'un 20 laser intégrant des membranes de germanium selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 8 représente la structure d'un laser selon un mode de réalisation de l'invention. 25 La figure 1 a représente une vue schématique de côté en coupe d'une structure 1 réalisée en première phase d'un procédé de fabrication d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention. Cette structure 1 comprend une couche supérieure 2 d'oxyde de silicium, très 30 fine, par exemple de quelques nanomètres à 100 nm, qui recouvre une 3022684 5 couche 3 en germanium, d'épaisseur de l'ordre de 100 nm à quelques microns. Elle comprend ensuite une couche 4 d'oxyde de silicium, d'épaisseur de l'ordre de 1 pm. Le tout est agencé sur un substrat 5 de silicium. 5 La figure 1 b représente le résultat obtenu après une première étape consistant à lithographier des dessins sur la première couche supérieure 2 en utilisant par exemple une résine négative, avant de graver l'oxyde de silicium par exemple par gravure à l'argon. Il en résulte une couche 10 supérieure 2 formant un masque dur, comprenant des ouvertures 2' traversantes. La figure 1 c représente la structure après une étape de gravure du germanium, réalisée par exemple par une technique connue par son 15 acronyme RIE, pour la terminologie anglo-saxonne de Reactive Ion Etching. Cette étape de gravure reproduit dans la couche 3 de germanium les dessins formés dans la couche supérieure 2, pour former des ouvertures 3' traversantes dans la couche de germanium superposées aux ouvertures 2' de la couche supérieure 2. 20 La figure 1 d représente la structure finale obtenue après une gravure de la couche 4 d'oxyde de silicium disposée sous le germanium, par exemple par gravure HF en phase vapeur ou liquide jusqu'à libération de la membrane, c'est-à-dire que la gravure est stoppée quand elle atteint 25 latéralement la base des bras de traction. Il en résulte une membrane 20 de germanium suspendue au-dessus d'une cavité 44 formée dans la couche 4 d'oxyde de silicium, au-dessus du substrat 5 de silicium. La couche 4 d'oxyde de silicium sert donc ici de couche sacrificielle, et suite à son retrait par gravure, la membrane 20 de germanium se retrouve 3022684 6 automatiquement sous tension, par les propriétés intrinsèques de la structure résultante. La figure 2a représente une vue schématique en coupe de côté d'une 5 structure 11 réalisée en première phase d'un procédé de fabrication d'un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention. Cette structure 11 comprend de même une couche supérieure 12 d'oxyde de silicium, qui recouvre une couche 13 en Germanium, elle-même directement épitaxée sur un substrat 15 de silicium. 10 La figure 2b représente le résultat obtenu après une première étape similaire à l'étape décrite dans le premier mode de réalisation, consistant à lithographier des dessins sur la première couche supérieure 12 de gravure de l'oxyde de silicium pour former une couche supérieure 12 15 comprenant des ouvertures 12' traversantes pour former un masque pour la prochaine étape de gravure du germanium. La figure 2c représente ainsi la structure résultante après cette étape de gravure du germanium, qui reproduit dans la couche 13 de germanium les 20 dessins de la couche supérieure 12, en formant des ouvertures 13' traversantes dans la couche de germanium, superposées aux ouvertures 12' de la couche supérieure 12. La figure 2d représente la structure finale obtenue après une gravure de la 25 couche 15 de silicium pour former une cavité 44 disposée sous le germanium, par exemple par gravure humide à l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH), qui grave sélectivement le silicium par rapport au germanium à une profondeur suffisante pour libérer la membrane. Dans ce second mode de réalisation, la couche 15 de silicium 3022684 7 remplit donc ici la fonction de couche sacrificielle. Il en résulte une membrane 20 de germanium sous tension suspendue. Comme cela ressort des descriptions ci-dessus des deux modes de 5 réalisation, les procédés utilisés sont avantageusement similaires et compatibles avec les procédés CMOS utilisés pour la fabrication des composants électroniques à base de silicium. Selon le mode de réalisation de l'invention, les gravures effectuées dans 10 les étapes précédentes des procédés de fabrication, formant des ouvertures 2', 3', 12', 13' pour obtenir finalement une membrane 20 de germanium suspendue, présentent une forme particulière avantageuse. Les figures 3a à 3d représentent à titre d'exemples de réalisation des formes de membranes 20 de germanium selon différentes variantes de 15 réalisation de l'invention. Ces figures montrent en effet en vues de dessus des structures telles que représentées en coupe de côté par les figures 1d et 2d. Chaque membrane 20 se décompose en une partie centrale, dite zone active 21 ou zone d'intérêt, où se concentre la tension qui permet de doter la zone active 21 de propriétés optiques, électroniques et 20 structurelles intéressantes, sous l'effet de bras de traction 23, reliant la zone active 21 au reste de la structure. Selon un mode de réalisation avantageux, la zone active 21 se présente sous la forme d'un polygone régulier, à symétrie de rotation. Sur les 25 exemples de réalisation des figures 3a à 3d, ce polygone comprend respectivement 4 (cas particulier du carré), 6, 8 et 12 côtés. En variante de réalisation, ce polygone pourrait être irrégulier, tout en gardant une symétrie de rotation, par exemple de forme rectangle, rectangle tronqué,... 30 3022684 8 Selon un mode de réalisation avantageux, les bras de traction 23 sont reliés à un côté 24 sur deux 24, 22 du polygone formant la zone active 21. En variante, toute combinaison d'un certain nombre de bras de traction 23 associés à une zone active comprenant un nombre de côtés multiples du 5 nombre de bras de traction pourrait être envisagée, en répartissant de manière favorable les bras de traction de manière régulière, et symétrique autour de la zone active. De plus, comme plus particulièrement représenté sur les figures 3a et 6, 10 mais aussi vérifié sur les exemples des figures 3b à 3d, les bras de traction 23 présentent avantageusement des formes trapézoïdales, comprenant d'une part un petit côté 24 à la frontière avec la zone active 21, par définition parallèle à un côté de la zone active 21, et un plus grand côté 34 à l'opposé, parallèle au petit côté 24, reliés par deux côtés 15 latéraux 32. Chaque bras de traction 23 comprend avantageusement une forme dont la largeur augmente en s'éloignant de la zone active 21. Chaque côté latéral 32 d'un bras de traction 23 forme un angle a obtus avec le côté 24 de la zone active 21 avec lequel il est relié, donc supérieur à 90 degrés. Le côté latéral 32 se trouve au-delà de la perpendiculaire P 20 au côté 24 de la zone active 21, donnant une forme évasée au bras de traction 23. Les deux côtés latéraux 32 d'un bras de traction 23 ne sont pas parallèles entre eux. Ils s'éloignent de préférence symétriquement par rapport au côté 24 de la zone active 21, pour exercer des contraintes homogènes sur la zone active 21. 25 Les choix géométriques explicités précédemment permettent d'atteindre les avantages suivants : - Les déformations de la membrane de germanium au niveau de la frontière 24 entre la zone active 21 et les bras de traction 23 30 sont améliorées, peuvent être augmentées sans risque de briser 3022684 9 la structure en germanium, notamment du fait des angles obtus présents dans les angles au niveau de ces frontières, qui procurent une grande résistance ; - Le fait d'utiliser des bras de traction 23 présentant une largeur 5 qui augmente en s'éloignant de la zone active, notamment une forme évasée, par exemple trapézoïdale, permet de combiner l'avantage de pouvoir exercer une force importante sur la zone active tout en utilisant un nombre important de bras de traction, de préférence supérieur ou égal à trois, sans risque de 10 chevauchement entre ces bras au niveau de la zone active qui est de petite dimension ; - D'autre part, le fait de choisir une largeur des bras de traction correspondant à la longueur des côtés 24 de la zone active permet de multiplier le nombre de bras de traction liés à la zone 15 active, notamment d'en utiliser au moins trois ; - Le fait d'utiliser des bras de traction 23 présentant une largeur qui augmente en s'éloignant de la zone active permet aussi d'effectuer une étape de gravure du germanium sans exercer une force trop importante sur les bras de traction 23. Pour cela, 20 une telle étape commencera avantageusement par la gravure de la couche sacrificielle au niveau de la zone active, pour libérer progressivement l'ensemble des bras de traction en s'éloignant de la zone active, avec une mise en tension progressive. 25 Naturellement, les géométries représentées par les figures 3a à 3d sont volontairement schématiques et parfaites. Dans la réalité, les formes obtenues seront moins régulières, moins parfaites, mais s'approcheront de ces formes. A titre d'exemple, la figure 4 montre la forme obtenue 3022684 10 selon un exemple réel de fabrication d'une membrane 20 à deux bras de traction 23, s'approchant de la forme de la figure 3a. Les figures 5a et 5b représentent des niveaux de déformation obtenus à 5 l'aide d'un calculateur sur respectivement une membrane selon un mode de réalisation de l'invention et une membrane de mêmes dimensions hors de l'invention. Dans les deux simulations, la zone active 21 présente une largeur de 1 pm pour une longueur de 8 pm, et les bras de traction 23 présentent une longueur de 28 ilm. Il apparait qu'avec deux bras de forme 10 trapézoïdale selon le mode de réalisation de l'invention, représenté par la figure 5a, les déformations (et donc les contraintes) obtenues au sein de la membrane présentent une bonne uniformité, plus précisément un rapport entre la déformation maximale observée dans les coins 25 de la zone active au niveau de la frontière 24 avec les bras de traction 23 et la 15 déformation au centre 26 de l'ordre de 1,45. Dans l'exemple comparatif simulé avec deux bras de traction 23 rectangulaires, représenté par la figure 5b, le même rapport est de 2,57. Il en résulte qu'il est possible d'appliquer une déformation maximale beaucoup plus grande avec la réalisation représentée par la figure 5a avant la rupture de la membrane 20 en germanium. La figure 6 illustre aussi l'uniformité de la distribution des déformations au sein d'une membrane à trois bras de traction 23, de forme trapézoïdale, dans une réalisation proche de la géométrie de la figure 3b. En remarque, 25 dans cette réalisation, il apparaît aussi qu'il est avantageux de former des côtés 22' courbés de la zone active 21, entre deux bras de traction 23, en remplacement des côtés 22 du polygone régulier. Ainsi, dans cette réalisation, la périphérie de la zone active 21 comprend des liaisons arrondies entre les bras de traction 23 voisins, formant une zone active 21 30 concave. Cette approche permet de supprimer les angles, ce qui réduit 3022684 11 encore les zones de fortes contraintes. Ainsi, par forme polygonale de la zone active 21 de la membrane 20 selon l'invention, nous entendons aussi une forme avec des côtés 22' courbés. Avec une réalisation selon la figure 6, une déformation de 1,9% de la membrane est appliquée, tout en 5 conservant un rapport de déformation de 1,13 seulement, ce qui démontre une grande uniformité de la répartition des contraintes au sein de la zone active. Des variantes de réalisation ont été illustrées précédemment à titre 10 d'exemples non limitatifs. Naturellement, d'autres formes de membranes peuvent être choisies tout en restant dans le cadre de l'invention. Notamment, tous les bras de traction peuvent ne pas être identiques, même s'il est avantageux d'utiliser des bras de même forme, uniformément répartis autour de la zone active, pour rechercher la 15 géométrie la plus homogène possible. Il est généralement aussi préférable d'utiliser au moins trois bras de traction. Finalement, l'invention est mise en oeuvre dès lors qu'au moins un bras de traction 23 présente une largeur qui augmente en s'éloignant de la zone 20 active, au moins sur une partie de sa longueur. De plus, il a été montré des bras de traction relié à une zone active selon une largeur correspondant à un côté 24 d'un polygone de la zone active. Naturellement, la zone active peut présenter d'autres formes et la liaison entre un bras de traction 23 et la zone active 21 peut différer de la largeur 25 d'un côté 24 d'un polygone. Enfin, même si l'invention permet avantageusement la réalisation de membranes entièrement en germanium, il est naturellement possible d'implémenter l'invention à partir d'un alliage à base de germanium, comme SiGe, SiGeSn, ou d'empilements de couches en matériaux différents à base de germanium. 30 3022684 12 Une telle membrane de germanium selon l'invention permet la réalisation de plusieurs types de dispositifs optiques et/ou électroniques. A titre d'exemples, nous pouvons citer une diode, un transistor, un dispositif luminescent comme un laser, un photodétecteur. 5 Dans ces exemples, le matériau sous contrainte est le matériau actif pour l'application envisagée. Mais ce matériau sous contrainte peut aussi être utilisé comme un nouveau matériau de substrat pour réaliser la croissance d'un autre matériau qui sera alors le matériau actif pour l'application 10 envisagée. En effet, il est bien connu que la qualité de la croissance cristalline d'un matériau en couche mince sur un substrat est fortement dépendante de l'écart entre les paramètres de maille du substrat et de la couche : il faut que ces deux paramètres soient les plus proches possibles pour éviter les défauts de croissance. Habituellement, ce problème est 15 résolu par exemple en déposant une couche intermédiaire tampon avant la croissance du matériau actif pour adapter les paramètres de maille mais ceci impose des étapes supplémentaires lors de la fabrication. Grâce à l'invention, on peut réaliser alors un substrat à la demande, dont le paramètre de maille sera ajusté à celui du matériau actif : il suffit 20 d'appliquer les contraintes nécessaires pour étirer la structure cristalline du substrat jusqu'à obtention d'une maille la plus voisine possible de celle du matériau de croissance, puis de réaliser la croissance. Ces variations peuvent être importantes jusqu'à quelques pourcents. 25 Les figures 7a à 7g représentent différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un laser intégrant des membranes de germanium selon un mode de réalisation de l'invention, plus précisément un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). 3022684 13 Les premières étapes de fabrication, représentées par les figures 7a à 7d, correspondent aux étapes décrites précédemment en référence avec les figures la à ld pour obtenir une membrane en germanium. Dans cette réalisation, la forme des membranes 20 est choisie pour atteindre une 5 déformation suffisante dans la zone active supérieure à 1,6%, pour obtenir l'effet laser à l'aide du germanium. Pour cela, la forme de la membrane 20 selon les figures 3b et 6 convient bien par exemple. Le procédé comprend ensuite une étape supplémentaire consistant en un 10 dépôt d'aluminium sur la membrane 20 de germanium, comme représenté par la figure 7e. Une étape supplémentaire supprime l'aluminium se trouvant au-dessus et sur les côtés de la membrane 20, pour ne laisser finalement que la couche d'aluminium sous la membrane, comme représenté par la figure 7f. Pour cela, une gravure par faisceau d'argon 15 peut être mise en oeuvre, en ayant pris soin de disposer une couche d'alumine 42 sous l'aluminium pour former une couche d'arrêt lors de cette gravure. L'aluminium forme ainsi un premier miroir 41. Enfin, le dessus de la structure est recouvert d'un second miroir 43 20 conventionnel, par exemple un miroir diélectrique, notamment un miroir de Bragg. Pour cela, un dépôt par évaporateur de couches de faibles et forts indices peut être mis en oeuvre, pour obtenir la membrane 20 illustrée par la figure 7g, comprenant deux miroirs inférieur et supérieur. Ces couches sont conçues de sorte à induire peu de contrainte et n'affectent pas la 25 déformation de la membrane 20 dans la zone active. La figure 8 illustre la structure en coupe du laser obtenu, comprenant une cavité 44 comprenant les deux types de miroirs 41, 43. 3022684 14 D'autres configurations de laser peuvent être mises en oeuvre en intercalant des couches entre la membrane et le miroir afin d'améliorer le rendement. De même, la cavité peut être réalisée dans le substrat 15. Enfin, pour réaliser un laser horizontal (dans lequel la lumière se propage 5 dans le plan de la membrane), la membrane (zone active et/ou bras) peut être structurée à des dimensions comprises entre À/10 et 10À pour former un cristal photonique. 10 15 REVENDICATIONS1. Dispositif optique et/ou électronique comprenant une membrane (20) à base de germanium suspendue, comprenant une zone active (21) mise en tension par des bras de traction (23), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bras de traction (23) comprenant des côtés latéraux (32) non parallèles, dont la largeur augmente en s'éloignant de la zone active (21). 2. Dispositif optique et/ou électronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bras de traction (23) dont les côtés latéraux (32) forment un angle obtus avec la zone active (21) au niveau de la frontière entre le bras de traction (23) et la zone active (21). 3. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bras de traction (23) de forme trapézoïdale. 4. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les bras de traction (23) présentent une même forme et sont répartis de manière régulière autour de la zone active (21). 5. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois bras de traction (23). 6. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une zone active (21) sensiblement polygonale, notamment formant un polygone régulier, dont 3022684 16 le nombre de côtés (22, 24) est un multiple du nombre de bras de traction (23). 7. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des liaisons (22') arrondies au niveau de la périphérie de la zone active (21) reliant deux bras de traction (23). 8. Dispositif optique et/ou électronique selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce qu'il est une diode, un transistor, un dispositif luminescent, un laser, un photodétecteur, un substrat. 9. Dispositif optique et/ou électronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est un dispositif optique et en ce qu'il comprend un 15 premier miroir (41) sous la membrane (20) à base de germanium et/ou un second miroir (43) au-dessus. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif optique et/ou électronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 20 - gravure d'une couche (3 ; 13) à base de germanium pour former au moins un bras de traction (23) comprenant des côtés latéraux (32) non parallèles, dont la largeur augmente en s'éloignant d'une zone active (21) ; - gravure d'une couche sacrificielle (4 ; 15) sous la couche (3 ; 13) à 25 base de germanium pour obtenir une membrane (20) à base de germanium suspendue comprenant la zone active (21) et le au moins un bras de traction (23). 11. Procédé de fabrication d'un dispositif optique et/ou électronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de gravure de 3022684 17 la couche sacrificielle s'étend progressivement du centre de la membrane (20), au niveau de la zone active (21), jusqu'au bord extérieur des bras de traction (23). 5 12. Procédé de fabrication d'un dispositif optique et/ou électronique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépôt d'une couche réfléchissante pour former un miroir (41), notamment d'aluminium, sous la membrane (20) et/ou une seconde étape de dépôt d'une couche réfléchissante pour former un miroir sur la membrane. 10